[发明专利]一种深地工程原位应力场和渗流场超重力模拟系统

说明书

本发明公开了一种深地工程原位应力场和渗流场超重力模拟系统，包括：三轴压力室，用于放置模型，并提供深地构筑物的原位轴压、围压以及所处的渗流场；模拟控制装置，用于向三轴压力室提供压力液体和孔隙水以产生前述轴压、围压和渗流场，并控制轴压、围压和渗流场的量值；信号采集装置，用于在试验过程中监测模型变形和渗流过程。本发明提高了模拟试验的相似性、可靠型和准确性，且可以通过控制单元的指令向三轴压力室输出精度达1%的压力或构成精度达1%的孔隙水压力差。

技术领域

本发明涉及一种岩土工程领域物理模拟试验系统，具体涉及一种深地工程原位应力场和渗流场超重力模拟系统。

背景技术

深地工程(deep earth engineering)，指在深地环境中的深地构筑物建造过程和其运行过程中发生的的工程过程。常见的深地构筑物可以是深地处置库、地热工程、岩穴天然气储库等。

其中，深地环境(deep earth environment)，指距地表百米级深度以上的环境。

深地构筑物原位应力场和渗流场同时具备以下五个特点：(1)深地构筑物受到的上覆岩层压力(轴压)较大，在千米级的深度下可达到20MPa；(2)深地构筑物受到的围压较大，在千米级的深度下可达到20MPa；(3)深地构筑物达百米尺度，自重应力和围压沿深地构筑物高度方向变化，从而形成了自重应力梯度和围压梯度；(4)深地构筑物的应力场和渗流场互相耦合，其中发生的工程过程十分复杂，形变、应力、饱和度等相关参数的变化难以用数学模型描述，更依赖于试验得出；(5)应力场和渗流场的变化是漫长的，上述的参数变化要百年乃至千年才会稳定。其中，原位(in-situ)指的是在测量某个参数时，并没有改变物质的原始条件或把物质从原来的系统中隔离出来。原型(prototype)指的是原系统中的实物，本发明中是指深地环境中的深地构筑物；模型(model)指的是根据相似性理论制造的按原系统比例缩小(也可以是放大或与原系统尺寸一样)的实物。原位应力场和渗流场，即原型的应力场和渗流场。

其他的岩土工程的研究对象不同时具备上述五个特点，与深地工程有本质上的区别。

为测定深地工程中形变、应力、饱和度等相关参数的变化，需进行试验。试验分原位试验和模拟试验。原位试验指在原位进行的试验，如在现存的深地处置库中架设仪器进行测量。进行深地工程原位试验时，一方面需要试验人员携带设备进入深地环境中工作，另一方面部分实验对象是仍在服役的国家工程设备，因此，原位测试缺乏时间灵活性和操作方便性。此外，如前述的深地工程的应力场和渗流场的特点(5)，对参数变化的完整测定需要百年乃至千年尺度的试验时间，远大于一般意义下社会或技术活动所涉及的时间尺度。

因此，在实验室内进行的物理模拟试验为更优选。物理模拟试验指模型是实物的模拟试验，如在实验室中用1m高的模型来代替100m高的深地处置库原型，并用压力装置在其顶、底面和侧面加压力的试验。以下将物理模拟实验简称为模拟试验。模拟试验的方法是，将模型放置在试验装置内，并通过试验装置在模型的表面施加力和/或通入孔隙水，使模型产生应力场和/或渗流场。当施加的力和/或通入孔隙水流量达到特定要求时，可以产生原位应力场和/或渗流场。考虑到实验室场地大小限制，对深地工程的模拟通常采用10m以下尺度的模型。其他的岩土工程不同时具备深地工程的五个特点，因此其他岩土工程进行模拟时所用的模型，也不必同时满足上述五个条件。

如前所述，模拟试验中，模型上下底面的轴压是确定值，易于施加。模型的围压的施加方式通常是通过模型侧面环绕压力液体对模型进行挤压来形成，模型顶部的围压为装置的设定压力，模型底部的围压为顶部围压与压力液体在此模型底部的自重之和。由于压力液体的密度通常小于岩石，且模型高度较小，压力液体在模型底部的自重小到可以忽略不计，这样无法形成和原型相似的围压梯度。模型的自重应力与模型的尺度有关，但通常模拟试验的模型尺度在10米以下，因此自重应力在顶部与底部的差距仅为原型的1/10。渗流场的模拟通常通过在模型内部注入孔隙水形成。由于模型的应力场与原型不同，导致的渗流场也与原型不同。综上所述，深地工程的模拟试验，无法还原原位的渗流场与应力场。