本發(fā)明涉及一種模擬突加高水頭滲透性液體的水力劈裂試驗(yàn)儀及其試驗(yàn)方法，屬于水工試驗(yàn)裝置領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

巖體水力劈裂是巖體滲流—應(yīng)力耦合研究的一個方面，是指巖體在水壓作用下微裂紋的萌生、擴(kuò)展、貫通，直到最后宏觀裂紋產(chǎn)生導(dǎo)致失穩(wěn)破壞等物理現(xiàn)象的統(tǒng)稱，反應(yīng)了滲透水壓力對巖體結(jié)構(gòu)作用的影響。1959年12月2日，法國malpasset拱壩在初次蓄水時即發(fā)生全壩潰決，這是典型的水力劈裂作用所造成的工程事故例子。人們開始認(rèn)識到從基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用兩方面研究水力劈裂作用的重要性。水力劈裂是許多巖體工程（水工建筑物、石油開采、礦井突水防治、核廢料地下處置、地下污染物運(yùn)移、地下干熱巖體熱能開發(fā)等）穩(wěn)定性研究的理論基礎(chǔ)，具有重要的理論和工程意義。

雖然很多人基于彈性力學(xué)，斷裂力學(xué)，能量法等對水力劈裂的機(jī)理進(jìn)行了一些研究，也得出了一些成果，但是由于水力劈裂過程是一個復(fù)雜的過程，它涉及到巖石力學(xué)、斷裂力學(xué)、流體力學(xué)、滲流力學(xué)等學(xué)科，再加上地下的情況非常復(fù)雜,使得迄今人們對水力劈裂機(jī)理的認(rèn)識仍然很不夠,以致水力劈裂在工程應(yīng)用方面還有很多問題亟待解決。

對于巖體水力劈裂研究而言，巖體劈裂的機(jī)制是一個核心問題。試驗(yàn)研究是巖體水力劈裂機(jī)制研究的一個有效、直觀的方法。目前大多數(shù)人對水力劈裂的試驗(yàn)研究，一方面是基于穩(wěn)定滲流工況，將水壓逐級升高，使試件在穩(wěn)定滲流下發(fā)生破壞，另一方面就直接忽略巖體的滲透性，將水的作用簡化為面力，試驗(yàn)時在水的作用面上套一層膜，使試件在面力的作用下發(fā)生破壞。在工程實(shí)際中還有一種情況，比如在水庫、大壩等大型水利工程運(yùn)營期間，在高水頭作用下，當(dāng)其防滲結(jié)構(gòu)受到的損傷累計(jì)到一定程度后，就會發(fā)生破裂，考慮到防滲結(jié)構(gòu)后面的巖體是有一定滲透性的，此時高壓水就突然以滲透液體的形式施加到巖體上，很可能導(dǎo)致巖體在高水頭滲透性液體作用下發(fā)生水力劈裂，而此時的水力劈裂基本上是非穩(wěn)定滲流情況下發(fā)生的，這就是所謂的突加高水頭滲透液體的水力劈裂破壞，然而目前的試驗(yàn)裝置還沒有辦法模擬這種工況，所以本發(fā)明專利基于這種背景，設(shè)計(jì)了一種模擬突加高水頭滲透性液體的水力劈裂試驗(yàn)儀，來填補(bǔ)這方面的空白，為更深一步研究水力劈裂的機(jī)理，提供試驗(yàn)上的條件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有水力劈裂試驗(yàn)裝置不能模擬突加高水頭滲透液體的水力劈裂破壞這一缺陷，本發(fā)明提供了一種模擬突加高水頭滲透性液體的水力劈裂試驗(yàn)儀及其試驗(yàn)方法，為更深一步研究水力劈裂的機(jī)理，提供試驗(yàn)上的條件。

技術(shù)方案：為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種模擬突加高水頭滲透性液體的水力劈裂試驗(yàn)儀，具有由頂蓋、圓筒和底座構(gòu)成的壓力室，所述底座上固定安裝圓柱狀試件，所述頂蓋上穿設(shè)試件軸力施加裝置，所述試件兩端端分別連接出水管和用于提供劈裂水壓力的第一進(jìn)水管，所述壓力室連接用于提供圍壓的第二進(jìn)水管，所述第一進(jìn)水管與鉆孔試件的孔壁之間隔有不透水膜，所述不透水膜上附著電阻絲，所述圓筒布置有聲發(fā)射傳感器。

具體地，所述試件外部套設(shè)透水圓筒，滲透到水力劈裂試件邊界上的水可以通過透水圓筒流到透水板內(nèi)；透水圓筒外部套設(shè)橡膠套，來達(dá)到水密封性的效果。

具體地，在壓力室底座上的第一凹槽內(nèi)鋪設(shè)第一止水橡膠和透水板，可以達(dá)到很好的止水效果，凹槽也為透水板的定位提供了便利；透水板上面放置不透水鋼板，模擬水力劈裂試件下端的不透水邊界條件；所述橡膠套的長度大于試件的長度，橡膠套的下端延伸至壓力室底座上對應(yīng)的凹槽內(nèi)，在凹槽的外側(cè)鋪設(shè)第二止水橡膠，楔形鋼環(huán)插于對應(yīng)的凹槽內(nèi)，可以達(dá)到很好的止水效果，同時也進(jìn)一步固定了透水板的位置；不透水膜的頂端與試件之間安裝有中空圓柱與頂塊，所述第一進(jìn)水管穿入中空圓柱中，所述橡膠套的上端延伸到頂塊上，通過鋼圈將橡膠套的上端壓在對應(yīng)的凹槽內(nèi)，可以達(dá)到很好的止水效果。

具體地，所述電阻絲在不透水膜上等間距分布。電阻絲通過導(dǎo)線與外部的電源相連，導(dǎo)線可以附著在第一進(jìn)水管上，與第一進(jìn)水管一同連接至裝置外部，當(dāng)水力劈裂試件內(nèi)的水壓上升到足夠大時，通過電源給附著在不透水膜上的電阻絲進(jìn)行加熱，將溫度升高到不透水膜的熔點(diǎn)，使不透水膜融化，進(jìn)而可以模擬試件在突加高水頭滲透性液體情況下的水力劈裂。

具體地，所述聲發(fā)射傳感器的數(shù)量是四個，四個聲發(fā)射傳感器在圓筒上對稱的分布，可更加準(zhǔn)確地判定/監(jiān)測水力劈裂的發(fā)生。

具體地，所述圓筒的材料為透明的高強(qiáng)玻璃，便于試驗(yàn)過程的觀察；壓力室頂蓋和壓力室底座上沿周邊各有個螺栓孔，圓筒通過螺栓與壓力室頂蓋和壓力室底座相連，圓筒與壓力室頂蓋和壓力室底座之間放置密封墊，用來防止裝置的漏水和漏氣。

具體地，在壓力室頂蓋上設(shè)有出氣孔，出氣孔上有出氣口閥門，在試驗(yàn)過程出氣孔可用于放出裝置內(nèi)的氣體；出水管位于壓力室底座內(nèi)，出水管上有安設(shè)有出水管閥門，出水管的一端接于透水板的底部，另一端接于量筒上方，試驗(yàn)時透過試件的液體經(jīng)由出水管收集到量筒內(nèi)；量筒放置在電子天平上，電子天平可自動實(shí)時采集數(shù)據(jù)，通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以判斷水力劈裂發(fā)生時是處于穩(wěn)定滲流階段還是非穩(wěn)定滲流階段。

使用上述模擬突加高水頭滲透性液體的水力劈裂試驗(yàn)儀的試驗(yàn)方法包括以下步驟：

步驟1，制作水力劈裂柱狀試件，試件材料可以是巖石、混凝土或其他材料，內(nèi)部鉆孔；

步驟2，搭建試驗(yàn)儀，安裝試件，并在鉆孔內(nèi)安裝不透水膜，連接管路；

步驟3，試件加載：

3.1充氣或充水施加圍壓；

3.2通過軸力鋼棒施加軸壓；

3.3通過第一進(jìn)水管對水力劈裂試件內(nèi)部施加水壓；

3.4電阻絲通電加熱融化不透水膜，然后關(guān)閉電源，模擬試件在突加高水頭滲透性液體情況下的水力劈裂；

步驟4，通過聲發(fā)射值突然增加判斷發(fā)生水力劈裂，根據(jù)此時的電子天平讀數(shù)，判斷水力劈裂發(fā)生時是處于非穩(wěn)定滲流階段還是穩(wěn)定滲流階段；如何沒有發(fā)生水力劈裂，則增加試件內(nèi)水頭值，重復(fù)試驗(yàn)；

步驟5，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析突加高水頭滲透性液體下水力劈裂的機(jī)理。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具備以下顯著的進(jìn)步：

1.當(dāng)水力劈裂試件內(nèi)的水壓上升到足夠大時，通過電源給附著在不透水膜上的電阻絲進(jìn)行加熱，使不透水膜融化，進(jìn)而可以模擬試件在突加高水頭滲透性液體情況下的水力劈裂，來研究在突加高水頭滲透性液體下水力劈裂的機(jī)理，在這方面填補(bǔ)了試驗(yàn)裝置的空白。

2.本發(fā)明專利借助楔形鋼環(huán)、鋼圈與止水橡膠和橡膠套的有效配合，可以十分簡單有效的達(dá)到很好的水密閉性效果，為水力劈裂試驗(yàn)的順利進(jìn)行提供了可能。

3.本發(fā)明專利通過電子天平實(shí)時記錄滲出液體的質(zhì)量，可以判斷水力劈裂發(fā)生時是處于非穩(wěn)定滲流階段還是穩(wěn)定滲流階段，另外，當(dāng)不對電阻絲進(jìn)行加熱，保持不透水膜完整時，就可以研究在面力作用下，試件發(fā)生水力劈裂的機(jī)理。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的模擬突加高水頭滲透性液體的水力劈裂試驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中水力劈裂試件的局部放大圖；

圖3是圖1中壓力室頂蓋和頂塊的俯視圖；

圖4是頂塊的局部放大圖；

圖5是楔形鋼環(huán)的軸視圖；

圖中：1壓力室頂蓋、2圓筒、3壓力室底座、4螺栓、5出氣孔、6出水管、7第一進(jìn)水管、8第二進(jìn)水管、9出氣口閥門、10出水管閥門、11第一控制閥門、12第二控制閥門、13量筒、14電子天平、15聲發(fā)射傳感器、16導(dǎo)線、17電源、18不透水鋼板、19透水板、20第一止水橡膠、21楔形鋼環(huán)、22第二止水橡膠、23透水圓筒、24橡膠套、25頂塊、26鋼圈、27中空圓柱、28不透水膜、29電阻絲、30軸力鋼棒、31軸力墊板、32水力劈裂試件、33密封墊。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例的模擬突加高水頭滲透性液體的水力劈裂試驗(yàn)儀如圖1-5所示，該裝置主要包括1壓力室頂蓋、2圓筒、3壓力室底座、4螺栓、5出氣孔、6出水管、7第一進(jìn)水管、8第二進(jìn)水管、9出氣口閥門、10出水管閥門、11第一控制閥門、12第二控制閥門、13量筒、14電子天平、15聲發(fā)射傳感器、16導(dǎo)線、17電源、18不透水鋼板、19透水板、20第一止水橡膠、21楔形鋼環(huán)、22第二止水橡膠、23透水圓筒、24橡膠套、25頂塊、26鋼圈、27中空圓柱、28不透水膜、29電阻絲、30軸力鋼棒、31軸力墊板、32水力劈裂試件、33密封墊；其中壓力室頂蓋1、圓筒2、壓力室底座3構(gòu)成了試驗(yàn)裝置的壓力室，圓筒2的材料為透明的高強(qiáng)玻璃，為了便于試驗(yàn)過程的觀察；壓力室頂蓋1和壓力室底座3上沿周邊各有8個螺栓孔，圓筒2通過螺栓4與壓力室頂蓋1和壓力室底座3相連，圓筒2與壓力室頂蓋1和壓力室底座3之間放置密封墊33；出氣孔5位于壓力室頂蓋1上；出水管6位于壓力室底座3內(nèi)，出水管6的一端接于透水板19的底部，另一端接于量筒13上方，試驗(yàn)時透過試件的液體經(jīng)由出水管6收集到量筒13內(nèi)；量筒14放置在電子天平上，電子天平14可自動實(shí)時采集數(shù)據(jù)，通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以判斷水力劈裂發(fā)生時是處于穩(wěn)定滲流階段還是非穩(wěn)定滲流階段。

第一進(jìn)水管7的一端穿過頂塊25內(nèi)部，接于水力劈裂試件32的中空圓筒內(nèi)，為水力劈裂試件32提高劈裂水壓力，通過第二進(jìn)水管8為壓力室提供圍壓；透水板19位于壓力室底座3上的一個對應(yīng)的凹槽內(nèi)，凹槽上鋪設(shè)第一止水橡膠20，可以達(dá)到很好的止水效果，凹槽也為透水板19的定位提供了便利，所述透水板19的直徑為240mm，厚為60mm，凹槽深度為10mm；透水板19上面放置不透水鋼板18，模擬水力劈裂試件32下端的不透水邊界條件，所述不透水鋼板18厚度為7mm；水力劈裂試件32外部套設(shè)透水圓筒23，所述水力劈裂試件32的直徑為240mm，高450mm，內(nèi)部鉆孔直徑為40mm，高為300mm，透水圓筒23的內(nèi)徑為240mm，厚為7mm；透水圓筒23外部套設(shè)橡膠套24，橡膠套24的長度大于試件的長度，橡膠套24的下端延伸至壓力室底座3上對應(yīng)的凹槽內(nèi)，在凹槽的外側(cè)鋪設(shè)第二止水橡膠22，所述凹槽深為25mm，楔形鋼環(huán)21插于對應(yīng)的凹槽內(nèi)，可以達(dá)到很好的止水效果，同時也進(jìn)一步固定了透水板19的位置；橡膠套24的上端延伸到頂塊25上，通過鋼圈26將橡膠套24的上端壓在對應(yīng)的凹槽內(nèi)，可以達(dá)到很好的止水效果，所述頂塊25厚50mm，。

不透水膜28位于水力劈裂試件32內(nèi)部預(yù)先鉆好的孔洞內(nèi)，不透水膜28的上端延伸到中空圓柱27的上表面，將頂塊25蓋在中空圓柱27上，中空圓柱27的外徑為42mm；不透水膜28上附著有等間距分布的電阻絲29，電阻絲29通過導(dǎo)線16與外部的電源17相連，導(dǎo)線可以附著在第一進(jìn)水管7上，與第一進(jìn)水管7一同連接至裝置外部，優(yōu)選的，不透水膜28可以選擇強(qiáng)度適宜，熔點(diǎn)較低的土工膜。

上述模擬突加高水頭滲透性液體的水力劈裂試驗(yàn)儀的試驗(yàn)方法包括以下步驟：

步驟1，試件的制作：制作水力劈裂試件32，試件材料可以是巖石、混凝土或其他材料，試件直徑為240mm，高450mm，內(nèi)部鉆孔直徑為40mm，高為300mm。

步驟2，試驗(yàn)前的準(zhǔn)備：在對應(yīng)的凹槽內(nèi)鋪設(shè)第一止水橡膠20，在其上放置透水板19和不透水鋼板18，將水力劈裂試件32放在不透水鋼板18上。將附著有電阻絲29的不透水膜28放在水力劈裂試件32內(nèi)部的鉆孔內(nèi)，將中空圓柱27放在水力劈裂試件32上，然后將不透水膜28的上端延伸到中空圓柱27的上表面，將電阻絲29的導(dǎo)線與頂塊25內(nèi)預(yù)先埋設(shè)的導(dǎo)線連接起來，把頂塊25放置在水力劈裂試件32上。將透水圓筒23套在水力劈裂試件32上，將橡膠套24套在透水圓筒23上，使橡膠套24的下延伸至下發(fā)對應(yīng)的凹槽內(nèi)，在凹槽內(nèi)鋪設(shè)第二止水橡膠22，然后將楔形鋼環(huán)21插入凹槽，把橡膠套24的上端延伸到頂塊25上，將鋼圈26放入頂塊25對應(yīng)的凹槽內(nèi)，通過鋼圈26將橡膠套24的上端壓在凹槽內(nèi)。將軸力墊板31放在頂塊25上，然后通過螺栓4將圓筒2與壓力室頂蓋1壓力室底座3連接，連接時注意在接口處放置密封墊33，將4個聲發(fā)射傳感器15對稱的分布在圓筒2上，用來監(jiān)測水力劈裂的發(fā)生，將量筒13放在電子天平14上，打開聲發(fā)射傳感器15和電子天平14，準(zhǔn)備試驗(yàn)。

步驟3，試樣的加載：根據(jù)事先的計(jì)算，首先施加圍壓，可以過充氣或充水，以充水為例，將第二進(jìn)水管8接至供水系統(tǒng)，在剛開始的供水階段，將出氣孔5上的出氣口閥門9打開，排除裝置內(nèi)氣體，當(dāng)氣體排除完是再關(guān)閉閥門，圍壓施加好之后，再通過軸力鋼棒30施加軸壓。然后通過第一進(jìn)水管7對水力劈裂試件32內(nèi)部施加水壓，直至達(dá)到預(yù)設(shè)值，通過電源17給附著在不透水膜上的電阻絲29進(jìn)行加熱，使不透水膜28融化，然后關(guān)閉電源，進(jìn)而可以模擬試件在突加高水頭滲透性液體情況下的水力劈裂。

步驟4，破壞過程分析：觀察過程中水力劈裂試件32的聲發(fā)射值，當(dāng)發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射值突然增加表明發(fā)生水力劈裂，根據(jù)此時的電子天平讀數(shù)，判斷水力劈裂發(fā)生時是處于非穩(wěn)定滲流階段還是穩(wěn)定滲流階段，如何沒有發(fā)生水力劈裂，可以增加試件內(nèi)水頭值，重復(fù)試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析突加高水頭滲透性液體下水力劈裂的機(jī)理。

在本發(fā)明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“設(shè)置”、“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

應(yīng)注意到：相似的標(biāo)號和字母在下面的附圖中表示類似項(xiàng)，因此，一旦某一項(xiàng)在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進(jìn)行進(jìn)一步定義和解釋。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，或者是該發(fā)明產(chǎn)品使用時慣常擺放的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”等僅用于區(qū)分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對這些實(shí)施方式進(jìn)行多種變化、修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。