CN108051349A - 一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩体水力学试验技术领域，具体涉及一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验设备及方法，包括供水装置，加载装置，集水装置和测量装置；所述加载装置包括四立柱，立柱上设置有上、下底座，其中上底座活动设置于立柱上；上、下底座上分别设置有上、下加载板，上底座顶部设置有摄像机，下底座下方设置有面光源；所述集水装置包括设置于下盘上的集水槽，与集水槽连通的集水导管，及位于集水导管一端的量杯；所述供水装置与所述下盘通孔连通，所述测量装置用于测量量杯内水的质量。本发明带来了极大的便利性与准确性，且操作简单；具有很好的实用价值。

Description

一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验设备及方法

技术领域

本发明属于岩体水力学试验技术领域，具体涉及一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验设备及方法。

背景技术

岩体的渗透性是研究岩体水力学的重要内容，对水利工程及地下工程等具有非常大的影响。岩体是由岩块与交错的裂隙所组成，其中致密岩块的渗透性很小，岩体的渗透性主要由裂隙面的渗透性所决定。

单裂隙是组成裂隙面网格的基本单元，研究单裂隙的渗透性是研究岩体渗透性的基础。研究表明，单裂隙的渗透性会随其尺寸的变化而变化，即具有尺寸效应。但现阶段对与单裂隙渗透性的研究主要集中在应力、裂隙开度、粗糙度、温度以及充填物等因素的影响，对尺寸效应的研究较少，岩石裂隙的尺寸较小。目前尚缺大尺寸单裂隙渗透性尺寸效应的可视化试验装置及其相应的试验方法。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验设备及方法。

为解决上述技术问题，本发明具体提供的技术方案为：一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验设备，包括供水装置，加载装置，集水装置和测量装置；

所述加载装置包括四立柱，立柱上设置有上、下底座，其中上底座活动设置于立柱上；上、下底座上分别设置有上、下加载板，上底座顶部设置有摄像机，下底座下方设置有面光源；

所述集水装置包括设置于下盘上的集水槽，与集水槽连通的集水导管，及位于集水导管一端的量杯；

所述供水装置与所述下盘通孔连通，所述测量装置用于测量量杯内水的质量。

一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验设备进一步设置，所述摄像机通过活动导轨安装于上底座顶部。

一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验设备进一步设置，所述供水装置包括自循环供水箱和恒压水箱，自循环供水箱和恒压水箱之间连接有回水管和供水管；所述恒压水箱通过入流管与所述下盘通孔连通。

一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验设备进一步设置，所述自循环供水箱设置有流量调节阀。

一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验设备进一步设置，所述集水槽内设置有有机玻璃加工成的直径为1000mm，厚度为20mm的圆盘试样，分别为上、下两盘，

一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验设备进一步设置，所述下盘中心处钻通孔，下盘试样四周有一圈橡胶集水槽，用以收集渗出的水流。

一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验方法，包括如下步骤：步骤一：将透明有机玻璃加工成直径1000mm，厚20mm的圆盘，分别为上、下两盘，其中下盘中心处钻通孔，下盘试样四周有一圈橡胶集水槽，用以收集渗出的水流。

步骤二：上盘试样与下盘试样对齐叠放在一起，通过铲车搬运至加载板中央，使用开关控制加载量。

步骤三：自循环供水箱与恒压水槽之间通过供水管和回水管进行连接；打开自循环供水箱的流量调节阀，水流通过供水管进入恒压水槽箱体，一部分水流通过入流管注入圆盘试样，多余水流通过溢流板及回水管返回自循环供水箱。

步骤四：入流管一端与恒压水槽连通，另一端与下盘的通孔相连；入流管内的水流通过下盘中心处的通孔注入裂隙面中，在裂隙面中通过辐射流的形式向四周流动，最后流出裂隙面。

步骤五：打开面光源与摄像机，摄像机记录下液体在裂隙面渗流的形态。

步骤六：流出裂隙面的水流用集水槽收集并通过集水导管导入量杯中；最后用测量装置测量量杯中的水量。

步骤七：根据单裂隙辐射流公式计算其渗透率，其表达式如下：

式中：K——裂隙面渗透系数；Q——裂隙渗流量；r_i——第i根测压管距圆心的距离；r₀——注水孔的半径；μ——水的动力粘滞系数；h_i——第i个监测点的水头；h₀——注水孔水头；g——重力加速度。

本发明采用的恒压供水箱不仅可以提供恒定水头，而且制作成本低，操作简单；试验系统可对直径达1000mm的大尺寸透明单裂隙进行试验，试样尺寸大，对不同尺寸的试样渗透性变化规律有更准确的掌握；该系统可对不同水头以及不同正应力作用下透明单裂隙的渗透性进行试验；试样制作为有机玻璃圆盘，并通过叠合上、下盘面形成单裂隙，有效解决了大尺寸试样不容易密封的问题；本发明采用的试样为透明度高的有机玻璃，并采用在下盘底部打面光源，上盘顶部用CCD高速摄像机拍摄的方法，实现了单裂隙渗透性尺寸效应的可视化研究。

本发明所涉及的试验系统为研究可视化大尺寸单裂隙渗透性的尺寸效应带来了极大的便利性与准确性，且操作简单，具有很好的实用价值。

接下来结合附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

标号说明：供水装置1；自循环水箱11；恒压水箱12；回水管13；供水管14；入流管15；流量调节阀16；

加载装置2；立柱21；上底座22；下底座23；上加载板24；下加载板25；CCD高速摄像机26；面光源27；导轨28；

集水装置3；集水槽31；集水导管32；量杯33；上盘311；下盘312；通孔313；测量装置4。

具体实施方式

结合附图1所示，一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验设备，包括供水装置1，加载装置2，集水装置3和测量装置4；所述的测量装置优选为电子天平。

所述加载装置2包括四立柱21，立柱21上设置有上、下底座(22，23)，其中上底座22活动设置于立柱21上；上、下底座(22，23)上分别设置有上、下加载板(24，25)，上底座22顶部设置有摄像机26，下底座23下方设置有面光源27；

所述集水装置3包括设置于下盘312上的集水槽31，与集水槽31连通的集水导管32，及位于集水导管32一端的量杯33；

所述供水装置1与所述通孔313连通，所述测量装置4用于测量量杯33内水的质量。

所述摄像机26通过导轨28活动安装于上底座22顶部；所述供水装置1包括自循环供水箱11和恒压水箱12，自循环供水箱11和恒压水箱12之间连接有回水管13和供水管14；所述恒压水箱12通过入流管15与所述下盘312连通；所述自循环供水箱11设置有流量调节阀16。

所述集水槽31内设置有有机玻璃加工成的直径为1000mm，厚度为20mm的圆盘，分别为上、下盘(311，312)；所述下盘312中心处钻通孔313，下盘312试样四周有一圈橡胶集水槽31，用以收集渗出的水流。

供水装置1由自循环水箱11和恒压水槽12这两部分组成，通过导管连接。恒压水箱12中的溢流板可以使多余的水流流出从而起到保持液面高度恒定的作用。

加载装置2的每个立柱上有液压缸，通过立柱21和上、下加载板(24，25)将正应力施加到大尺寸的透明试件上；上、下加载板(24，25)均为外径1000mm，内径800mm的圆环，在保证法向应力可以施加的前提下又可使光源从中空部分照射下盘，并用CCD高速摄像机26在上盘顶部进行拍摄。

立柱21两侧有导轨28，通过机械臂与CCD高速摄像机26相连，控制摄像机26的移动；底部放置面光源27。

试验用试样采用高透光性的有机玻璃板，制作成直径1000mm，厚度20mm的圆盘；上、下盘完全叠合形成单裂隙试样。

试样外围放置集水槽31，用于收集裂隙中渗出的水流；集水槽31某处设开口连接集水导管32，将渗出水流导入量杯33中。

量杯33中收集的水用精度较高的测量装置4进行测量以确定该单裂隙试样的渗透率。

一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验方法，包括如下步骤：步骤一：将透明有机玻璃加工成直径为1000mm，厚度为20mm的圆盘，分别为上、下盘(311，312)，其中下盘312中心处钻通孔313，下盘312试样四周有一圈橡胶集水槽31，用以收集渗出的水流。

步骤二：上盘311试样与下盘312试样对齐叠放在一起，通过铲车搬运至加载板中央，使用压力控制器控制加载量。

步骤三：自循环供水箱11与恒压水槽12之间通过供水管13和回水管14进行连接；打开自循环供水箱11的流量调节阀，水流通过供水管13进入恒压水槽12箱体，一部分水流进入入流管15，多余水流通过溢流板及回水管14返回自循环供水箱11。

步骤四：入流管15一端与恒压水槽12连通，另一端与下盘312的通孔313相连；入流管15内的水流通过下盘312中心处的通孔313注入裂隙面中，在裂隙面中通过辐射流的形式向四周流动，最后流出裂隙面。

步骤五：打开面光源27与CCD高速摄像机26，摄像机26记录下液体在裂隙面渗流的形态。

步骤六：流出裂隙面的水流用集水槽31收集并通过集水导管32导入量杯33中；最后用测量装置4测量量杯中的水量。

式中：K——裂隙面渗透系数；Q——裂隙渗流量；r_i——第i根测压管距圆心的距离；r₀——注水孔的半径；μ——水的动力粘滞系数；h_i——第i个监测点的水头；h₀——注水孔水头；g——重力加速度。

Claims (7)

1.一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验设备，其特征在于：包括供水装置，加载装置，集水装置和测量装置；

所述加载装置包括四立柱，立柱上设置有上、下底座，其中上底座活动设置于立柱上；上、下底座上分别设置有上、下加载板，上底座顶部设置有摄像机，下底座下方设置有面光源；

所述集水装置包括设置于下盘上的集水槽，与集水槽连通的集水导管，及位于集水导管一端的量杯；

所述供水装置与所述下盘通孔连通，所述测量装置用于测量量杯内水的质量。

2.根据权利要求1所述的一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验设备，其特征在于：所述摄像机通过活动导轨安装于上底座顶部。

3.根据权利要求1所述的一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验设备，其特征在于：所述供水装置包括自循环供水箱和恒压水箱，自循环供水箱和恒压水箱之间连接有回水管和供水管；所述恒压水箱通过入流管与所述下盘通孔连通。

4.根据权利要求3所述的一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验设备，其特征在于：所述自循环供水箱设置有流量调节阀。

5.根据权利要求1所述的一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验设备，其特征在于：所述集水槽内设置有有机玻璃加工成直径1000mm，厚20mm的两块圆盘，分别称为上、下两盘。

6.根据权利要求5所述的一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验设备，其特征在于：所述下盘中心处钻通孔，下盘试样四周有一圈橡胶集水槽，用以收集渗出的水流。

7.一种可视化的单裂隙渗透性尺寸效应试验方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：将透明有机玻璃加工成直径为1000mm，厚度为20mm的圆盘试样，分为上、下两盘，其中下盘中心处钻通孔，下盘试样四周有一圈橡胶集水槽，用以收集渗出的水流。

步骤二：上盘试样与下盘试样对齐叠放在一起，通过铲车搬运至加载板中央，使用开关控制加载量。

步骤三：自循环供水箱与恒压水槽之间通过供水管和回水管进行连接；打开自循环供水箱的流量调节阀，水流通过供水管进入恒压水槽箱体，一部分水流通过入流管注入圆盘试样，多余水流通过溢流板及回水管返回自循环供水箱。

步骤四：入流管一端与恒压水槽连通，另一端与下盘的通孔相连；入流管内的水流通过下盘中心处的通孔注入裂隙面中，在裂隙面中通过辐射流的形式向四周流动，最后流出裂隙面。

步骤五：打开面光源与摄像机，摄像机记录下液体在裂隙面渗流的形态。

步骤六：流出裂隙面的水流用集水槽收集并通过集水导管导入量杯中；最后用测量装置测量量杯中的水量。

步骤七：根据单裂隙辐射流公式计算其渗透率，其表达式如下：

<mrow> <mi>K</mi> <mo>=</mo> <mroot> <mrow> <mfrac> <mi>g</mi> <mrow> <mn>48</mn> <msup> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>&amp;mu;</mi> </mrow> </mfrac> <msup> <mi>ln</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>r</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>r</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <msup> <mi>Q</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>h</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>h</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> </mrow> <mn>3</mn> </mroot> </mrow>

式中：K——裂隙面渗透系数；Q——裂隙渗流量；r_i——第i根测压管距圆心的距离；r₀——注水孔的半径；μ——水的动力粘滞系数；h_i——第i个监测点的水头；h₀——注水孔水头；g——重力加速度。