[发明专利]不同有效应力状态下断层带渗流特性原位试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种不同有效应力状态下断层带渗流特性原位试验装置及方法，包括：供水系统、渗透压控制系统、现场原位样、数据量测系统及渗透液收集系统；所述现场原位样分别与供水系统、渗透压控制系统、数据量测系统、渗透液收集系统相连；本发明通过渗透压控制系统实现试样孔隙水压力、渗透压力的双调节，从而获取断层带内渗透系数‑有效应力之间的耦合本构关系、根据工程具体情况确定的某一有效应力状态下的临界水力坡降及破坏水力坡降。

技术领域

本发明属于水利水电技术领域，具体涉及一种不同有效应力状态下断层带渗流特性原位试验装置及方法；尤其是针对现场确定孔隙水压力改变导致断层带渗流特性(渗透系数、临界水力坡降及破坏水力坡降)改变的试验装置及方法。

背景技术

断层带一般由主断层面、两侧破碎岩块、若干次级断层或裂隙面组成，按岩体性质又可分为断层核、破碎带两部分。我国西部地区地质构造复杂，断层带纵横交错、规模大，次级断层发育，许多大型水电站工程的修建不得不穿过此类不良地质构造。水库正常运行后水头压力高、库水位年变化幅度大，断层带岩体物理力学性质差，在高水头和水位大幅度变化作用下断层带渗流特性和抗渗强度发生改变，对工程渗流控制及渗流安全带来不利影响。因此，研究有效应力改变对断层带渗流特性的影响对水利水电工程渗流控制系统设计、保障工程长期安全运行具有至关重要的意义。

目前，断层带渗流特性一般可以通过室内试验、钻孔压水试验或现场原位试验确定。其中，常因室内试验试样尺寸不具代表性、钻孔压水试验受二次扰动影响导致测试结果不能反映原位状态下断层带的渗流特性。因此，在平硐中开展现场原位试验能尽量保持岩体实际结构及应力状态，测试结果能更好地反映真实情况。研究表明，岩体渗流特性受有效应力状态影响很大，当库水位升高、孔隙水压力增大后断层带的有效应力降低，导致断层带的渗透系数和抗渗强度发生改变。传统现场原位试验通常采用“上游逐级加压、下游自由出流”的渗透压力加载方式，只能控制试样的渗透梯度，而无法控制试样内部的孔隙水压力大小，所测的渗透系数值未体现不同有效应力状态改变对断层带渗流特性的影响。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种不同有效应力状态下断层带渗流特性原位试验装置及方法，本发明通过渗透压控制系统实现试样孔隙水压力、渗透压力的双调节，从而获取断层带内渗透系数-有效应力之间的耦合本构关系、根据工程具体情况确定的某一有效应力状态下的临界水力坡降及破坏水力坡降。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种不同有效应力状态下断层带渗流特性原位试验装置，包括：供水系统、渗透压控制系统、现场原位样、数据量测系统及渗透液收集系统；所述现场原位样分别与供水系统、渗透压控制系统、数据量测系统、渗透液收集系统相连；

供水系统包括：供水桶、单吸多级离心泵、调压阀和稳压罐，四者依序相连；

渗透压控制系统包括：压力调节设备、反向压力控制设备；二者均由调压、控压设备和高精度压力表组成；所述调压、控压设备包括：调速器、中止阀，所述调速器的输入端与中止阀的输出端相连；所述调速器的输出端与高精度压力表相连；所述压力调节设备分别与供水系统、现场原位样相连；所述反向压力控制设备分别与渗透液收集桶、现场原位样相连；所述压力调节设备与现场原位样、反向压力控制设备与现场原位样之间均布设有高精度流量计；

现场原位样外部采用钢筋混凝土形成密闭空间，内部由原位试样、进水仓、出水仓组成，进水仓、出水仓分别位于原位试样的两端，且二者内部设有鹅卵石，所述进水仓布置有进水管，与压力调节设备连接；所述出水仓布置有出水管、排气孔、漏斗管；所述出水管与反向压力控制设备连接；所述漏斗管一端内置于出水仓底部；

数据量测系统包括：测压管、无纸记录仪、高精度流量计；多个所述测压管均匀埋设在原位试样及鹅卵石中；所述无纸记录仪分别与多个所述测压管相连；高精度流量计分别布置在进水管、出水管的两侧；