CN109030291A - 岩体结构面三维网络灌浆测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩体结构面三维网络灌浆测试系统，包括岩体结构面模拟模块、环境条件模拟模块、动力供浆及回收模块、信息监测采集模块；所述岩体结构面模拟模块分别与环境条件模拟模块、动力供浆及回收模块、信息监测采集模块相连接；所述环境条件模拟模块和动力供浆及回收模块还分别与信息监测采集模块相连接；通过各模块之间配合连接，实现物理模拟试验针对真实的物理实体进行研究，更真实的反映浆液与被灌介质之间的流固耦合关系，有效的实现了在动水环境下和结构面发育岩体的浆液扩散规律的模拟。

Description

岩体结构面三维网络灌浆测试系统

技术领域

本发明涉及岩体注浆工程技术领域，具体涉及一种岩体结构面三维网络灌浆测试系统。

背景技术

近十年来，在岩体注浆工程中有关裂缝的几何特征及其所产生的力学效应和扩散、渗流效应的研究已成为岩体注浆工程中的重要课题之一。针对这类地层进行的灌浆加固处理，它的扩散过程和注浆效果是受被灌体、浆液和注浆工艺三方面共同作用的结果，浆液的扩散范围受注浆参数如注浆压力、浆液性质以及裂隙赋存特征如张开度、倾角、冲填性等因素的影响。而对于复杂地层岩体的注浆工程，由于岩体中存在着众多的结构面，它们组成了浆液扩散的途径，如孔隙、溶隙、管道、裂隙等,它们控制着岩体的强度和浆液的扩散特征。并且浆液在岩体结构面的网络结构中扩散时，进入不同结构面的渗透特征不同，其进入不同特征结构面的浆液流量及扩散规律也不同。因此对于复杂地层岩体中的注浆工程,岩体内部发育的结构面对于浆液的扩散起到决定性的作用，所以岩体的注浆工程必须结合岩体结构面进行研究。

随着注浆实践发展,目前已发展的注浆理论有渗透注浆、劈裂注浆、压密注浆、电动化学注浆、低渗透介质注浆等注浆理论。但由于注浆属于隐蔽工程,岩体中结构面的发育和岩体结构特征的不同，注浆运动过程中浆液内部也同时发生着复杂的物理化学反应,且对于岩体内部结构面的分布又难于模拟,使得注浆技术人员难以精确的描述浆液运动规律和扩散范围,导致现阶段注浆理论方面的研究相对滞后于实践。并且当前对于裂隙注浆的研究成果往往很少考虑到地下水流动对浆液扩散的影响，在注浆治理过程中，浆液在岩体结构面中的扩散、沉积封堵等力学行为较静水或无水环境下差异明显。目前对于注浆浆液扩散的研究以理论分析和数值模拟居多,研究中不可避免地要对浆液、被灌体以及浆液运动方式等进行一定的假设和简化,不能完全反映浆液和被灌岩体的结构特征,也难以真实地反映浆液在岩体结构面中的扩散运动过程。其难点在于岩体介质长期受到各种应力的作用和影响，形成了极其复杂的结构特征，同时在动水环境下浆液的本构关系也难以用理论进行准确描述。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能准确模拟动水环境下浆液在岩体结构面中的运移与扩散规律的岩体结构面三维网络灌浆测试系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：岩体结构面三维网络灌浆测试系统，包括岩体结构面模拟模块、环境条件模拟模块、动力供浆及回收模块、信息监测采集模块；所述岩体结构面模拟模块分别与环境条件模拟模块、动力供浆及回收模块、信息监测采集模块相连接；所述环境条件模拟模块和动力供浆及回收模块还分别与信息监测采集模块相连接；

所述岩体结构面模拟模块包括支撑框架、设置在支撑框架内且具有进液口与排液口的岩体结构以及分别设置在支撑框架下表面两端的升降机构和调节机构；所述岩体结构包括多组结构面，所述结构面由多个具有相同裂隙的裂隙模板组成，且相邻裂隙模板的裂隙相互连接，所述裂隙模板中的裂隙分别与进液口与排液口相连通；所述裂隙包括上层面、下层面以及位于上层面与下层面之间升降件，且所述上层面与下层面之间具有供浆液流入的空腔。

进一步，所述环境条件模拟模块包括与岩体结构的进液口相连通的供水机构；所述供水机构包括水箱、连接在水箱上且与岩体结构的进液口连通的供水管路以及连接在供水管路上的水泵；且所述水箱上设置有水位刻度计。

进一步，所述动力供浆及回收模块包括与岩体结构的进液口相连通的供浆机构以及与岩体结构的排液口相连通的浆液回收机构。

进一步，所述供浆机构包括搅拌站、通过进浆管与搅拌站连接的储浆罐以及与储浆罐相连接的注浆泵；所述储浆罐通过注浆胶管与岩体结构的进液口相连通；所述注浆胶管上连接有压力表、流量计以及控制阀。

进一步，所述浆液回收机构包括与岩体结构排液口相连通的排液管以及与排液管相连通的废浆回收罐。

进一步，所述信息监测采集模块包括连接在供浆机构与岩体结构之间的灌浆记录仪、设置在岩体结构上的传感器、与岩体结构相对应的图像采集单元以及与传感器和灌浆记录仪均通信连接的数据采集处理单元。

进一步，该测试系统还包括与信息监测采集模块通信连接的远程监测模块。

进一步，所述升降机构采用多级液压缸。

进一步，所述裂隙模板采用有树脂材料制成。

本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种岩体结构面三维网络灌浆测试系统，通过岩体结构面模拟模块、环境条件模拟模块、动力供浆及回收模块、信息监测采集模块之间的配合连接，实现物理模拟试验针对真实的物理实体进行研究，更真实的反映浆液与被灌介质之间的流固耦合关系，有效的实现了在动水环境下和结构面发育岩体的浆液扩散规律，达到仿真物理模拟岩体结构面的注浆效果；建立动水注浆浆液在岩体结构面中的三维扩散理论模型；实现了在不同岩体结构面特征、动水流场参数、注浆参数、浆液材料特征等多因素条件下的定量调节。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为本发明结构示意图；

图3为本发明中裂隙模板示意图；

图4为本发明中裂隙局部示意图；

图1至图4中所示附图标记分别表示为：1-岩体结构面模拟模块，2-环境条件模拟模块，3-动力供浆及回收模块，4-信息监测采集模块，5-支撑框架，501-进液口，502-排液口，6-岩体结构，7-升降机构，8-调节机构，9-裂隙，10-裂隙模板，11-上层面，12-下层面，13-升降件，14-供水机构，141-水箱，142-供水管路，143-水泵，144-水位刻度计，15-供浆机构，151-搅拌站，152-进浆管，153-储浆罐，154-注浆泵，155-注浆胶管，156-压力表，157-流量计，158-控制阀，16-浆液回收机构，17-灌浆记录仪，18-传感器，19-排液管，20-废浆回收罐，30-远程监测模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图4所示，岩体结构面三维网络灌浆测试系统，包括岩体结构面模拟模块1、环境条件模拟模块2、动力供浆及回收模块3、信息监测采集模块4；岩体结构面模拟模块1分别与环境条件模拟模块2、动力供浆及回收模块3、信息监测采集模块4相连接；环境条件模拟模块2和动力供浆及回收模块3还分别与信息监测采集模块4相连接。

岩体结构面模拟模块是岩体结构面三维网络灌浆测试系统中的关键部件，该模块的主要作用是在三维空间模拟真实岩体结构面三维网络，近似模拟实际灌浆工程中遇到的待灌岩体条件，能够实现岩体结构面倾角和裂隙9开度自由调节，还可考虑模拟裂隙9内的充填物性，以期在实验室能够实施可视化的三维空间岩体结构面灌浆实验，从而获得更接近真实灌浆环境的浆液扩散特征参数，更加科学地指导灌浆施工。环境条件模拟模块2主要模拟地质原型中与浆液流动相关的环境条件，以动水环境试验为主。针对地下水条件的灌浆模拟实验，采用伺服供水系统不间断提供稳压的地下水环境。动力供浆及回收模块3主要作用是生成实验所需浆液，并将浆液以一定压力或流量灌入岩体结构面模拟平台的三维岩体结构面裂隙9内，同时还要有效回收实验结束后的废浆，以确保灌浆测试实验的顺利进行。信息监测采集模块4主要作用是实现灌浆测试实验时的浆液扩散过程和包括压力、流量、温度等有关参数的检测、采集和记录。

岩体结构面模拟模块1包括支撑框架5、设置在支撑框架5内且具有进液口501与排液口502的岩体结构6以及分别设置在支撑框架5下表面两端的升降机构7和调节机构8；岩体结构6包括多组结构面，结构面由多个具有相同裂隙9的裂隙模板10组成，且相邻裂隙模板10的裂隙9相互连接，裂隙模板10中的裂隙9分别与进液口501与排液口502相连通；裂隙9包括上层面11、下层面12以及位于上层面11与下层面12之间升降件13，且上层面11与下层面12之间具有供浆液流入的空腔。支撑框架5采用轻质高强度不锈钢制成，为整个测试装置提供稳定的支撑。支撑框架5内的各个部件外围均放置高强度橡胶垫以保证密封性。裂隙模板10为裂隙9开设的载体，其为多个且通过高强度密封型好的树脂材料配置而成，且不仅具有良好的密封性能，也可对裂隙9表面的平整度和光滑度进行调整。裂隙模板10中的裂隙9的上层面11与下层面12均由高强度的有机玻璃制成，便于观察水体或浆液在裂隙9中的流动状态。相邻裂隙模板10的交叉角决定了结构面的相交角度，裂隙模板10上的裂隙9交角通过不同裂隙模板10的先后组装来组成。裂隙9的张开度可通过升降件13进行调节，该升降件13可采用升降螺栓。裂隙9的倾角可通过支撑框架5两端的升降机构和调节机构8进行调节。升降机构采用多级液压缸。在进行模拟实验时，可根据现场结构面的特征，该特征指的是裂隙9的倾角、裂隙9的张开度、裂隙9的填充性以及组合特征，根据不同结构面特征来设计不同的浆液流动通道模拟岩体结构面，将多条结构面以裂隙9对准裂隙9的方式连接，然后在浇筑与岩体相似的材料，待该材料凝结后抽出模板，即可形成所需的被灌岩体结构面模型。

环境条件模拟模块2包括供水机构14，供水机构14与岩体结构6的进液口501相连通。供水系统为伺服供水系统，包括有水箱141、连接在水箱141上且与岩体结构6进液口501连通的供水管路142以及连接在供水管路142上的水泵143。水泵143为供水系统提供压力，动水压力可根据需要进行低压、中压和高压的调节，通过岩体结构6上预留的进液口501，将供水管路142接入到岩体结构面模拟模块1内。同时在水箱141上设置有水位刻度计144。水位刻度计144上水位线的变化可以反映裂隙9中水的流量。

动力供浆及回收模块3包括供浆机构15和浆液回收机构16，供浆机构15与岩体结构6的进液口501相连通；浆液回收机构16与岩体结构6的排液口502相连通。供浆机构15包括搅拌站151、通过进浆管152与搅拌站151连接的储浆罐153以及与储浆罐153相连接的注浆泵154；储浆罐153通过注浆胶管155与岩体结构6的进液口501相连通。注浆泵154可采用变频电机进行无极调速，能够实现灌浆流量的无极调节。搅拌站151用于对浆液的生产，通过搅拌站151中对浆液的搅拌，提高浆液生产的质量，生产后的浆液通过进浆管152进入到储浆罐153中，在注浆泵154的作用下，将储浆罐153中的浆液通过注浆胶管155输送至岩体结构6面内。且注浆胶管155上连接有压力表156、流量计157以及控制阀158。通过压力表156检测压力，流量计157记录灌注浆液的流量以及通过控制阀158控制浆液流通的开闭状态。浆液回收机构16包括与岩体结构6排液口相连通的排液管19以及与排液管19相连通的废浆回收罐20。当灌浆试验结束后，实验中注浆浆液通过岩体结构6预留的排液口排出至废浆回收罐20内，通过在废浆回收罐20中经过沉淀排出。

信息监测采集模块4包括连接在供浆机构15与岩体结构6之间的灌浆记录仪17、设置在岩体结构6上的传感器18以及与传感器18和灌浆记录仪17均通信连接的数据采集处理单元。数据采集处理单元包括数据采集卡和数据处理软件。信息监测采集模块主要由硬件部分和软件部分组成，硬件部分为灌浆记录仪17、传感器18以及数据采集卡组成，其中传感器18包括有设置在岩体结构6的压力变送器、流量传感器18和温度传感器18以及流速传感器18，通过灌浆记录仪17对传感器18所检测到的浆液在渗流系统中的扩散流动状态、空隙压力、流量、速度等数据进行测试采集利用数据采集卡，可以实时将检测到的压力、温度等参数进行有效采集，并汇总到数据处理软件中。数据处理软件利用三维力控组态软件编写生成自动监测程序。其具备下列功能:Ⅰ、压力实时监控模块可以准确采集、显示并记录试验时受灌模型中各测点压力；Ⅱ、压力曲线界面可以自动绘制，也可以绘制某时刻沿程各测点压力随距离的变化曲线；Ⅲ、可以手工输入试验信息:如试验安排、基本参数,包括裂隙9开度、静水压力、受注裂隙长度、浆液类型及配方等。对于软件部分主要分为试验信息、实时监控、特征曲线、历史数据等操作界面，对水压、流量、流速等试验参数进行编辑和数据处理。

为了方便在现场注浆工程中对与注浆参数，如注浆压力、注浆量、流速等参数的实时监控，本发明中，该测试系统还包括与信息监测采集模块4通信连接的远程监测模块30。该远程监测模块30利用最新的物联网概念，远程监测模块30可采用工作站、PC机或移动设备；通过互联网等通信技术，把包括压力变送器、流量传感器18、温度传感器18等在内的多组传感器18和数据采集卡等联系起来，实现远程监控与智能化管理，利用工作站、PC机或移动设备等终端都可以通过互联网方便地查询任意时间的浆液扩散监测数据资料，还能将最新的数据通过智能网络发送至服务器，经数据处理后将数据储存于服务器数据库中；同时能够将监测到的全部数据经过处理后按照设置要求实时在局域网上发布，便于科研和施工技术人员实时掌握灌浆过程中的灌浆压力、流量等的监测数据和曲线，从而更加科学地指导灌浆施工。所有自动化数据可通过网页形式发布，可以查询实时的监测数据和曲线，包括压力、流量等。

以上为本发明的具体实施方式，从实施过程可以看出，本发明所提供的一种岩体结构面三维网络灌浆测试系统，通过岩体结构面模拟模块、环境条件模拟模块、动力供浆及回收模块、信息监测采集模块之间配合连接，实现物理模拟试验针对真实的物理实体进行研究，更真实的反映浆液与被灌介质之间的流固耦合关系，有效的实现了在动水环境下和结构面发育岩体的浆液扩散规律，达到仿真物理模拟岩体结构面的注浆效果；建立动水注浆浆液在岩体结构面中的三维扩散理论模型；实现了在不同岩体结构面特征、动水流场参数、注浆参数、浆液材料特征等多因素条件下的定量调节。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.岩体结构面三维网络灌浆测试系统，其特征在于，包括岩体结构面模拟模块(1)、环境条件模拟模块(2)、动力供浆及回收模块(3)、信息监测采集模块(4)；所述岩体结构面模拟模块(1)分别与环境条件模拟模块(2)、动力供浆及回收模块(3)、信息监测采集模块(4)连接；所述信息监测采集模块(4)还分别与环境条件模拟模块(2)和动力供浆及回收模块(3)连接；

所述岩体结构面模拟模块(1)包括支撑框架(5)、设置在支撑框架(5)内且具有进液口(501)与排液口(502)的岩体结构(6)以及分别设置在支撑框架(5)下表面两端的升降机构(7)和调节机构(8)；所述岩体结构(6)包括多组结构面，所述结构面由多个具有相同特征裂隙(9)的裂隙模板(10)组成，且相邻裂隙模板(10)的裂隙(9)相互连接，所述裂隙模板(10)中的裂隙(9)分别与进液口(501)和排液口(502)相连通；所述裂隙(9)包括上层面(11)、下层面(12)以及位于上层面(11)与下层面(12)之间升降件(13)，且所述上层面(11)与下层面(12)之间具有供浆液流入的空腔。

2.根据权利要求1所述的岩体结构面三维网络灌浆测试系统，其特征在于，所述环境条件模拟模块(2)包括与岩体结构(6)的进液口(501)相连通的供水机构(14)；所述供水机构(14)包括水箱(141)、连接在水箱(141)上且与岩体结构(6)的进液口(501)连通的供水管路(142)以及连接在供水管路(142)上的水泵(143)；且所述水箱(141)上设置有水位刻度计(144)。

3.根据权利要求1所述的岩体结构面三维网络灌浆测试系统，其特征在于，所述动力供浆及回收模块(3)包括与岩体结构(6)的进液口(501)相连通的供浆机构(15)以及与岩体结构(6)的排液口(502)相连通的浆液回收机构(16)。

4.根据权利要求3所述的岩体结构面三维网络灌浆测试系统，其特征在于，所述供浆机构(15)包括搅拌站(151)、通过进浆管(152)与搅拌站(151)连接的储浆罐(153)以及与储浆罐(153)相连接的注浆泵(154)；所述储浆罐(153)通过注浆胶管(155)与岩体结构(6)的进液口(501)相连通；所述注浆胶管(155)上连接有压力表(156)、流量计(157)以及控制阀(158)。

5.根据权利要求3所述的岩体结构面三维网络灌浆测试系统，其特征在于，所述浆液回收机构(16)包括与岩体结构(6)的排液口(502)相连通的排液管(19)以及与排液管(19)相连通的废浆回收罐(20)。

6.根据权利要求5所述的岩体结构面三维网络灌浆测试系统，其特征在于，所述信息监测采集模块(4)包括连接在供浆机构(15)与岩体结构(6)之间的灌浆记录仪(17)、设置在岩体结构(6)上的传感器(18)、与岩体结构(6)相对应的图像采集单元(21)以及与传感器(18)和灌浆记录仪(17)均通信连接的数据采集处理单元。

7.根据权利要求1至6任一项所述的岩体结构面三维网络灌浆测试系统，其特征在于，该测试系统还包括与信息监测采集模块(4)通信连接的远程监测模块(30)。

8.根据权利要求7所述的岩体结构面三维网络灌浆测试系统，其特征在于，所述升降机构(7)采用多级液压缸。

9.根据权利要求8所述的岩体结构面三维网络灌浆测试系统，其特征在于，所述裂隙模板(10)采用树脂材料制成。