CN106290107A - 一种粗糙交叉裂隙渗流试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粗糙交叉裂隙渗流试验装置及方法，包括一个交叉裂隙模型，所述的交叉裂隙模型的内部为十字交叉的裂隙结构，所述的裂隙结构的两侧均设有疏水区和聚水区，每个所述的疏水区各自与一个入水口相连通，每个所述的聚水区各自与出水口相连通，且位于交叉裂隙模型同一侧的入水口和出水口与同一个水箱相连，形成一套循环回路；两套循环回路实现了流体一进多出、多进一出，多进多出的裂隙渗流；且在裂隙结构上还设有用于与裂隙结构连通的测压孔，测压孔内设有测量流体压力的水压传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种渗流试验装置，特别是涉及一种粗糙交叉裂隙渗流试验装置及方法，属于土木工程技术领域。
背景技术
近年来，随着能源开采、核废料处理、水利工程以及地下空间的利用等大型工程的大量兴建，岩石裂隙渗流问题引起广泛关注。随着经济社会的发展，人类对地下空间的需求越来越多，但在开挖及运营过程中，突水突泥等灾害时常发生，裂隙介质渗流问题仍亟待解决。
裂隙大量存在于天然岩体中，严重地影响着岩体的渗流特性，裂隙岩体中孔隙的尺寸和连通程度一般都远小于岩体中裂隙，而且裂隙的水力传导系数远大于完整岩石中孔隙的水力传导系数，因此裂隙是岩体中流体运动的主要通道，且裂隙岩体中存在的裂隙亦严重影响着岩体的渗透特性。因此，研究岩体中裂隙的渗流性质，对于查明裂隙岩体的水力特性具有十分重要的意义。目前，国内外对裂隙介质的研究还比较少，仍处于理论和试验探索阶段，没有统一的准则来描述流体在粗糙裂隙中的渗流规律。如果通过试验来模拟流体在粗糙岩体裂隙的运动，则将为研究流体在岩体裂隙中的渗流运动规律提供强有力的支持。
目前，对岩石裂隙渗流的研究主要集中在单一裂隙，对于交叉裂隙的研究较少尤其试验研究更少。分析原因，主要是试验条件要求较为苛刻，无法获得合适的交叉裂隙模型，难以控制流体的流速和裂隙隙宽的大小等。因此，无法获得交叉裂隙的渗流机制。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有技术的不足，提供一种新型的粗糙交叉裂隙渗流试验装置，特别适用于研究裂隙在不同流速，不同裂隙结构下的渗流运动。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种粗糙交叉裂隙渗流试验装置，包括一个交叉裂隙模型，所述的交叉裂隙模型的内部为十字交叉的裂隙结构，所述的裂隙结构的两侧均设有疏水区和聚水区，每个所述的疏水区各自与一个入水口相连通，每个所述的聚水区各自与出水口相连通，且位于交叉裂隙模型同一侧的入水口和出水口与同一个水箱相连，形成一套循环回路；两套循环回路实现了流体一进多出、多进一出，多进多出的裂隙渗流；且在所述的裂隙结构上还设有用于与裂隙结构连通的测压孔，所述的测压孔内设有测量流体压力的水压传感器。
进一步的，两个所述的水箱为封闭水箱，均包括进水管和出水管，两个所述的进水管各自与其对应的交叉裂隙模型的入水口相连，两个所述的出水管各自与其对应的裂隙结构的出水口相连，在两个所述的出水管上设有电子流量计、流量调节阀，在两个所述的进水管上设有为出水管提供不同压力的增压泵。
进一步的，所述的交叉裂隙模型采用PLA材料通过3D打印技术制作而成，为一整体模型；所述的入水口与所述的疏水区相连接，将进入的圆柱形水流疏导分散进入所述的裂隙结构。所述的出水口与所述的聚水区相连接，将从裂隙结构中流出的流体汇集进入出水口。
进一步的，所述的裂隙结构可根据JRC数值设置不同波长和波幅的正弦曲面、光滑曲面或咬合矩形曲面。
进一步的，所述的裂隙结构可根据实验要求调整裂隙分支之间的夹角以及各裂隙分支的隙宽。
进一步的，所述的水压传感器的安装位置包括交叉裂隙模型中疏水区末端、裂隙结构交叉点、各分支裂隙以及聚水区末端，各个位置的水压传感器与一个显示器相连。各个水压传感器安装在交叉裂隙模型的一侧，与裂隙结构连通，采集流体通过时产生的压力信息；所述的显示器，用于采集并显示试验过程中的水压的实时变化，流量大小等信息，最终生成数据文件。
进一步的，所述的出水管通过出水螺栓与裂隙模型的出水口相连，依次连接电子流量计、流量调节阀和水箱，其末端通过螺栓与水箱进水口相连。
进一步的，所述的水箱、进水管、增压泵、出水管、电子流量计、流量调节阀共两组，与裂隙模型相连形成两套循环回路。
进一步的，所述的裂隙模型须水平放置，测压孔方向垂直向下，各部分装置通过试验台固定在一起，形成整体结构。
利用所述的粗糙交叉裂隙渗流试验装置的试验方法，如下：
步骤1、制作交叉裂隙模型：
步骤2、连接各个装置：用进水管和出水管，将水箱、增压泵、交叉裂隙模型、电子流量计和流量调节阀连接起来；
步骤4、安装检测系统：将压力传感器安装于交叉裂隙模型测压孔内，并与显示器进行连接，调节好相关线路和电源；
步骤5、检测整个装置的密封性；
步骤6、进行流体一进多出、多进一出或多进多出的裂隙渗流试验；
步骤7、重复试验步骤2～6的操作，将所有粗糙交叉裂隙模型进行试验；
步骤8、所有试验完成后，卸下粗糙交叉裂隙模型和所有连接件，放空水箱、增压泵和电子流量计及所有回路中的水，整理好所有试验用具以备以后再用。
进一步的，步骤5中检测整个装置密封性的方法，如下；
在两个水箱内注满水，检查各螺栓和接头处是否固定紧密，打开增压泵电源开关，将从小到大调节增压泵水压值，观测整个试验装置是否漏水，若不满足则需要再次旋紧或置换螺栓和接头；观测打印的交叉裂隙模型是否渗水，若渗水则需要改变模型参数重新打印。
进一步的，步骤6的试验方法如下：
a.“两进两出”试验方法：将两套进水管分别连接交叉裂隙模型的两个进水口，将两个出水口与出水管连接，形成两套循环水路，实现“两进两出”；试验中，调节两个增压泵提供的压力大小，获得不同雷诺数下的流动状态，记录水压传感器水压曲线和流量曲线，保存数据；
b. “两进一出”试验方法：将两套进水管分别连接交叉裂隙模型的两个进水口，将两个出水口与出水管连接，形成两套循环水路，将其中一个与出水管相连的流量调节阀完全关闭,实现“两进一出”；试验中，调节两个增压泵提供的压力大小，获得不同雷诺数下的流动状态，记录水压传感器水压曲线和流量曲线，保存数据；
c. “一进两出”试验方法：将一套进水管连接交叉裂隙模型的一个进水口，另一个进水口连接封闭螺栓，完全封闭；将两个出水口与出水管连接，实现“一进两出”；试验中，调节增压泵提供的压力大小，获得不同雷诺数下的流动状态，记录水压传感器水压曲线和流量曲线，保存数据。
与现有技术相比，本发明的具有的有益效果是：
1、通过依次相连的水箱、进水管、增压泵、交叉裂隙模型、出水管、流量调节阀和电子流量计的设置，不仅实现真实准确的反映粗糙岩体交叉裂隙渗流过程，而且可通过设计不同的裂隙结构，采用3D打印技术打印交叉裂隙模型，实现裂隙隙宽调节，粗糙度可控，裂隙交叉角度可调的目的，便于进行交叉裂隙渗流的研究。
2、试验装置中有两套循环水路，可以实现水流一进多出、多进一出，多进多出的试验方案，并且可以任意调节进水压力大小，可以模拟多种粗糙裂隙渗流情况。
3、所述增压泵有两组，一组量程为0.5MPa，一组量程为0.9MPa，可以提供持续稳定的较低与较高压力，以获得流体在小雷诺数和大雷诺数下的流动状态，便于得到流体在不同状态下的雷诺数分布范围。
4、试验模型为采用PLA材料通过3D打印技术而成的整体结构，强度大，可承受较大水压；通过在交叉裂隙模型的进水口和出水口分别安装入水螺栓和出水螺栓，且进水口和出水口分别开设有引水用的疏水区和聚水区，可以引导水流流入裂隙和流出裂隙 ；两个螺栓均垫有密封垫圈，增强密封性能，可解决传统试验中密封效果不好的问题，保障试验顺利进行。
5、在试验过程中水流通过交通过整个试验装置循环回路，可以实现水流循环效果，实现试验长时间运作的目的，解决因水量不足导致试验时间较短而产生较大误差的缺点。
6、试验装置在压力测量方面，安装精密的水压传感器来测量流体流过裂隙结构时的水压，可获得精确稳定的压力值，提高试验的精度，以此来计算获得流体流过裂隙时的压力和水力梯度。
7、由于需要进行小雷诺数和大雷诺数下的裂隙渗流试验，当进行大雷诺数下裂隙渗流试验时，试验过程中流体压力降较大，水流速度较快，无法通过量筒测量流速，而在交叉裂隙模型出水口安装电子流量计，实时采集出水口流量的大小，简单、准确而高效。
8、试验装置中，进水管和出水管采用不锈钢金属编制软管，既确保不会发生水压致裂，又能够自由弯曲，保证试验安全有效。
9、在裂隙模型出口处安装流量调节阀，可以调节流量与压力大小，与增压泵组合可以获得试验要求流量和压力值。
上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明一种粗糙交叉裂隙渗流试验装置的结构示意图。
图2为本发明一种粗糙交叉裂隙渗流试验装置的结构简图。
图3为本发明一种粗糙交叉裂隙渗流试验装置中交叉裂隙模型的结构示意图。
图中：1水箱、2进水管、3增压泵、4交叉裂隙模型、5水压传感器、6显示器、7出水管、8电子流量计、9流量调节阀。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步说明。
本发明所要解决的技术问题是提供结构简单、拆装方便、制作容易、安全可靠、实用性强的粗糙交叉裂隙渗流试验装置，不仅实现准确便捷地反映水在岩体粗糙交叉裂隙中的渗流过程，而且用水循环、经济高效，更重要的是裂隙进水情况可调，可以实现一进多出、多进一出，多进多出的实验方案，并且可以任意调节进水压力大小以及裂隙结构。
本发明的粗糙交叉裂隙渗流试验装置，包括一个交叉裂隙模型，交叉裂隙模型的内部为十字交叉的裂隙结构，裂隙结构的两侧均设有疏水区和聚水区，每个所述的疏水区各自与一个入水口相连通，每个所述的聚水区各自与出水口相连通，且位于交叉裂隙模型同一侧的入水口和出水口与同一个水箱相连，形成一套循环回路；两套循环回路实现了流体一进多出、多进一出，多进多出的裂隙渗流；且在所述的裂隙结构上还设有用于与裂隙结构连通的测压孔，所述的测压孔内设有测量流体压力的水压传感器；具体如图1、图2 所示，如下：
其包括水箱1、进水管2、增压泵3、交叉裂隙模型4、传感器5、显示器6、出水管7、电子流量计8和流量调节阀9，所述水箱、进水管、增压泵、出水管、电子流量计和流量调节阀共两套；
两个水箱为封闭水箱，包括进水管、出水管和液位显示计，两个所述的出水管各自与其对应的交叉裂隙模型的入水口相连，两个所述的进水管各自与其对应的裂隙结构的出水口相连，在两个所述的进水管上设有电子流量计、流量调节阀，在两个所述的出水管上设有为出水管提供不同压力的增压泵；一组增压泵的量程为0.5MPa，另一组量程为0.9MPa，可以持续稳定地提供较低和较高压力。
进水管2的始端与水箱1下部的出水口相连，然后连接所述的增压泵3，进水管2的末端通过进水螺栓与交叉裂隙模型4的进水口41相连，出水管7的始端通过出水螺栓与交叉裂隙模型4的出水口46相连，然后连接所述的流量调节阀9，再与所述的电子流量计8相连，出水管7的末端与水箱1上部的进水口相连。所述的电子流量计用于测量交叉裂隙模型出水口的流量，共有两组，一组量程为0.47m³/h，一组量程为1.2m³/h。整个试验装置形成一个循环回路。
交叉裂隙模型采用PLA材料通过3D打印技术制作而成，为一整体模型，包括进水口、疏水区、裂隙结构、测压孔、聚水区以及出水口；进水口与疏水区相连接，将进入的圆柱形水流疏导分散进入所述的裂隙结构。出水口与所述的聚水区相连接，将从裂隙结构中流出的流体汇集进入出水口。流体通过进水口41进入交疏水区42，将圆柱形水流分散为稳定的流体进入裂隙结构44，然后通过聚水区45汇集进入出水口46，流出交叉裂隙模型。
测压孔由两部分组成，底部是直径2mm，高2mm的圆柱孔，与裂隙结构面连接，顶部为直径6mm，高20mm的圆柱孔，用于安装水压传感器。
所述的裂隙结构，可根据JRC数值设置不同波长和波幅的正弦曲面，光滑曲面，咬合矩形曲面等不同裂隙结构。
所述的裂隙结构为交叉裂隙，可根据实验要求设计裂隙分支之间的夹角以及各裂隙分支的隙宽。
压力监测系统包括水压传感器5与显示器6两部分，水压传感器5安装在交叉裂隙模型的一侧，与裂隙结构连通，采集流体通过时产生的压力信息；所述的显示器5，用于采集并显示试验过程中的水压的实时变化，流量大小等信息，最终生成数据文件。
水压传感器5与交叉裂隙模型4通过螺纹相连，水压传感器5自带螺纹，交叉裂隙模型4上的测压孔43通过攻丝工艺制作出配套内螺纹，并安装密封垫密封。所述的水压传感器5分布于如图2所示位置。
如图2所示，所述的水压传感器5等间隔分布有四处，依次为交叉裂隙模型4中疏水区42末端、裂隙结构44交叉点、裂隙结构44各分支裂隙以及聚水区45末端。
所述的水箱、进水管、增压泵、出水管、电子流量计、流量调节阀共两组，与裂隙模型相连形成两套循环回路。
本发明进一步设置为：裂隙模型须水平放置，测压孔方向垂直向下，各部分装置通过试验台固定在一起，形成整体结构。
本发明进一步设置为：交叉裂隙模型测压孔通过攻丝工艺产生安装水压传感器的配套内螺纹，并安装密封垫圈。
本发明进一步设置为：交叉裂隙模型进水口与出水口通过攻丝工艺产生安装进水管和出水管螺栓的配套内螺纹，并垫有密封垫圈。
本发明进一步设置为：交叉裂隙模型测压孔采用锥管螺纹，进水口和出水口采用管螺纹。
本发明进一步设置为：水压传感器分布于交叉裂隙模型中疏水区末端、裂隙结构交叉点、各分支裂隙以及聚水区末端。
本发明进一步设置为：进水管和出水管采用不锈钢管金属编制软管。
本发明进一步设置为：流量调节阀位于裂隙模型和电子流量计之间。
本发明提供的一种粗糙交叉裂隙渗流试验装置的操作过程为：
步骤1、制作交叉裂隙模型：实验开始前，设计模型相关参数，主要包括裂隙长度、裂隙隙宽、裂隙面粗糙度以及交叉角度等，采用SolidWorks绘图软件绘制裂隙模型，采用3D打印技术制作不同参数的模型，因试验过程中水压高达0.5MPa，在打印时密实度选取100%；
步骤2、制作内螺纹：根据水压传感器和进水出水螺栓的螺纹参数，采用丝锥进行攻丝，制作交叉裂隙模型测压孔以及进水口和出水口内螺纹；
步骤3、连接各个装置：用进水管和出水管，将水箱、增压泵、交叉裂隙模型、电子流量计和流量调节阀连接起来，接头处安装相应规格的密封垫；
步骤4、安装检测系统：将压力传感器安装于交叉裂隙模型测压孔内，并与显示器进行连接，调节好相关线路和电源；
步骤5、密封性检查：在水箱内注满水，检查各螺栓和接头处是否固定紧密，打开增压泵电源开关，将从小到大调节增压泵水压值，观测整个试验装置是否漏水，若不满足则需要再次旋紧或置换螺栓和接头；观测打印的交叉裂隙模型是否渗水，若渗水则需要改变模型参数重新打印；
步骤6、实验操作：
a.“两进两出”试验方案：将两套进水管分别连接交叉裂隙模型的两个进水口，将两个出水口与出水管连接，形成两套循环水路，实现“两进两出”；试验中，调节两个增压泵提供的压力大小，获得不同雷诺数下的流动状态，记录水压传感器水压曲线和流量曲线，保存数据；
b. “两进一出”试验方案：将两套进水管分别连接交叉裂隙模型的两个进水口，将两个出水口与出水管连接，形成两套循环水路，将其中一个与出水管相连的流量调节阀完全关闭,实现“两进一出”；试验中，调节两个增压泵提供的压力大小，获得不同雷诺数下的流动状态，记录水压传感器水压曲线和流量曲线，保存数据；
c. “一进两出”试验方案：将一套进水管连接交叉裂隙模型的一个进水口，另一个进水口连接封闭螺栓，完全封闭；将两个出水口与出水管连接，实现“一进两出”；试验中，调节增压泵提供的压力大小，获得不同雷诺数下的流动状态，记录水压传感器水压曲线和流量曲线，保存数据；
步骤7、重复试验步骤2～6的操作，将所有粗糙交叉裂隙模型进行试验；
步骤8、所有试验完成后，卸下粗糙交叉裂隙模型和所有连接件，放空水箱、增压泵和电子流量计及所有回路中的水，整理好所有试验用具以备以后再用；
上述试验过程中，合理的设置两套回路的使用状况，可解决流体一进多出、多进一出，多进多出的裂隙渗流问题；事先预设交叉裂隙模型参数，通过3D打印技术制作交叉裂隙模型，可获得精确的裂隙结构；水流由增压泵获得不同压力水头，水流通过裂隙后最终流入水箱，实现水流循环效果；在交叉裂隙模型上安装精密的水压传感器测量水流动时的压力，可解决裂隙水流压力测量问题；在试验装置接口处均用螺栓进行连接，并垫有密封垫，可解决密封的问题。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种粗糙交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于，包括一个交叉裂隙模型，所述的交叉裂隙模型的内部为十字交叉的裂隙结构，所述的裂隙结构的两侧均设有疏水区和聚水区，每个所述的疏水区各自与一个入水口相连通，每个所述的聚水区各自与出水口相连通，且位于交叉裂隙模型同一侧的入水口和出水口与同一个水箱相连，形成一套循环回路；两套循环回路实现了流体一进多出、多进一出，多进多出的裂隙渗流；且在所述的裂隙结构上还设有用于与裂隙结构连通的测压孔，所述的测压孔内设有测量流体压力的水压传感器。
2.如权利要求1所述的粗糙交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于，两个所述的水箱为封闭水箱，均包括进水管和出水管，两个所述的进水管各自与其对应的交叉裂隙模型的入水口相连，两个所述的出水管各自与其对应的裂隙结构的出水口相连，在两个所述的出水管上设有电子流量计、流量调节阀，在两个所述的进水管上设有为出水管提供不同压力的增压泵。
3.如权利要求1所述的粗糙交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于，所述的交叉裂隙模型采用PLA材料通过3D打印技术制作而成。
4.如权利要求1所述的粗糙交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于，所述的裂隙结构可根据JRC数值设置不同波长和波幅的正弦曲面、光滑曲面或咬合矩形曲面；
所述的裂隙结构还可根据实验要求调整裂隙分支之间的夹角以及各裂隙分支的隙宽。
5.如权利要求1所述的粗糙交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于，所述的水压传感器的安装位置包括交叉裂隙模型中疏水区末端、裂隙结构交叉点、各分支裂隙以及聚水区末端，各个位置的水压传感器与一个显示器相连，所述的显示器，用于采集并显示试验过程中的水压的实时变化，流量大小等信息，最终生成数据文件。
6.如权利要求1所述的粗糙交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于，各个水压传感器安装在交叉裂隙模型的一侧与裂隙结构连通，采集流体通过时产生的压力信息。
7.如权利要求1所述的粗糙交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于，所述的裂隙模型水平放置，测压孔方向垂直向下。
8.利用权利要求2任一所述的粗糙交叉裂隙渗流试验装置的试验方法，其特征在于，如下：
步骤1、制作交叉裂隙模型：
步骤2、连接各个装置：用进水管和出水管，将水箱、增压泵、交叉裂隙模型、电子流量计和流量调节阀连接起来；
步骤4、安装检测系统：将压力传感器安装于交叉裂隙模型测压孔内，并与显示器进行连接，调节好相关线路和电源；
步骤5、检测整个装置的密封性；
步骤6、进行流体一进多出、多进一出或多进多出的裂隙渗流试验；
步骤7、重复试验步骤2～6的操作，将所有粗糙交叉裂隙模型进行试验；
步骤8、所有试验完成后，卸下粗糙交叉裂隙模型和所有连接件，放空水箱、增压泵和电子流量计及所有回路中的水，整理好所有试验用具以备以后再用。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤5中检测整个装置密封性的方法，如下；
在两个水箱内注满水，检查各螺栓和接头处是否固定紧密，打开增压泵电源开关，将从小到大调节增压泵水压值，观测整个试验装置是否漏水，若不满足则需要再次旋紧或置换螺栓和接头；观测打印的交叉裂隙模型是否渗水，若渗水则需要改变模型参数重新打印。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤6的试验方法如下：
a.“两进两出”试验方法：将两套进水管分别连接交叉裂隙模型的两个进水口，将两个出水口与出水管连接，形成两套循环水路，实现“两进两出”；试验中，调节两个增压泵提供的压力大小，获得不同雷诺数下的流动状态，记录水压传感器水压曲线和流量曲线，保存数据；
b.“两进一出”试验方法：将两套进水管分别连接交叉裂隙模型的两个进水口，将两个出水口与出水管连接，形成两套循环水路，将其中一个与出水管相连的流量调节阀完全关闭,实现“两进一出”；试验中，调节两个增压泵提供的压力大小，获得不同雷诺数下的流动状态，记录水压传感器水压曲线和流量曲线，保存数据；
c.“一进两出”试验方法：将一套进水管连接交叉裂隙模型的一个进水口，另一个进水口连接封闭螺栓，完全封闭；将两个出水口与出水管连接，实现“一进两出”；试验中，调节增压泵提供的压力大小，获得不同雷诺数下的流动状态，记录水压传感器水压曲线和流量曲线，保存数据。
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