[发明专利]一种适用于三轴压力室的裂隙剪切-渗流耦合试验系统及试验方法

说明书

技术领域

本发明属于岩体渗流-应力耦合技术领域，特别涉及一种适用于三轴压力室的裂隙剪切-渗流耦合试验系统及试验方法。

背景技术

我国高水头抽水蓄能电站、页岩气开采、地下水封油库、地热资源开发、二氧化碳封存及高放核废料地质处置等大规模工程建设，均普遍涉及复杂环境下裂隙岩体水-力耦合这一关键科学问题。因此，正确描述裂隙及裂隙岩体的渗透特性既是进行水-力耦合分析的关键环节，又是水-力耦合研究领域的难点所在。

裂隙岩体是经历长期地质改造作用过的，包含众多不同规模和特征的裂隙，并赋存于一定物理环境中的各向异性地质体。由于岩块较为坚硬且渗透性较低，岩体的变形主要发生在裂隙中，且裂隙及其连通网络是岩体地下水运移的主要通道。一方面，裂隙在复杂应力作用下承受着挤压、剪切等变形，导致其表面张开、接触、磨损或闭合，从而改变其几何特征和渗流流态，并进一步影响其渗流特性；另一方面，裂隙渗流及其产生的水压力将引起裂隙有效应力和强度的降低，进而影响裂隙岩体的力学性质，从而使得岩体工程的稳定性在很大程度上取决于裂隙的渗流特性。因此，裂隙中的流体流动具有显著的非线性和尺度效应等特征，并与赋存环境和岩体变形存在复杂的耦合作用。

岩体裂隙剪切-渗流室内试验研究对于揭示裂隙的渗流特性及其在荷载作用下的渗透特性演化机制、建立并验证渗透特性演化的理论模型具有不可替代的作用。目前，国内外学者研发了大量的裂隙剪切-渗流耦合试验装置，但裂隙应力-渗流耦合试验需实现在应力作用下的渗流过程，因而对试验条件和边界条件的要求十分苛刻。然而，目前传统的裂隙剪切-渗流耦合试验装置普遍存在封水效果不理想、所施加的渗透压力难以满足高压涉水岩体工程的要求(地下水压力达到1000m)以及复杂荷载条件下非线性渗流试验难以实现的问题。导致上述问题的原因是：目前传统的裂隙剪切-渗流耦合试验装置均是采用岩石剪切试验机改造而成，这种试验机主要部件为长方体剪切盒，裂隙试样安置于该剪切盒中，剪切盒两侧采用充满液压油的橡胶囊进行封水，在剪切试验过程中，剪切盒的上盒与下盒发生一定相对位移，此时很难保证剪切盒两侧的密封效果，从而导致该裂隙剪切-渗流耦合试验装置的封水效果不理想；正因为剪切盒两侧的密封效果不佳，而渗透压一旦较高，裂隙两侧就更容易发生渗漏，从而导致该裂隙剪切-渗流耦合试验装置很难将渗透压力施加至较高值；而非线性渗流试验只能在高渗透压下才会出现，剪切盒两侧的密封效果不佳进一步导致该裂隙剪切-渗流耦合试验装置难以实现复杂荷载条件下非线性渗流试验。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种适用于三轴压力室的裂隙剪切-渗流耦合试验系统，旨在解决传统的剪切-渗流试验装置存在的封水效果不理想、高渗透压力的施加难以实现以及复杂荷载条件下非线性渗流试验难以实现的问题，并给出了前述系统的试验方法。

一种适用于三轴压力室的裂隙剪切-渗流耦合试验系统，包括裂隙剪切装置、岩石常规三轴压缩装置、渗透压力伺服装置、流量测量装置以及数据采集处理装置；

所述裂隙剪切装置包括用于放置裂隙试样的上置裂隙剪切装置和下置裂隙剪切装置以及封水胶套和封水箍；所述上置裂隙剪切装置放置于裂隙试样上端面，所述下置裂隙剪切装置放置于裂隙试样下端面；所述上置、下置裂隙剪切装置以及裂隙试样均为圆柱形；所述上置、下置裂隙剪切装置结构相同，主要由刚性剪切垫片、L型柔性剪切垫片、圆形透水钢片、半圆形透水钢片依次顺序相连构成；所述裂隙试样、上置裂隙剪切装置和下置裂隙剪切装置由封水胶套封装，并由封水箍固定在压力活塞和底座之间；

所述岩石常规三轴压缩装置、所述渗透压力伺服装置、所述流量测量装置分别与所述裂隙剪切装置连接；

所述岩石常规三轴压缩装置、所述渗透压力伺服装置、所述流量测量装置还分别与所述数据采集处理装置连接。

在上述的用于三轴压力室的裂隙剪切-渗流耦合试验系统，所述岩石常规三轴压缩装置包括第一液压阀门、第二液压阀门、第四液压阀门、第五液压阀门、轴压伺服高精度液压泵、围压伺服高精度液压泵、轴压传感器、围压传感器、千斤顶、压力活塞、三轴压力室、底座、流体回收容器；所述轴压伺服高精度液压泵、轴压传感器、第四液压阀门、千斤顶依次顺序连接，所述围压伺服高精度液压泵、围压传感器、第五液压阀门依次顺序连接；三轴压力室上端通过压力活塞与千斤顶连接，左端与第五液压阀门相连，右端通过第一液压阀门、下端通过第二液压阀门分别与流体回收容器相连；三轴压力室底部的底座与剪切装置连接；轴压伺服高精度液压泵、轴压传感器、围压伺服高精度液压泵、围压传感器还分别与数据采集处理装置连接。