CN103940716B - 一种大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于渗流监测技术领域，具体涉及一种大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法。本发明的方法包括以下步骤：切剖大尺度裂隙介质，得到上部样品、下部样品，二者竖直方向上下叠置；在上部样品中部开设中心钻孔和辐射钻孔；辐射钻孔上端口设应力传感器；在下部样品四周设流量采集器和流速测试装置；将水流从上部样品的中心钻孔注入，水流涌入辐射钻孔，形成多个渗流路径，并最终从上部样品、下部样品之间的水平破裂面流出，测量不同渗流路径的水压力值和水流流速，获得不同渗流路径长度、不同水压力情况下的渗透系数。本发明的方法能够有效实现对大尺度单裂隙介质二维渗透性能的测试监测，获得可靠性高的大尺度单裂隙介质中二维渗流的渗透系数。

Description

一种大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法
技术领域
本发明属于渗流监测技术领域，具体涉及一种大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法。
背景技术
大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法是研究裂隙介质基本力学特性的基础，特别是对于裂隙介质在二维流动情况下的渗透特性研究尤为重要。对于岩石类含裂隙的准脆性材料，渗透性能是决定工程岩体长期安全性的重要因素。评价工程岩体长期稳定性的渗透参数是通过监测裂隙介质在流体进入情况时获得。由于工程岩体尺度较大(米级尺度)，因而需对较大尺度内的裂隙岩体进行渗流监测，才能获得在该渗透情况下的渗透性能。因此，如何实现大尺度单裂隙介质的二维渗流的监测是亟待解决的问题。
现有裂隙介质渗透性能监测方法，其测量的介质对象尺度较小(厘米级尺度),获得的渗透参数运用于工程上时并不准确。带来了诸多问题，如尺度较小的裂隙介质渗透参数往往较大尺度的裂隙介质的渗透参数小，导致工程设计值偏向于保守；尺度较小的裂隙介质的渗透表面特性并不明显，尚不能表征大尺度裂隙介质的表面特性，影响测量结果的准确性。此外，现有大多数渗透性能监测方法仅能够监测一维渗流路径下的情况，不适用于二维渗流的监测方法
发明内容
本发明需解决的技术问题为：现有技术中的裂隙介质渗透性能监测方法，仅适用于尺度较小的介质对象，且难以完成二维渗流监测。
本发明的技术方案如下所述：
一种大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法，包括以下步骤：
步骤1
将大尺度裂隙介质沿着破裂面剖开，表面分别进行抛光处理形成水平破裂面，得到形状、尺寸相同的两个立方体样品：上部样品和下部样品，上部样品和下部样品四角对准，竖直方向上下叠置；
步骤2
在所述上部样品中部开设若干个竖直方向贯通上部样品的钻孔，所述钻孔孔径相同，呈阵列式排列：阵列中心的钻孔为中心钻孔，其余的钻孔为辐射钻孔；
步骤3
在每个辐射钻孔的上端口，设置应力传感器；
步骤4
沿所述下部样品四周，设置一圈流量采集器，每个流量采集器均接有一个流速测试装置；
步骤5
水流从上部样品的中心钻孔注入，水流涌入辐射钻孔，形成多个渗流路径，并最终从上部样品、下部样品之间的水平破裂面流出；每个辐射钻孔上端口的应力传感器获得其对应的渗流路径的水压力值；从水平破裂面流出的水流流入下部样品四周的流量采集器，并通过与之相连的流速测试装置测得流出的水流流速，与某个辐射钻孔临近的流速测试装置测得的水流流速代表这个辐射钻孔相对应的渗流路径的水流流速；
结合渗流过程中不同渗流路径的水压力值和水流流速，获得不同渗流路径长度、不同水压力情况下的渗透系数。
步骤1中，所述上部样品与下部样品最大尺度为米级尺度。
步骤2中，上部样品可以设有1个中心钻孔和34个辐射钻孔，35个钻孔优选呈5行、7列分布。
作为优选方案：步骤2中，35个钻孔列距均为a，行距均为b；沿样品长度方向的列距a为样品长度的1/10到1/5，沿样品宽度方向的行距b为样品宽度的1/10到1/8。上部样品和下部样品的长度均为1100mm，宽度均为900mm，35个阵列排布的钻孔列距a=110mm，行距b=110mm。
作为进一步的优选方案：上部样品与下部样品二者表面粗糙度均小于等于1.6；1个中心钻孔和34个辐射钻孔内壁的表面粗糙度均小于等于3.2。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法，能够有效实现对大尺度单裂隙介质二维渗透性能的测试监测，进而获得可靠性高的大尺度单裂隙介质中二维渗流的渗透系数；
(2)本发明的一种大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法，能够得到渗流过程中34个渗流路径定位点的水压力值和流出水量值，进而获得不同渗流路径长度情况下，以及不同水压力情况下的渗透系数；
(3)本发明的一种大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法，操作方便、测量便捷，而且测量结果准确可靠；
(4)本发明的一种大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法，特别适合于岩石、混凝土类准脆性材料的渗透性能测试。
附图说明
图1为本发明的一种大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法设备布局图；
图2为图1的俯视图。
图中，1-上部样品，2-下部样品，3-水平破裂面，4-辐射钻孔，5-中心钻孔，6-流量采集器，7-流速测试装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法进行详细说明。
本发明的一种大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法，包括以下步骤：
步骤1
将大尺度裂隙介质沿着破裂面剖开，表面分别进行抛光处理形成水平破裂面3，得到形状、尺寸相同的两个立方体样品：上部样品1和下部样品2。上部样品1和下部样品2四角对准，竖直方向上下叠置。
本实施例中，上部样品1与下部样品2最大尺度均大于1米，为米级尺度。所述最大尺度为本领域术语，表示立方体长、宽、高的最大值。上部样品1与下部样品2二者表面粗糙度均小于等于1.6。
步骤2
在所述上部样品1中部开设若干个竖直方向贯通上部样品1的钻孔，所述钻孔孔径相同，呈阵列式排列：阵列中心的钻孔为中心钻孔5，其余的钻孔为辐射钻孔4。
本实施例中，上部样品1设有1个中心钻孔5和34个辐射钻孔4。作为优选实施方式，上述35个钻孔呈5行、7列分布，列距均为a，行距均为b。沿样品长度方向的列距a为样品长度的1/10到1/5，沿样品宽度方向的行距b为样品宽度的1/10到1/8，本实施例中，上部样品1和下部样品2的长度均为1100mm，宽度均为900mm，35个阵列排布的钻孔列距a=110mm，行距b=110mm。1个中心钻孔5和34个辐射钻孔4内壁的表面粗糙度均小于等于3.2。
步骤3
在每个辐射钻孔4的上端口，设置应力传感器。
步骤4
沿所述下部样品2四周，设置一圈流量采集器6，每个流量采集器6均接有一个流速测试装置7。
步骤5
水流从上部样品1的中心钻孔5注入，水流涌入辐射钻孔4，形成多个渗流路径，并最终从上部样品1、下部样品2之间的水平破裂面3流出；每个辐射钻孔4上端口的应力传感器获得其对应的渗流路径的水压力值；从水平破裂面3流出的水流流入下部样品2四周的流量采集器6，并通过与之相连的流速测试装置7测得流出的水流流速，与某个辐射钻孔4临近的流速测试装置7测得的水流流速代表这个辐射钻孔4相对应的渗流路径的水流流速。
结合渗流过程中不同渗流路径的水压力值和水流流速，进而获得不同渗流路径长度、不同水压力情况下的渗透系数。
通过水压力值和水流流速，获得渗透系数的方法为本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1
将大尺度裂隙介质沿着破裂面剖开，表面分别进行抛光处理形成水平破裂面(3)，得到形状、尺寸相同的两个立方体样品：上部样品(1)和下部样品(2)，上部样品(1)和下部样品(2)四角对准，竖直方向上下叠置；
步骤2
在所述上部样品(1)中部开设若干个竖直方向贯通上部样品(1)的钻孔，所述钻孔孔径相同，呈阵列式排列：阵列中心的钻孔为中心钻孔(5)，其余的钻孔为辐射钻孔(4)；
步骤3
在每个辐射钻孔(4)的上端口，设置应力传感器；
步骤4
沿所述下部样品(2)四周，设置一圈流量采集器(6)，每个流量采集器(6)均接有一个流速测试装置(7)；
步骤5
水流从上部样品(1)的中心钻孔(5)注入，水流涌入辐射钻孔(4)，形成多个渗流路径，并最终从上部样品(1)、下部样品(2)之间的水平破裂面(3)流出；每个辐射钻孔(4)上端口的应力传感器获得其对应的渗流路径的水压力值；从水平破裂面(3)流出的水流流入下部样品(2)四周的流量采集器(6)，并通过与之相连的流速测试装置(7)测得流出的水流流速，与某个辐射钻孔(4)临近的流速测试装置(7)测得的水流流速代表这个辐射钻孔(4)相对应的渗流路径的水流流速；
结合渗流过程中不同渗流路径的水压力值和水流流速，获得不同渗流路径长度、不同水压力情况下的渗透系数。
2.根据权利要求1所述的一种大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法，其特征在于：步骤1中，所述上部样品(1)与下部样品(2)最大尺度为米级尺度。
3.根据权利要求1或2所述的一种大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法，其特征在于：步骤2中，上部样品(1)设有1个中心钻孔(5)和34个辐射钻孔(4)，35个钻孔呈5行、7列分布。
4.根据权利要求3所述的一种大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法，其特征在于：步骤2中，35个钻孔列距均为a，行距均为b；沿样品长度方向的列距a为样品长度的1/10到1/5，沿样品宽度方向的行距b为样品宽度的1/10到1/8。
5.根据权利要求4所述的一种大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法，其特征在于：步骤2中，上部样品(1)和下部样品(2)的长度均为1100mm，宽度均为900mm，35个阵列排布的钻孔列距a=110mm，行距b=110mm。
6.根据权利要求1或2所述的一种大尺度单裂隙介质中二维渗流的监测方法，其特征在于：上部样品(1)与下部样品(2)二者表面粗糙度均小于等于1.6；1个中心钻孔(5)和34个辐射钻孔(4)内壁的表面粗糙度均小于等于3.2。
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