[发明专利]裂隙断层型地质构造内部充填介质渗透失稳突水实验装置与方法

说明书

本发明公开了裂隙断层型地质构造内部充填介质渗透失稳突水实验装置与方法，装置包括试验台架、渗透实验系统、轴压加载系统、水压加载系统、信息监测系统、颗粒采集系统和流量监测系统，本发明中渗透室的设计可有效体现裂隙、断层等地质构造的空间特征，试验样本不再采用圆柱形，从而可准确揭示此类地质构造内充填介质渗透失稳突水的演化特征与致灾机制；渗透实验系统可自由旋转，可开展不同渗流方向下的充填介质渗透失稳突水实验；渗透室采用半透明或透明的侧壁，具有可视化，实验中可观测试验样本的变化特征。

技术领域

本发明涉及裂隙断层型地质构造，具体涉及裂隙断层型地质构造内部充填介质渗透失稳突水实验装置与方法。

背景技术

隧道涉及交通工程(铁路、公路隧道)、水利水电工程(输水隧洞、地下厂房)等重要工程领域，逐渐成为国家重大基础设施工程建设的重要组成部分，而随着国家“十二五”等战略科技发展的规划，重大工程建设的重心正逐渐向地形地质条件极端复杂的西部山区与岩溶地区转移，将出现一批具有“大埋深、长洞线、高应力、强岩溶、高水压”等显著特点的高风险隧道工程。由于地质环境的隐蔽性与多变性、施工技术的复杂性等特点，隧道施工过程中极易遭遇突水突泥等重大地质灾害，严重影响隧道工程建设安全。

隧道突水突泥重大灾害难以遏制的根本原因在于地质条件与灾变过程极为复杂，缺乏防治基础理论的深入研究。诱发突水突泥重大灾害的地质构造(如宽大裂隙、断层、溶洞、岩溶管道等)内部可能充填有粘土、细砂、砂砾、断层泥等多种介质，而突水突泥演化特征与致灾机制与充填介质的水力学特性密切相关。

尽管已有学者对上述充填介质的水力学特性进行过研究，然而以往的研究主要是针对于大坝、路堤等工程，并没有针对裂隙、断层等地质构造内充填介质的渗透失稳机制进行过相应研究，而且大坝、路堤试验工程中试验样本的均为圆柱形；对于裂隙、断层等地质构造内充填介质的渗透失稳机制，继续采用圆柱形样本无法体现此类地质构造的空间特征；此外，以往的研究主要是针对垂直向上或垂直向下渗流条件下的充填介质渗透失稳机制，而对于其它渗流方向下的充填介质渗透失稳机制开展的研究颇少。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供一种轴压可控、水压可调的，特别是可实现渗流方向独立控制的实验装置，用于开展不同渗流方向、应力条件下的充填介质渗透失稳突水实验研究，从而揭示裂隙、断层等地质构造内部充填介质渗透失稳突水的灾变演化机制。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

裂隙断层型地质构造内部充填介质渗透失稳突水实验装置，包括：

渗透实验系统：包括设于渗透室内的试验样本，渗透室设有水流通道，水流通道与颗粒采集系统连接以采集水溢流过程中试验样本流失的颗粒；试验样本为充填物，充填物包括断层泥、粘土、细砂、砂砾等，根据颗粒级配曲线确定充填物各组成的组分的含量；渗透室和试验样本具有两个方向上延伸较长、另一个方向上延伸较短的特征，这样试验样本和裂隙、断层的空间形态较为吻合。

用于固定渗透实验系统的试验台架；

轴压加载系统：包括用于向渗透实验系统中试验样本施加具有设定强度荷载的荷载动力源；

水压加载系统：包括用于向渗透实验系统中试验样本施加具有设定压力水源的压力水箱，且该水源的压力可调；

信息监测系统：包括用于监测上述所述水源或上述荷载的压力传感器以及试样样本在试验过程中位移变化的位移传感器，以上所述的传感器与数据采集系统连接。

整个实验装置通过轴压加载系统向试验样本提供荷载，水压加载系统向试验样本提供可调水压，更加符合裂隙、断层的环境，并通过信息监测系统辅助实现对荷载压力的调节，并监测试验样本在渗流过程中的位移变化情况，得出的实验数据用于指导实践。