CN105547967A - 裂隙介质系统渗透张量室内测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水文地质学中的地下水渗流领域，尤其是涉及裂隙介质系统渗透张量室内测定装置，圆柱形封闭模拟箱的两端分别通过支架安装在升降装置上；圆柱形封闭模拟箱有三组模拟裂隙，三组模拟裂隙互相垂直；垂直于每组模拟裂隙面设置模拟钻孔，每个模拟钻孔上附有一支示踪管；每组模拟裂隙面沿倾向方向设置两支测压管，每组模拟裂隙的测压管与模拟钻孔平行；每个模拟钻孔分别与储水箱内的水泵相连接，每组模拟裂隙的排水孔分别与储水箱相通。该装置构建三组互相垂直的裂隙介质，通过升降装置可以调节模拟箱内两组裂隙的倾向与倾角，模拟不同条件下裂隙岩体中地下水的渗流过程，计算出不同条件下裂隙岩体的渗透张量。

Description

裂隙介质系统渗透张量室内测定装置

技术领域

本发明涉及水文地质学中的地下水渗流领域，尤其是涉及裂隙介质系统渗透张量室内测定装置。

背景技术

地下水在岩土空隙中的运动称为渗流，发生渗流的区域称为渗流场。在水文地质学中，地下水的划分类型有很多，其中按含水介质可将地下水分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。目前，对于孔隙介质的地下水渗流研究较为成熟，而对于裂隙岩体中地下水运动的研究还存在诸多不足，这主要是由于裂隙介质的不均匀性及非连续性而造成的。

岩体由岩石和切割岩石的裂隙组成，故在裂隙岩体中同时存在着两种空隙和渗流系统，即空隙总体积较大而渗透性相对较弱的多孔岩块系统和分割多孔岩块的裂隙系统。

地下水主要储存在多孔岩块系统中，而水在岩体中的渗流途径主要为裂隙。在岩层中，不同规模、不同方向的裂隙通道，交切连通构成导水裂隙网络，形成裂隙含水系统。由于裂隙网络通常由三组或三组以上的裂隙构成，且裂隙的空间分布具有不均一性，使得裂隙岩体的渗透特性具有显著的各向异性和强烈的非均质性，故裂隙岩体的渗流参数必须以张量表示，即渗透张量，且可用渗透张量求解裂隙岩体的渗流场。

目前，确定裂隙岩体渗透系数的方法主要有现场水力试验法、裂隙测量法和离散裂隙网络渗流数值试验法。现场水力试验法分为单孔压水试验、三段压水试验以及交叉孔压水试验。三段压水试验法的基本原理为用压水试验分别确定单组裂隙的渗透系数，然后根据每组裂隙的产状将渗透系数叠加得到岩体的总渗透张量。

利用三段压水试验刻画裂隙岩体的渗透张量可用于研究裂隙岩体中的地下水埋藏分布特征以及地下水流运移规律，并且对于涉及裂隙岩体中的地下水这一问题的相关领域如水电工程、石油开采、地下采矿工程以及边坡工程等领域具有重大意义。

裂隙岩体中的地下水渗流较为复杂，采用野外调查的方法无法清晰直观的认识到地下水在裂隙岩体中的渗流过程，而采用数值模拟进行研究时对于模型的概化以及参数的选取具有一定的困难，计算结果存在一定的误差。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种裂隙介质系统渗透张量室内测定装置，为搭建室内物理模型，用以模拟裂隙岩体地下水渗流过程，同时可以试验结果及裂隙倾向、倾角等参数计算出该条件下的裂隙岩体渗透张量，为学习和研究裂隙岩体中的地下水渗流提供了一种有效的手段。

具体的技术方案为：

裂隙介质系统渗透张量室内测定装置，包括储水箱、圆柱形封闭模拟箱、升降装置；圆柱形封闭模拟箱采用透明有机玻璃制成，圆柱形封闭模拟箱的两端分别通过支架安装在升降装置上；圆柱形封闭模拟箱有三组模拟裂隙，分别为第一模拟裂隙组、第二模拟裂隙组、第三模拟裂隙组，三组模拟裂隙互相垂直；垂直于每组模拟裂隙面设置模拟钻孔，每个模拟钻孔上附有一支示踪管；模拟钻孔的下端位于模拟裂隙内，模拟钻孔的下端管壁有均匀分布的孔，下端由尼龙网包覆，模拟裂隙内填充石英砂，每组模拟裂隙面沿倾向方向设置两支测压管，每组模拟裂隙的测压管与模拟钻孔平行；

每个模拟钻孔分别通过附有流量控制阀的供水软管与储水箱内的水泵相连接，从而控制注入模拟裂隙中流量；每组模拟裂隙的排水孔分别通过附有流量控制阀的排水软管与储水箱相通。

升降装置可以调节与圆柱形模拟箱内两组裂隙的倾角和倾向，从而形成不同的裂隙网络。

通过向模拟钻孔内注水，可在裂隙介质中形成水平径向流，带稳定后，通过测量的裂隙几何参数、测压管水位以及排水管道所测得的流量便可计算出该中裂隙类型的岩体渗透张量。

本发明提供的裂隙介质系统渗透张量室内测定装置，构建三组互相垂直的裂隙介质，以厚度约为隙宽的微型承压含水层注水井形成的渗流场为基础，通过升降装置可以调节模拟箱内两组裂隙的倾向与倾角，故可以模拟不同条件下裂隙岩体中地下水的渗流过程，并且可以计算出不同条件下裂隙岩体的渗透张量。通过该装置的实验学习，可以认识到裂隙岩体的基本组成要素、渗透张量的求解以及裂隙岩体中地下水的渗流过程及特征，从而为水电工程、边坡工程等实际工程项目中岩体渗流场的分析奠定一定的基础。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图；

图2是本发明的侧视结构示意图；

图3是本发明的实施例的工作状态示意图；

图4是本发明的实施例的数据采集示意图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，裂隙介质系统渗透张量室内测定装置，包括储水箱2、圆柱形封闭模拟箱3、升降装置4；圆柱形封闭模拟箱3采用透明有机玻璃制成，圆柱形封闭模拟箱3的两端分别通过支架5安装在升降装置4上；圆柱形封闭模拟箱3有三组模拟裂隙，分别为第一模拟裂隙组71、第二模拟裂隙组72、第三模拟裂隙组73，三组模拟裂隙互相垂直；垂直于每组模拟裂隙面设置模拟钻孔8，每个模拟钻孔上附有一支示踪管9；模拟钻孔8的下端位于模拟裂隙内，模拟钻孔8的下端管壁有均匀分布的孔，下端由尼龙网包覆10，模拟裂隙内填充石英砂11，每组模拟裂隙面沿倾向方向设置两支测压管12，每组模拟裂隙的测压管12与模拟钻孔8平行；

每个模拟钻孔8分别通过附有流量控制阀的供水软管与储水箱2内的水泵1相连接，从而控制注入模拟裂隙中流量；每组模拟裂隙的排水孔15分别通过附有流量控制阀的排水软管与储水箱2相通。

通过升降装置4可调节圆柱形封闭模拟箱3两端高度，从而控制圆柱形封闭模拟箱3内的模拟裂隙的倾向及倾角，以构建不同的裂隙网络，计算不同条件下裂隙岩体的渗透张量。

如图3和图4，根据地下水动力学中裘布依稳定承压井流理论，利用达西线性渗流定律，可得：

$Q=K\·2\mathrm{\Π}\·R\·M\·\frac{dH}{dR}$

式中，R取l₁-l₂，H取h₁-h₂；

对上式进行积分，得到：

$h_1-h_2=\frac{Q}{2\mathrm{\Π}\·K\·M}\·ln\frac{l_1+l_2}{l_2}-l_2\·sin\mathrm{\α}$

故可得到：

$K=\frac{Q}{2\mathrm{\Π}\·M\·(h_1-h_2+l_{2}sin\mathrm{\α})}\·ln\frac{l_1+l_2}{l_2}$

分别对各组裂隙面进行三段压水试验，即可测得各组裂隙的渗透系数K_i(i＝1,2,3)，故可求出岩体的渗透张量K^*:

$K^{*}=\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{K}_i(E-n_i{n}_i)$

式中，E为单位张量，n_i为裂隙单元法向矢量。

接通电源，调节两端升降装置4到预期高度，利用罗盘、直尺等工具测量出每组裂隙的倾角α与倾向以及每组模拟裂隙上两根测压管12与模拟钻孔8的距离l₁、l₂。关闭供排水管路上的所有控制阀，打开第一模拟裂隙组71上的模拟钻孔供水管路及排水管路的控制阀，待一段时间后，利用量筒、秒表等工具测定排水管路的流量Q，连续测三次，误差小于5％即达到稳定状态。在示踪管9中加入红色示踪剂，可观察到水流在裂隙介质中的径流过程，并记录下示踪剂到达每根测压管位置的时间t₁、t₂，读出测压管12中水位刻度值h₁、h₂。根据公式便可计算出该组裂隙介质的渗透速度v₁及渗透系数K₁。同理，可计算出其他两组裂隙介质的渗透速度v₂、v₃及渗透系数K₂、K₃，从而求出该条件下裂隙岩体的渗透张量K^*。

通过升降装置4可调节圆柱形封闭模拟箱3内第一模拟裂隙组71、第三模拟裂隙组73倾向与倾角，利用相同的方法可以求出不同裂隙网络的渗透张量。

每组模拟裂隙均由两块透明树脂平行板组成，两块透明树脂平行板之间具有一定隙宽，两块透明树脂平行板内壁上有用于刻画裂隙面粗糙度的三角形凸起，两块透明树脂平行板之间填装粒径为0.25—0.5mm的石英砂11。

同时，可以改变石英砂的粒径大小及数量、裂隙面的粗糙度等进行相同试验，得到不同影响因素下的裂隙岩体渗透张量，通过对比，得出各种影响因素与渗透张量的相关关系，对研究和分析裂隙岩石渗流场具有重要意义。

Claims (1)

1.裂隙介质系统渗透张量室内测定装置，其特征在于：包括储水箱(2)、圆柱形封闭模拟箱(3)、升降装置(4)；圆柱形封闭模拟箱(3)采用透明有机玻璃制成，圆柱形封闭模拟箱(3)的两端分别通过支架(5)安装在升降装置(4)上；圆柱形封闭模拟箱(3)有三组模拟裂隙，分别为第一模拟裂隙组(71)、第二模拟裂隙组(72)、第三模拟裂隙组(73)，三组模拟裂隙互相垂直；垂直于每组模拟裂隙面设置模拟钻孔(8)，每个模拟钻孔上附有一支示踪管(9)；模拟钻孔(8)的下端位于模拟裂隙内，模拟钻孔(8)的下端管壁有均匀分布的孔，下端由尼龙网包覆(10)，模拟裂隙内填充石英砂(11)，每组模拟裂隙面沿倾向方向设置两支测压管(12)，每组模拟裂隙的测压管(12)与模拟钻孔(8)平行；

每个模拟钻孔(8)分别通过附有流量控制阀的供水软管与储水箱(2)内的水泵(1)相连接，从而控制注入模拟裂隙中流量；每组模拟裂隙的排水孔(15)分别通过附有流量控制阀的排水软管与储水箱(2)相通。