基于巖體位移和孔壓的巖體高壓滲透性試驗裝置制造方法及圖紙

一種基于巖體位移和孔壓的巖體高壓滲透性試驗裝置，其通過一壓水試驗孔向巖體內注入高壓水，同時在該壓水試驗孔的一側布置多個滲壓孔，另一側與滲壓孔對稱位置布置多個變形觀測孔，每一滲壓孔內安裝滲壓計，每一變形觀測孔內安裝多點位移計，并使滲壓孔孔底高程、壓水試驗孔孔底高程及變形觀測孔孔底高程一致，同時使滲壓孔、壓水試驗孔及變形觀測孔互相平行；再對壓水試驗孔流量和壓力、滲壓孔滲壓以及變形觀測孔位移同時記錄，且記錄時間間隔不大于５分鐘；最后根據巖體在高壓水作用下的滲壓和位移與時間的關系曲線，再結合壓水試驗孔的流量和壓力與時間關系，應用流固耦合理論，采用滲壓和位移雙變量反分析方法求解巖體高壓滲透系數。（*該技術在2020年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及用于水利水電工程、供水工程、石油工程等領域進行巖體原位高壓壓 水試驗裝置，尤其是基于巖體位移和孔壓的巖體高壓滲透性試驗裝置。
技術介紹
現有技術條件下，巖體高壓壓水試驗系統一般只布置壓水試驗孔或同時布置少量 滲壓孔量測巖體滲透性。其工藝的不足之處在于不能獲取壓水試驗孔附近巖體的變形變化 過程，且只能根據壓水試驗孔流量壓力關系曲線推求巖體的滲透性，其試驗成果有較大的 局限性。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是，針對現有高壓壓水試驗系統存在的不足，提供一種 設計更加合 理，且操作方便的基于巖體位移和孔壓的巖體高壓滲透性試驗裝置。為解決上述技術問題，本專利技術提供了一種基于巖體位移和孔壓的巖體高壓滲透性 試驗裝置，包括一與外部水源連通的高壓水提供裝置，該高壓水提供裝置串接流量計及壓 力表后與開設在巖體上的壓水試驗孔連通，同時用止水栓塞封堵該壓水試驗孔；該壓水試 驗孔相隔3 5米處布置多個滲壓孔，且各個滲壓孔之間也相距3 5米，每一滲壓孔內安 裝滲壓計，滲壓計通過滲壓計電纜與量測單元連接，并使滲壓孔孔底高程與壓水試驗孔孔 底高程一致；在與壓水試驗孔相隔3 5米處布置多個與上述滲壓孔一一對應的變形觀測 孔，每一變形觀測孔內安裝多點位移計，并使變形觀測孔孔底高程與壓水試驗孔孔底高程 一致。上述裝置的進一步改進為，所述滲壓孔布置在與壓水試驗孔相距3 5米處的一 直線上，所述變形觀測孔布置于所述滲壓孔所在直線相對壓水試驗孔的對稱部位的巖體 內。上述裝置的又一進一步改進為，所述變形觀測孔與壓水試驗孔夾角呈45 90度。與現有技術相比，本專利技術所具有的有益效果為本專利技術通過滲壓孔記錄巖體中的 滲透壓力，通過同步測量巖體在高壓水作用下的滲壓和位移與時間的關系曲線，再結合壓 水試驗孔內的流量和壓力與時間的關系，應用流固耦合理論，采用滲壓和位移雙變量反分 析方法求解巖體高壓滲透系數，該壓水試驗工藝布置設計合理，結構簡單，操作方便，且進 一步完善了巖體高壓壓水試驗工藝，拓展了高壓壓水試驗成果的應用范圍。附圖說明圖1為本專利技術基于巖體位移和孔壓的巖體高壓滲透性試驗方法流程圖。圖2為本專利技術一具體實施例的高壓壓水試驗裝置示意圖。圖3為本專利技術一具體實施例的壓水試驗孔、變形觀測孔及滲壓孔布置位置示意 圖。圖4為巖體在高壓水作用下的滲壓和位移與時間的關系曲線圖。圖5為壓水試驗孔內的流量和壓力與時間的關系曲線圖。圖6為反分析建立的數學模型。圖7為位移計算值與實測值比較圖。圖8為滲壓計算值與實測值比較圖。具體實施方式如圖1-圖8所示，在對某巖體進行壓水試驗時，本技術基于巖體位移和孔壓 的巖體高壓 滲透性試驗裝置包括①在巖體上開設一壓水試驗孔4，同時通過高壓水提供裝置1向該壓水試驗孔4提 供壓力至少為3MPa的高壓水，同時在高壓水提供裝置1向壓水試驗孔4提供高壓水的回路 上設置流量計11及壓力計12，以對提供的高壓水的流量及壓力進行監控，并用由高壓油泵 裝置2控制的止水栓塞21堵住該壓水試驗孔4，使高壓水向巖體中滲透。②在與壓水試驗孔4相隔3 5米處布置多個滲壓孔5，且各個滲壓孔5之間也 相距3-5米，每一滲壓孔5內安裝滲壓計52，該些滲壓計52通過滲壓計電纜521與量測單 元6連接，同時使滲壓孔孔底高程與壓水試驗孔孔底高程一致。為方便鉆孔和減少鉆孔工 作量，可將所有滲壓孔5設置在與壓水試驗孔4相隔3 5米的一直線上。③在與壓水試驗孔4相隔3 5米處布置多個與上述滲壓孔5 —一對應的變形觀 測孔，布置時最好使變形觀測孔3與壓水試驗孔4的夾角呈45 90度，每一變形觀測孔3 內安裝多點位移計32，并使變形觀測孔孔底高程與壓水試驗孔孔底高程一致，且多點位移 計32通過多點位移計電纜321與量測單元6連接。為方便鉆孔和減少鉆孔工作量，可將所 有變形觀測孔3布置于上述滲壓孔所在直線相對壓水試驗孔的對稱部位的巖體內；為最大 程度捕捉因壓水引起的巖體位移，為滲透系數反分析提供有效的原始數據，可將該變形觀 測孔3與壓水試驗孔4的夾角設置為呈45 90度。當該基于巖體位移和孔壓的巖體高壓滲透性試驗裝置使用時，先如下表1所示， 對壓水試驗孔4的流量和壓力、滲壓孔5的滲壓以及變形觀測孔3的位移數據同時進行記 錄，且數據記錄時間間隔不能大于5分鐘。在表1中，數據記錄時間間隔為1分鐘。表1 最后，根據巖體在高壓水作用下的滲壓和位移與時間的關系曲線，再結合壓水試 驗孔內的流量和壓力與時間的關系，應用流固耦合理論，采用滲壓和位移雙變量反分析方 法求解巖體高壓滲透系數。本專利技術運用流固耦合理論，采用滲壓和位移雙變量反分析方法求解巖體高壓滲透 系數的方法具體包括下列步驟6-1.如圖6所示，全面分析巖體高壓壓水試驗過程，建立壓水試驗過程的數值分 析模型；6-2.擬定巖體流固耦合數值分析的初始力學參數和滲透系數值，確定模型計算邊 界；6-3.根據壓水試驗孔流量與壓力和時間的關系曲線，將壓水試驗孔設置為水頭邊 界或流量邊界；6-4.將滲壓孔和變形觀測孔相對應的位置設置為數值計算的位移和孔隙壓力 (該孔隙壓力相當于實測的滲壓)監測點，記錄計算過程中相應監測點的位移和孔隙壓力 的變化；6-5.根據該巖體分布情況，選用如下表2所示的滲透系數，采用流固耦合分析軟 件(FLAC3D和ABAQUS等軟件，這些軟件都是本領域技術人員公知的)按照如下所示的計算 步驟進行正分析，獲取反分析所需的孔隙壓力、位移與滲透系數相對應的原始樣本數據；表2滲透系數取值表(cm/s) 為盡可能真實地反映計算模型的實際狀況，計算過程按以下5個步驟進行(各步 驟施加相應的荷載條件)第1步時間t = 0，初始應力和孔隙壓力場的模擬；第2步時間t = 0，壓水鉆孔開挖過程計算(HM耦合分析)；第3步時間t = 0 60min，快速法壓水升壓過程模擬(HM耦合分析)；第4步時間t = 60 120min，壓水穩壓狀態模擬(HM耦合分析)；第5步時間t = 120 180min，壓水孔壓力降壓過程模擬(HM耦合分析)。6-6.結合上述步驟④_⑤所獲得的高壓壓水試驗獲得的滲壓和位移與時間的關 系數據，應用最小二乘法或人工神經網絡法等方法，即可反演計算巖體滲透系數。即將計算 過程中所得的孔隙壓力和位移作為輸入值，滲透系數作為輸出值，利用人工神經網絡進行 模型識別和反演計算，得到如表3所示的滲透系數計算結果。表3滲透系數反演成果表(cm/s) 將上述計算成果與實測成果進行比較分析 通過將表3中的滲透系數作為步驟6-5數值計算的輸入值，采用流固耦合分析軟 件進行正分析得到的監測點計算成果(孔隙壓力、位移)與實測結果(滲壓及位移)對比， 所得結果如圖7和圖8所示。由圖7、圖8可看出計算值與實測值相互吻合，表明基于滲 壓和位移實測結果進行反分析得到的滲透系數是正確的。權利要求一種基于巖體位移和孔壓的巖體高壓滲透性試驗裝置，包括一與外部水源連通的高壓水提供裝置，該高壓水提供裝置串接流量計及壓力表后與開設在巖體上的壓水試驗孔連通，同時用止水栓塞封堵該壓水試驗孔，其特征在于該壓水試驗孔相隔3～5米處布置多個滲壓孔，且各個滲壓孔之間也相距3～5米，每一滲壓孔內安裝滲壓計，滲壓計通過滲壓計電纜與量測單元連接，并使滲壓孔孔底本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于巖體位移和孔壓的巖體高壓滲透性試驗裝置，包括一與外部水源連通的高壓水提供裝置，該高壓水提供裝置串接流量計及壓力表后與開設在巖體上的壓水試驗孔連通，同時用止水栓塞封堵該壓水試驗孔，其特征在于：該壓水試驗孔相隔３～５米處布置多個滲壓孔，且各個滲壓孔之間也相距３～５米，每一滲壓孔內安裝滲壓計，滲壓計通過滲壓計電纜與量測單元連接，并使滲壓孔孔底高程與壓水試驗孔孔底高程一致；在與壓水試驗孔相隔３～５米處布置多個與上述滲壓孔一一對應的變形觀測孔，每一變形觀測孔內安裝多點位移計，并使變形觀測孔孔底高程與壓水試驗孔孔底高程一致。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：蔣中明，胡大可，馮樹榮，李尚高，傅勝，許利輝，
申請(專利權)人：中國水電顧問集團中南勘測設計研究院，
類型：實用新型
國別省市：43[中國|湖南]