胡新逸

【摘 要】論文經(jīng)過理論的推導(dǎo)，研制了一套可以模擬地底破碎巖石受水侵蝕的滲透試驗(yàn)系統(tǒng)，這套系統(tǒng)由數(shù)個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)兩種方式滲透試驗(yàn)可以自由切換。

【Abstract】Through theoretical derivation， a permeation test system is developed， which can simulate the water erosion of broken rock under the earth. The system is composed of several independent systems， which can be freely switched between two ways.

【關(guān)鍵詞】破碎巖石；滲流；質(zhì)量流失；滲透性

【Keywords】fractured rock mass； seepage； mass loss； permeability

【中圖分類號(hào)】TD421.61；TD402 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）03-0139-02

1 試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

一個(gè)好的工程設(shè)計(jì)需要諸多方面的努力和細(xì)心，好的設(shè)計(jì)環(huán)境，好的理論依據(jù)，好的試驗(yàn)數(shù)據(jù)等等。而設(shè)計(jì)出好工程的前提必須要有明確的要求。只有良好而明確的設(shè)計(jì)要求才能創(chuàng)造出優(yōu)質(zhì)性能、便宜、技術(shù)含量高的滲流測(cè)試系統(tǒng)。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)功能

本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)參考了杜峰[1]的實(shí)驗(yàn)，除了擁有基本的測(cè)試功能外，還要具有其滲流試驗(yàn)所不具備的功能。

2.1 施加載荷機(jī)構(gòu)和位移測(cè)量功能

滲流試驗(yàn)的過程中需要對(duì)巖石樣本進(jìn)行軸向加載，而且軸向壓縮量可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，還需要向巖石樣品兩端施加一個(gè)軸向載荷平衡其內(nèi)部壓力。

2.2 壓力控制

當(dāng)時(shí)滲流儀進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)壓力的波動(dòng)會(huì)對(duì)試驗(yàn)造成很大的影響。因此在試驗(yàn)過程中，要保證巖石樣品兩端的壓力恒定。

2.3 信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理

為了提高效率、減少用戶的工作量、提高流量和壓力的測(cè)量精度，本試驗(yàn)要配備高效采集器。

2.4 數(shù)據(jù)采集裝置的采集實(shí)時(shí)性

試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)要進(jìn)行實(shí)時(shí)收集。

2.5 簡(jiǎn)便性

各項(xiàng)數(shù)據(jù)的收集簡(jiǎn)單方便；采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)可以導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自行設(shè)計(jì)的破碎巖體滲流試驗(yàn)系統(tǒng)（圖1）主要由軸向加載機(jī)構(gòu)、滲流儀、液壓回路、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)等組成。各個(gè)部分的配合關(guān)系融洽是系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。

3.1 總設(shè)計(jì)方案

將試驗(yàn)系統(tǒng)各部分功能進(jìn)行分解，設(shè)計(jì)出以下試驗(yàn)系統(tǒng)方案，見圖1。

首先啟動(dòng)油泵P1，通過油泵P1向雙作用液壓缸AC2有桿腔注入液壓油來驅(qū)動(dòng)雙作用液壓缸AC2。水泵P2的作用有兩個(gè)，一是向巖石樣本下端注水提供穩(wěn)定的壓力，二是把水注到雙作用液壓缸的無桿腔。 在滲透儀中放置巖石樣本。萬能材料試驗(yàn)機(jī)具有可移動(dòng)的橫梁，利用這一功能可以調(diào)節(jié)橫梁與底座之間的距離。將滲流儀放置于萬能材料試驗(yàn)機(jī)上，底部由法蘭固定。通過萬能材料試驗(yàn)機(jī)向滲流儀施加軸向載荷，載荷通過溢水桶、透水板、滲透儀的底板、材料試驗(yàn)機(jī)的底座等傳遞，使破碎巖石樣本發(fā)生壓縮變形。破碎巖石樣本的軸向壓縮量由位移傳感LC 將位移量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由無紙記錄儀實(shí)時(shí)顯示和儲(chǔ)存。當(dāng)位移量達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，停止加載，實(shí)現(xiàn)巖石樣本變形量恒定。將材料機(jī)的橫梁緩慢地向上移動(dòng)。使巖石樣本卸載。打開截止閥 S3和 S4，關(guān)閉截止閥 S2，啟動(dòng)水泵 P2。水流進(jìn)入到滲透儀?；芈分幸缌鏖ySV2 可以對(duì)巖石樣本下端的壓力進(jìn)行控制，在該管路中設(shè)置了壓力變送器PT來記錄滲流儀內(nèi)部巖石樣本下端的壓力。最后滲透儀上端由溢流桶流出的混合液體由托盤收集，經(jīng)過水管收集到振動(dòng)篩中，利用振動(dòng)篩來進(jìn)行分離收集細(xì)小顆粒。最后將收集到的顆粒進(jìn)行烘干處理并用精密電子秤計(jì)量其質(zhì)量。以上步驟完成后即實(shí)現(xiàn)了泵站式滲透。

打開S1、S2 、 S4關(guān)閉 S3，通過這樣的方法形成單一流向，水泵 P2 直接向雙作用液壓缸 AC 無桿腔注水，活塞桿向上移動(dòng)。注完水以后，關(guān)閉截止閥 S4，打開截止閥 S3，啟動(dòng)油泵 P1。由泵 P1 輸出的液壓油經(jīng)過冷卻器、截止閥 S1進(jìn)入到雙作用液壓缸 AC有桿腔。雙作用液壓缸 AC 無桿腔的水經(jīng)過截止閥 S2、S3 和流量計(jì) FT 進(jìn)入到滲透儀。溢流閥 SV1 控制雙作用液壓缸AC2 有桿腔的油壓，通過這種設(shè)計(jì)間接地控制了巖石樣本下端的壓力，水壓由壓力變送器 PT2 與無紙記錄儀組成的系統(tǒng)進(jìn)行顯示和記錄。當(dāng)水用完后，暫停試驗(yàn)，由水泵 P2 再次向液壓缸注水，繼續(xù)試驗(yàn)。

將無紙記錄儀與計(jì)算機(jī)連接，這樣就能夠做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力變送器PT1、PT2和流量計(jì)FT等三路信號(hào)，而且還能在試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，極大地縮短了試驗(yàn)的時(shí)間，方便了試驗(yàn)過程。

3.2 軸向加載及位移控制方案

試驗(yàn)開始后泵P2向巖樣下端注射水壓，由于巖石樣本中的水壓無法自行調(diào)節(jié)平衡，所以需要在巖石樣本兩端加載軸向載荷。為了研究孔隙度對(duì)滲透性的影響，試驗(yàn)也需要對(duì)巖石樣本進(jìn)行壓縮。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)的試驗(yàn)需要一個(gè)軸向加載機(jī)構(gòu)。在剛度達(dá)到要求的情況下框架才能完成加載任務(wù)，如果框架的剛度不足的話，當(dāng)水壓波動(dòng)時(shí)框架可能會(huì)發(fā)生彎曲，導(dǎo)致滲流儀內(nèi)部巖石樣本的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化，那么測(cè)得的數(shù)據(jù)也無法用來研究滲透性變化規(guī)律?；趯W(xué)校有現(xiàn)成的材料試驗(yàn)機(jī)。我們選用學(xué)校實(shí)驗(yàn)室里的萬能材料試驗(yàn)機(jī)作為承載結(jié)構(gòu)，該材料試驗(yàn)機(jī)最大行程為700mm。且具有可調(diào)節(jié)距離的橫梁，可以調(diào)整底座與橫梁間的距離。由于破碎巖石樣本在壓縮過程中需要的最大載荷遠(yuǎn)小于材料機(jī)能提供的最大載荷，故無需對(duì)萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剛度校核。

試驗(yàn)選用萬能材料試驗(yàn)機(jī)來進(jìn)行軸向加載，見圖1。材料試驗(yàn)機(jī)固定滲透儀的同時(shí)由材料試驗(yàn)機(jī)提供動(dòng)力，活塞位移由位移傳感器LC測(cè)定。

3.3 滲流儀

密封是否得到保證是整個(gè)試驗(yàn)的核心。滲透儀內(nèi)部的部件如圖3-2。

水從底板進(jìn)入開始滲流。經(jīng)過透水板進(jìn)入巖石樣本中。然在試驗(yàn)的過程中溢水桶會(huì)向外面流出水和砂粒，水和砂粒流入到托盤里，從而從托盤的管嘴流出。為了便于細(xì)小顆粒和水的混合物流出收集，我們將托盤的底板設(shè)計(jì)成錐面。缸筒是滲流試驗(yàn)中最為重要的一環(huán)，也是實(shí)現(xiàn)滲透試驗(yàn)的基礎(chǔ)。

4 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

液壓缸注射器式回路由油泵、冷卻器、壓力表、雙作用液壓缸組成。雙作用液壓缸活塞有桿腔注入液壓油無桿腔則注入水，油泵輸送液壓油到液壓缸有桿腔，從而驅(qū)動(dòng)活塞向下移動(dòng)。在液壓缸活塞的作用下，無桿腔的水通過管路被注射到滲透儀中。泵站式滲透較為簡(jiǎn)單由水泵、開關(guān)閥、流量傳感器等組成。

5 信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理

我們?cè)陂_關(guān)S3與滲流儀之間連接的管路中設(shè)置了流量傳感器和壓力變送器，在材料試驗(yàn)機(jī)上設(shè)置了位移傳感器，位移傳感器一端與溢流桶蓋頂部相連，通過這種方式測(cè)量巖石的壓縮量。此外在滲流儀缸筒的周側(cè)還開有螺紋孔，用于安裝壓力變送器。數(shù)據(jù)線將流量傳感器、壓力變送器與無紙記錄儀連接起來，無紙記錄儀與個(gè)人計(jì)算機(jī)連接。個(gè)人計(jì)算機(jī)原則上由用戶配置，如需生產(chǎn)單位配備，用戶應(yīng)提出技術(shù)性能指標(biāo)。無紙記錄儀安裝箱可由配電箱改造而成，接線端子和無紙記錄儀安裝在改造的配電箱壁上，具體尺寸現(xiàn)場(chǎng)確定。各傳感器與無紙記錄儀之間的連線根據(jù)物資市場(chǎng)商品供貨情況而定。

6 結(jié)語

在原有滲流實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上增設(shè)了一個(gè)雙作用液壓缸，將兩個(gè)泵和液壓缸聯(lián)系起來。當(dāng)液壓缸內(nèi)的水用完后可以通過水泵向內(nèi)注水，繼續(xù)試驗(yàn)達(dá)到增長試驗(yàn)的目的。針對(duì)設(shè)計(jì)的缸筒長度較短這一情況提出了一套初步的改進(jìn)措施，可以加長滲透儀缸筒長度來加大加速因子。與之相應(yīng)的必須要設(shè)計(jì)出一套新的加載機(jī)構(gòu)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】杜鋒.破碎巖體水沙兩相滲透特性試驗(yàn)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)， 2013.