高压三轴渗流试验系统设计初探
韩旭，黄家会，夏阳，刘阳**
作者简介：韩旭，（1987-），男，硕士，新型井壁结构与力学特性。
通信联系人：黄家会，（1965-），男，教授，深部岩土力学与新型井壁结构. E-mail: hanxuligong@126.com
（中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221008）
5 摘要：通过分析岩石渗透系数室内试验常用方法和岩石渗透性的影响因素，提出高压三轴渗
流试验系统的设计目标以及设计方案，介绍了试验系统的组成和各部分的功能，并对关键子
系统进行详细说明。该试验系统能够进行恒流状态和恒压状态下的渗流试验，以满足模拟不
同应力状态和不同渗流量的试验要求。
关键词：工程地质学；岩石渗透性；试验系统设计
 25 0 引言
岩石渗透性研究对岩土工程具有极其重要的意义，然而由于岩石渗透性试验的特殊性和
复杂性，目前无论在国际上或在国内，对渗透性试验系统的要求越来越高，研究开发所取得
的成果也很多。具有代表性的高压渗流实验设备有中国矿业大学从美国引进的815-02 型岩
石力学电液伺服系统[1]曾是国内唯一的可以进行孔压和渗透试验的设备，该系统可以使用瞬
30 态法和稳态法进行渗流试验；张铭[2]设计开发了岩石高精度通用渗透试验装置，在高围压、
高孔隙水压力条件下可以采用定水位法、定流量法或压力脉冲法测试岩石的渗透系数；太原
理工大学采矿工艺研究所研制的MDS-200 型三轴渗透试验台可以模拟三维应力作用下裂隙
的渗流规律等[3]。然而高精度的高压渗流试验系统的开发仍有很大难度。
1 岩石渗透性研究现状
35 1.1 岩石渗透系数室内试验研究方法
室内试验直接测量法原理简单、试验过程规范、测试对象具体，可联合先进的室内试验
系统进行测量。一般来说，埋藏于地下深处的岩石处于高地应力及高孔隙水压力状态，因此
在实验室研究地下深处岩石的水力学特性时必须模拟这种状态[4]。
按照试验原理，室内渗透性研究试验方法可分为两类，如图1：一类是在岩样的两端施
40 加一定的或变化的水压差，通过测量渗透流量来计算岩样的渗透系数，如传统的定水位法和
 变水位法；另一类是在岩样的一端以一定的流量注水或施加压力脉冲，通过测量岩样两端之
间压力差随时间的变化来计算岩样的渗透系数，20 世纪60 年代，Olsen[5]和Brace[6]先后提
议的定流量法以及压力脉冲法即属于此类。
实验过程中压力可实时测量，而流量则需要时间积分，这一特性使得后一类实验方法比
45 前一类实验方法节省不少时间，但测试低渗透岩石仍然需要较长时间。由于岩样的渗透性、
储水性、岩样尺寸及实验装置的压缩储水性能的大小，实验时间可以短至几分钟，长则几天
乃至几十天。
a.定水位法试验示意图 b.压力脉冲法试验示意图
50
c.定流量法试验示意图
图1 室内渗透试验方法示意图
Fig. 1 The schematic diagram of laboratory permeability test
55 （1）定水位法
初始条件：
H(z,0), 0 < z ≤ L (1)
边界条件：
H = 0， z = 0 (2)
 H= ΔH， z = L (3)
稳定流下的简易解析解：
K q qL
Ki A H
= − = −
Δ
(4)
（2）定流量法
60 初始条件：
H(z,0), 0 < z ≤ L (5)
边界条件：
H = 0， z = 0 (6)
1 , e
H q C H
z KA l
∂∂ = ⎛⎜⎝ − ∂∂ ⎞⎟⎠
z = L (7)
稳定流下的简易解析解：
K q qL
Ki A H
= − = −
Δ
(8)
（3）压力脉冲法
初始条件：
d 0, S H H
KA l z
∂ ∂
− =
∂ ∂
z = 0 (9)
u 0, S H H
KA l z
∂ ∂
+ =
∂ ∂ z = L
(10)
65 边界条件：
H = 0， z = 0 (11)
稳定流下的简易解析解：
d l
u f
u d
h h H V e
V V
− = −θ
+
(12)
( )
u d
u d
K lV V
A V V
θρλ
=
+
(13)
式中，H 为水压，(L)；A 为试件的横断面积，(L2)；z 为距试件端面的距离，(L)；K 为
渗透系数，(L/T)；L 为试件长度，(L)；ΔH 为定水压差，(L)；q 为流泵产生的一定流量，
(L3/T)；Q(t)为时刻t 时注进试件下端的实际流量，(L3/T)；Ce 为流泵的压缩储水系数，(L2)；
70 t 为时间，(T)；Su，Sd 为分别为上下游渗透系统的压缩储水系数，(L2)。
1.2 岩石渗透性影响因素
渗透率是描述多孔介质本身的渗透性能的常数，是岩石材料的一种重要的输运特性，表
示介质能使流体通过其本身的性能，它不随渗透液体的物理、力学性质而变化[7]。渗透率只
取决于岩石的性质（颗粒或孔隙的形状、大小及其排列方式），而与液体的性质无关，记为
75 k。单位为cm2 或D，1D=9.8697×10-9cm2。
而渗透系数的影响因素有两项，一项为土体的渗透率；另一项为流体的性质，即流体的
 密度和粘滞性等。渗透系数K 与渗透率k 的换算关系为：
K=k g ρ
η
(14)
式中η 为流体动力粘滞系数，Pa⋅ s。
在岩石的渗透率测试研究中，往往有试验结果离散性很大的现象，取自同一现场样品，
80 经相同的制作过程而获得的标准岩样（直径50mm，高径比2：1），测得的渗透率数值相差
几倍至几千倍[8]。同一岩层中相距几厘米的岩样，其渗透率相差2～3 个数量级的例子屡见
不鲜[9]。
对岩石渗透率的影响起决定性作用的是岩石的岩性，其中岩性主要包括：粒度、成分、
颗粒排列、充填状况、裂隙性质及其发育程度等，其中孔隙大小起主导作用[10]。因而主要
85 影响岩石材渗透率的因素有：岩石的孔隙率；岩石内部裂纹的方向、尺寸及密度；岩石内部
应力应变状态。
2 高压三轴渗流试验系统设计目标
高压渗流试验系统应满足对岩石在不同应力状态（围压和轴压）和不同渗流状态（恒定
渗流速度和恒定渗透压力）下的渗透特性、渗流、应力耦合作用机制研究的需要。渗流试验
90 的主要参数包括：
轴向荷载、轴向位移、围压、渗透压力、孔隙压力、渗流速度，在静态试验中，应控制
以上参数的大小和加载时间。此外密封是渗透试验的关键所在，应在试验前对设备的密封性
进行检验。
试验系统需要达到以下设计目标：
95 （1）针对不同尺寸规格的岩样进行渗透性试验研究，可通过变截面塞头和传力柱的组
合安装进行不同尺寸规格岩样的渗透性试验。试验岩样尺寸有：φ50×100mm，φ45×100mm，
φ40×100mm；φ50×80mm，φ45×80mm，φ40×80mm；φ50×50mm，φ45×50mm，
φ40×50mm。
（2）实现恒定围压控制或实现围压的静态伺服控制，围压变化范围为0-20MPa。
100 （3）实现轴向加载稳定可控。轴向荷载的施加采用轴向油压千斤顶并入液压控制系统，
加载范围0-1000kN。
（4）通过液压控制系统，实现恒定渗透压力差作用下的渗透性试验研究。
（5）进行恒定流速下的渗透性试验研究。
3 岩石高压三轴渗透试验系统的组成
105 整套系统的液压控制原理见图2。可对围压、轴压、渗透压分别单独进行静态伺服控制，
完成各种条件下的测试研究。
岩石高压三轴渗流试验系统主要组成为：压力室系统、反力架、渗透压力恒压系统、恒
流系统、围压恒压系统、轴压加载系统、数据采集系统，以及阀门、压力表、传感器等。
 110 图2 岩石三轴渗流试验系统控制原理图
Fig. 2 The schematic diagram of rock high-pressure triaxial permeability test system control
3.1 压力室系统及反力架
高压渗流试验系统的三轴压力室由压力室体、轴向油压千斤顶、反力架、荷重传感器组
115 成，整体示意图如下图3：
 反力架
夹持器
加压活塞
负荷传
感器
千斤顶
竖向调节
装置
橡胶套
岩样
渗透出
水口
渗透入
水口
围压腔室
图3 压力室系统及反力架
Fig. 3 The pressure chamber system and reaction frame
120 压力室组装系统由岩心夹持器、轴向加载系统，反力架和测量系统组成，各部分详细功
能介绍分别叙述。
3.1.1 岩心夹持器
岩心夹持器设计渗流岩样φ50×100mm，可以承受的最大有效围压为20MPa。主要组成
部分有：压力室筒体、岩心塞、围压腔体、橡胶套、加压活塞、岩样室，其内部结构图见图
125 4。为了保证渗流的均匀性，岩芯塞顶部刻有环向纹路，促使渗流均匀化。岩心外部的橡胶
套和压力室壳体之间的腔体为围压加载空间。
压力室壳体
岩心塞
围压入水口
阀门
传感器2
渗流入水口
阀门
传感器1
压力表
出水口
橡胶套
围压腔体
加压活塞
岩样
图4 岩芯夹持器内部结构图
Fig. 4 Internal structure of core holder
 3.1.2 岩心传力柱和热缩管
为了进行不同尺寸岩样的渗透试验，进行以下设计：
对长度为80mm、50mm，直径为50mm 的岩样，分别采用长度为30mm、50mm，直径
为50mm 的不锈钢传力柱，传力柱中心有小孔，一端刻有密封圈凹槽，以保证密封性能；一
135 端刻有环形水路凹槽，以保证渗透均匀。
对直径为45mm、40mm 的岩样，通过台阶形变截面岩心传力柱来实现夹持目的，中间
同样设有导水孔，一端刻有密封圈凹槽，以保证密封性能；一端刻有环形水路凹槽，以保证
渗透均匀。同时对于直径为45mm、40mm 的岩样，可通过厚壁热缩管的多层包裹，已达到
试验要求尺寸，厚壁热缩管内壁含胶，可以起到热缩管层间防水的作用。
140 3.2 液压控制原理
3.2.1 静态伺服阀控制原理
静态伺服阀是伺服液压控制的核心元件，系统压力一旦设定后，试样发生变形，无需任
何控制，通过其自身的内反馈控制，便能保证设定压力长期稳定。静态伺服阀工作原理如图
5 所示。
145
图5 静态伺服阀工作原理
Fig. 5 operating principle of Static servo valve
图中：P1 为试验设计压力(计算机或手动调控)，P2 为实际工作压力(由P1 决定的可调值)，
150 P 为泵源压力，F1 为活塞大端面积，F2 为活塞小端面积，P1F1 =N1，P2F2 =N2。
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