CN106950353A - 用于岩体裂隙溶质运移试验的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于岩体裂隙溶质运移试验的试验装置，其中，溶质入注单元包括与入注腔相连的蠕动泵和注射泵，蠕动泵与去离子水瓶相连；溶质入注单元还包括与入注腔相连的入注腔废水回收瓶。溶质运移单元包括用于放置灯光箱的底座，底座与支架相连，支架设有用于固定仿真岩石的固定装置，仿真岩石的一端与入注腔相连，入注腔与入注腔测压管相连；仿真岩石的另一端与排水腔相连，排水腔与排水腔测压管相连；仿真岩石的上方设有图像采集装置，图像采集装置与图像显示装置相连。本发明通过透明的仿真岩石，更为直观的观察溶质运移的过程，仿真岩石不会与试剂发生反应，避免了氧化还原反应产生的固体沉淀物对溶质运移通道的堵塞，更为真实的反应溶质在裂隙中的运移过程。
Description
技术领域
本发明涉及岩体裂隙溶质运移技术领域，具体的说是一种用于岩体裂隙溶质运移试验的试验装置。
背景技术
岩体裂隙溶质运移问题一直受到人们的关注，而往往把水流试验和示踪剂试验作为基础展开。近几年来，随着岩体裂隙溶质运移问题研究的不断深入，有不同的学者对不同的溶质在真实的裂隙岩体中进行了不同流速或浓度的运移试验过程。其中有些易挥发性的地下水污染物以及污染物修复剂的运移规律越来越受到专家们的重视。
中国专利CN 2699314Y《裂隙介质水流、溶质运移试验装置》公开了一种包含有传感器与密封材料的试件容器，试件容器的底部设有饱和进水管和出水管，在饱和进水管上控制进水流量，在出水管上设有压力表、流量表，从而测定溶质在裂隙介质中各点的溶液浓度、压力和温度。但是，此试验装置采用真的岩石，无法很好的观察溶质的运移过程，只能测定溶液溶度、压力和温度等参数。
然而，在地下水污染物中，不乏易挥发，易致病，或在试验操作过程中易与空气接触或易于岩石裂隙表面发生化学反应的现象；同时，污染物修复剂又大部分具有强还原性，这也造成了其易于空气发生反应，生成固体沉淀物堵塞溶质运移通道，或产生气泡影响试验效果。上述专利均无法解决这些问题。
发明内容
根据上述不足之处，本发明的目的在于：提供一种用于岩体裂隙溶质运移试验的试验装置，通过本装置，可以更好的展示试验结果，且试验结果不受原材料的影响，准确度更好。
为实现上述目的，本发明的技术方案在于：一种用于岩体裂隙溶质运移试验的试验装置，包括溶质入注单元、溶质运移单元以及溶质采集单元。
其中，溶质入注单元包括与入注腔相连的蠕动泵和注射泵，蠕动泵与去离子水瓶相连；溶质入注单元还包括与入注腔相连的入注腔废水回收瓶。
溶质运移单元包括用于放置灯光箱的底座，底座与支架相连，支架设有用于固定仿真岩石的固定装置，仿真岩石的一端与入注腔相连，入注腔与入注腔测压管相连；仿真岩石的另一端与排水腔相连，排水腔与排水腔测压管相连；仿真岩石的上方设有图像采集装置，图像采集装置与图像显示装置相连。
溶质采集单元包括与排水腔相连的样品自动采集仪和废水收集瓶。
优选的是：溶质运移单元设置在密封暗箱内。
优选的是：固定装置设有用于调整仿真岩石角度的倾斜机构。
优选的是：固定装置设有水平仪。
优选的是：图像采集装置与支架相连，所述的支架设有高度调节机构。
优选的是：仿真岩石的横向外侧面的裂隙处设有密封垫。
优选的是：仿真岩石的制作方法包括如下步骤：
(1)天然岩石的压裂处理
1.1、取天然岩体，切割成为标准岩块；
1.2、在所述标准岩块的窄侧面的四周打磨出相连通的凹槽；
1.3、将打磨出凹槽的标准岩块放置在压力机下，用固定装置将所述的标准 岩块进行固定，在所述标准岩块顶部的凹槽内放置一根金属棒，将压力机与金属棒接触，并向金属棒施加压力，所述的标准岩块在压力机的施压过程中形成一条断裂面；
1.4、将所述的标准岩块沿着断裂面分开，清洗压裂后的标准岩块的表面；
(2)仿真岩石的制作
2.1、选取耐高温的液体石膏材料，对压裂后的标准岩块的裂隙面进行浇筑，制作石膏模具；
2.2、待石膏液体风干后，将石膏与压裂后的标准岩块进行剥离，得仿真岩石模具；
2.3、将高温融化后的液态玻璃缓缓注入仿真岩体模具中；
2.4、待液态玻璃风干后，将石膏剥离，得与原岩体裂隙面一样的仿真岩石。
优选的是：仿真裂隙制作的第一步中将石膏液体倒进一个大于标准岩块的容器内，将标准岩块的裂隙面面向盛有石膏液体的容器，并将标准岩块慢慢压进石膏液体内。
优选的是：仿真裂隙制作的第三步中，将仿真岩体模具置于超声波仪器内，边注入液态玻璃边进行超声。
本发明的有益效果在于：本发明通过透明的仿真岩石，可以更为直观的观察溶质运移的过程，同时仿真岩石不会与试剂发生反应，避免了氧化还原反应产生的固体沉淀物对溶质运移通道的堵塞，可以更为真实的反应溶质在裂隙中的运移过程。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中，1-蠕动泵；2-去离子水瓶；3-注射泵；4-入注腔废水回收瓶；5-密封暗箱；6-入注腔测压管；7-支架；8-倾斜机构；9-固定装置；10-仿真岩石；11-灯光箱；12-入注腔；13-排水腔；14-排水腔测压管；15-图像采集装置；16-图像显示装置；17-废水收集瓶；18-样品自动采集仪；A-溶质入注单元；B-溶质运移单元；C-溶质采集单元。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明涉及一种用于岩体裂隙溶质运移试验的试验装置，包括溶质入注单元A、溶质运移单元B以及溶质采集单元C。
其中，溶质入注单元A包括与入注腔12相连的蠕动泵1和注射泵3，蠕动泵1与去离子水瓶2相连；溶质入注单元A还包括与入注腔12相连的入注腔12废水回收瓶4。
溶质运移单元B包括用于放置灯光箱11的底座，底座与支架7相连，支架7设有用于固定仿真岩石10的固定装置9，仿真岩石10的一端与入注腔12相连，入注腔12与入注腔测压管6相连；仿真岩石10的另一端与排水腔13相连，排水腔13与排水腔测压管14相连；仿真岩石10的上方设有图像采集装置15，图像采集装置15与图像显示装置16相连。
溶质采集单元C包括与排水腔13相连的样品自动采集仪18和废水收集瓶17。
其中，入注腔12通过一个带阀门的三通与蠕动泵1和注射泵3相连；排水腔13通过一个带阀门的三通与样品自动采集仪18和废水收集瓶17相连。通过阀门，可以控制注入入注腔12内的溶液，可以确保人工岩石达到试验条件等， 便于操作。
蠕动泵1以及与之相连的去离子水瓶2用于清洗人工岩石的裂隙面内没有杂质，确保试验不受其他杂质的影响。
注射泵3用于向仿真岩石10的裂隙面准确、少量且匀速的注入染料或其他修复型溶质。
灯光箱11可以将人工岩石从底部照亮，能更加清晰的呈现溶质运移试验过程，便于图像采集装置15进行图像采集。
图像采集装置15可以是照相机或者摄像机，如果是照相机可以设定时间间隔进行抓拍溶质运移的过程，如果是摄像机可以将整个溶质运移过程进行完整记录，便于后期的试验分析。
一种优选的实施例是，溶质运移单元B设置在密封暗箱5内。由于整个溶质运移试验较长，大概需要8-9个小时。在实验室中，由于时间的推移，太阳光的照射会不太一样，另外由于天气原因，或者由于人员走动等因素，对于背景光线的影响很大，而背景光线的不同会直接影响图像采集装置15所采集的图像画面。加上注入人工岩石裂隙面的溶质的溶度或者是染料的溶度并不大，基础颜色本身较浅，这样，外界光线的影响会极大的影响图像的画面效果。而将整个溶质运移单元B设置在密封暗箱5内，可以确保内部图像的采集不受外界光线的影响，确保试验条件的统一性，排除偶尔误差。
一种优选的实施例是，固定装置9设有用于调整仿真岩石10角度的倾斜机构8。由于仿真岩石10的裂隙面内部本身存在空气，当向仿真岩石10的裂隙面内注入液体时，容易存在气泡，气泡的存在会影响试验的效果。另一方面，空气中存在一定的氧气，氧气会与某些还原性试剂发生反应，从而影响试验结果，因此，在试验开始前，需要将仿真岩石10的裂隙面内部的气泡赶走。通过倾斜 机构8，可以将仿真岩石10进行倾斜，将气泡从一端的通孔中跑出，气泡排除后，通过密封塞将通孔密封，防止后期试验用溶质留出而影响试验结果。由于仿真岩石10的纵向的两端分别与入注腔12和排水腔13相连，通孔一般设置在入注腔12和/或排水腔13的上表面上。通过倾斜机构8，可以使得仿真岩石10实现将入注腔12或排水腔13上升或下降的形式。
一种优选的实施例是，固定装置9设有水平仪。为了确保仿真岩石10水平设置，可以在固定装置9设有水平仪进行调整。当然，还可以通过测量仿真岩石10下表面的多个位置与桌面间的垂直距离相同的方式来确保仿真岩石10水平。
一种优选的实施例是，图像采集装置15与支架7相连，支架7设有高度调节机构。图像采集装置15可以直接与支架7相连，并且直支架7上设有高度调节机构，用于图像采集装置15的对角以及适宜位置的调整。当然，也可以将图像采集装置15通过其他固定装置9设置在仿真岩石10的上方。而，将图像采集装置15设置在支架7上，可以使得整个装置结构紧凑。
一种优选的实施例是，仿真岩石10的横向外侧面的裂隙处设有密封垫。由于仿真岩石10是两块相互分裂的岩石裂面制作而成，将仿真岩石10沿断裂面合并时存在一定的裂隙，为了防止溶质的流出以及防止空气进入仿真岩石10的裂隙面，在仿真岩石10的外侧面的裂隙处通过密封垫进行密封。
一种优选的实施例是，仿真岩石10的制作方法包括如下步骤：
(1)天然岩石的压裂处理
1.1、取天然岩体，切割成为标准岩块；
1.2、在标准岩块的窄侧面的四周打磨出相连通的凹槽；
1.3、将打磨出凹槽的标准岩块放置在压力机下，用固定装置9将标准岩块 进行固定，在标准岩块顶部的凹槽内放置一根金属棒，将压力机与金属棒接触，并向金属棒施加压力，标准岩块在压力机的施压过程中形成一条断裂面；
1.4、将标准岩块沿着断裂面分开，清洗压裂后的标准岩块的表面；
(2)仿真岩石10的制作
2.1、选取耐高温的液体石膏材料，对压裂后的标准岩块的裂隙面进行浇筑，制作石膏模具；
2.2、待石膏液体风干后，将石膏与压裂后的标准岩块进行剥离，得仿真岩石10模具；
2.3、将高温融化后的液态玻璃缓缓注入仿真岩体模具中；
2.4、待液态玻璃风干后，将石膏剥离，得与原岩体裂隙面一样的仿真岩石10。
一种优选的实施例是，仿真裂隙制作的第一步中将石膏液体倒进一个大于标准岩块的容器内，将标准岩块的裂隙面面向盛有石膏液体的容器，并将标准岩块慢慢压进石膏液体内。这样可以制得一个用于制备仿真岩石10的模具，此模具可以视为仿真岩石10的外壳，由于模具采用石膏制成，石膏有一定的脆性(这也是后期将模具与人工岩石剥离时可以将石膏敲碎，便于将石膏剥离，获得一个干净的仿真岩石10考虑的一个重要特性)。正是因为石膏的脆性，很容易缺少或破粹，将石膏模型制成一个容器，与岩石裂隙面接触的石膏面外周设有厚厚的外壁，可以提高模具的完整性和避免后期模具的破损，确保人工岩石的裂隙面与真正的岩石的裂隙面保持一致。
一种优选的实施例是，仿真裂隙制作的第三步中，将仿真岩体模具置于超声波仪器内，边注入液态玻璃边进行超声。由于将液态玻璃缓缓注入仿真岩体模具中时很容易存在一定的气泡，其气泡的存在会干扰后期试验过程中采集的 图像信息。将仿真岩体模具置于超声波仪器内，边注入液态玻璃边进行超声，通过超声，将气泡震裂，避免气泡的产生，可以提高试验的效果。
试验
试验过程中，取天然岩体，切割成为长0.28米，宽0.21米，高0.08米的长方体标准岩块。在标准岩块四周打磨出宽0.01米，深0.01米凹槽。将岩块放置在压力机中，用钢板和硬泡沫将其固定，在顶部使用菱形金属棒与压力机接触。标准岩块在压力机施压过程中形成一条近乎直线的断裂面。将标准岩块沿着断裂面分开，清洗表面。进而制作仿真岩石10。
将仿真岩石10制作好后，通过固定装置9固定在支架7上，并通过检验和排气后进行水头实验。详细论述如下。
一、检验(设备安装完成后)
A、将平台按图1所示安装完毕，依次打开与入注腔12相连的入注阀门、入注腔12测压管6开关、排水腔13测压管开关、与排水强相连的排水口阀门，将平台放置水平。
B、打开蠕动泵1，将转速调至最大，系统内充水(去离子水)后检查是否有水渗漏。如有渗漏，需停止入注，通过调整漏水部位螺栓松紧进行止水。直到系统无渗漏后方可进行试验。
二、排气(设备无漏水现象后)
A、将排水腔13阀门关闭、排水腔13测压管关闭，调节入注腔12与裂隙控制阀门关闭裂隙入口。打开入注腔12进水阀和入注腔测压管6，打开蠕动泵1缓缓注水，将入注腔12内空气由入注腔测压管6排出，直至水由入注腔12进入入注腔测压管6。
B、适当加大蠕动泵1转速，打开裂隙控制阀门使裂隙面入口开放，同时打 开排水腔13阀门，将水注入裂隙面缓缓排出裂隙面内的空气。在裂隙面排气过程中，可调节固定装置9的旋转机构使平台倾斜以便于从下往上排出空气。
C、待裂隙面内充满水后，依次打开每个测压管，调节旋转机构将仿真岩石10调整水平，保持蠕动泵1开启，冲洗10分钟后可以开始水头试验。
三、水头试验(平台检验排气完成后)
A、将蠕动泵1转速调至2转/分钟，稳定注水10分钟后，准确测量入注腔12和排水腔13测压管内水位高度，同时在取样口取样1分钟、2分钟、5分钟测排出水量。
B、调节蠕动泵1转速为4转/分钟、6转/分钟、8转/分钟。重复上述A步骤，后将四组数据进行计算分析。
试验结果参见表1。
表1水头实验结果
由上表水头试验数据，Tsang(1992)根据立方定理反推的水力等效隙宽表达式为：
其中，bh为等效隙宽；η为水的动力学粘滞系数；Q为水的流速；L为水流方向上的裂隙长度；γ为水的密度；g为当地重力加速度；W为垂直水流方向上的裂隙宽度；|Δh|为水位差的绝对值。
根据水头试验数据和等效隙宽计算公式得出等效隙宽为238微米。
通过试验可知，通过本装置进行试验，一方面可以排除环境条件变化所导致的误差，提高试验的准确性；另一方面，通过透明的仿真岩石，可以非常直观的观察溶质的运移过程，并可以记录下来；再者，溶质不会与仿真岩石发生化学反应，从而堵塞缝隙通道或者影响试验的进行。本装置结构简单，实用性强。
Claims (9)
1.用于岩体裂隙溶质运移试验的试验装置，包括溶质入注单元(A)、溶质运移单元(B)以及溶质采集单元(C)，其特征在于：
所述的溶质入注单元(A)包括与入注腔(12)相连的蠕动泵(1)和注射泵(3)，所述的蠕动泵(1)与去离子水瓶(2)相连；所述的溶质入注单元(A)还包括与入注腔(12)相连的入注腔(12)废水回收瓶(4)；
所述的溶质运移单元(B)包括用于放置灯光箱(11)的底座，所述的底座与支架(7)相连，所述的支架(7)设有用于固定仿真岩石(10)的固定装置(9)，所述仿真岩石(10)的一端与入注腔(12)相连，所述的入注腔(12)与入注腔测压管(6)相连；所述仿真岩石(10)的另一端与排水腔(13)相连，所述的排水腔(13)与排水腔测压管(14)相连；所述仿真岩石(10)的上方设有图像显示装置(15)，所述的图像显示装置(15)与图像显示装置相连；
所述的溶质采集单元(C)包括与排水腔(13)相连的样品自动采集仪(18)和废水收集瓶(17)。
2.根据权利要求1所述的用于岩体裂隙溶质运移试验的试验装置，其特征在于：所述的溶质运移单元(B)设置在密封暗箱(5)内。
3.根据权利要求1所述的用于岩体裂隙溶质运移试验的试验装置，其特征在于：所述的固定装置(9)设有用于调整仿真岩石(10)角度的倾斜机构(8)。
4.根据权利要求1或3所述的用于岩体裂隙溶质运移试验的试验装置，其特征在于：所述的固定装置(9)设有水平仪。
5.根据权利要求1所述的用于岩体裂隙溶质运移试验的试验装置，其特征在于：所述的图像显示装置(15)与支架(7)相连，所述的支架(7)设有高度调节机构。
6.根据权利要求1所述的用于岩体裂隙溶质运移试验的试验装置，其特征在于：所述仿真岩石(10)的横向外侧面的裂隙处设有密封垫。
7.根据权利要求1或6所述的用于岩体裂隙溶质运移试验的试验装置，其特征在于：所述仿真岩石(10)的制作方法包括如下步骤：
(1)天然岩石的压裂处理
1.1、取天然岩体，切割成为标准岩块；
1.2、在所述标准岩块的窄侧面的四周打磨出相连通的凹槽；
1.3、将打磨出凹槽的标准岩块放置在压力机下，用固定装置(9)将所述的标准岩块进行固定，在所述标准岩块顶部的凹槽内放置一根金属棒，将压力机与金属棒接触，并向金属棒施加压力，所述的标准岩块在压力机的施压过程中形成一条断裂面；
1.4、将所述的标准岩块沿着断裂面分开，清洗压裂后的标准岩块的表面；
(2)仿真岩石(10)的制作
2.1、选取耐高温的液体石膏材料，对压裂后的标准岩块的裂隙面进行浇筑，制作石膏模具；
2.2、待石膏液体风干后，将石膏与压裂后的标准岩块进行剥离，得仿真岩石(10)模具；
2.3、将高温融化后的液态玻璃缓缓注入仿真岩体模具中；
2.4、待液态玻璃风干后，将石膏剥离，得与原岩体裂隙面一样的仿真岩石(10)。
8.根据权利要求7所述的用于岩体裂隙溶质运移试验的试验装置，其特征在于：所述仿真裂隙制作的第一步中将石膏液体倒进一个大于标准岩块的容器内，将标准岩块的裂隙面面向盛有石膏液体的容器，并将标准岩块慢慢压进石膏液体内。
9.根据权利要求7所述的用于岩体裂隙溶质运移试验的试验装置，其特征在于：所述仿真裂隙制作的第三步中，将仿真岩石模具置于超声波仪器内，边注入液态玻璃边进行超声。
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