专利名称：渗流-应力耦合作用下岩石材料渗透系数的测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种在复杂应力条件下检测岩石材料渗透性的装置和方法，特别是指 一种在渗流-应力耦合作用下测量岩石材料的渗透系数的可视化装置及方法，适用于重大 水电、桥梁、道路工程之材料水-力耦合及石油地下储存、核肥料处理气-力耦合作用下渗 透系数的研究和测量。
背景技术：
岩石材料的渗透性是指在流体或气体作用下，岩石的孔隙和裂隙渗透的能力，渗 透系数的物理意义是岩石材料对某种特定流体的渗透能力。岩石在其漫长的形成过程中， 内部富含各种缺陷，包括微裂纹、孔隙以及节理裂隙等宏观非连续面，他们的存在为地下水 或气体渗透提供了储存和运移的场所。渗透作用通常以应力的形式作用于岩石材料中，与 围压和轴压一起影响岩石的应力场分布，与此同时，应力场的改变又会导致材料裂隙发生 进一步变形，改变其渗透性能进而影响渗透系数，因此，渗流场随着材料的渗透系数变化而 重新分布，这种相互影响即称为渗流-应力耦合。据统计，90 %以上的土木工程边坡破坏与地下水渗透有关，60 %的矿井事故与地 下水作用有关，30%-40%的水电工程大坝失稳是由渗透作用引起的，此外，地下水抽放、油 气开采、水库诱发地震、地表沉降、地下核废料存储都涉及到渗流-应力耦合问题，均需要 对渗流_应力耦合作用下岩石材料的渗透系数进行研究。随着我国国民经济的飞速发展， 国家正逐步实施水电、石油、天然气等战略能源储备，以完善国家战略能源储备体系，实现 高碳经济型向低碳经济型能源的转变，从而更加主动地掌握国际能源政策。重大地下工程及土木工程的大量兴建，导致渗流_应力耦合作用下岩石材料在动 态平衡体系中的变形、损伤破坏及稳定性成为工程学科的热点问题，但解决这些问题的关 键在于得到耦合作用下渗透系数的变化过程和规律，建立出能够反映应力应变及渗透系数 演化规律的渗流_应力耦合数学模型，从微细观角度对工程的渗透破坏机理和长期稳定性 进行研究，对于工程安全开发，减少灾害具有重要的现实意义。在参阅国内外资料的基础上，可知原有的渗透系数测试技术存在无法考虑不同应 力路径、温度不能控制、测试装置密封性不好、数据处理完全手工化等缺陷，因此，本发明 人将复杂应力条件下岩石材料的渗透性检测技术与电子可视化技术相结合，发明一种渗 流_应力耦合作用下岩石材料渗透系数的电子可视化数据自动采集处理装置与方法，其可 采用数据与曲线同时输出，提高数据处理的效率与准确度，使其更加直观化，此项技术在国 内外尚属首次。

发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种渗流_应力耦合作用下岩石材料渗透系数的测 量装置及方法，其可测量岩石材料在不同应力加载路径下渗透系数随时间、应力的变化过
4程，操作简单，结果可靠，并可直观显示结果。本发明的次要目的，在于提供一种渗流_应力耦合作用下岩石材料渗透系数的测 量装置及方法，其可实现岩石材料在不同温度下渗透系数的测定，弥补了现存装置温度无 法控制的不足，避免因温度因素造成数据结果的误差，提高测量准确性。为了达成上述目的，本发明的解决方案是一种渗流-应力耦合作用下岩石材料渗透系数的测量装置，包括三轴压力室平衡 系统、渗透系数采集系统和数据采集处理系统；三轴压力室平衡系统包括轴压泵系统、围压泵系统、试样装置系统、渗流控制系统 和液体排出系统，其中，轴压泵系统、围压泵系统分别与试样装置系统相连，用于通过不同 应力路径对试样在轴向、侧向进行加载；渗流控制系统和液体排出系统分别连接试样装置 系统的两端，所述的渗流控制系统控制试样的渗透压力，所述的液体排出系统用于使试样 中渗透出来的流体进入渗透系数采集系统；渗透系数采集系统包括电子称重装置、固定装置和带塞烧瓶，其中，带塞烧瓶的入 口连接液体排出系统的出口，且该带塞烧瓶借助固定装置固定于电子称重装置上，实现对 岩石材料试样渗透流体质量的测定；数据采集处理系统包括电子数据传感器、数据交换口、数据处理装置、电子显示器 和存储器，其中，电子数据传感器与电子称重装置连接，且所述的电子数据传感器还通过数 据交换口连接数据处理装置，从而每隔一定时间将测得的岩石材料渗透流体的质量送入数 据处理装置，根据测量数据计算得出渗透流量和渗透系数，并绘制得出渗透系数和时间的 关系曲线，同时制作质量、渗透流量、渗透系数的数据表格；所述的数据处理装置分别连接 电子显示器、存储器，一方面将绘制得到的关系曲线和数据表格送入电子显示器进行显示， 另一方面将前述质量、渗透流量和渗透系数送入存储器进行存储。上述试样装置系统包括一圆柱状的硅胶套装置和两个具有渗透孔的圆形刚体垫 块，且两个刚体垫块的直径与硅胶套装置的直径相同，并分别轴向设于硅胶套装置的内部。上述试样装置系统沿轴向竖直放置，渗流控制系统连接试样装置系统内位于下端 的刚体垫块，而液体排出系统连接试样装置系统内位于上端的刚体垫块。上述三轴压力室平衡系统还包括温度控制系统，所述的温度控制系统设于试样装 置系统附近，控制试样所处环境的温度。上述电子称重装置连接有可即时显示其称量质量的显示器。一种利用前述渗流-应力耦合作用下岩石材料渗透系数的测量装置进行测量的 方法，包括如下步骤(1)将圆柱形饱和试样侧向置于试样装置系统内，并依次对围压泵系统、渗流控制 系统、轴压泵系统的参数进行设置；(2)将液体排出系统和带塞烧瓶连接，利用固定装置将带塞烧瓶固定于电子称重 装置上，并将其显示器此刻的质量归零；(3)通过电子数据传感器、数据交换口实现电子称重装置与数据处理装置、电子显 示器的连接，实现数据自动采集处理功能(3a)向数据处理装置手动输入试样长度L、试样直径D、液体密度P、渗透压力P 和时间间隔ΔΤ，在试验过程中数据处理装置采集带塞烧瓶的初始质量Hitl及每隔时间间隔Δ T时的质量Hi1，根据公式(1)Ami =IV1-Iiii (1)得到此时渗透液体的质量Arv再根据公式⑵、(3)，得到渗透流量Qtl和渗透系数 Κ。，并由此进行循环工作；
(2)
(3)式中m-烧瓶内通过试样渗出的液体质量，单位g，Q-单位时间内通过试样渗出的液体量，单位m3/s，ρ -液体的密度，单位g/cm3，Δ T-数据采集的液体渗透时间，渗透系数较小，为方便计时，单位h，L-试样的长度，单位mm，D-圆柱形试样材料渗透截面的直径，单位mm，P-试样两端的渗透压力差，单位MPa，K0-单位时间内试样的渗透系数，单位m/s ；(3b)将计算得到的每个渗透系数Kn及其所对应的时间T标注在同一坐标系下，并 绘制成曲线输出，同时将质量m、渗透流量Q、渗透系数Ktl的每组对应数值以表格的形式输
出ο采用上述方案后，本发明具有以下特点(1)可实现不同应力加载路径条件下的渗透性测试；(2)将试样中渗透流体的质量置于密闭的带塞烧瓶中进行称量，减少了挥发；同 时采用数据自动采集、计算，自动化程度较高，从而避免人工主观处理数据所带来的试验误 差；(3)设置电子显示器，可直观显示计算所得的渗透系数等参数，便于测试人员查 看；(4)试验原理建立于达西定律之上，解决了渗流-应力耦合作用下岩石材料渗透 系数测试及数据处理问题；(5)设置温度控制系统，可方便调节试样所处环境的温度，从而提高测量结果的准 确性，同时实现在不同温度下试样渗透系数的测定。


图1是本发明测量装置的结构示意图；图2是本发明测量装置中试样装置系统的结构示意图；图3是本发明测量装置中渗透系数采集系统的俯视图；图4是本发明一个实施例的渗透系数变化曲线图。
具体实施例方式以下将结合附图及具体实施例对本发明的结构及原理进行详细说明。
首先参考图1所示，本发明提供一种渗流-应力耦合作用下岩石材料渗透系数的 测量装置，包括三轴压力室平衡系统1、渗透系数采集系统2和数据采集处理系统3，下面将 分别介绍。三轴压力室平衡系统1包括轴压泵系统11、围压泵系统12、试样装置系统13、渗流 控制系统14、液体排出系统15和温度控制系统16，其中，轴压泵系统11与围压泵系统12 分别与试样装置系统13连接，用于实现在不同应力路径下对岩石材料试样的轴向、侧向进 行加载；且轴压泵系统11采用刚性压力机，最大可达lOOMpa，而围压泵系统12采用液体油 装置进行均布加压，施加范围为0 50Mpa。试样装置系统13包括一圆柱状的硅胶套装置131和两个具有渗透孔的圆形刚体 垫块132，其中，为了适应普通试样的尺寸，本实施例中将硅胶套装置131设计为直径50mm、 长度150mm，该硅胶套装置131具有不透水、不透气的特性，以确保试样4仅于轴向渗透；两 个刚体垫块132的尺寸均为直径50mm、长度3mm，用于设置在硅胶套装置131的两端，其上 设置的渗透孔可用于供试样4渗透的流体通过，进行采集，可同时配合图2所示。渗流控制系统14和液体排出系统15分别连接试样装置系统13两端的刚体垫块 132，具体来说，试样装置系统13为沿轴向竖直放置，两个刚体垫块132分别位于硅胶套装 置131的上端和下端，渗流控制系统14连接试样装置系统13下端的刚体垫块132，用于控 制试样4的渗透压力以及流体通过试样4的流量，使流体能够渗透试样4，提高测量结果的 准确性；此处渗流控制系统14通过流体施加的渗透压最大可达30MPa，可使得渗透出来的 流体顺利进入后续的液体排出系统15。液体排出系统15与渗流控制系统14位置相对，连接试样装置系统13上端的刚体 垫块132，所述的液体排出系统15为细管状的刚体结构，其内圆直径为2. 5mm，外圆直径为 5mm，一端与刚体垫块132连接，另一端可直接与空气接触。温度控制系统16设于试样装置系统13附近位置，可将试验时岩石材料试样4所 处环境的温度控制在10°c 100°C之间的任意温度，以实现在不同温度下渗流-应力耦合 作用对岩石材料渗透系数的影响的研究。渗透系数采集系统2包括电子称重装置21、固定装置22和带塞烧瓶23，其中，带 塞烧瓶23的入口连接液体排出系统15的出口，也即与空气接触的一端，所述的带塞烧瓶23 包括烧瓶231和瓶塞232，所述烧瓶231的直径为50mm，长度为80mm，而瓶塞232的直径为 25mm,长度为5mm，用于固定在烧瓶231的瓶口，实现密封结构，防止流体的挥发，提高测量 结果的准确性。电子称重装置21具有圆形的托盘，配合图3所示，该托盘的直径与烧瓶231的直 径相同，并在该托盘的四周分布有长度为12mm的固定钢片211 ；电子称重装置21的整体直 径为75mm，长度为100mm，最大量程选为lOOOg，精确度可保留2位小数，所述的电子称重装 置21还连接有显示器，用于即时显示所称量的物体质量。固定装置22用于将带塞烧瓶23固定在电子称重装置21上，并在顶端设有固定螺 栓221，以进一步保持渗透系数采集系统2的密封性，实现对试样渗透流体质量的测定精确 性。数据采集处理系统3包括电子数据传感器31、数据交换口 32、数据处理装置33、电 子显示器34和存储器35，其中，电子数据传感器31与电子称重装置21连接，用于采集试器31的另一端通过数据交换口 32连接数据处理装 置33，每隔一定的时间，便将采集到的质量数据送入数据处理装置33，由数据处理装置33 根据预先编辑的程序进行计算处理，得出渗透流量和渗透系数，并绘制得出渗透系数和时 间的关系曲线，制作包含质量、渗透流量、渗透系数的表格；所述的数据处理装置33的输出 端分别连接电子显示器34和存储器35，一方面将前述关系曲线送入电子显示器34进行显 示，另一方面送入存储器35保存，便于测试人员事后调阅查看。根据前述的测量装置，本发明还提供一种渗流-应力耦合作用下岩石材料渗透系 数的测量方法，包括如下步骤(1)将尺寸为直径50mm、长度IOOmm的圆柱形饱和试样4侧向置于密封不透水、不 透气的圆形状硅胶套131装置内，并在该试样4的底部和顶部分别设置一个存在渗透孔的 圆形刚体垫块132。并依次对围压泵系统12、渗流控制系统14、轴压泵系统11和温度控制 系统16的参数进行设置；(2)将液体排出系统15和带塞烧瓶23连接，利用固定装置22将带塞烧瓶23固定 于电子称重装置21上，并将其显示器此刻的质量归零；(3)通过电子数据传感器31、数据交换口 32实现电子称重装置21与数据处理装 置33、电子显示器34的连接，实现数据电子可视化自动采集处理功能；具体的计算处理过 程为(3a)向数据处理装置33手动输入试样长度L、试样直径D、液体密度P、渗透压力 P和时间间隔△ T等物理参数，在试验过程中数据处理装置33会接收到带塞烧瓶23的初始 质量mQ及每隔时间间隔ΔΤ时的质量叫，根据公式(1)Ami=IHw-Iiii (1)得到此时渗透液体的质量Arv再根据公式⑵、(3)，得到渗透流量Qtl和渗透系数
K。，并由此进行循环工作。 IO-9Ami(2)KiJ92^l…
‘ nPD1(3)式中m_烧瓶内通过试样渗出的液体质量，单位g，Q-单位时间内通过试样渗出的液体量，单位m3/s，ρ -液体的密度，单位g/cm3，Δ T-数据采集的液体渗透时间，渗透系数较小，为方便计时，单位h，L-试样的长度，单位mm，D-圆柱形试样材料渗透截面的直径，单位mm，P-试样两端的渗透压力差，单位MPa，K0-单位时间内试样的渗透系数，单位m/s ；(3b)将计算得到的每个渗透系数Kn及其所对应的时间T标注在同一坐标系下，并 绘制成曲线输出，同时将质量m、渗透流量Q、渗透系数Ktl的每组对应数值以表格的形式输
出ο以上方案实现了渗流-应力耦合作用下岩石材料渗透系数的测量，测量成本低且
8试验精度高，具有广泛的应用前景。下面通过一实例进行进一步说明选取水-力耦合作用下岩石材料的渗透系数变化进行研究，试样重M = 443. 89g， 直径为D = 50. OOmm,长度L = 102. 09mm,液体密度为1. 00g/cm3,围压为1. OOMPa,渗透压 力P = 0. 25MPa，初始轴压为1. OOMPa，对其进行分级加载，每隔72小时增加0. 75MPa，直至 试样破坏。其中，轴压稳定阶段ΔΤ = 8h，加载至轴压稳定阶段ΔΤ = 0. 25h，得到岩土材 料水_力耦合作用下岩石材料的渗透系数随时间的变化曲线如图4所示。以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是 按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围 之内。
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权利要求
一种渗流 应力耦合作用下岩石材料渗透系数的测量装置，其特征在于包括三轴压力室平衡系统、渗透系数采集系统和数据采集处理系统；三轴压力室平衡系统包括轴压泵系统、围压泵系统、试样装置系统、渗流控制系统和液体排出系统，其中，轴压泵系统、围压泵系统分别与试样装置系统相连，用于通过不同应力路径对试样在轴向、侧向进行加载；渗流控制系统和液体排出系统分别连接试样装置系统的两端，所述的渗流控制系统控制试样的渗透压力，所述的液体排出系统用于使试样中渗透出来的流体进入渗透系数采集系统；渗透系数采集系统包括电子称重装置、固定装置和带塞烧瓶，其中，带塞烧瓶的入口连接液体排出系统的出口，且该带塞烧瓶借助固定装置固定于电子称重装置上，实现对岩石材料试样渗透流体质量的测定；数据采集处理系统包括电子数据传感器、数据交换口、数据处理装置、电子显示器和存储器，其中，电子数据传感器与电子称重装置连接，且所述的电子数据传感器还通过数据交换口连接数据处理装置，从而每隔一定时间将测得的岩石材料渗透流体的质量送入数据处理装置，根据测量数据计算得出渗透流量和渗透系数，并绘制得出渗透系数和时间的关系曲线，同时制作质量、渗透流量、渗透系数的数据表格；所述的数据处理装置分别连接电子显示器、存储器，一方面将绘制得到的关系曲线和数据表格送入电子显示器进行显示，另一方面将前述质量、渗透流量和渗透系数送入存储器进行存储。
2.如权利要求1所述的渗流-应力耦合作用下岩石材料渗透系数的测量装置，其特征 在于所述试样装置系统包括一圆柱状的硅胶套装置和两个具有渗透孔的圆形刚体垫块， 且两个刚体垫块的直径与硅胶套装置的直径相同，并分别轴向设于硅胶套装置的内部。
3.如权利要求2所述的渗流-应力耦合作用下岩石材料渗透系数的测量装置，其特征 在于所述试样装置系统沿轴向竖直放置，渗流控制系统连接试样装置系统内位于下端的 刚体垫块，而液体排出系统连接试样装置系统内位于上端的刚体垫块。
4.如权利要求1所述的渗流-应力耦合作用下岩石材料渗透系数的测量装置，其特征 在于所述三轴压力室平衡系统还包括温度控制系统，所述的温度控制系统设于试样装置 系统附近，控制试样所处环境的温度。
5.如权利要求1所述的渗流_应力耦合作用下岩石材料渗透系数的测量装置，其特征 在于所述电子称重装置连接有可即时显示其称量质量的显示器。
6.一种利用如权利要求1所述的渗流-应力耦合作用下岩石材料渗透系数的测量装置 进行测量的方法，其特征在于包括如下步骤(1)将圆柱形饱和试样侧向置于试样装置系统内，并依次对围压泵系统、渗流控制系 统、轴压泵系统的参数进行设置；(2)将液体排出系统和带塞烧瓶连接，利用固定装置将带塞烧瓶固定于电子称重装置 上，并将其显示器此刻的质量归零；(3)通过电子数据传感器、数据交换口实现电子称重装置与数据处理装置、电子显示器 的连接，实现数据自动采集处理功能(3a)向数据处理装置手动输入试样长度L、试样直径D、液体密度P、渗透压力P和时 间间隔ΔΤ，在试验过程中数据处理装置采集带塞烧瓶的初始质量Hitl及每隔时间间隔ΔΤ 时的质量Hi1，根据公式(1)Ami = IV1-Iiii(1)得到此时渗透液体的质量△ IV再根据公式(2)、(3)，得到渗透流量Qtl和渗透系数Ktl， 并由此进行循环工作； (2)_ (3)式中m-烧瓶内通过试样渗出的液体质量，单位g，Q-单位时间内通过试样渗出的液体量，单位m3/s，P “液体的密度，单位g/cm3，Δ T-数据采集的液体渗透时间，单位h，L-试样的长度，单位mm，D-圆柱形试样材料渗透截面的直径，单位mm，P-试样两端的渗透压力差，单位MPa，K0-单位时间内试样的渗透系数，单位m/s ；(3b)将计算得到的每个渗透系数Kn及其所对应的时间T标注在同一坐标系下，并绘制 成曲线输出，同时将质量m、渗透流量Q、渗透系数Ktl的每组对应数值以表格的形式输出。全文摘要
本发明公开一种渗流-应力耦合作用下岩石材料渗透系数的测量装置，包括三轴压力室平衡系统、渗透系数采集系统和数据采集处理系统；其中三轴压力室平衡系统通过不同应力路径对试样在轴向、侧向进行加载；渗透系数采集系统连接三轴压力室平衡系统，实现对岩石材料试样渗透流体质量的测定；数据采集处理系统定时采集岩石材料渗透流体的质量，计算渗透流量和渗透系数，并绘制得出渗透系数和时间的关系曲线，同时制作质量、渗透流量、渗透系数的数据表格，进行存储及显示。此种测量装置可测量岩石材料在不同应力加载路径下渗透系数随时间、应力的变化过程，操作简单，结果可靠，并可直观显示结果。本发明还公开一种利用前述测量装置进行测量的方法。
文档编号G01N5/00GK101915724SQ20101025977
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月20日 优先权日2010年8月20日
发明者张玉, 徐卫亚, 王伟, 王如宾, 顾锦建 申请人:河海大学