CN102890147B - 一种用于模拟孔隙-裂隙双重介质渗流水力特性的试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟孔隙-裂隙双重介质渗流水力特性的试验系统，包括介质实验模块、水循环控制模块以及数据采集模块，介质试验模块包括箱体以及设置在箱体中部内的孔隙介质，在孔隙介质与箱体内壁之间形成有一间距可调的裂隙介质，在箱体内孔隙介质的两端分别设置有孔隙介质进水水箱和孔隙介质出水水箱，在箱体内裂隙介质的两端分别设置有裂隙介质进水水箱和裂隙介质出水水箱；水循环控制模块包括供水系统和回水系统，数据采集模块包括温度传感器、流量计以及压力传感器。本发明实验系统改变了传统裂隙渗流试验系统忽略孔隙介质渗透性、无法得到双重介质水交换信息等缺陷，试验系统与实际情况更加吻合。

Description

一种用于模拟孔隙-裂隙双重介质渗流水力特性的试验系统

技术领域

本发明特别涉及一种用于模拟孔隙-裂隙双重介质渗流水力特性的试验系统。

背景技术

在实际工程中，特别是我国西南喀斯特地貌地区，普遍存在形成裂隙的岩体渗透系数较大，不能简单的作不透水处理的情况。以往的试验研究，由于模型材料、制作方法、量测技术等限制，只能分别针对裂隙介质独立进行试验研究。这些试验系统的共同缺陷是将裂隙面做不透水面处理，没有对形成裂隙的孔隙介质进行合理的模拟，忽略了孔隙介质和裂隙介质之间的水交换。因而，只能模拟基质渗透性较差的裂隙岩体，无法模拟基质渗透性较好，裂隙介质和孔隙介质存在大量水交换的裂隙岩体。

发明内容

本发明针对现有裂隙渗流试验系统的缺陷，开发制作一种可以模拟孔隙介质渗透性较好的双重介质渗流水力特性试验系统，可以适用于孔隙-裂隙双重介质渗流水力特性试验研究。

本发明的技术方案是：一种用于模拟孔隙-裂隙双重介质渗流水力特性的试验系统，包括介质实验模块、水循环控制模块以及数据采集模块，其特征在于：

所述的介质试验模块包括箱体以及设置在箱体中部内的孔隙介质，在孔隙介质与箱体内壁之间形成有一间距可调的裂隙介质，在所述箱体内孔隙介质的两端分别设置有孔隙介质进水水箱和孔隙介质出水水箱，在所述箱体内裂隙介质的两端分别设置有裂隙介质进水水箱和裂隙介质出水水箱；

所述的水循环控制模块包括供水系统和回水系统，所述的供水系统的出水口分别连接所述的孔隙介质进水水箱和裂隙介质进水水箱；所述的回水系统的进水口分别连接所述的孔隙介质出水水箱和裂隙介质出水水箱；

所述的数据采集模块包括温度传感器、流量计以及压力传感器，在所述的孔隙介质进水水箱、孔隙介质出水水箱、裂隙介质进水水箱以及裂隙介质出水水箱均设置有温度传感器；在所述的孔隙介质、裂隙介质、孔隙介质进水水箱、孔隙介质出水水箱、裂隙介质进水水箱以及裂隙介质出水水箱内均设置有所述的压力传感器；在所述的孔隙介质出水水箱和裂隙介质出水水箱的出水口分别设置有所述的流量计。

所述的孔隙介质采用石英砂多孔混凝土。

所述的箱体包括试验台以及四个有机玻璃板侧壁，与裂隙介质相连的有机玻璃板侧壁可滑动的设置在试验台上。

与裂隙介质相连的有机玻璃板侧壁下设置有一底座，在底座上设置有滑槽。

在所述的孔隙介质、裂隙介质、孔隙介质进水水箱、孔隙介质出水水箱、裂隙介质进水水箱以及裂隙介质出水水箱内均设置有测压管，所述的压力传感器设置在测压管一端。

所述的孔隙介质内的测压管垂直布置，所述的裂隙介质内的测压管水平布置。

本发明试验系统对孔隙-裂隙双重介质渗流进行模拟，对水交换及渗流场信息进行全自动实时采集。

1）  介质试验模块的制作。根据研究需要，自行配比石英砂多孔混凝土模拟孔隙介质；石英砂多孔混凝土与有机玻璃板拼合模拟裂隙介质；孔隙介质和裂隙介质有各自独立的进出水水箱；不透水边界采用掺入有机硅防水剂的素混凝土模拟；采用硅胶和塑料条加热粘合对周边缝进行止水处理。

2）  水循环控制模块的制作。试验用水采用自循环形式，水流的循环系统由供水系统、回水系统组成。供水系统包括蓄水池、水泵、供水平水箱及输水管道；蓄水池采用设置消能堰的硬塑料水槽；水泵采用较大扬程的自吸泵；供水平水箱采用由进水平水仓和回水仓组成的硬塑料水箱；输水管道采用加钢丝的塑料螺纹管。回水系统由回水平水箱及输水管道组成；回水平水箱采用由进水平水仓和回水仓组成的硬塑料水箱；输水管道采用加钢丝的塑料螺纹管。

3）  数据采集模块的制作。数据采集模块包括试验水压量测系统、进出水流量量测系统、水温量测系统和数据输出记录系统组成。水压量测系统采用自行研制的多相压力采集传输装置和压力传感器采集水压数据；进出水流量量测系统采用流量计采集流量数据；水温量测系统采用温度传感器采集水温数据；数据输出记录系统由数据采集仪、24V直流电源、电子计算机以及相应的软件组成。

本发明的优点

1）本发明系统将孔隙介质和裂隙介质同时布置在箱体内，并同时测量两介质内的压力、流量等数据，可以实时的采集水流在两介质之间的相互渗透性能，改变了传统裂隙渗流试验系统忽略孔隙介质渗透性、无法得到双重介质水交换信息等缺陷，试验系统与实际情况更加吻合。

2）具有孔隙介质渗透系数、裂隙宽度和压力梯度可调节的特点，可进行不同条件下的双重介质渗流水力特性试验。

3）试验获得的水压信息和流量信息可进行全自动实时采集，并整理保存。

附图说明

图1  介质试验模块示意图；

图2  水循环控制系统示意图；

图3  数据采集模块示意图；

图4  有机玻璃板侧壁结构示意图；

图5  图4底座结构图；

图6  介质试验模块进水总水箱示意图；

图7是图6的侧视图；

图8  进水平水箱结构图；

图9 蓄水池结构图；

图10  回水平水箱结构图；

图11  多相压力采集传输装置结构图。

其中：1、箱体、2、孔隙介质，3、裂隙介质，4、孔隙介质进水水箱，5、孔隙介质出水水箱，6、裂隙介质进水水箱，7、裂隙介质出水水箱，8、进水总水箱，9、出水总水箱，10、测压管，11、测压排气孔，12、铆钉，13、有机玻璃板侧壁，14、底座，15、滑槽，16、试验台，17、硬塑料隔板，18、孔隙介质进流开关，19、孔隙介质排水开关，20、裂隙介质进流开关，21、裂隙介质排水开关，22、供水系统，23、回水系统，24、进水平水箱，25、回水平水箱，26、蓄水池，27、消能堰，28、水泵，29、介质试验模块，30、进水平水仓，31、进水回水仓，32、出水孔，33、进水孔，34、溢水孔，35、回水进水仓，36、回水回水仓，37、进水控制阀门，38、多接口测压管，39、可调水平支架，40、水平校准仪，41、压力传感器，42、电流信号传输线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明：

1）介质试验模块的制作：如图1所示，介质试验模块直接浇注在试验台16上，浇注前，在竹胶板模具底部填注一层3cm厚的掺入有机硅防水剂的素混凝土，以模拟孔隙介质的不透水底边界。在浇筑多孔混凝土时，预埋入不锈钢测压管10，以量测水压。裂隙介质采用光滑的有机玻璃板侧壁13和多孔混凝土拼合而成。有机玻璃板侧壁13尺寸为长×宽×高=1700mm×300mm×500mm。有机玻璃板侧壁13底部有50mm宽的底座14，底座14设置滑槽15，以便于对裂隙宽度的调节。通过铆钉12将有机玻璃板侧壁13固定在试验台16上。通过滑槽15可以改变裂隙的隙宽，具体见图4和图5。底座14与试验台16之间涂有玻璃胶，用于止水。在多孔混凝土拆模后进行多孔混凝土与有机玻璃板的裂隙拼合。孔隙介质及裂隙介质两端分别设置两个水箱，即孔隙介质进水水箱4、孔隙介质出水水箱5，裂隙介质进水水箱6以及裂隙介质出水水箱7，以便于独立量测试验中孔隙介质和裂隙介质的进出水水量。各自通过螺旋开关控制孔隙介质和裂隙介质的进出水，进水断面分别与裂隙介质进水面、孔隙介质进水面大小相同。进水总水箱8和出水总水箱9边壁采用砖砌结构，内层涂抹防水涂料，中间采用硬塑料板分割成三个独立的水箱，顶部采用2cm厚有机玻璃作为水箱盖，钻设膨胀螺丝使其固定在砖砌边壁上。周围缝隙用塑料条加热后密封，外涂硅胶进行止水。外接硬塑料管，方便与上游供水系统22以及下游回水系统23连接。水箱盖上钻设两个测压孔，用来监测进水水箱和出水水箱的水压，测压孔同时可作为排气孔。各水箱底部留有带开关的排水口，在试验完成后作排水使用。裂隙宽度由厚度均匀的不锈钢垫片夹在混凝土与有机玻璃板间控制。将垫片加工为两块1200mm×amm×30mm的条形钢板介质（a为垫片的宽度，可根据不同隙宽需要，放入不同标准厚度的垫片），在裂隙的顶部和底部各放一条使隙宽标准化，通过改变钢条的厚度和移动有机玻璃板底部的滑槽来改变隙宽，同时不影响裂隙中水流的流态。为了模拟孔隙介质不透水的边界条件，防止漏水，多孔混凝土顶部、底部和一侧以及裂隙介质的顶部和底部都采用有机硅防水涂料以及掺入防水剂的水泥进行四层涂抹。为防止在高压水头作用下有机玻璃板在垂直水流方向发生膨胀变形，在沿垂直水流方向用六对标准角钢将孔隙介质、不锈钢垫片和有机玻璃板三者夹紧。上游进水水箱和下游出水水箱的盖板和有机玻璃板间涂抹玻璃胶，并用螺纹钢夹夹紧，防止水箱盖板变形引起的水量泄漏，

2）水循环控制模块的制作：如图2所示，其中箭头方向为水流方向。试验用水采用自循环形式，水流的循环系统由供水系统22、回水系统23组成。供水系统包括蓄水池26、水泵28、进水平水箱24及输水管道。其主要任务是保证试验用水连续循环。由水泵从蓄水池中抽水并输送到具有一定高度的进水平水箱，利用进水平水箱保持恒定的水头和稳定的水流，再由进水平水箱通过输水管配水，为介质试验模块供水。进水平水箱为硬塑水箱，容积120L，由进水平水仓30和进水回水仓31组成。水流首先通过水泵由蓄水池进入进水平水仓，当进水平水仓水位高于挡板顶时，多余的水由进水回水仓排出，以确保进水平水仓以恒定的水头供水。进水回水仓暂时容纳从进水平水仓排出的水。进水平水仓的水通过供水管道向上游水箱供水，中间通过三向开关分别控制上游孔隙介质进水水箱和上游裂隙介质进水水箱的开关情况。水泵为扬程10m的自吸泵，流量为8m3/h。水泵的吸水管、平水箱的进水管、供水管道和溢流管道采用钢丝硬塑料管以保证高水头作用下的强度要求。蓄水池容积1m³，中间设置消能堰，对上游进水回水仓和下游回水回水仓排出的水进行消能，确保抽入进水平水箱的水没有气泡。经介质试验模块使用后的水经回水平水箱返回至下游平水箱中。回水平水箱容积30L，也分为回水进水仓和回水回水仓，与供水平水箱不同的是用硬塑料板分割成三个独立的进水仓和回水仓，分别连接下游孔隙介质出水水箱和下游裂隙介质出水水箱。这样可以直观的观察到下游水箱的出水情况。由回水回水仓排出的水进入蓄水池中，供水泵抽取循环使用。

3）数据采集模块的制作：如图3所示，试验过程中裂隙介质和孔隙介质的水压需要变化，因此上游进水平水箱固定在距离试验室地面4m的高处，以提供试验足够的水压力。通过控制开关，调节进水流量。回水平水箱固定在距离试验室地面1.5m的位置，以方便观察出流情况。试验水压的测量采用压力传感器。在有机玻璃盖板上开设带圆角的测压孔，孔径为6mm，孔轴线与盖板面垂直，孔口加工完善无毛刺和凹凸不平情况。测压孔通过硅胶管与压力传感器连接。共设置十五个压力传感器，分别监测上游进水水箱和下游出水水箱的水压情况以及孔隙介质内的水压情况。为了节省压力传感器的使用数量，故研制了多相压力传输装置，如图11所示，通过金属螺旋阀控制开启/闭合硅胶管，使一个压力传感器可以量测9个测压管的数值（共制作六路和九路压力采集传输装置各一个）。采用固定水头对压力传感器进行标定，得出压力传感器测值与真值之间的标定曲线，通过曲线将测值转化为真值。压力传感器采用HM-20-1-A1-F1-W2型压力传感器。测压管采用高强度不锈钢管，在浇筑多孔混凝土（孔隙介质）时预埋入多孔混凝土中。测量孔隙介质水压的测压管和测量裂隙介质水压的测压管在同一水平面上。采用LDG15一体式电磁流量计测读上下游流量，并用秒表和量杯对电磁流量计进行标定，得出流量计测值和真值之间的标定曲线，通过曲线将测值转化为真值。电磁流量计可以通过液晶表盘直接进行流量读数，也可以与数据采集输出系统相连。水温的采集采用温度传感器，放入水槽中，通过接线连接到数据采集模块中，通过计算机对水温进行实时的观测和采集。数据采集输出系统采用24V直流电源输出24V稳定的直流电提供水压传感器所需的工作电源；水压传感器可以将水的压力值和流量值转化为4~20mA电流信号；数据采集仪采集水压传感器和流量计输出的电流信号，最多可以同时采集16路，电路信号并输出到计算机；计算机通过专业的软件实时显示和记录试验数据。

4)试验系统的操作：在各模块连接完成后，打开水泵，将水由蓄水池抽送至进水平水箱。有压水流通过塑料管道流入双重介质试验模块，在排气孔排气后，可根据需要调节进出水水压，进行试验。由数据采集模块采集试验数据，据此研究双重介质渗流场水力特性。

Claims (6)

1.一种用于模拟孔隙-裂隙双重介质渗流水力特性的试验系统，包括介质实验模块、水循环控制模块以及数据采集模块，其特征在于：

所述的介质试验模块包括箱体以及设置在箱体中部内的孔隙介质，在孔隙介质与箱体内壁之间形成有一间距可调的裂隙介质，在所述箱体内孔隙介质的两端分别设置有孔隙介质进水水箱和孔隙介质出水水箱，在所述箱体内裂隙介质的两端分别设置有裂隙介质进水水箱和裂隙介质出水水箱；

所述的水循环控制模块包括供水系统和回水系统，所述的供水系统的出水口分别连接所述的孔隙介质进水水箱和裂隙介质进水水箱；所述的回水系统的进水口分别连接所述的孔隙介质出水水箱和裂隙介质出水水箱；

所述的数据采集模块包括温度传感器、流量计以及压力传感器，在所述的孔隙介质进水水箱、孔隙介质出水水箱、裂隙介质进水水箱以及裂隙介质出水水箱均设置有所述温度传感器；在所述的孔隙介质、裂隙介质、孔隙介质进水水箱、孔隙介质出水水箱、裂隙介质进水水箱以及裂隙介质出水水箱内均设置有所述的压力传感器；在所述的孔隙介质出水水箱和裂隙介质出水水箱的出水口分别设置有所述的流量计。

2.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于：所述的孔隙介质采用石英砂多孔混凝土。

3.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于：所述的箱体包括试验台以及四个有机玻璃板侧壁，与裂隙介质相连的有机玻璃板侧壁可滑动的设置在试验台上。

4.根据权利要求3所述的试验系统，其特征在于：与裂隙介质相连的有机玻璃板侧壁下设置有一底座，在底座上设置有滑槽。

5.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于：在所述的孔隙介质、裂隙介质、孔隙介质进水水箱、孔隙介质出水水箱、裂隙介质进水水箱以及裂隙介质出水水箱内均设置有测压管，所述的压力传感器设置在测压管内。

6.根据权利要求5所述的试验系统，其特征在于：所述的孔隙介质内的测压管垂直布置，所述的裂隙介质内的测压管水平布置。