層狀巖體橫觀各向同性滲透系數測試裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及巖土工程中巖體各向同性滲透系數的測試技術。
【背景技術】
[0002] 層狀巖體是指構造比較簡單的沉積巖，巖層可以成水平或陡傾狀，節理之間通常 平行或近似平行，巖層可以是固結的巖石，也可以是沒有固結的堆積物，層狀巖體的變形和 破壞特征主要受巖層組合和結構面的控制。自然界中的巖體具有層狀結構的約占陸地面積 的2/3,在我國占到77.3%，層狀巖體分布的廣泛性導致在工程建設中會遇到大量的層狀巖 體穩定問題，這些明顯的層狀結構，使層狀巖體的力學特征極為復雜如何判斷這些巖體的 穩定性，一直是巖石力學界研究的熱點問題之一。
[0003] 節理作為巖層劃分的界面，其反映出巖體在沉積過程中的間斷性，雖然巖層中可 能包含橫切的或不整合節理，但總體上節理是高度貫通的結構面，這些結構面一般由某一 巖層內的礦物組成，顆粒的粗細、膠結物的組成基本相同，并且呈現定向排列的特征，這些 定向排列的結構、構造、微裂紋等使層狀巖體表現出橫觀各向同性的性質，這種性質也導致 層狀巖體的滲透系數沿著節理方向和垂直節理方向呈現出不同的滲透性，并且將直接影響 工程的穩定性。
[0004] 地下工程開挖以后，由于應力調整會在圍巖中產生損傷，這些損傷會導致圍巖力 學和水力學特性發生變化，而這些變化能夠被定量測試，例如水和氣體的滲透性。但目前對 于層狀巖體滲透系數的測試裝置仍有沿用針對完整巖體的，無法反映出節理對于巖體滲透 性的影響，也就無法準確、客觀地反映出巖體的損傷程度。
【發明內容】
[0005] 本發明首先要解決的技術問題是提供一種層狀巖體橫觀各向同性滲透系數測試 裝置，能夠在同一裝置上進行水平和垂直兩個方向以及水和氣體兩種介質的滲透性測試， 完善了層狀巖體各向同性特征的評價。
[0006] 本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是:層狀巖體橫觀各向同性滲透系數 測試裝置，包括用于存儲液體的壓力容器、用于存儲惰性氣體的氣罐和用于放置層狀巖體 試樣的密閉測試容器，所述密閉測試容器的一側設有進口通道，另一側設有水平出口，所述 密閉測試容器的上下兩側設有垂直出口，所述垂直出口和所述水平出口均通過聯通管道連 接至回收容器，所述進口通道處設有用于控制密閉測試容器的總進口啟閉的第二控制開 關，所述第二控制開關的上游設有第一壓力表，所述垂直出口處設有用于控制垂直出口啟 閉的第一控制開關，所述水平出口處設有用于控制水平出口啟閉的第三控制開關，所述回 收容器的入口處設有用于控制回收容器入口啟閉的第四控制開關，所述第四控制開關的上 游設有第二壓力表，所述壓力容器的出口處設有用于控制壓力容器出口啟閉的第五控制開 關，所述壓力容器上連接有第三壓力表，所述氣罐的出口處設有用于控制氣罐出口啟閉的 第六控制開關，所述氣罐上連接有第四壓力表。
[0007] 本發明還提供一種層狀巖體橫觀各向同性滲透系數測試方法，所述方法應用上述 測試裝置并包括以下步驟： (1) 將包含層狀節理的巖體試樣放入密閉測試容器中，保持節理方向與流體進口方向 垂直； (2) 進行垂直節理方向的氣體滲透性測試； (3) 進行平行節理方向的氣體滲透性測試； (4) 進行垂直節理方向的水滲透性測試； (5 )進行水平節理方向的水滲透性測試。
[0008] (6)根據步驟(2)-(4)的測試結果對層狀巖體的滲透系數進行整體性評估。
[0009] 在采用上述技術方案的同時，本發明還可以采用或者組合采用以下進一步的技術 方案： 所述垂直方向的氣體滲透性測試具體包括以下步驟： 3.1) 關閉第五控制開關，開啟第六控制開關，控制滲透壓力在0.1~0.5MPa; 3.2) 關閉第一控制開關，開啟第二控制開關、第三控制開關和第四控制開關，使得惰性 氣體在密閉容器內沿垂直于巖體試樣的節理方向上通過； 3.3) 通入一定時間的氣體，并記錄第一壓力表和第二壓力表的讀數； 3.4) 根據式（1)計算垂直節理方向的層狀巖體氣體滲透系數；
(1) 式中K為惰性氣體滲透系數，A為巖樣橫截面面積，L為巖樣長度，分別為1號壓力 表和2號壓力表讀數，Po為大氣壓力，為氣體的粘度，Q〇為單位時間內的流量。
[0010] 所述水平節理方向的氣體滲透性測試具體包括以下步驟： 4.1) 關閉第五控制開關，開啟第六控制開關，控制滲透壓力在0.1~0.5MPa; 4.2) 關閉第三控制開關，開啟第一控制開關、第二控制開關和第四控制開關，使得惰性 氣體在密閉容器內沿巖體試樣的節理方向上通過，并從巖體兩側的出口滲出； 4.3) 通入一定時間的氣體，并記錄第一壓力表和第二壓力表的讀數； 4.4) 根據式(1)計算水平節理方向的層狀巖體氣體滲透系數。
[0011] 所述垂直節理方向的水滲透性測試具體包括以下步驟： 5.1) 關閉第六控制開關，開啟第五控制開關，控制滲透壓力在0.1~0.5MPa; 5.2) 關閉第一控制開關，開啟第二控制開關、第三控制開關和第四控制開關，使得水在 密閉容器內沿垂直于巖體試樣的節理方向上通過； 5.3) 通入一定時間的水，并記錄第一壓力表和第二壓力表的讀數； 5.4) 根據式(1)計算垂直節理方向的層狀巖體水滲透系數。
[0012] 所述水平節理方向的水滲透性測試具體包括以下步驟： 6.1) 關閉第六控制開關，開啟第五控制開關，控制滲透壓力在0.1~0.5MPa; 6.2) 關閉第三控制開關，開啟第一控制開關、第二控制開關和第四控制開關，使得水在 密閉容器內沿巖體試樣的節理方向上通過，并從巖體兩側的出口滲出； 6.3) 通入一定時間的水，并記錄第一壓力表和第二壓力表的讀數； 6.4) 根據式(1)計算水平節理方向的層狀巖體水滲透系數。
[0013] 所述整體性評估步驟包括根據氣體滲透性測試和水滲透性測試兩種測試方法的 前后順序，將這兩項測試時間銜接在一起，作為橫坐標，而縱坐標為根據專利要求3、4、5、6 計算獲得的氣體和水滲透系數，分別建立垂直和水平滲透系數與時間的對應關系，最終滲 透系數都將會穩定在一固定數值，將此數值作為該方向的最后滲透系數。
[0014] 本發明的有益效果是:本發明提供了一種層狀巖體橫觀各向同性損傷程度測試裝 置和方法，針對層狀巖體的發育特征，設置了專門的控制閥門，能夠控制水和氣體的滲透方 向，分別測試出垂直和水平方向的滲透系數，并且能夠在同一裝置上實現水和氣體的滲透 性測試;本發明通過合理的開關設計控制氣體或者液體的流動方向，得到垂直節理和平行 節理兩個方向的滲透系數，實現了橫觀各向同性巖體滲透性的準確測試，較傳統測試方法 能夠更加準確地反映出橫觀各向同性巖體的滲透特征，同時該裝置技術門檻低，操作簡單， 工作流程清晰，便于工地使用。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發明的測試裝置的整體結構圖。
[0016] 圖2是垂直節理方向的滲透系數測試示意圖。
[0017]圖3是水平節理方向的滲透系數測試示意圖。
【具體實施方式】
[0018] 實施例1，層狀巖體橫觀各向同性滲透系數測試裝置，參照附圖1。
[0019] 本發明的層狀巖體橫觀各向同性滲透系數測試裝置包括包括用于存儲液體的壓 力容器1、用于存儲惰性氣體的氣罐2和用于放置層狀巖體試樣的密閉測試容器3,壓力容器 1內存儲水，氣罐2內裝有氮氣，密閉測試容器3的一側設有進口通道4，進口通道4通過聯通 管道分別與壓力容器1和氣罐2連接，密閉測試容器3的另一側設有水平出口 5,密閉測試容 器的上下兩側設有垂直出口 6,兩個垂直出口 6和水平出口 5均通過聯通管道連接至回收容 器7,進口通道4處設有用于控制密閉測試容器的總進口啟閉的第二控制開關8,第二控制開 關8的上游設有第一壓力表9,兩個垂直出口6處各自設有用于控制該垂直出口啟閉的第一 控制開關10，水平出口 5處設有用于控制水平出口啟閉的第三控制開關11，回收容器7的入 口處設有用于控制回收容器入口啟閉的第四控制開關12,第四控制開關12的上游設有第二 壓力表13,壓力容器1的出口處設有用于控制壓力容器出口啟閉的第五控制開關14,壓力容