CN101858849A - 一种裂隙材料渗流测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种裂隙材料渗流测试仪，其特征在于：包括一水箱，水箱的出水口通过连接导管连接到一流量装置，在连接导管上设置一进水阀门，渗流装置上安装有压力表和出水阀门，在渗流装置下方设置有一收集漏斗，收集漏斗连接到计量容器；所述渗流装置包括一上腔体，所述上腔体通过螺栓分别和两个下垫板相连，在所述上腔体和两个下垫板之间夹设有渗流试样，所述渗流试样侧面套有橡胶套和卡箍，所述渗流试样与上腔体之间形成有密闭的储水空腔。本发明以单一裂隙材料为研究对象，并在自然条件下形成真实裂隙，因此测定的渗流特性更加真实有效。采用一种密闭的渗流装置，使得流体由裂隙渗透而过，对于测定裂隙的渗流特性更加准确。

Description

一种裂隙材料渗流测试仪

技术领域

本发明涉及一种渗流测试系统，特别是关于一种裂隙材料渗流测试仪。

背景技术

固体材料中裂隙的存在会很大程度上改变材料固有的渗透性，要正确评价裂隙对固体工程材料的影响，就需要定量测定裂隙的渗流量。目前，包括容器和废物处置等诸多的工程领域对材料的渗透性有明确的要求，而工程结构材料在正常使用条件下由于自身的脆性或者由于外部偶然荷载的作用会产生不同类型的裂隙，准确测试这些裂隙的渗流量对正确设计和评估结构的渗透性和密闭性有重要作用。

针对材料裂隙形态的不同，裂隙渗流量的测量有两种基本途经：(1)以多条裂隙为研究对象，测量含有一组裂隙的材料试件的渗流量；(2)以单一裂隙(裂缝)为研究对象，研究具体的某一裂隙的渗流过程。前者，法国学者Breysse等1994年研发的BIPEDE裂隙渗流装置可以用于研究水泥混凝土脆性材料在拉伸荷载作用下自然产生的多条裂隙的渗流量；后者，以丹麦学者Edvardsen于1999年发表的混凝土材料裂隙渗透装置为代表。但后者渗透装置中的裂隙是通过人工方法由两个混凝土成型面模拟实现的，并非真正的材料断裂表面。

近年来的研究表明，在渗流过程中，材料断裂表面的粗糙度、断裂表面可能与流体发生的物质交换和化学反应同样都对渗流量产生较大影响。因此，测试单个的真实断裂面构成的裂隙渗流量，对判断材料断裂后的渗流特性才真实有效。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种裂隙材料渗流测试仪。该仪器可直接测量单个裂隙的渗流量，操作简便；可对同一裂隙进行反复测试，测试结果可靠。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种裂隙材料渗流测试仪，其特征在于：包括一水箱，水箱的出水口通过连接导管连接到一流量装置，在连接导管上设置一进水阀门，渗流装置上安装有压力表和出水阀门，在渗流装置下方设置有一收集漏斗，收集漏斗连接到计量容器；所述渗流装置包括一上腔体，所述上腔体通过螺栓分别和两个下垫板相连，在所述上腔体和两个下垫板之间夹设有渗流试样，所述渗流试样侧面套有橡胶套和卡箍，所述渗流试样与上腔体之间形成有密闭的储水空腔。

所述压力表和出水阀门设置在上腔体上，所述上腔体与连接导管连通。

所述收集漏斗设置在两所述下垫板之间，并在所述渗流试样下方的位置。

所述渗流装置由一渗流装置支架支撑，所述渗流装置与水箱之间具有一定高度差。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明以单一裂隙材料为研究对象，并且裂隙是在自然条件下形成的真实裂隙，因此测定的渗流特性更加真实有效。2、本发明设计一种密闭的渗流装置，使得流体完全由材料裂隙渗透而过，对于测定裂隙的渗流特性完全准确。3、在渗流试样外侧面套设一橡胶套和卡箍，一方面使得试样裂隙可调，另一方面可以保证试样周围密封，使得水只能从裂隙中流过。总之，本发明的结构设置更加接近于真实情况，对于测定结构断裂的特性更准确。

附图说明

图1是本发明测定仪的总体布置图

图2是渗流装置的结构示意图

图3是试样与橡胶套、卡箍的装配示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

如图1所示，本发明主要由以下几部分组成：水箱1、进水阀门2、连接导管3、渗流装置4、渗流装置支架5、收集漏斗6和计量容器7。

水箱1的出水口通过连接导管3连接到流量装置4，在连接导管3上设置一进水阀门2。渗流装置4由渗流装置支架5支撑，在渗流装置4上安装有渗流试样8，在渗流装置4下方设置有一收集漏斗6，用以收集由渗流装置4流下来的水(或其它渗流试剂)。收集漏斗6收集由渗流装置4流下的水并引流到计量容器7，通过计量容器7计算从渗流装置4渗流下来的水量。

如图2所示，本发明的渗流装置4包括上腔体41、下垫板42、卡箍43、橡胶套44和连接螺栓45等。上腔体41为一具有内腔的结构体，在上腔体41上设置有渗流入水口46和出水阀门47，渗流入水口46与连接导管3相连。上腔体41通过两个连接螺栓45分别和两个下垫板42相连，组成装置的框架。在上腔体41和两个下垫板42之间留有空间，在此空间内设置有环形的卡箍43和环形的橡胶套44，其中橡胶套44在内，卡箍43在外。做试验时，在橡胶套44内套入渗流试样8，外边用卡箍43卡紧，并将上腔体41和下垫板42用螺栓拧紧，由此在上腔体41和渗流试样8之间便形成一密闭的储水空腔。

如图3所示，本发明中使用的渗流试样8具有真实的断裂裂隙81，它是由一完整的试件进行表面刻槽和劈裂形成，制备成裂隙材料后放入到橡胶套和卡箍之中。

本发明中，在两下垫板42之间、试样8的下方，设置收集漏斗6，这样可使得试样中流下的水全部被收集。

本发明中，裂隙渗流仪的渗流介质可采用去离子水或者不腐蚀橡胶的有机试剂。

本发明中，渗流装置水压由与水箱之间的高度差来决定，渗流过程中保持恒定，并由渗流压力表48来监测。

本发明中，渗出液体流量由计量容器7的刻度读取。

下面通过一具体实施例来对本发明的效果进行验证。

本实施例中，裂隙渗流液体为去离子水(绝对黏度系数为0.001Pa.s)；水箱与渗流装置的高差为1.8米，渗流压力为18kPa。

选用一组(5种)水泥基材料，待其完全硬化后进行表面刻槽和劈裂，制备成裂隙材料试样并放入渗流装置。渗流装置安装如图1所示，裂隙渗流过程持续48h。该过程中分别测量每一种裂隙材料的宽度和随时间的渗流量。

下面是本实施例的操作方法，其步骤如下：

1)将材料制备成直径100mm、厚度30mm的圆饼试样，然后在圆饼试样的一个表面沿直径刻槽(深度约为5mm)，利用力学方法将试件沿刻槽劈裂形成两个断裂面。

2)将劈裂的试样装入橡胶套44内(厚度3mm，内径98mm，内高30mm)，并使裂隙的两个断裂表面对合；将卡箍43套在橡胶套的外部，并用螺栓栓紧；利用50倍光学显微镜观察并测量裂隙的宽度w；为控制裂隙宽度，可在卡箍紧固之前在对合的断裂面间夹入垫片。

3)将测定仪按图1所示连接，渗流装置4用螺栓固定在支架上；进水阀门2和出水阀门47处于关闭状态。

4)打开进水阀门2和出水阀门47，等出水阀门47有连续液体流出后关闭出水阀门；裂隙流出液体3分钟后，关闭进水阀门2。

5)打开进水阀门2，同时记录压力表压力p并通过计量容器7开始记录裂隙流量q；测试时间到达后，关闭进水阀门2，打开出水阀门47将腔体内液体清空，打开螺栓45，将卡箍、橡胶套连同试样一起取出，然后再取出试样，该测试完毕。

6)利用测量的裂隙宽度w，压力表压力p和连续记录的裂隙流量q，可计算裂隙的表观渗透率k_a和裂隙表面渗流粗糙度系数ξ，以及裂隙流量衰减系数n，

$k_a=\frac{1}{3600}\frac{\mathrm{\μ}{Q}_{1h}}{\mathrm{wl}}{\left(\frac{p}{d}\right)}^{-1}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ξ}=\frac{1}{w}\sqrt[3]{\frac{10}{3}\mathrm{\μ}\frac{Q_{1h}}{l}{\left(\frac{p}{d}\right)}^{-1}}---\left(2\right)$

$n=-\frac{\ln Q_2-\ln Q_1}{t_2{-t}_1}---\left(3\right)$

其中，k_a-裂隙表观渗透率(m²)；

      ξ-裂隙表面渗流粗糙度系数；

      Q_1h-裂隙渗流1小时平均流速(ml/h)；

      w-裂隙宽度(mm)；

      l-裂隙长度(mm)；

      μ-渗流液体的绝对黏度系数(Pa*s)；

      p-渗流腔压力(kPa)；

      d-渗流方向裂隙长度(mm)；

      t_1，2-流速记录时刻(h)，本例取t₁＝1h，t₂＝48h；

      Q_1，2-对应t₁和t₂时刻的裂隙渗流流速(ml/h)。

分别按照(1)、(2)、(3)计算各个裂隙的表观渗透率、裂隙表面渗流粗糙度以及裂隙流量衰减系数，测试结果见表1。

表1水泥基材料裂隙渗流量测量分析结果

试件编号	裂隙宽度w(mm)	裂隙长度l(mm)	裂隙渗流长度d(mm)	1h流速Q1h(ml/h)	48h流速Q48h(ml/h)	表观渗透率ka(10-7m2)	渗流粗糙度ξ(-)	流量衰减系数n(-)
									1	0.1394	100	25	19.9	0.6	5.508	0.088	0.0746
2	0.1554	100	25	46.0	0.5	11.42	0.106	0.0979
									3	0.2058	100	25	56.5	1.2	10.59	0.0847	0.0832
4	0.2182	100	25	84.0	1.0	14.85	0.0911	0.0979
									5	0.2619	100	25	153.6	33.8	22.63	0.0929	0.0322

Claims (5)

1.一种裂隙材料渗流测试仪，其特征在于：包括一水箱，水箱的出水口通过连接导管连接到一流量装置，在连接导管上设置一进水阀门，渗流装置上安装有压力表和出水阀门，在渗流装置下方设置有一收集漏斗，收集漏斗连接到计量容器；

所述渗流装置包括一上腔体，所述上腔体通过螺栓分别和两个下垫板相连，在所述上腔体和两个下垫板之间夹设有渗流试样，所述渗流试样侧面套有橡胶套和卡箍，所述渗流试样与上腔体之间形成有密闭的储水空腔。

2.如权利要求1所述的一种裂隙材料渗流测试仪，其特征在于：所述压力表和出水阀门设置在上腔体上，所述上腔体与连接导管连通。

3.如权利要求1或2所述的一种裂隙材料渗流测试仪，其特征在于：所述收集漏斗设置在两所述下垫板之间，并在所述渗流试样下方的位置。

4.如权利要求1或2所述的一种裂隙材料渗流测试仪，其特征在于：所述渗流装置由一渗流装置支架支撑，所述渗流装置与水箱之间具有一定高度差。

5.如权利要求3所述的一种裂隙材料渗流测试仪，其特征在于：所述渗流装置由一渗流装置支架支撑，所述渗流装置与水箱之间具有一定高度差。

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