高渗透压力下岩石节理全剪切‑渗流耦合试验剪切渗流盒

摘要

本发明涉及一种高渗透压力下岩石节理全剪切‑渗流耦合试验剪切渗流盒，包括用于放置岩石试样的上盒体和下盒体、设置在岩石试样宽度方向两侧的侧板、设置在下盒体底部的承台以及压在岩石试样的法向加载垫块，上盒体、下盒体和侧板共同形成一个用于放置岩石试样的腔体，下盒体和侧板通过螺栓固定，侧板的中部设有直线轨道，上盒体放置在该直线轨道上，上盒体中设有与腔体连通的入水通道，下盒体中设有与腔体连通的出水通道。与现有技术相比，本发明与工程中岩体的真实渗流情况更接近，且能很好实现岩石节理试样在剪切过程中的密封问题，能承受高渗透水压力，试验精度更高，并能够更好地模拟自然状态的岩石节理全剪切‑渗流耦合试验。

说明书

技术领域

本发明涉及剪切盒及试验方法，具体涉及一种高渗透压力下岩石节理全剪切-渗流耦合试验剪切渗流盒.

背景技术

深部地下工程主要涉及到核废料处置、地下天然气储库、深部采矿、CO₂封存、地热开发和压气储能等涵盖国计民生的各个领域。在富含水的深部地下工程中，节理裂隙中往往存在着高渗透差、高水力梯度会引起的高流速渗流以及岩体稳定性问题。一方面深部岩体工程稳定性很大程度上取决于节理渗流特性，反过来深部岩体中应力的变化，尤其是剪切应力的作用，导致节理发生张开或闭合变形而引起节理的渗流特性。高渗透压下深部岩体节理中的渗流与应力耦合特性已成为了大型深部地下工程稳定性分析中的迫切需要解决的关键性科学问题。

目前对岩石节理进行室内剪切-渗流耦合试验是研究节理全剪切-渗流耦合特性研究的直接有效的手段。而研制岩石节理全剪切-渗流耦合试验系统最核心的技术难点在于剪切渗流盒的设计与制作。在对节理的水力耦合特性研究的早期，由于试验条件的限制，尤其是渗流密封技术，试验开展主要集中在节理的辐射流和法向-渗流耦合试验，进行节理剪切-渗流耦合试验并不多。目前国内仅有几台关于岩石节理剪切-渗流耦合特性的试验设备，由于密封技术及剪切渗流盒设计缺陷，在实际的试验过程中岩石节理的剪切渗流存在着密封效果差和试验结果精度不高(剪切盒系统的摩擦过大)的情况，尤其是在高渗透压力作用下，无法实现良好的密封效果。因此本领域技术人员致力于开发一种高渗透压力作用下试验精度更高密封效果更好的全剪切-渗流耦合试验剪切盒。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种承受水压高、实验精确度高的高渗透压力下岩石节理全剪切-渗流耦合试验剪切渗流盒。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高渗透压力下岩石节理全剪切-渗流耦合试验剪切渗流盒，所述剪切渗流盒包括用于放置岩石试样的上盒体和下盒体、设置在岩石试样宽度方向两侧的侧板、设置在下盒体底部的承台以及压在岩石试样上方的法向加载垫块，所述上盒体、下盒体和侧板共同形成一个用于放置岩石试样的腔体，所述下盒体和侧板通过螺栓固定，侧板的中部设有直线轨道，所述上盒体放置在该直线轨道上，所述上盒体中设有与腔体连通的入水通道，所述下盒体中设有与腔体连通的出水通道。

所述的上盒体包括上顶板、设置在上顶板两端的上剪切盒和上固定剪切块以及设置在上剪切盒和岩石试样之间的上移动剪切块，所述岩石试样的一侧与上固定剪切块紧贴，岩石试样的另一侧通过上移动剪切块与所述上剪切盒连接，所述的上顶板、上剪切盒和上固定剪切块一体成型，所述的上顶板中部设有矩形的通孔，所述法向加载垫块穿过该矩形的通孔压在岩石试样的上部，且上顶板放置在直线轨道上，另外，直线导轨上设有小型滚轮，使得上顶板和直线导轨之间的摩擦为滚动摩擦，可以忽略不计，在上盒体和下盒体剪切移动时，不会因上顶板和直线导轨之间的摩擦力而影响实验结果。

所述上移动剪切块包括一号上楔形剪切块和二号上楔形剪切块，所述一号上楔形剪切块的顶面通过紧固内六角螺钉与上顶板固定，一号上楔形剪切块的一侧面与岩石试样紧贴，另一侧呈楔形，所述二号上楔形剪切块的一侧与上剪切盒贴紧，另一侧为与一号上楔形剪切块相匹配的楔形，二号上楔形剪切块的顶部通过上定位内六角螺钉与上顶板垂直移动连接。利用螺钉将上顶板和一号上楔形剪切块固定，避免了一号上楔形剪切块在岩石试样剪切渗流过程中因剪胀而随试样向上发生位移。

所述的下盒体包括下底板、设置在下底板两端的下剪切盒和下固定剪切块以及设置在下剪切盒和岩石试样之间的下移动剪切块，所述岩石试样的一侧与下固定剪切块紧贴，岩石试样的另一侧通过下移动剪切块与所述下剪切盒连接；所述下固定剪切块的顶部与所述上盒体中上移动剪切块的底部接触连接，所述的下底板、下剪切盒和下固定剪切块一体成型。

所述下移动剪切块包括一号下楔形剪切块和二号下楔形剪切块，所述一号下楔形剪切块的底面与下底板接触连接，一号下楔形剪切块的顶面与上固定剪切块的底面接触连接，一号下楔形剪切块的一侧面与岩石试样紧贴，另一侧呈楔形，所述二号下楔形剪切块的一侧与下剪切盒贴紧，另一侧为与一号下楔形剪切块相匹配的楔形，二号下楔形剪切块的底部通过下定位内六角螺钉与下底板垂直移动连接。

在一号上楔形剪切块的底端和一号下楔形剪切块的顶端沿着岩石试样剪切方向开设有一定长度和深度的扁平槽口，这样不仅避免了岩石节理试样在剪切过程中与剪切块发生接触摩擦，同时还为入水和出水通道提供了缓冲流动的空间，避免了在高渗透压力节理中水发生射流现象，形成稳定均匀的渗流场，以便更真实地反应节理中真实的渗流情况。

上盒体中的上移动剪切块和下盒体中的下移动剪切块都是有两块楔形剪切块拼接而成，不仅可以准确地控制试验前岩石试样在剪切方向的位置，还能使试样与剪切块中的横向封水条紧密接触，很好实现岩石节理试样在剪切过程中两端的密封问题。

所述一号上楔形剪切块、下固定剪切块和岩石试样三者交汇处设有入水通道口，所述入水通道贯穿下固定剪切块与入水通道口连通；

所述一号上下楔形剪切块、上固定剪切块和岩石试样三者交汇处设有出水通道口，所述出水通道贯穿上固定剪切块与出水通道口连通；

所述一号上楔形剪切块与岩石试样之间、一号上楔形剪切块与下固定剪切块之间、下固定剪切块与岩石试样之间、一号下楔形剪切块与岩石试样之间、一号下楔形剪切块与上固定剪切块之间、上固定剪切块与岩石试样之间均设有封水条。

所述封水条包括矩形条以及一体成型设置在矩形条一个侧面的梯形条。

所述上顶板的上端设有两个用于压紧一号上楔形剪切块与下固定剪切块之间和一号下楔形剪切块与上固定剪切块之间封水条的轴承件，所述轴承件包括压辊轴以及设置在压辊轴上的两个深沟球轴承，两个所述深沟球轴承分别设置上顶板上并正对一号上楔形剪切块与下固定剪切块之间和一号下楔形剪切块与上固定剪切块之间封水条。

所述的侧板与岩石试样接触面的中部开设通孔，通孔的外侧固定有侧板垫块，该通孔中放置密封胶囊，所述密封胶囊的一端通过螺钉与侧板垫块固定连接，密封胶囊的另一端与岩石试样紧贴，并在密封胶囊和岩石试样之间放置硅胶板；

所述侧板上端的内壁开设U型槽，所述压辊轴架设在两个侧板相对的U型槽内，并通过螺母压紧将两侧板固定；位于U型槽内的压辊轴的上方设置压辊块，所述压辊块通过六角螺钉和侧板的上沿紧固。通过六角螺钉将压辊块和侧板的上沿固定，且随着六角螺钉拧入的深度加大，压辊块收到的向下的里就越大，从而传递给压辊轴的压力也越大，所以施加给深沟球轴承向下的里也越大，深沟球轴承向下挤压上顶板的力也就越大，导致上固定剪切块与下移动剪切块之间的压力也就越大，从而将上固定剪切块与下移动剪切块之间的封水条挤压变形，达到良好的密封效果。

入水通道的一端连接能提供稳定高渗透水压的柱塞式计量泵，在出水通道的一端连接有微型渗流伺服控制系统。在岩石试样两端的入水通道口和出水通道口上分别连接有用于监测水压的水压传感器，并在微型渗流伺服控制系统与出水通道中间安装微型针阀，同时在出水通道上安装有流量计装置，既能有效解决岩石节理试样剪切过程中的压力控制精度问题，又能保证岩石节理剪切过程中稳定的水源压力，并且实现在高渗透压力下控制岩石节理试样出水和入水恒定的水压差，可以很好地模拟高渗透水压下岩石试样剪切渗流情况，并能与工程中岩体的真实渗流情况更接近。

所述法向加载垫块穿过上顶板的通孔压在岩石试样的上部，且法向加载垫块与通孔的内壁之间设有竖向布置的滚珠。将法向加载垫块与上剪切盒由滑动摩擦变滚动摩擦，既保证岩石试样上节理面在垂直方向上运动，还能有效减小系统的摩擦。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：

(1)实现在高渗透压力下控制岩石节理试样出水和入水恒定的水压差，可以很好地模拟高渗透水压下岩石试样剪切渗流情况，并能与工程中岩体的真实渗流情况更接近；

(2)通过设置两个楔形剪切块，可以有效地将封水条压设在入水通道口和出水通道口的外围，很好实现岩石节理试样在剪切过程中两端的密封问题；

(3)利用螺钉将上剪切盒和一号上楔形剪切块固定，避免了一号上楔形剪切块在岩石试样剪切渗流过程中因剪胀而随试样向上发生位移；

(4)上盒体中的上移动剪切块和下盒体中的下移动剪切块都是有两块楔形剪切块拼接而成，不仅可以准确地控制试验前岩石试样在剪切方向的位置，还能使试样与剪切块中的横向封水条紧密接触，很好实现岩石节理试样在剪切过程中两端的密封问题；

(5)在法向加载垫块与上剪切盒的受力面上设置滚珠排，将法向加载垫块与上剪切盒由滑动摩擦变滚动摩擦，既保证岩石试样上节理面在垂直方向上运动，还能有效减小系统的摩擦。

附图说明

图1为本发明的正视剖面结构示意图；

图2为本发明的侧视剖面结构示意图；

图3为封水条的三视图。

其中，1为下剪切盒，2为侧板，3为上剪切盒，4为岩石试样，5a为上固定剪切块，5b为下固定剪切块，6a为一号上楔形剪切块，6b为二号上楔形剪切块，7a为一号下楔形剪切块，7b为二号下楔形剪切块，8a为上定位内六角螺钉，8b为下定位内六角螺钉，9为紧固内六角螺钉，10为封水条，11为密封胶囊，12为入水通道，13为入水通道口，14为出水通道，15为出水通道口，16为螺钉，17为侧板垫块，18为硅胶板，19为螺栓，20为外挡圈，21为内挡圈，22为深沟球轴承，23为压辊轴，24为六角螺钉，25为压辊块，26为直线导轨，27为法向加载垫块，28为滚珠，29为承台，30为上顶板，31为下底板。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种高渗透压力下岩石节理全剪切-渗流耦合试验剪切渗流盒，如图1和图2所示，包括下剪切盒1，设置在下剪切盒1两侧的通过内六角螺钉与下剪切盒垂直固定的两块侧板2以及上剪切盒3。下剪切盒1、两块侧板2及上剪切盒3组成一个用于放置岩石试样4的空腔，空腔两端设有用于固定岩石试样4的上固定剪切块5a、下固定剪切块5b以及可发生水平位移的一号上楔形剪切块6a、二号上楔形剪切块6b、一号下楔形剪切块7a和二号下楔形剪切块7b；其中下固定剪切块5a、下剪切盒1和下底板31加工成一个整体，上固定剪切块5b、上剪切盒3和上顶板30加工成一个整体。二号上楔形剪切块6b、二号下楔形剪切块7b分别通过上定位内六角螺钉8a、下定位内六角螺钉8b与上顶板30、下底板31进行紧固，这样可以将两剪切楔形块紧密接触，实现岩石节理试样的水平方向的固定，还能将剪切块与岩石试样4间的横向封水条10发生挤压，从而保证了岩石试样两端竖向密封。在上顶板30与一号上楔形剪切块6a对应位置开设有一定长度的沉孔，待岩石节理试样的位置固定后，一号上楔形剪切块6a通过沉孔中的紧固内六角螺钉9与上剪切盒发生紧固，可以避免一号上楔形剪切块6a随着岩石试样4在剪切过程中因剪胀发生法向位移，还可以避免一号上楔形剪切块6a与下固定剪切块5a间的横向封水条10变形发生回弹而影响密封。

本实施例中剪切渗流盒的渗流密封系统由封水条10和侧向密封胶囊11组成，封水条主要包括在一号上楔形剪切块6a与岩石试样4之间、一号上楔形剪切块6a与下固定剪切块5a之间、下固定剪切块5a与岩石试样4之间、一号下楔形剪切块7a与岩石试样4之间、一号下楔形剪切块7a与上固定剪切块5b之间、上固定剪切块5b与岩石试样4之间；为更好的实现密封，横向封水条采用类似于“O型圈”(线密封)的密封方式，即采用梯形与矩形组合截面形式如图3所示。上、下剪切块与横向封水条组合使用，这样就保证了岩石节理试样在剪切过程中的两端密封。在一号上楔形剪切块6a的底部前端和一号下楔形剪切块7a的顶部前端分别开设有一定长度和深度横向扁平槽口，这样可以避免岩石上下节理面在剪切过程中与剪切块发生接触破坏，还可以保证岩石节理在剪切过程中，水流在岩石节理前后两端的扁平槽口处形成均匀的稳定流，后再通过节理进行渗流，使节理的渗流更符合自然状态。下固定剪切块5a中开设有一条入水通道12，在下固定剪切块5a的前端设置有若干平行排列的入水通道口13组成前部过水通道，在上固定剪切块中5b中开设出水通道14，出水通道口15由设置上固定剪切块5b的底部前端，由若干平行排列的渗水小孔组成。同时在出入水通道14分别安装水压传感器测量节理面入口处和出口处的水压，以便精确地控制剪切渗流过程中节理面前后两端的压力差。同时在岩石节理的出水端连接有流量计，来测量通过节理的过水流量。

密封胶囊11由弹性及硬度适中的聚氨酯材料制成，内部充有液压油，侧向封水囊具有可塑性好，摩擦小等特点。利用内螺钉16将侧板垫块17与密封胶囊11紧密连接，保证密封胶囊11的密封性。通过伺服加载装置使密封胶囊11承受一定的压力，在油压的作用下侧向封水胶囊11通过软质的硅胶板18与岩石试样4侧面及横向封水条10紧密相贴，从而达到试样侧面的密封。硅胶板18块作为消耗品，成本较低，可以在避免岩石节理在剪切过程中，尤其是高法向应力条件下，侧向封水胶囊11与试样侧面因摩擦而导致的密封胶囊11破坏，还因为材质较软可以很好的与节理试样侧面紧密贴合，试验过程中可以在硅胶板块上涂抹润滑油，来减小硅胶板与试样侧面之间的摩擦。

通过上定位内六角螺钉8a、下定位内六角螺钉8b的预紧力使得与岩土试样4接触的横向封水条10发生长度方向的伸长，从而保证了上下剪切盒两端竖向方向的密封；利用轴承组件将上、下盒体进行紧固，其中轴承组件包括螺栓19、外挡圈20、内挡圈21、深沟球轴承22、压辊轴23。而通过内六角螺钉24和压辊块25将轴承直接作用在上顶板30上施加法向作用力。这时设置在固定剪切块和移动剪切块之间的横向封水条10也发生了长度方向的伸长，来实现剪切盒两端在水平剪切方向的密封。这样在节理周边的密封胶囊组件和横向封水条将形成节理试样四周的水密封边界。侧板2的中部设有直线轨道26，上盒体的上顶板30放置在该直线轨道26上，且直线导轨26上设有小型滚轮，这样上顶板30在岩石试样的剪切方向上可以自由的滑动，以减小上、下剪切盒之间在岩石试样节理过程所产生的摩擦。

岩石节理试样顶部与法向加载垫块27相连，并且在法向加载垫块27与上剪切盒3的作用面上设置滚珠28，这样不仅可以保证岩石试样上节理面在垂直方向上运动，还能有效减小法向加载垫块27与上剪切盒3之间的摩擦。整体剪切盒放置在承台29上，平台嵌在大型的直线导轨上，导轨在水平方向近似无阻尼运动确保了试样与压头的同心度，具有摩擦的特点。在剪切的过程中，上、下剪切盒两端的槽口通过连接销与剪切渗流系统的剪切框架相连。

使用岩石节理全剪切-渗流耦合试验剪切盒的具体步骤如下：

(1)岩石节理试样尺寸为：水渗流方向200mm，渗流宽度100mm，高100mm。试样采用天然节理试样、水泥砂浆复制天然节理试样或劈裂获得的人工节理试样。

对于外部形状不规则的天然节理试样可用水泥砂浆进行外部包裹，制成200×100×100mm的试件；在野外现场挑选天然节理面或室内人工劈裂的节理面，然后通过人工切割成200×100mm的节理面，将此作为模板节理，采用一定质量配比的水、水泥、砂组成的水泥砂浆复制模板节理到规定的试样尺寸；人工节理试样的制作，一般在良好露头的现场采集块状的完整岩样，通过人工切割磨平得到

200×100×100mm的试样，再由劈裂试验获得人工节理。

(2)将下剪切盒与两侧板通过底部的内六角螺钉紧密相连，要合理的装配保证两侧板的垂直度和平行度，后将岩石节理试样放置在下剪切盒底板上。由于在剪切过程中，两侧板、下剪切盒以及下半块节理试样是相对静止的，试验前将下半块节理试样与侧板，以及下半块节理试样与两端的剪切块之间接触位置涂抹液体硅胶，有利于剪切渗流盒系统的整体密封；将横向封水条和放置于上固定剪切块5b和一号下楔形剪切块7a中，通过下定位内六角螺钉拧紧下剪切盒1与一号下楔形剪切块7a，将下半块节理的位移固定，这里通过剪切块中的封水条会发生伸长变形实现节理两端竖直向下的密封。通过上剪切盒顶部的长孔中的紧固内六角螺钉将上剪切盒3与一号下楔形剪切块7a相连接，但勿用力；同时通过上定位内六角螺钉8a将一号上楔形剪切块6a与上剪切盒3紧固连接，再将紧固内六角螺钉紧定。在上剪切盒放置后，调整六角螺钉24，通过压辊块25及其轴承组件将上、下剪切盒紧密的接触。这里最重要的是利用电磨机将两侧板中伸长出的封水条进行修平，最后将密封胶囊11安装在两侧板2上，由于节理的上半块是相对下剪切盒移动的，可将密封胶囊11中的硅胶板18块的下半段涂抹液体硅胶，上半端涂抹润滑油，以最大程度上降低剪切过程中摩擦的影响。

(3)将安装完试样的剪切盒放入预定的试验工位，用不锈钢管将剪切盒出入水口的通道与出入水压加载系统相连接，并将出水通道与流量计连接好；检查各系统是否正常工作，之后进行岩石节理的剪切渗流试验。