一种岩石裂隙的制取和渗流装置及渗流特性的试验方法

摘要

本发明公开了一种岩石裂隙的制取和渗流装置，包括弧形压头系统、试件系统、加载系统，加载系统包括反力架、加载油缸、移动横梁，移动横梁设置在反力架内，加载油缸固定在反力架顶部，加载油缸与移动横梁相连，弧形压头系统包括第一弧形压头和第二弧形压头，第一弧形压头固定在移动横梁下端，第二弧形压头固定在反力架底部，试件系统包括岩石试件和热塑管，岩石试件夹置于第一弧形压头与第二弧形压头之间，岩石试件外包裹有热塑管。本发明的装置中岩石试件夹置于第一弧形压头与第二弧形压头之间，采用弧形接触的方式来制取岩石裂隙，使得加载弧面与试件侧面紧密贴合，制取的裂隙更贴近真是裂隙。本发明还公开了一种岩石裂隙渗流特性的试验方法。

说明书

技术领域

本发明涉及工程地质技术领域，特别涉及一种岩石裂隙的制取和渗流装置及渗流特性的试验方法。

背景技术

裂隙岩体是水利水电工程、采矿工程、铁路和公路建设工程、土木建设工程、石油工程、海洋勘探与开发工程等各种工程中经常遇到的复杂介质，岩石裂隙的渗流规律始终是岩石力学工作者研究的前沿与热门课题。

现有技术通过劈裂试验或人工割缝使岩石试件产生贯通裂隙，但是现有技术的制取岩石裂隙与原生裂隙存在诸多差异，如劈裂试验产生两个岩块，将两个岩块合拢，从而形成岩石裂隙，通过劈裂试验获取的岩石裂隙面是平滑干净的，不含岩石碎屑，因此这种方法获取的岩石裂隙与真实的岩石裂隙之间存在较大的差异。其次通过人工割缝的方法制取的岩石裂隙过于理想，无法模拟岩石裂隙的复杂性。对于岩石裂隙的渗流装置，现有技术针对的是现成既有的岩石裂隙渗流装置，对岩石裂隙形成的全过程中的渗流装置和试验方法尚未见。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种可以获得包含岩石碎屑的岩石裂隙的岩石裂隙的制取和渗流装置，并提供一种测量岩石裂隙形成过程中的渗流特性的试验方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种岩石裂隙的制取和渗流装置，包括弧形压头系统、试件系统、加载系统，所述加载系统包括反力架、加载油缸、移动横梁，所述移动横梁横向设置在反力架内并可紧贴反力架内壁滑动，所述加载油缸固定在反力架的顶部，加载油缸与移动横梁上端相连，所述弧形压头系统包括第一弧形压头和第二弧形压头，第一弧形压头固定在移动横梁下端，第二弧形压头固定在反力架的底部，且第一弧形压头与第二弧形压头的弧形面相对设置，所述试件系统包括岩石试件和热塑管，所述岩石试件横向夹置于第一弧形压头与第二弧形压头之间，岩石试件外包裹有热塑管。

上述岩石裂隙的制取和渗流装置中，所述第一弧形压头与移动横梁之间设有压力传感器。

上述岩石裂隙的制取和渗流装置中，所述第一弧形压头与第二弧形压头之间设有位移传感器。

上述岩石裂隙的制取和渗流装置中，所述岩石试件为圆柱体试件，热塑管的一端与岩石试件的一端平齐，热塑管的另一端伸出岩石试件另一端的端面。

上述岩石裂隙的制取和渗流装置还包括流量测量系统，流量测量系统包括量杯和电子天平，所述量杯置于电子天平上且正对岩石试件与热塑管的平齐端，热塑管伸出岩石试件的空间内填充水体。

一种岩石裂隙渗流特性的试验方法：包括以下步骤：

（1）用热塑管包裹在圆柱体岩石试件的侧面，热塑管的下端与岩石试件的底部齐平,热塑管的上端伸出岩石试件的上表面,在热塑管伸出岩石试件的空间内插入与岩石试件直径相同的木棍；

（2）用热风枪对热塑管均匀加热，确保热塑管受热均匀收缩并紧贴在岩石试件和木棍的侧面；待热塑管冷却后将木棍取出；

（3）将弧形压头系统与加载系统连接好，然后将反力架倒置，将包裹有热塑管的岩石试件竖向放置于一垫块上，并置于第一弧形压头、第二弧形压头的弧形面中间，其中热塑管伸出岩石试件的一端朝上，用水体充填热塑管伸出岩石试件的空间；

（4）用0.05mm/s的加载速率，加载油缸对移动横梁进行加载，移动横梁带动第一弧形压头向第二弧形压头运动，当第一弧形压头、第二弧形压头与热塑管之间的接触压力达到5.0N，停止加载，将岩石试件下的垫块拿掉，在岩石试件的底部下方放置量杯和电子天平,量杯置于电子天平上；将加载方式改为力控，加载速率设置为2N/s,重新加载；在加载过程中记录压力传感器和位移传感器所记录的数据,并做出压力-位移曲线，当压力-位移曲线产生跌落时,马上停止试验，此时岩石裂隙从岩石试件的中部产生，岩石裂隙被包裹在热塑管内，其岩石碎屑也包含在岩石裂隙内；

（5）产生裂隙后，在加载过程中，岩石试件的下方的量杯收集通过岩石裂隙的水体，用电子天平记录水体重量的变化规律，从而计算出水的流量，获得岩石裂隙形成过程中的渗流特性。

上述岩石裂隙渗流特性的试验方法，所述步骤（2）中，对热塑管包裹岩石试件的部位进行均匀加热，确保热塑管受热均匀收缩，并紧贴在岩石试件的侧面，热塑管包裹木棍的部位加热到热塑管受热收缩接触木棍侧面即可。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的装置设有第一弧形压头与第二弧形压头，第一弧形压头与第二弧形压头的弧形面相对设置，岩石试件夹置于第一弧形压头与第二弧形压头之间，采用弧形接触的方式来制取岩石裂隙，使得加载弧面与试件侧面紧密贴合，制取的裂隙更贴近真是裂隙。

2、本发明的装置在岩石试件外包裹有热塑管，可避免岩石碎屑的流失，获得包含岩石碎屑的岩石裂隙，获得的岩石裂隙与真实岩石裂隙更加接近。

3、本发明的试验方法中，采用水体充填热塑管伸出岩石试件的空间，测量岩石裂隙形成的全过程中的水流量的变化，从而获得岩石裂隙形成全过程中的渗流特性，填补了现有技术的空白。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为图1中第一弧形压头的结构示意图。

图3为图1中热塑管的结构示意图。

图4为本发明进行渗流试验时的装置放置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-图3所示，一种岩石裂隙的制取和渗流装置，包括弧形压头系统、试件系统、加载系统和流量测量系统，所述加载系统包括反力架1、加载油缸2、移动横梁3，所述移动横梁3横向设置在反力架1内并可紧贴反力架1内壁滑动，所述加载油缸2固定在反力架1的顶部，加载油缸2与移动横梁3上端相连，通过控制器控制加载油缸2的行程，所述弧形压头系统包括第一弧形压头4和第二弧形压头5，第一弧形压头4用螺栓固定在移动横梁3下端，第一弧形压头4与移动横梁3之间设有压力传感器8，第二弧形压头5用螺栓固定在反力架1的底部，且第一弧形压头4与第二弧形压头5的弧形面9相对设置，第一弧形压头4与第二弧形压头5之间设有位移传感器10，所述试件系统包括圆柱体的岩石试件6和热塑管7，所述岩石试件6横向夹置于第一弧形压头4与第二弧形压头5之间，岩石试件6外包裹有热塑管7，热塑管7的一端与岩石试件6的一端平齐，热塑管7的另一端伸出岩石试件6另一端的端面，在热塑管7伸出岩石试件6的空间内充填水体11，所述流量测量系统包括量杯12和电子天平13，所述量杯12置于电子天平13上且正对岩石试件6与热塑管7的平齐端。

一种岩石裂隙渗流特性的试验方法：包括以下步骤：

（1）用长度为250mm热塑管7包裹在直径为50mm,高度为100mm的圆柱体岩石试件6的侧面，热塑管7的下端与岩石试件6的底部齐平,热塑管7的上端伸出岩石试件6的上表面,在热塑管7伸出岩石试件6的空间内插入与岩石试件6直径相同的木棍15；

（2）用热风枪对热塑管7均匀加热，热塑管7包裹岩石试件6的部位进行均匀加热，确保热塑管7受热均匀收缩，并紧贴在岩石试件6的侧面，热塑管7包裹木棍15的部位进行轻微加热，以保证热塑管7受热收缩接触木棍15侧面；待热塑管7冷却后将木棍15取出，以确保热塑管7包裹岩石试件6部位的口径与外露的未包裹岩石试件6部位的口径一致；

（3）将弧形压头系统与加载系统连接好，然后将反力架1倒置，将包裹有热塑管7的岩石试件6竖向放置于一垫块上，并置于第一弧形压头4、第二弧形压头5的弧形面中间，其中热塑管7伸出岩石试件6的一端朝上，用水体11充填热塑管7伸出岩石试件6的空间；

（4）用0.05mm/s的加载速率，加载油缸2对移动横梁3进行加载，移动横梁3带动第一弧形压头4向第二弧形压头5运动，当第一弧形压头4、第二弧形压头5与热塑管7之间的接触压力达到5.0N，停止加载，将岩石试件6下的垫块拿掉，在岩石试件6的底部下方放置量杯12和电子天平13,量杯12置于电子天平13上；将加载方式改为力控，加载速率设置为2N/s,重新加载；在加载过程中记录压力传感器8和位移传感器10所记录的数据,并做出压力-位移曲线，当压力-位移曲线产生跌落时,马上停止试验，此时岩石裂隙14从岩石试件6的中部产生，岩石裂隙被包裹在热塑管7内，其岩石碎屑也包含在岩石裂隙14内；

（5）产生裂隙后，在加载过程中，岩石试件6的下方的量杯12收集通过岩石裂隙的水体11，用电子天平13记录水体11重量的变化规律，从而计算出水的流量，获得岩石裂隙形成过程中的渗流特性。