CN106124383A - 一种模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置 - Google Patents

一种模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置 Download PDF

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刘日成
蒋宇静
吴兴杰
蔚立元
李光雷
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    • G01N15/082—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample
    • G01N15/0826—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample and measuring fluid flow rate, i.e. permeation rate or pressure change

Abstract

本发明公开了一种模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置，包括交叉裂隙渗流模块，包括固定在一起的圆形的第一玻璃板和两块第二玻璃板，第一玻璃板位于所述两块第二玻璃板之间，且所述第一玻璃板与所述两块第二玻璃板相互接触的四周边缘位置密封；第一玻璃板上具有至少两个交叉的裂隙，每个裂隙的两端在所述第一玻璃板的边缘对应的两端位置分别形成对应的入水口和出水口。本发明可模拟更为复杂的交叉裂隙。另外，相比于现有技术可大大提高水力梯度计算结果的准确性，从而提高了试验结果的精确度。本发明可以实现对致密岩体交叉裂隙渗流的模拟，对研究致密岩体交叉裂隙渗流规律及机理具有重要意义，具有构造简单、经济节约、适用性广等优点。

Description

一种模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置
技术领域
本发明涉及裂隙岩体渗流物理模型试验领域，特别是一种针对流体在致密岩体交叉裂隙中渗流机理研究的模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置。
背景技术
天然岩体中存在不连续面/裂隙，这些不连续面的存在为岩体中水或其他有害物质的运移提供了通道。对于大坝及边坡工程，承压地下水以渗透压力或水头压力的方式在不连续面中的渗流是导致边坡工程失稳的一个重要原因；对于地下石油储库及核电站基础等，石油或核物质等有害污染物易通过岩体中不连续面产生运移和扩散，从而对周边环境产生极大的污染。另外在致密岩体中，比如花岗岩和沉积岩，流体的运移基本只沿着其中的不连续面进行，因此展开流体在致密岩体裂隙中渗流规律及机理的研究对于边坡工程稳定性及地下(储藏)工程的安全评估都具有重要的意义。
申请号为CN201310657945.6的发明专利介绍了一种采用在刻画板上刻出一定深度缝隙的方法进行裂隙模拟，采用这种方法只能采用人工刻画裂隙的手段，无法模拟刻画板自然碎裂后形成的裂隙渗流；而且另一方面人工刻画无法保证整条裂隙的深度一致，人工制作的裂隙的形状及深度等参数的精度不易控制。
申请号为CN201210562580.4的发明专利和申请号为CN201410588213.0的发明专利介绍了分别介绍了采用真实岩石或混凝土试块进行裂隙渗流模拟的装置和方法，但两种装置都只能模拟单一裂隙，而不能模拟更为复杂的交叉裂隙。
《岩土力学》2015年第6期题为《交叉裂隙水力学开度的计算及非线性水力特性研究》中作者刘日成等介绍了一种用于交叉裂隙水力学开度计算的试验方法，但其中的交叉裂隙是在矩形玻璃板中进行预制的，由于矩形玻璃板中心到各个出水口的距离不同会导致存在多个出水口时不同渗流路径的水力梯度不同而只能采取近似平均的方法确定，水力梯度计算结果准确性差。
综上，现有技术中针对岩体裂隙渗流模拟的装置不能模拟更为复杂的交叉裂隙。另外，目前对于交叉裂隙渗流的研究使用的是矩形玻璃，当存在多个渗流路径时很难保证沿不同渗流路径水力梯度是相同的，导致水力梯度计算结果准确性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置，实现水在致密岩体中渗流的模拟，从而为研究致密岩体裂隙中水渗流的规律及机理提供参考，其可模拟更为复杂的交叉裂隙，提高水力梯度计算结果准确性。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置，包括：
交叉裂隙渗流模块，其包括固定在一起的圆形的第一玻璃板和两块第二玻璃板，所述第一玻璃板位于所述两块第二玻璃板之间，且所述第一玻璃板与所述两块第二玻璃板相互接触的四周边缘位置密封；
其中，所述第一玻璃板上具有至少两个交叉的裂隙，每个裂隙的两端在所述第一玻璃板的边缘对应的两端位置分别形成对应的入水口和出水口。
具体的，所述两块第二玻璃板的直径相同，所述第一玻璃板的直径大于所述两块第二玻璃板的直径，从而形成凸出于所述两块第二玻璃板的凸出部，所述入水口和出水口分别位于所述凸出部上。
进一步的，每个所述入水口和出水口分别夹持连接一个可夹持式流入/流出容器。
具体的，所述可夹持式流入/流出容器包括基体和用于将所述基体连接至所述凸出部的夹持部，所述基体上设有液体流通的输入/输出通道；
在每个所述入水口处，所述输入/输出通道一端与所述入水口连接，另一端与进水导管连接，且所述进水导管上设有第一阀门；
在每个所述出水口处，所述输入/输出通道一端与所述出水口连接，另一端与出水导管连接，且所述出水导管上设有第二阀门；
其中，所述夹持部的形状与所述凸出部相适应，以将所述可夹持式流入/流出容器夹紧在所述交叉裂隙渗流模块的凸出部，所述夹持部与所述凸出部相接触的边缘位置密封。
进一步的，所述可夹持式流入/流出容器的基体上嵌有微型渗压计。
进一步的，所述可夹持式流入/流出容器的夹持部呈矩形凹槽状结构，所述第一玻璃板的凸出部的一部分伸入所述凹槽后边缘位置密封。
进一步的，所述两块第二玻璃板和第一玻璃板以圆心为中心对齐后压紧并在三块玻璃板四周相互接触的边缘位置涂抹密封胶密封。
进一步的，所述第一玻璃板中的裂隙沿着第一玻璃板的厚度方向是完全贯通的。
进一步的，所述第一玻璃板上的至少两个交叉的裂隙为具有预定参数的裂隙或者为玻璃碎裂自然形成的裂隙。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置具有交叉裂隙渗流模块，其包括固定在一起的圆形的第一玻璃板和两块第二玻璃板，所述第一玻璃板位于所述两块第二玻璃板之间，且所述第一玻璃板与所述两块第二玻璃板相互接触的四周边缘位置密封；其中，所述第一玻璃板上具有至少两个交叉的裂隙，每个裂隙的两端在所述第一玻璃板的边缘对应的两端位置分别形成对应的入水口和出水口。这样，由于第一玻璃板上具有至少两个交叉的裂隙，本发明在实现水在致密岩体中渗流的模拟而为研究致密岩体裂隙中水渗流的规律及机理提供参考的基础上，其可模拟更为复杂的交叉裂隙。另外，采用圆形玻璃板构成交叉裂隙渗流模块，圆形玻璃板圆心到圆周上任意一点的距离都是相等的，因此不同渗流路径下的水力梯度都相同，从而可以根据入/出水口的水压力而准确计算得到水力梯度。相比于现有技术可大大提高水力梯度计算结果的准确性，从而提高了试验结果的精确度。
附图说明
图1为模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置示意图；
图2为可夹持式流入/流出容器示意图；
图3为交叉裂隙渗流模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明实施例提供一种模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置，包括交叉裂隙渗流模块，其包括固定在一起的圆形的第一玻璃板和两块第二玻璃板，所述第一玻璃板位于所述两块第二玻璃板之间，且所述第一玻璃板与所述两块第二玻璃板相互接触的四周边缘位置密封；其中，所述第一玻璃板上具有至少两个交叉的裂隙(本实施例中以两个为例说明)，每个裂隙的两端在所述第一玻璃板的边缘对应的两端位置分别形成对应的入水口和出水口。
具体的，所述两块第二玻璃板的直径相同，所述第一玻璃板的直径大于所述两块第二玻璃板的直径，从而形成凸出于所述两块第二玻璃板的凸出部，所述入水口和出水口分别位于所述凸出部上。每个所述入水口和出水口分别夹持连接一个可夹持式流入/流出容器，实现水流的流入和流出。
具体的，所述可夹持式流入/流出容器包括基体和用于将所述基体连接至所述凸出部的夹持部，所述基体上设有液体流通的输入/输出通道；在每个所述入水口处，所述输入/输出通道一端与所述入水口连接，另一端与进水导管连接，且所述进水导管上设有第一阀门；在每个所述出水口处，所述输入/输出通道一端与所述出水口连接，另一端与出水导管连接，且所述出水导管上设有第二阀门；其中，所述夹持部的形状与所述凸出部相适应，以将所述可夹持式流入/流出容器夹紧在所述交叉裂隙渗流模块的凸出部，所述夹持部与所述凸出部相接触的边缘位置密封。
进一步的，所述可夹持式流入/流出容器的基体上嵌有微型渗压计，可连接计算机，记录内部水压力。
进一步的，所述可夹持式流入/流出容器的夹持部呈矩形凹槽状结构，所述第一玻璃板的凸出部的一部分伸入所述凹槽后边缘位置密封。
进一步的，所述两块第二玻璃板和第一玻璃板以圆心为中心对齐后压紧并在三块玻璃板四周相互接触的边缘位置涂抹密封胶密封。
进一步的，所述第一玻璃板中的裂隙沿着第一玻璃板的厚度方向是完全贯通的。所述第一玻璃板上的至少两个交叉的裂隙为具有预定参数的裂隙或者为玻璃碎裂自然形成的裂隙。
本发明提供的模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置具有交叉裂隙渗流模块，其包括固定在一起的圆形的第一玻璃板和两块第二玻璃板，所述第一玻璃板位于所述两块第二玻璃板之间，且所述第一玻璃板与所述两块第二玻璃板相互接触的四周边缘位置密封；其中，所述第一玻璃板上具有至少两个交叉的裂隙，每个裂隙的两端在所述第一玻璃板的边缘对应的两端位置分别形成对应的入水口和出水口。这样，由于第一玻璃板上具有至少两个交叉的裂隙，本发明在实现水在致密岩体中渗流的模拟而为研究致密岩体裂隙中水渗流的规律及机理提供参考的基础上，其可模拟更为复杂的交叉裂隙。另外，采用圆形玻璃板构成交叉裂隙渗流模块，圆形玻璃板圆心到圆周上任意一点的距离都是相等的，因此不同渗流路径下的水力梯度都相同，从而可以根据入/出水口的水压力而准确计算得到水力梯度。相比于现有技术可大大提高水力梯度计算结果的准确性，从而提高了试验结果的精确度。
下面结合附图以及具体示例说明本发明。
如图1所示的一种模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置，包括入水口1、阀门2、四个可夹持式流入/流出容器3、交叉裂隙渗流模块4、出水口5和导水管8(包括进水导管和出水导管)。
如图2所示可夹持式流入/流出容器，是一个特制夹子，夹子内部为中空结构，呈矩形凹槽状结构，所述第一玻璃板的凸出部的一部分伸入所述凹槽后边缘位置密封。外部除夹子口部(即夹持部)外其余部分密封良好，利用夹子口部夹紧含交叉裂隙的玻璃板7上一个裂隙的两个端部的位置(对应进水口和出水口)，在与之相对的一端通过预留孔外接导水管，可以实现水流从水源经由可夹持式流入/流出容器3而流入裂隙。通过控制导水管上的阀门2可以控制可夹持式流入/流出容器3中是否有水源流入/出裂隙；通过微型渗压计9可以监测到可夹持式流入/流出容器3内部水源的水压力。
如图3所示，交叉裂隙渗流模块4由两块直径相同的高强玻璃板6和一块含交叉裂隙(即两个交叉的裂隙)圆形玻璃板7组成，含交叉裂隙的玻璃板7的尺寸(即直径)略大于高强玻璃板6，两块高强玻璃板6分别放在含交叉裂隙的玻璃板7的两边，三块玻璃板以圆心中心对齐后压紧并在三块玻璃板四周相互接触的位置涂抹密封胶，可以实现在渗流过程中水只在裂隙内部产生运动。
本发明示例的模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置包括入水口1、阀门2、四个可夹持式流入/流出容器3、交叉裂隙渗流模块4、出水口5和导水管8组成。其中，所述可夹持式流入/流出容器3上嵌有微型渗压计9，所述交叉裂隙渗流模块4由上至下依次为高强玻璃板6、含交叉裂隙的玻璃7和高强玻璃板6。
可夹持式流入/流出容器3是一个特制夹子，夹子内部为中空结构，外部除夹子口部外其余部分密封良好，利用夹子口部夹紧含交叉裂隙玻璃板7上裂隙端部的位置，在与之相对的一端通过预留孔外接导水管8。
为保证水流裂隙端部进入裂隙过程中不发生渗漏，在可夹持式流入/流出容器3的夹子口部夹紧含交叉裂隙的玻璃板7后要在两者相接触的位置涂抹密封胶。为了确保可夹持式流入/流出容器3的夹子口部与玻璃板7之间完全贴合，根据需要可在二者之间加垫适当大小的具有弹性的物质，如橡胶等。
在可夹持式流入/流出容器3上嵌有微型渗压计9，通过微型渗压计9可以测得可夹持式流入/流出容器3内部的水压力大小。
交叉裂隙渗流模块4由两块相同的高强玻璃板6和一块含交叉裂隙的玻璃板7组成，含交叉裂隙的玻璃板7的尺寸(即直径)略大于高强玻璃板6，高强玻璃板6分别放在含交叉裂隙的玻璃板7的两边，三块玻璃板以圆心中心对齐后压紧并在三块玻璃板四周相互接触的位置涂抹密封胶。为了防止含交叉裂隙的玻璃板7凸出高强玻璃板6边缘部分(即凸出部)的裂隙中流入密封胶，可以预先在这些部位粘贴透明胶带作为保护。
本示例中含交叉裂隙的玻璃板7是一块普通圆形玻璃板，玻璃板中的裂隙沿着厚度方向是完全贯通的，交叉裂隙的粗糙度、长度、夹角等参数根据试验研究的需要是可以任意选取的。对于具有特定参数的裂隙可以先将裂隙参数进行数字化，根据数字化结果通过程序控制水刀对玻璃板7进行切割从而得到具有特定参数的交叉裂隙；对于自然形成的交叉裂隙，可以对玻璃板7进行物理打击得到。交叉裂隙制作完毕后对含交叉裂隙玻璃板7进行拼接时，根据交叉裂隙所需的力学开度选择具有相同厚度的夹板放在裂隙中，从而可以得到具有一定力学开度的交叉裂隙。由于致密岩体中的渗流基本只发生在裂隙内部，而玻璃的渗透性是极差的，因而选用玻璃模拟致密岩体是合理的。
含交叉裂隙的玻璃板7选择了圆形玻璃板，圆形玻璃板圆心到圆周上任意一点的距离都是相等的，因此不同渗流路径下的水力梯度都相同，而且可以根据入/出水口的水压力而准确计算得到。如果玻璃板7采用矩形等其他形状，在同时存在多个出水口时由于无法保证渗流路径的相同，不同路径的水力梯度也不相同因而只能采用近似平均的方法计算各渗流路径的水力梯度。而采用圆形玻璃板则不存在类似的问题，可以计算得到不同渗流路径的准确水力梯度，从而提高了试验结果的精确度。
本发明示出的模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置相比现有技术，至少具有以下有益效果：
1.模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置可以对岩体中的交叉裂隙进行模拟，而不仅限于单一裂隙；对于交叉裂隙的制作方法简单，成本低廉，交叉裂隙的形式多样，可以满足多种试验目的。
2.通过可夹持式流入/流出容器3实现了水源从外部向裂隙内的渗流，交叉裂隙渗流模块4则实现了水只在交叉裂隙内部进行渗流，另外通过可夹持式流入/流出容器3和交叉裂隙渗流模块4很好地实现了渗流试验中对水的密封问题。
3.为了提高含交叉裂隙的玻璃板7中交叉裂隙的精度，交叉裂隙的制作包括但不限于以下方法：对于具有特定参数的裂隙可以先将裂隙参数进行数字化，根据数字化结果通过程序控制水刀对玻璃板7进行切割从而得到具有特定参数的交叉裂隙；对于自然形成的交叉裂隙，可以对玻璃板7进行物理打击得到。交叉裂隙制作完毕后对含交叉裂隙玻璃板7进行拼接时，根据交叉裂隙所需的力学开度选择具有相同厚度的夹板放在裂隙中，从而可以得到具有一定力学开度的交叉裂隙。
4.为了使交叉裂隙不同渗流路径上的水力梯度相同，在选择含交叉裂隙的玻璃板7时特地选择了圆形玻璃板。由于圆形中心到边界任一点的距离是相等的，因而可以确保不同渗流路径的长度相同，从而保证不同渗流路径的水力梯度也相同，从而可以根据入/出水口的水压力精确计算得到各渗流路径的水力梯度，增加了试验结果的精确度。
5.通过控制多个阀门2的开关状态，可以控制交叉裂隙入水口和出水口的数量和位置，从而可以模拟多种交叉裂隙渗流时入/出水口组合，丰富了对不同工况的模拟。
6.通过可夹持式流入/流出容器3中嵌置的微型渗压计9可以测得裂隙入口位置的水压力，可以通过调节入水口的水量大小实现水流以某一稳定的水压力进入裂隙，从而可以模拟裂隙入水口定水压力情况下交叉裂隙的渗流。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于，包括：
交叉裂隙渗流模块，其包括固定在一起的圆形的第一玻璃板和两块第二玻璃板，所述第一玻璃板位于所述两块第二玻璃板之间，且所述第一玻璃板与所述两块第二玻璃板相互接触的四周边缘位置密封；
其中，所述第一玻璃板上具有至少两个交叉的裂隙，每个裂隙的两端在所述第一玻璃板的边缘对应的两端位置分别形成对应的入水口和出水口。
2.根据权利要求1所述的模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于，所述两块第二玻璃板的直径相同，所述第一玻璃板的直径大于所述两块第二玻璃板的直径，从而形成凸出于所述两块第二玻璃板的凸出部，所述入水口和出水口分别位于所述凸出部上。
3.根据权利要求2所述的模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于，每个所述入水口和出水口分别夹持连接一个可夹持式流入/流出容器。
4.根据权利要求3所述的模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于，所述可夹持式流入/流出容器包括基体和用于将所述基体连接至所述凸出部的夹持部，所述基体上设有液体流通的输入/输出通道；
在每个所述入水口处，所述输入/输出通道一端与所述入水口连接，另一端与进水导管连接，且所述进水导管上设有第一阀门；
在每个所述出水口处，所述输入/输出通道一端与所述出水口连接，另一端与出水导管连接，且所述出水导管上设有第二阀门；
其中，所述夹持部的形状与所述凸出部相适应，以将所述可夹持式流入/流出容器夹紧在所述交叉裂隙渗流模块的凸出部，所述夹持部与所述凸出部相接触的边缘位置密封。
5.根据权利要求4所述的模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于，所述可夹持式流入/流出容器的基体上嵌有微型渗压计。
6.根据权利要求4或5所述的模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于，所述可夹持式流入/流出容器的夹持部呈矩形凹槽状结构，所述第一玻璃板的凸出部的一部分伸入所述凹槽后边缘位置密封。
7.根据权利要求6所述的模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于，所述两块第二玻璃板和第一玻璃板以圆心为中心对齐后压紧并在三块玻璃板四周相互接触的边缘位置涂抹密封胶密封。
8.根据权利要求7所述的模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于，所述第一玻璃板中的裂隙沿着第一玻璃板的厚度方向是完全贯通的。
9.根据权利要求8所述的模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于，所述第一玻璃板上的至少两个交叉的裂隙为具有预定参数的裂隙或者为玻璃碎裂自然形成的裂隙。
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