[发明专利]一种裂隙岩体应力与渗流耦合测试系统及方法

权利要求书

1.一种裂隙岩体应力与渗流耦合测试系统，其特征在于：测试系统包括：渗流实验装置、应力和位移加载系统和数据采集系统；渗流实验装置与应力和位移加载系统连接，渗流实验装置与应力和位移加载系统的电控数据输送到数据采集系统，根据数据采集系统采集到电控数据对渗流实验装置与应力和位移加载系统进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体应力与渗流耦合测试系统，其特征在于：所述的渗流实验装置包括：过滤阀、电动试压泵、溢流阀、换向阀、限流阀、蓄能器、流量传感器、压力传感器、截止阀、贮水箱、水管、渗透仪装置、滤液阀和拓展接口；过滤阀、电动试压泵、换向阀、限流阀和流量传感器顺序连接，并连接有二个截止阀，一个截止阀连接到贮水箱内，一个截止阀与水管连接，在电动试压泵和换向阀之间通过溢流阀连接至水池内，在流量传感器两端或者在限流阀和储水箱之间的管道上连接有蓄能器和压力传感器，水管的另一端连接二个截止阀，一截止阀与贮水箱的底部连接，一个截止阀与渗透仪装置的上入口连接，在该截止阀上还通截止阀并联有拓展接口，渗透仪装置的下出口通过滤液阀连接至水池内。

3.根据权利要求2所述的一种裂隙岩体应力与渗流耦合测试系统，其特征在于：所述的渗透仪装置包括：渗透仪上压头、梯形垫块、PVC密封带、带有圆形浅凹槽的渗透仪下压头和弹性垫块；渗透仪装置的下端到上端依次为带有圆形浅凹槽的渗透仪下压头、梯形垫块、弹性垫块、裂隙试样、弹性垫块、梯形垫块、渗透仪上压头，裂隙试样两端的梯形垫块与弹性垫块关于裂隙试样反对称放置；用PVC密封带把渗透仪的所有装置密封连接。

4.根据权利要求3所述的一种裂隙岩体应力与渗流耦合测试系统，其特征在于：所述的裂隙试样为横截面为正方形的长方体多孔介质或相似模拟试样。

5.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体应力与渗流耦合测试系统，其特征在于：所述的应力和位移加载系统包括：手动试压泵、液压油泵、液压油管、侧向液压加载装置、侧压反力架、轴压反力架、带压头和手轮的梯形螺杆、液压加载装置、位移传感器、液压油缸、球形压头支座、球形压头、平压板、圆柱销、小钢球、法兰轴承、直线光轴和侧压支架；在轴压反力架下底板上还连接有侧压支架，在侧压支架上固定有直线光轴，侧向液压加载装置通过法兰轴承连接在直线光轴上；手动试压泵和液压油泵并联，分别通过换向阀、液压油管和应力与位移加载装置连接，在液压油管上连接有蓄能器、压力传感器和液压油缸；侧向液压油缸外壳固定在侧压反力架一端底板，受液压油缸控制的球形压头支座顺序连接有球形压头、圆柱销和平压板，在侧压反力架另一端底板顺序连接圆柱销和平压板，在二平压板间为渗透仪装置；在球形压头支座和侧压反力架另一端底板之间连接有位移传感器；渗透仪装置的渗透仪下压头通过小钢球与带压头和手轮的梯形螺杆连接；液压加载装置包括：液压油缸和球形压头支座顺序连接；平压板在圆柱销上沿轴向加载方向滑动，小钢球在浅凹槽内自由滑动，法兰轴承沿直线光轴滑动，共同组成互不相关三自由度滑动系统。

6.根据权利要求5所述的一种裂隙岩体应力与渗流耦合测试系统，其特征在于：所述的侧向液压加载装置通过法兰轴承、直线光轴和侧压支架与轴向位移加载系统固定在一起形成共同的加载空间，侧向液压加载装置随法兰轴承在直线光轴上滑动；渗透仪装置放置在共同加载空间内，渗透仪上压头固定在轴向反力架上底板；侧向液压加载装置由液压油泵和手动试压泵提供液压源，侧向压力从液压油缸依次通过球形压头支座、球形压头、圆柱销、平压板传递到渗透仪装置侧面，轴向位移通过梯形螺杆上的压头和小钢球施加在带有圆形浅凹槽渗透仪下压头上。

7.根据权利要求1所述的一种裂隙岩体应力与渗流耦合测试系统，其特征在于：所述的数据采集系统包括：电源、电线、数据采集仪、RS485数据线和PC上位机；流量传感器、压力传感器和位移传感器通过电线与数据采集仪连接，数据采集仪通过RS485数据线与PC上位机连接；电源通过电线给传感器和数据采集仪供电；数据采集系统通过接线板和快速接头将电源、数据采集仪或模拟量采集卡集成于同一电箱，通过屏蔽线与传感器及上位机相连，实现实验过程中压力、位移和流量等数据的实时关联显示、采集和记录。

8.一种利用权利要求1所述的裂隙岩体应力与渗流耦合测试系统的方法，其特征是：测试方法包括：

用PVC胶带密封好渗透仪装置并固定在侧向与轴向加载系统共有的空间内，正确连接渗流实验装置管路，连接好传感器和数据采集系统，打开数据采集系统的电源进行实时数据显示、采集和记录；

开启渗流实验装置中的电动试压泵，打开截止阀，首先检查渗透仪装置和整个渗流回路是否密封良好；如发现渗透仪装置、阀门、水管或者传感器接口有漏水现象发生，应立即停止供水，重新密封漏水部位；

密封测试完成后即可进行裂隙试样渗透性实验，调节渗流回路中的溢流阀或限流阀，通过数据采集系统记录每次渗流稳定时的流量和渗透压力数据，得到裂隙试样在一定侧压力情况下的流量和渗透压力关系；

通过溢流阀或限流阀调定裂隙试样的渗透压力，调节位移加载系统对裂隙试样施加不同轴向压力，通过数据采集系统记录对应每种轴向压力的流量和渗透压力，得到轴向压力对裂隙试样渗透特性的影响规律；

通过溢流阀或限流阀调定裂隙试样的渗透压力，通过应力加载系统的溢流阀调定裂隙试样受到的侧向压力，利用带压头和手轮的梯形螺杆对渗透仪装置施加一定的轴向位移，在梯形垫块和弹性垫块的作用下，裂隙试样两个裂隙面之间发生剪切滑动，通过数据采集系统记录对应每种剪切位移的流量和渗透压力，得到剪切位移对裂隙试样渗透特性的影响规律；

完成后，首先关闭水源及液压源，关闭数据采集系统，然后将渗透仪装置从应力和位移加载系统的测试空间中取出，打开渗透仪装置并取出裂隙试样，拍照记录试样渗流测试后的变形或破坏特征。