CN107941659A - 一种裂隙水冻结过程中的渗流速度测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种裂隙水冻结过程中的渗流速度测量装置，包括隔热仓，隔热仓两端分别设置有第一水仓和第二水仓，隔热仓为长方体隔热仓，隔热仓的六面分别为左端透明硅胶隔热板、右端透明硅胶隔热板、前侧带刻度透明硅胶隔热板、后侧带刻度透明硅胶隔热板、顶侧透明硅胶隔热板和底侧透明硅胶隔热板，隔热仓内水平设置有两块玻璃板，两块玻璃板之间为裂隙，每块玻璃板的四周设置有橡胶磁条，左端透明硅胶隔热板和右端透明硅胶隔热板的外侧均垂直粘贴有带刻度橡胶磁条，隔热仓内位于裂隙的上方和下方均分别设置有冷气管。相比于其他结构，能够连续测量不同冻结温度、不同水压和不同隙宽下裂隙水的渗流速度，具有观测直观、操作方便、造价低廉等优点。

Description

一种裂隙水冻结过程中的渗流速度测量装置
技术领域
本发明涉及低温裂隙岩体渗流试验技术领域，具体涉及一种裂隙水冻结过程中的渗流速度测量装置。应用于测量不同冻结温度下平面裂隙水冻结时的渗流速度。
背景技术
裂隙岩体低温冻结-渗流是低温岩土工程中经常遇到的难题，对低温岩体工程的安全与稳定构成了较大威胁。在冻结法施工中，裂隙水渗流不利于冻结圈的形成，在液化气低温储存过程中，裂隙水渗流不仅不利于冻结环形成而且还可能引发液化气泄漏事故。研究不同冻结温度下的裂隙水渗流速度变化规律是揭示裂隙岩体低温冻结-渗流相互作用机理的关键，可为进行裂隙岩体低温冻结-渗流耦合计算与分析提供参数支撑。
目前，关于裂隙冻结下的渗流过程研究尚停留在理论探究阶段，缺少相应的试验数据支撑。急需研发一种能连续测量不同冻结温度下裂隙水渗流速度的试验装置，为理论分析和数值计算提供试验依据。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种裂隙水冻结过程中的渗流速度测量装置。该装置原理明确、制作简单、操作简便，可准确连续测量在不同冻结温度下裂隙水冻结时的渗流速度，进而为研究不同冻结温度下的裂隙水渗流速度变化规律，揭示裂隙岩体低温冻结-渗流相互作用机理提供试验依据。
本发明通过以下技术方案实现：
一种裂隙水冻结过程中的渗流速度测量装置，包括隔热仓，隔热仓两端分别设置有第一水仓和第二水仓，隔热仓为长方体隔热仓，隔热仓的六面分别为左端透明硅胶隔热板、右端透明硅胶隔热板、前侧带刻度透明硅胶隔热板、后侧带刻度透明硅胶隔热板、顶侧透明硅胶隔热板和底侧透明硅胶隔热板，隔热仓内水平设置有两块玻璃板，两块玻璃板之间为裂隙，每块玻璃板的四周设置有橡胶磁条，左端透明硅胶隔热板和右端透明硅胶隔热板的外侧均垂直粘贴有与橡胶磁条相吸的带刻度橡胶磁条，隔热仓内位于裂隙的上方和下方均分别设置有冷气管，每个玻璃板上设置有用于测量裂隙内温度的针状温度传感器，顶侧透明硅胶隔热板的内侧和底侧透明硅胶隔热板内侧均设置有温度传感器，第一水仓的底部与第一导管一端连通，第一导管另一端穿过左端透明硅胶隔热板与裂隙一端连通；第二水仓的底部与第二导管一端连通，第二导管另一端穿过右端透明硅胶隔热板与裂隙另一端连通；第一导管和第二导管上均设置有流量器、压力计和水阀，第一水仓和第二水仓内均设置有温度传感器。
如上所述的玻璃板上沿裂隙内水流方向设置有刻度。
如上所述的玻璃板上沿裂隙内水流方向依次设置有若干个传感器安装孔，针状温度传感器安装在传感器安装孔内。
如上所述的玻璃板上的传感器安装孔为三个，分别设置在玻璃板的两端和中部。
如上所述的前侧带刻度透明硅胶隔热板的外侧和后侧带刻度透明硅胶隔热板的外侧均设置有菲涅尔薄膜放大镜，前侧带刻度透明硅胶隔热板的外侧上的刻度和后侧带刻度透明硅胶隔热板外侧上的刻度均沿裂隙走向设置在靠近裂隙处。
如上所述的玻璃板的四周设置有细槽，橡胶磁条部分嵌入到细槽中，橡胶磁条剩下部分外露。
如上所述的左端透明硅胶隔热板和右端透明硅胶隔热板外侧均分别通过胶水粘贴有两条带刻度橡胶磁条，带刻度橡胶磁条与橡胶磁条相向的磁极相反设置。
本发明较现有技术相比，具有以下优点：
1、该装置原理清晰，制作简便，观测直观，造价低廉。
2、能连续准确测量不同冻结温度及不同隙宽下裂隙水渗流速度，可为研究低温裂隙岩体渗流-冻结耦合计算与分析提供参数支撑。
附图说明
图1为本发明结构的正视图。
图2为本发明结构的A-A剖面图。
图3为本发明结构的俯视图。
图中：101-第一水仓；102-第二水仓；2-温度传感器；3-流量器；4-压力计；5-隔热仓；501-左端透明硅胶隔热板；502-右端透明硅胶隔热板；503-前侧带刻度透明硅胶隔热板；504-后侧带刻度透明硅胶隔热板；505-顶侧透明硅胶隔热板；506-底侧透明硅胶隔热板；6-玻璃板；7-冷气管；801-第一导管；802-第二导管；9-橡胶磁条；10-带刻度橡胶磁条；11-针状温度传感器；12-菲涅尔薄膜放大镜；13-裂隙；14-水阀；20-摄像机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1～3所示，一种裂隙水冻结过程中的渗流速度测量装置，包括隔热仓5，隔热仓5两端分别设置有第一水仓101和第二水仓102，隔热仓5为长方体隔热仓，隔热仓5的六面分别为左端透明硅胶隔热板501、右端透明硅胶隔热板502、前侧带刻度透明硅胶隔热板503、后侧带刻度透明硅胶隔热板504、顶侧透明硅胶隔热板505和底侧透明硅胶隔热板506，隔热仓5内水平设置有两块玻璃板6，两块玻璃板6之间为裂隙13，每块玻璃板6的四周设置有橡胶磁条9，左端透明硅胶隔热板501和右端透明硅胶隔热板502的外侧均垂直粘贴有与橡胶磁条9相吸的带刻度橡胶磁条10，隔热仓5内位于裂隙13的上方和下方均分别设置有冷气管7，每个玻璃板6上设置有用于测量裂隙13内温度的针状温度传感器11，顶侧透明硅胶隔热板505的内侧和底侧透明硅胶隔热板506内侧均设置有温度传感器2，
第一水仓101的底部与第一导管801一端连通，第一导管801另一端穿过左端透明硅胶隔热板501与裂隙13一端连通；第二水仓102的底部与第二导管802一端连通，第二导管802另一端穿过右端透明硅胶隔热板502与裂隙13另一端连通；第一导管801和第二导管802上均设置有流量器3、压力计4和水阀14，第一水仓101和第二水仓102内均设置有温度传感器2。
玻璃板6上沿裂隙13内水流方向设置有刻度。
玻璃板6上沿裂隙13内水流方向依次设置有若干个传感器安装孔，针状温度传感器11安装在传感器安装孔内。
玻璃板6上的传感器安装孔为三个，分别设置在玻璃板6的两端和中部。
前侧带刻度透明硅胶隔热板503的外侧和后侧带刻度透明硅胶隔热板504的外侧均设置有菲涅尔薄膜放大镜12，前侧带刻度透明硅胶隔热板503的外侧上的刻度和后侧带刻度透明硅胶隔热板504外侧上的刻度均沿裂隙13走向设置在靠近裂隙13处。
玻璃板6的四周设置有细槽，橡胶磁条9部分嵌入到细槽中，橡胶磁条9剩下部分外露。玻璃板6的四周的橡胶磁条9分别与左端透明硅胶隔热板501、右端透明硅胶隔热板502、前侧带刻度透明硅胶隔热板503、后侧带刻度透明硅胶隔热板504相抵，实现裂隙13的密封。
左端透明硅胶隔热板501和右端透明硅胶隔热板502外侧均分别通过胶水粘贴有两条带刻度橡胶磁条10，带刻度橡胶磁条10与橡胶磁条9相向的磁极相反设置。
在每块玻璃板6的四边包裹橡胶磁条9，橡胶磁条9起密封作用，保证水在两玻璃板6之间的裂隙13中，同时与左端透明硅胶隔热板501和右端透明硅胶隔热板502的外侧垂直粘贴的带刻度橡胶磁条10吸附起到固定玻璃板 6的作用。将针状温度传感器11安装在传感器安装孔内，同时用胶水将其密封固定。针状温度传感器11露出部分不宜过长，以免影响水的流速。采用针状温度传感器11在测量裂隙13内不同部位水温的同时不影响水流速度。
在第一水仓101和第二水仓102内均放置有用来测量第一水仓101和第二水仓102内温度的温度传感器2。在顶侧透明硅胶隔热板505内侧和底侧透明硅胶隔热板506内侧均放置有用来测量隔热仓5内温度的温度传感器2。
将外侧垂直设置有带刻度橡胶磁条10的左端透明硅胶隔热板501和右端透明硅胶隔热板502左右放置，再将两块玻璃板6放置其中间，利用橡胶磁条9与带刻度橡胶磁条10相互吸附固定，以带刻度橡胶磁条10上的刻度线为标准可以精确、快速调整两块玻璃板6之间的裂隙13的宽度。然后将前侧带刻度透明硅胶隔热板503和后侧带刻度透明硅胶隔热板504前后放置，再将顶侧透明硅胶隔热板505和底侧透明硅胶隔热板506上下盖住，形成制冷密闭隔热仓5。
第一水仓101的底部与第一导管801一端连通，第一导管801另一端穿过左端透明硅胶隔热板501与裂隙13一端连通；第二水仓102的底部与第二导管802一端连通，第二导管802另一端穿过右端透明硅胶隔热板502与裂隙13另一端连通。
试验时，先打开第一导管801和第二导管802上的水阀14，向第一水仓101和第二水仓102灌水让第一导管801、第二导管802和两块玻璃板6之间的裂隙13内充满水。关闭第二导管802上的水阀14，通过再次向第一水仓101加水产生实验需要的水位差。调整好降温设备后打开第二导管802上的水阀14，在水压力差作用下使裂隙13中的水具有一个初始渗流速度，同时通过冷气管7在玻璃板6表面输送冷气制冷降温使裂隙13中的水逐渐冻结。通过控制冻结温度和裂隙13两端水位差，研究不同冻结温度下和不同水压力下裂隙13中的渗流规律。通过调整两块玻璃板6间的间距，模拟不同隙宽，测量在不同温度和不同隙宽条件下裂隙13中水冻结渗流速度。
将各个温度传感器2、流量器3和压力计4与多功能数据采集仪连接，通过多功能数据采集仪可连续自动监测流量和温度的变化过程。在前侧带刻度透明硅胶隔热板503和后侧带刻度透明硅胶隔热板504一侧各设置一台摄像机20抓拍裂隙13内沿裂隙13内水流方向不同刻度位置处的水冻结状态，观察流量器3和压力计4的变化，通过菲涅尔薄膜放大镜12观测裂隙13中水冻结的状态，从而计算出裂隙13内水沿裂隙13内水流方向不同刻度位置的冻结率，最终可得到裂隙13水渗流速度、冻结率、冻结温度和冻结时间之间的关系。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种裂隙水冻结过程中的渗流速度测量装置，包括隔热仓（5），其特征在于，隔热仓（5）两端分别设置有第一水仓（101）和第二水仓（102），隔热仓（5）为长方体隔热仓，隔热仓（5）的六面分别为左端透明硅胶隔热板（501）、右端透明硅胶隔热板（502）、前侧带刻度透明硅胶隔热板（503）、后侧带刻度透明硅胶隔热板（504）、顶侧透明硅胶隔热板（505）和底侧透明硅胶隔热板（506），隔热仓（5）内水平设置有两块玻璃板（6），两块玻璃板（6）之间为裂隙（13），每块玻璃板（6）的四周设置有橡胶磁条（9），左端透明硅胶隔热板（501）和右端透明硅胶隔热板（502）的外侧均垂直粘贴有与橡胶磁条（9）相吸的带刻度橡胶磁条（10），隔热仓（5）内位于裂隙（13）的上方和下方均分别设置有冷气管（7），每个玻璃板（6）上设置有用于测量裂隙（13）内温度的针状温度传感器（11），顶侧透明硅胶隔热板（505）的内侧和底侧透明硅胶隔热板（506）内侧均设置有温度传感器（2），
第一水仓（101）的底部与第一导管（801）一端连通，第一导管（801）另一端穿过左端透明硅胶隔热板（501）与裂隙（13）一端连通；第二水仓（102）的底部与第二导管（802）一端连通，第二导管（802）另一端穿过右端透明硅胶隔热板（502）与裂隙（13）另一端连通；第一导管（801）和第二导管（802）上均设置有流量器（3）、压力计（4）和水阀（14），第一水仓（101）和第二水仓（102）内均设置有温度传感器（2）。
2.根据权利要求1所述一种裂隙水冻结过程中的渗流速度测量装置，其特征在于，所述的玻璃板（6）上沿裂隙（13）内水流方向设置有刻度。
3.根据权利要求1所述一种裂隙水冻结过程中的渗流速度测量装置，其特征在于，所述的玻璃板（6）上沿裂隙（13）内水流方向依次设置有若干个传感器安装孔，针状温度传感器（11）安装在传感器安装孔内。
4.根据权利要求1所述一种裂隙水冻结过程中的渗流速度测量装置，其特征在于，所述的玻璃板（6）上的传感器安装孔为三个，分别设置在玻璃板（6）的两端和中部。
5.根据权利要求1所述一种裂隙水冻结过程中的渗流速度测量装置，其特征在于，所述的前侧带刻度透明硅胶隔热板（503）的外侧和后侧带刻度透明硅胶隔热板（504）的外侧均设置有菲涅尔薄膜放大镜（12），前侧带刻度透明硅胶隔热板（503）的外侧上的刻度和后侧带刻度透明硅胶隔热板（504）外侧上的刻度均沿裂隙（13）走向设置在靠近裂隙（13）处。
6.根据权利要求1所述一种裂隙水冻结过程中的渗流速度测量装置，其特征在于，所述的玻璃板（6）的四周设置有细槽，橡胶磁条（9）部分嵌入到细槽中，橡胶磁条（9）剩下部分外露。
7.根据权利要求1所述一种裂隙水冻结过程中的渗流速度测量装置，其特征在于，所述的左端透明硅胶隔热板（501）和右端透明硅胶隔热板（502）外侧均分别通过胶水粘贴有两条带刻度橡胶磁条（10），带刻度橡胶磁条（10）与橡胶磁条（9）相向的磁极相反设置。
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