一种泥浆渗透成膜实验装置及其测量泥浆渗透性能的方法与流程

1.本发明涉及城市地铁、跨江越海隧道等领域中的渗透性能试验设备，特别是涉及一种泥浆渗透成膜实验装置及其测量泥浆渗透性能的方法。


背景技术：

2.近年来，泥水平衡盾构已在穿江越海等复杂地质环境中得到广泛应用。泥水平衡盾构通过调节压力仓内的泥浆压力来平衡开挖面地层的水土压力，由于泥浆压力大于地层孔隙水压力，泥浆中的细小颗粒在压差作用下会向地层中渗透形成不透水的泥膜，从而起到稳定地层的作用。因此，泥浆对地层的渗透成膜特性直接关系到泥水平衡盾构掘进的稳定性。
3.目前，国内对泥浆渗透地层的试验设备比较庞大，完成泥浆渗透地层并得到多组泥浆渗透地层的效果耗时较长，在已公开的中国专利文献中，公开号为cn 207470190 u的专利，公开了一种模拟泥水盾构开挖面泥浆成膜及测量泥膜渗透系数的装置。其能直接用清水测量渗透形成泥膜后泥膜的渗透系数，测试结果更为准确。但是申请人认为，随着盾构施工技术的发展，简单的结构、简单结构和反渗透技术的结合，难以应付多种盾构施工情况，比如海底隧洞岩层含氯化钠成分高，而盐分对泥膜的生成有破坏性影响，比如高原冻土环境或低海拔沙质环境下，岩层温度环境都异于常温，也会对泥膜的生成产生影响，而这些都在现阶段的测量方法中没有考虑和顾及，导致设备的实用环境单一，测量面窄。
4.因此，如何快速获得多种地质条件下的泥浆的渗透性能，且各功能间并行不悖，是本领域技术人员急需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种适配多模式的泥浆渗透成膜试验装置及其测量泥浆渗透性能的方法。
6.本技术提供一种适配多模式的泥浆渗透成膜试验装置，包括试验筒、主体系统和加压系统，所述试验筒置于所述主体系统上；所述试验筒由透明材质制成，其上横向设有刻度，所述试验筒的底部安装下水管道，所述试验筒的顶部连接所述加压系统的输出端，所述试验筒包括同轴套装的内部调节筒（23）和外部观察筒（4），所述内部调节筒（23）内自下而上设有透水区（16），渗透区（17）、泥浆区（18）和空腔区（19），所述外部观察筒（4）与所述内部调节筒（23）间设有润滑层、温控装置和盐控装置。
7.所述主体系统包括门型架（1）和底部支撑，所述门型架（1）上安装与试验筒配合的密封盖（3），所述底部支撑包括移动式扇形板（7）和移动式扇形板（7）的支撑部件（11），所述移动式扇形板（7）与所述门型架（1）滑动连接。
8.所述加压系统包括气源、连接气源的压力调节器，所述压力调节器包括第一压力表（9）和减压器（10），所述第一压力表（9）测量所述减压器（10）的出口压力，所述减压器（10）的出气口通过气管与所述渗透区（17）的通气孔连通，所述气管与所述通气孔连接的一
端设有适配多模式的泥浆渗透成膜试验装置的通气阀；所述加压系统还包括打气筒（8）和第二压力表（25），所述第二压力表（25）测量所述打气筒（8）的出口压力，所述打气筒（8）的出气口通过所述气管与所述减压器（10）的进气口连通。
9.所述温控装置包括蛇状盘布在所述外部观察筒（4）的内侧两侧的加热导丝（20）。
10.所述加热导丝（20）替换为插装在外部观察筒（4）外侧两侧的半导体制冷环（5）。
11.所述盐控装置安装在所述密封盖（3）上，所述盐控装置包括压力式点动通断阀（13），所述压力式点动通断阀（13）的一端连接喷雾式出口（12），另一端连接盐水储备仓（14），所述喷雾式出口（12）朝向所述试验筒内部。
12.所述外部观察筒（4）的中下方设置突出的观察窗（24），所述观察窗（24）为平面且垂直于水平面。
13.一种测量泥浆渗透性能的方法，上述适配多模式的泥浆渗透成膜试验装置，包括以下步骤：s1设备准备：（1）试验筒底部封闭形成压力断路，常温常压下试验筒内依次放置透水石、试验土层和试验泥浆；（2）调节密封盖（3），密封所述试验筒的内腔后打开加压系统的通气阀，伴随加压系统内部压力随动升高，打开试验筒下水管道的阀门；所述渗透区（17）由带刻度线的透明筒构成，在所述透明筒内依次放置透水石、试验土层和试验泥浆。
14.s2渗透试验：渗透区（17）的泥浆经由试验土层渗透下落，固结物残留至渗透区（17）上方形成泥膜，液体穿过渗透区（17）流向试验筒底部，滴落至收集管（6）内，自初始滴落液体起计时，30分钟后渗透试验结束，记录泥膜厚度；s3环境调整：（1）所述温控装置包括电热转换电路，所述电热转换电路电连接市电，以模拟不同环境地温；（2）配置与勘测岩层盐度配合的盐水溶液，所述盐水溶液置于所述盐水储备仓（14）内，在渗透区（17）填装的过程中，以填装5cm为一个循环，每个循环内安装密封盖（3）后、以5次/分钟、2-5ml/次的频率，点动控制所述盐控装置的压力式点动通断阀（13），实现间歇喷淋，实现海底岩层情况的模拟。
15.本发明的技术方案与现有技术相比具有下列优点：该适配多模式的泥浆渗透成膜试验装置结构简单，使用方便，内部调节筒可更换以作为系列试验的样品比对，而无需频繁清理和更换内部砂石，尤其是，低温场合的模拟条件下，还可以促进砂石层的冻结，便于内部调节筒的取出和后期观察；加装了盐控装置，实现了对海底隧洞岩层环境的模拟，拓展了渗透泥膜试验环境的模拟场合，在先模拟的过程，可以最大限度模拟海底隧洞的岩层环境；内外套装中，加涂凡士林油增进摩擦，可以延长设备的使用寿命，观察窗的设计，防止多次试验后摩擦影响刻度观察。
附图说明
16.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
17.图1为本发明主视方向的结构示意图图2为本发明主视右向的结构示意图；图3为本发明俯视方向的结构示意图；图4为本发明立体图；图5为使用过程中结构的全剖视图；图6为外部观察筒的展开效果示意图；其中，图1到图5中略去支撑部件和压力调节器；1.门型架；2.手柄；3.密封盖；4.外部观察筒；5.半导体制冷环；6.收集管；7.移动式扇形板；8.打气筒；9.压力表；10.减压器；11.支撑部件；12. 喷雾式出口；13.压力式点动通断阀；14.盐水储备仓；15.按钮；16.透水区；17. 渗透区；18.泥浆区；19.空腔区；20. 加热导丝；21.气管安装孔；22.滑槽； 23.内部调节筒；24.观察窗；25.第二压力表（附图）。
具体实施方式实施例1
18.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
19.在一种具体的实施方式中，本发明提供了一种适配多模式的泥浆渗透成膜试验装置，包括：试验筒、主体系统和加压系统，试验筒置于主体系统上；试验筒由透明材质制成，其上横向设有刻度，试验筒的底部安装下水管道，试验筒的顶部连接加压系统的输出端，试验筒包括同轴套装的内部调节筒23和外部观察筒4，内部调节筒23内自下而上设有透水区16，渗透区17、泥浆区18和空腔区19，外部观察筒4与内部调节筒23间设有润滑层、温控装置和盐控装置。
20.主体系统包括门型架1和底部支撑，门型架1上安装与试验筒配合的密封盖3，底部支撑包括移动式扇形板7和移动式扇形板7的支撑部件11，扇形板与门型架1滑动连接。
21.加压系统包括气源、连接气源的压力调节器，压力调节器包括第一压力表9和减压器10，第一压力表9测量减压器10的出口压力，减压器10的出气口通过气管与渗透区17的通气孔连通，气管与通气孔连接的一端设有通气阀，以适配多模式的泥浆渗透成膜试验装置；加压系统还包括打气筒8和第二压力表25，第二压力表25测量打气筒8的出口压力，打气筒8的出气口通过气管与减压器10的进气口连通。
22.温控装置包括蛇状盘布在外部观察筒4内侧两侧的加热导丝20。
23.盐控装置安装在密封盖3上，盐控装置包括压力式点动通断阀13和按钮15，压力式点动通断阀13的一端连接喷雾式出口12，另一端连接盐水储备仓14，喷雾式出口12朝向试验筒内部。
24.外部观察筒4的中下方设置突出的观察窗24，观察窗24为平面且垂直于水平面
一种测量泥浆渗透性能的方法，上述适配多模式的泥浆渗透成膜试验装置，包括以下步骤：s1设备准备：（1）试验筒底部封闭形成压力断路，常温常压下试验筒内依次放置透水石、试验土层和试验泥浆；（2）调节密封盖3，密封试验筒的内腔后打开加压系统的通气阀，伴随加压系统内部压力随动升高，打开试验筒下水管道的阀门；渗透区17由带刻度线的透明筒构成，在透明筒内依次放置透水石、试验土层和试验泥浆。
25.s2渗透试验：渗透区17的泥浆经由试验土层渗透下落，固结物残留至渗透区17上方形成泥膜，液体穿过渗透区17流向试验筒底部，滴落至收集管6内，自初始滴落液体起计时，30分钟后渗透试验结束，记录泥膜厚度；s3 环境调整：（1）温控装置包括电热转换电路，电热转换电路电连接市电，以模拟不同环境地温；（2）配置与勘测岩层盐度配合的盐水溶液，盐水溶液置于盐水储备仓14内，在渗透区17填装的过程中，以填装5cm为一个循环的起始，每个循环内安装密封盖3后、以5次/分钟、2-5ml/次的频率，按动按钮15实现点动控制盐控装置的压力式点动通断阀13，实现间歇喷淋，实现海底岩层情况的模拟。
26.工作过程中，试验涂层多采用砂石模拟岩层，之后用不同配比的砂浆做实验，模拟出最佳砂浆对比，试验过程中，可以提前预置多个内部调节筒23，形成同组砂石条件下泥膜成型的对比。
27.模拟中高温或变温环境时，加热导丝20通电，实现对试验筒的温度调节，本实施例中，还可以添加温度检测装置。
28.测量过程中，首先内桶中按预置条件安装砂石，调节温度，模拟环境，之后在底部断路的条件下注入砂浆，之后试验桶顶部密封，进一步模拟施工现场的气压环境，之后顶部和底部实现通路，泥浆缓慢经过砂石，形成泥膜，逐步完成泥浆渗透成膜试验。
29.内部调节筒23的更换通过主体系统的变形实现，具体方式为，底部的支撑系统为液压升降系统，在两侧的滑槽22限制导向下，实现带动内层调节筒的升降，同时在试验状态对其进行支撑。
30.进一步的，也可以适当借助密封盖3顶部的手柄2实现外部观察筒4辅助的定位。
实施例2
31.本实施例工作原理同是实施例1，具体不同之处在于：加热导丝20替换为插装在外部观察筒4的外侧两侧的半导体制冷环5。半导体制冷环5的工作原理相当于现有技术中的半导体制冷片，利用半导体材料的peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。利用通电的电极实现一面冷一面热，之后利用更改电流的方向可以实现冷热面的转换，从而实现控制外部观察筒4温度的作用。模拟不同环境和压力下的岩层温度，实现更加真实的环境模拟。

技术特征：
1.一种适配多模式的泥浆渗透成膜试验装置，包括试验筒、主体系统和加压系统，所述试验筒置于所述主体系统上；所述试验筒由透明材质制成，其上横向设有刻度，所述试验筒的底部安装下水管道，所述试验筒的顶部连接所述加压系统的输出端，其特征在于：所述试验筒包括同轴套装的内部调节筒（23）和外部观察筒（4），所述内部调节筒（23）内自下而上设有透水区（16），渗透区（17）、泥浆区（18）和空腔区（19），所述外部观察筒（4）与所述内部调节筒（23）间设有润滑层、温控装置和盐控装置。2.一种如权利要求1所述的适配多模式的泥浆渗透成膜试验装置，其特征在于：所述主体系统包括门型架（1）和底部支撑，所述门型架（1）上安装与试验筒配合的密封盖（3），所述底部支撑包括移动式扇形板（7）和移动式扇形板（7）的支撑部件（11），所述移动式扇形板（7）与所述门型架（1）滑动连接。3.一种如权利要求1所述的适配多模式的泥浆渗透成膜试验装置，其特征在于：所述加压系统包括气源、连接气源的压力调节器，所述压力调节器包括第一压力表（9）和减压器（10），所述第一压力表（9）测量所述减压器（10）的出口压力，所述减压器（10）的出气口通过气管与所述渗透区（17）的通气孔连通，所述气管与所述通气孔连接的一端设有适配多模式的泥浆渗透成膜试验装置的通气阀；所述加压系统还包括打气筒（8）和第二压力表（25），所述第二压力表（25）测量所述打气筒（8）的出口压力，所述打气筒（8）的出气口通过所述气管与所述减压器（10）的进气口连通。4.一种如权利要求1所述的适配多模式的泥浆渗透成膜试验装置，其特征在于：所述温控装置包括蛇状盘布在所述外部观察筒（4）的内侧两侧的加热导丝（20）。5.一种如权利要求4所述的适配多模式的泥浆渗透成膜试验装置，其特征在于：所述加热导丝（20）替换为插装在外部观察筒（4）外侧两侧的半导体制冷环（5）。6.一种如权利要求1所述的适配多模式的泥浆渗透成膜试验装置，其特征在于：所述盐控装置安装在所述密封盖（3）上，所述盐控装置包括压力式点动通断阀（13），所述压力式点动通断阀（13）的一端连接喷雾式出口（12），另一端连接盐水储备仓（14），所述喷雾式出口（12）朝向所述试验筒内部。7.一种如权利要求1所述的适配多模式的泥浆渗透成膜试验装置，其特征在于：所述外部观察筒（4）的中下方设置突出的观察窗（24），所述观察窗（24）为平面且垂直于水平面。8.一种测量泥浆渗透性能的方法，其特征在于，使用权利要求1所述的适配多模式的泥浆渗透成膜试验装置，包括以下步骤：s1设备准备：（1）试验筒底部封闭形成压力断路，常温常压下试验筒内依次放置透水石、试验土层和试验泥浆；（2）调节密封盖（3），密封所述试验筒的内腔后打开加压系统的通气阀，伴随加压系统内部压力随动升高，打开试验筒下水管道的阀门；所述渗透区（17）由带刻度线的透明筒构成，在所述透明筒内依次放置透水石、试验土层和试验泥浆；s2渗透试验：渗透区（17）的泥浆经由试验土层渗透下落，固结物残留至渗透区（17）上方形成泥膜，液体穿过渗透区（17）流向试验筒底部，滴落至收集管（6）内，自初始滴落液体起计时，30分钟后渗透试验结束，记录泥膜厚度；
s3环境调整：（1）所述温控装置包括电热转换电路，所述电热转换电路电连接市电，以模拟不同环境地温；（2）配置与勘测岩层盐度配合的盐水溶液，所述盐水溶液置于所述盐水储备仓（14）内，在渗透区（17）填装的过程中，以填装5cm为一个循环，每个循环内安装密封盖（3）后、以5次/分钟、2-5ml/次的频率，点动控制所述盐控装置的压力式点动通断阀（13），实现间歇喷淋，实现海底岩层情况的模拟。

技术总结
本发明涉及一种泥浆渗透成膜实验装置及其测量泥浆渗透性能的方法，旨在解决现阶段渗透泥膜测量中适配场景单一使用率低的问题，设备中试验筒包括同轴套装的内部调节筒和外部观察筒，内部调节筒内自下而上设有透水区，渗透区、泥浆区和空腔区，外部观察筒与内部调节筒间设有润滑层、温控装置和盐控装置有益效果在于可以适合多种施工环境，工作范围广，调节过程自动化程度高。过程自动化程度高。过程自动化程度高。


技术研发人员：杨振兴 曾垂刚 孙飞祥 吕乾乾 王发民 韩伟锋 郭璐
受保护的技术使用者：中铁隧道局集团有限公司
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/8/13