破碎巖體滲流試驗臺設計

胡新逸

【摘 要】論文經(jīng)過理論的推導，研制了一套可以模擬地底破碎巖石受水侵蝕的滲透試驗系統(tǒng)，這套系統(tǒng)由數(shù)個獨立的系統(tǒng)構成，實現(xiàn)兩種方式滲透試驗可以自由切換。

【Abstract】Through theoretical derivation， a permeation test system is developed， which can simulate the water erosion of broken rock under the earth. The system is composed of several independent systems， which can be freely switched between two ways.

【關鍵詞】破碎巖石；滲流；質量流失；滲透性

【Keywords】fractured rock mass； seepage； mass loss； permeability

【中圖分類號】TD421.61；TD402 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）03-0139-02

1 試驗系統(tǒng)的設計目標

一個好的工程設計需要諸多方面的努力和細心，好的設計環(huán)境，好的理論依據(jù)，好的試驗數(shù)據(jù)等等。而設計出好工程的前提必須要有明確的要求。只有良好而明確的設計要求才能創(chuàng)造出優(yōu)質性能、便宜、技術含量高的滲流測試系統(tǒng)。

2 試驗系統(tǒng)功能

本文設計的試驗系統(tǒng)參考了杜峰[1]的實驗，除了擁有基本的測試功能外，還要具有其滲流試驗所不具備的功能。

2.1 施加載荷機構和位移測量功能

滲流試驗的過程中需要對巖石樣本進行軸向加載，而且軸向壓縮量可以進行調節(jié)。此外，還需要向巖石樣品兩端施加一個軸向載荷平衡其內(nèi)部壓力。

2.2 壓力控制

當時滲流儀進行試驗時壓力的波動會對試驗造成很大的影響。因此在試驗過程中，要保證巖石樣品兩端的壓力恒定。

2.3 信號采集和數(shù)據(jù)處理

為了提高效率、減少用戶的工作量、提高流量和壓力的測量精度，本試驗要配備高效采集器。

2.4 數(shù)據(jù)采集裝置的采集實時性

試驗過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)要進行實時收集。

2.5 簡便性

各項數(shù)據(jù)的收集簡單方便；采集到的數(shù)據(jù)信號可以導入計算機中。

3 試驗系統(tǒng)結構設計

自行設計的破碎巖體滲流試驗系統(tǒng)（圖1）主要由軸向加載機構、滲流儀、液壓回路、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)等組成。各個部分的配合關系融洽是系統(tǒng)實驗的關鍵。

3.1 總設計方案

將試驗系統(tǒng)各部分功能進行分解，設計出以下試驗系統(tǒng)方案，見圖1。

首先啟動油泵P1，通過油泵P1向雙作用液壓缸AC2有桿腔注入液壓油來驅動雙作用液壓缸AC2。水泵P2的作用有兩個，一是向巖石樣本下端注水提供穩(wěn)定的壓力，二是把水注到雙作用液壓缸的無桿腔。 在滲透儀中放置巖石樣本。萬能材料試驗機具有可移動的橫梁，利用這一功能可以調節(jié)橫梁與底座之間的距離。將滲流儀放置于萬能材料試驗機上，底部由法蘭固定。通過萬能材料試驗機向滲流儀施加軸向載荷，載荷通過溢水桶、透水板、滲透儀的底板、材料試驗機的底座等傳遞，使破碎巖石樣本發(fā)生壓縮變形。破碎巖石樣本的軸向壓縮量由位移傳感LC 將位移量轉換為電信號，再由無紙記錄儀實時顯示和儲存。當位移量達到預設值時，停止加載，實現(xiàn)巖石樣本變形量恒定。將材料機的橫梁緩慢地向上移動。使巖石樣本卸載。打開截止閥 S3和 S4，關閉截止閥 S2，啟動水泵 P2。水流進入到滲透儀。回路中溢流閥SV2 可以對巖石樣本下端的壓力進行控制，在該管路中設置了壓力變送器PT來記錄滲流儀內(nèi)部巖石樣本下端的壓力。最后滲透儀上端由溢流桶流出的混合液體由托盤收集，經(jīng)過水管收集到振動篩中，利用振動篩來進行分離收集細小顆粒。最后將收集到的顆粒進行烘干處理并用精密電子秤計量其質量。以上步驟完成后即實現(xiàn)了泵站式滲透。

打開S1、S2 、 S4關閉 S3，通過這樣的方法形成單一流向，水泵 P2 直接向雙作用液壓缸 AC 無桿腔注水，活塞桿向上移動。注完水以后，關閉截止閥 S4，打開截止閥 S3，啟動油泵 P1。由泵 P1 輸出的液壓油經(jīng)過冷卻器、截止閥 S1進入到雙作用液壓缸 AC有桿腔。雙作用液壓缸 AC 無桿腔的水經(jīng)過截止閥 S2、S3 和流量計 FT 進入到滲透儀。溢流閥 SV1 控制雙作用液壓缸AC2 有桿腔的油壓，通過這種設計間接地控制了巖石樣本下端的壓力，水壓由壓力變送器 PT2 與無紙記錄儀組成的系統(tǒng)進行顯示和記錄。當水用完后，暫停試驗，由水泵 P2 再次向液壓缸注水，繼續(xù)試驗。

將無紙記錄儀與計算機連接，這樣就能夠做到實時監(jiān)測壓力變送器PT1、PT2和流量計FT等三路信號，而且還能在試驗結束后對數(shù)據(jù)進行處理，極大地縮短了試驗的時間，方便了試驗過程。

3.2 軸向加載及位移控制方案

試驗開始后泵P2向巖樣下端注射水壓，由于巖石樣本中的水壓無法自行調節(jié)平衡，所以需要在巖石樣本兩端加載軸向載荷。為了研究孔隙度對滲透性的影響，試驗也需要對巖石樣本進行壓縮。因此，我們設計的試驗需要一個軸向加載機構。在剛度達到要求的情況下框架才能完成加載任務，如果框架的剛度不足的話，當水壓波動時框架可能會發(fā)生彎曲，導致滲流儀內(nèi)部巖石樣本的試驗數(shù)據(jù)變化，那么測得的數(shù)據(jù)也無法用來研究滲透性變化規(guī)律?；趯W校有現(xiàn)成的材料試驗機。我們選用學校實驗室里的萬能材料試驗機作為承載結構，該材料試驗機最大行程為700mm。且具有可調節(jié)距離的橫梁，可以調整底座與橫梁間的距離。由于破碎巖石樣本在壓縮過程中需要的最大載荷遠小于材料機能提供的最大載荷，故無需對萬能材料試驗機進行剛度校核。

試驗選用萬能材料試驗機來進行軸向加載，見圖1。材料試驗機固定滲透儀的同時由材料試驗機提供動力，活塞位移由位移傳感器LC測定。

3.3 滲流儀

密封是否得到保證是整個試驗的核心。滲透儀內(nèi)部的部件如圖3-2。

水從底板進入開始滲流。經(jīng)過透水板進入巖石樣本中。然在試驗的過程中溢水桶會向外面流出水和砂粒，水和砂粒流入到托盤里，從而從托盤的管嘴流出。為了便于細小顆粒和水的混合物流出收集，我們將托盤的底板設計成錐面。缸筒是滲流試驗中最為重要的一環(huán)，也是實現(xiàn)滲透試驗的基礎。

4 液壓系統(tǒng)的設計

液壓缸注射器式回路由油泵、冷卻器、壓力表、雙作用液壓缸組成。雙作用液壓缸活塞有桿腔注入液壓油無桿腔則注入水，油泵輸送液壓油到液壓缸有桿腔，從而驅動活塞向下移動。在液壓缸活塞的作用下，無桿腔的水通過管路被注射到滲透儀中。泵站式滲透較為簡單由水泵、開關閥、流量傳感器等組成。

5 信號采集與數(shù)據(jù)處理

我們在開關S3與滲流儀之間連接的管路中設置了流量傳感器和壓力變送器，在材料試驗機上設置了位移傳感器，位移傳感器一端與溢流桶蓋頂部相連，通過這種方式測量巖石的壓縮量。此外在滲流儀缸筒的周側還開有螺紋孔，用于安裝壓力變送器。數(shù)據(jù)線將流量傳感器、壓力變送器與無紙記錄儀連接起來，無紙記錄儀與個人計算機連接。個人計算機原則上由用戶配置，如需生產(chǎn)單位配備，用戶應提出技術性能指標。無紙記錄儀安裝箱可由配電箱改造而成，接線端子和無紙記錄儀安裝在改造的配電箱壁上，具體尺寸現(xiàn)場確定。各傳感器與無紙記錄儀之間的連線根據(jù)物資市場商品供貨情況而定。

6 結語

在原有滲流實驗基礎上增設了一個雙作用液壓缸，將兩個泵和液壓缸聯(lián)系起來。當液壓缸內(nèi)的水用完后可以通過水泵向內(nèi)注水，繼續(xù)試驗達到增長試驗的目的。針對設計的缸筒長度較短這一情況提出了一套初步的改進措施，可以加長滲透儀缸筒長度來加大加速因子。與之相應的必須要設計出一套新的加載機構。

【參考文獻】

【1】杜鋒.破碎巖體水沙兩相滲透特性試驗研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學， 2013.