[發明專利]裂隙巖體熱-水-力三場耦合大尺度模型試驗方法

無效

• 申請號: 201310310013.4
• 申請日: 2013-07-23
• 公開（公告）號: CN103424533A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: 李濤;項彥勇;路威;田魯魯;孫健;孔繁越
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 北京元本知識產權代理事務所 11308
• 代理人: 葉凡

技術領域

本發明涉及對地下及巖土工程領域的裂隙巖體的試驗研究，具體涉及一種裂隙巖體熱-水-力三場耦合大尺度模型試驗方法。

背景技術

核能發電產生的核廢料（高放廢物）處置一直是世界各國一個重大且難于解決的問題。高放廢物的深地質處置是目前世界公認的處置方法，它是以放射性核素的包容為內容、阻滯遷移為核心，以多重屏障為主要手段，以千年乃至萬年以上公眾健康和環境保護為安全目標的重大工程。高放廢物處置庫多設置在深部巖層中，處置庫圍巖成為防止核素遷移的天然屏障。高放廢物在長期貯存過程中由于核素衰變會升溫發熱，處置庫圍巖不僅受到地應力和構造應力作用，內部還分布有各種節理和裂隙和存在地下水滲流，而核素的遷移有賴于地下水的流動，可見核素的遷移與裂隙巖體中的熱-水-力三場耦合作用密切相關。此外，新世紀以來，頁巖氣的開采成為新能源開發的前沿，頁巖中的天然氣開采通過向地下儲氣層注入高壓水劈裂巖層得以實現，其開采過程也與裂隙巖體內的熱-水-力三場耦合作用有關。

由于現場裂隙巖體的熱-水-力三場耦合試驗費用巨大、實施困難，而室內常規試驗采用小尺寸（厘米級）巖石試樣與裂隙巖體又有很大差距，因此大尺度（米級）模型試驗成為研究三場耦合條件下裂隙巖體熱-水-力耦合作用規律的必要手段。

發明內容

為克服上述現有技術中存在的不足，本發明提供了一種裂隙巖體熱-水-力三場耦合大尺度模型試驗方法，其通過將安裝有傳感裝置的巖石試樣組裝并形成裂隙巖體模型，通過對裂隙巖體模型進行熱-水-力三場耦合試驗實現對其內部溫度場、滲流場和應力場變化規律的研究，該方法是對大尺度（米級）裂隙巖體的模擬試驗，貼近于現場原位試驗，不僅能達到室內研究裂隙巖體三場耦合作用的目的，而且還能為現場原位試驗提供試驗技術和方法的支持。

為實現本發明的上述目的，本發明裂隙巖體熱-水-力三場耦合大尺度模型試驗方法包括以下步驟：1）在加工好的多個巖石試樣上分別安裝用來監測其性能參數的多個傳感裝置；2）將多個所述巖石試樣放入模型試驗箱內并進行組裝，形成裂隙巖體模型；3）通過包含有模型加載箱的供給系統對裂隙巖體模型加熱、加水和加壓，進行熱-水-力三場耦合試驗，并收集由多個所述傳感裝置監測到的各項試驗數據；4）根據收集到的試驗數據分析試驗中裂隙巖體模型內部溫度場、滲流場和應力場的變化規律。

優選地，所述裂隙巖體模型的組裝步驟包括：1）在所述模型加載箱內初步組建模所述型試驗箱；2）根據設計要求將多個所述巖石試樣逐塊放入初步組建好的模型試驗箱內并進行組裝，每相鄰兩個巖石試樣間形成裂隙，待全部巖石試樣組裝完畢，形成所述裂隙巖體模型。

進一步，在組裝所述裂隙巖體模型步驟的同時，還包括如下步驟：1）在組裝好的裂隙巖體模型周圍安裝隔熱防水裝置和荷載傳遞裝置，并將所述模型試驗箱進一步組建完善；2）之后在裂隙巖體模型間形成的裂隙中填砂，待砂填滿后，封閉模型試驗箱。

優選地，所述模型試驗箱的組建步驟包括：1）在所述模型加載箱內首先放入所述模型試驗箱的底板和部分側板；2）待所述隔熱防水裝置安裝完畢后，安裝所述模型試驗箱的剩余側板；3）待填滿砂后，在所述模型試驗箱頂部加蓋頂板將其封閉。

優選地，所述隔熱防水裝置包括隔熱層板和防水層板，所述荷載傳遞裝置包括傳力桿件和荷載傳感器，其中所述隔熱層板和所述防水層板安裝在所述裂隙巖體模型的周圍并將其密封，所述傳力桿件和所述荷載傳感器安裝在所述裂隙巖體模型的相對兩側。

優選地，本發明中熱-水-力三場耦合試驗的步驟包括：1）設定熱源溫度為預定值，對所述裂隙巖體模型進行加熱，同時向裂隙巖體模型內形成的裂隙內導入水流并調整恒流泵使得裂隙水流速至恒定；2）待所述裂隙巖體模型整體溫度分布達到穩定后，保持熱源溫度和水流速度不變，利用加壓裝置對所述裂隙巖體模型一側緩慢加壓，進行應力測試；3）在進行上述試驗的同時，觀測溫度、滲流和裂隙開度的變化，并采集、記錄測量數據。

根據試驗需求，所述預定值可為80～100℃，一般可選90℃。

進一步，在組裝形成裂隙巖體模型步驟后還包括對整個組裝過程及各裝置模塊進行檢查、調試的步驟，以確保全部達到正常工作狀態。

優選地，所述傳感裝置包括溫度傳感器、壓力傳感器和位移傳感器，其中所述溫度傳感器、壓力傳感器和位移傳感器的數量為多個，根據其類型和功能不同選用相應材料加以固定，同時連同其連接導線分別進行分類和編號。所述相應材料可包括玻璃膠、硅膠或水泥中的一種或多種。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：