CN109946212B - 一种用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验装置及方法，装置包括夹持机构、法向加载机构及水力加载系统；夹持机构用于密封试样；法向加载机构用于向试样施加法向压力；水力加载系统用于向试样施加水力压力。方法为：拼合试样并密封粗糙裂隙；试样放入密封胶囊中并使裂隙与胶囊进出水口直线对齐；垫块放入胶囊与试样贴合，胶封垫块与胶囊间缝隙，围压密封腔加压，试样实现多重密封；将密封有试样的夹持机构送入法向加载机构内；将水力加载系统接入胶囊进出水口；气缸施加法向压力，水泵施加水力压力，使试样上半部上下浮动，测量浮动量和裂隙张开度；记录和存储实验数据，用于研究不同粗糙度和张开度的裂隙试样在法向压力和水力压力作用下的渗流特性。

Description

一种用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验装置及方法

技术领域

本发明属于裂隙岩体渗流和矿山岩体水力学技术领域，特别是涉及一种用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验装置及方法。

背景技术

在地质环境中，岩体的粗糙裂隙与地下水的相互作用和相互影响，改变和影响着地质环境的状态，地下水与岩体粗糙裂隙之间发生力学方面的相互作用，也不断地改善着作用在双方的力学状态和力学特征。岩体内部裂隙纵横交错且相互联接，形成了一个广泛而复杂的裂隙网络系统。裂隙的研究对地下水流运动、石油开采、煤层气开采、水利工程以及地下空间工程都具有重要的意义。单一裂隙是构成裂隙的基本单元，裂隙的张开度、粗糙起伏程度等几何参数是影响裂隙内流体流动的主要因素。

目前，基于光滑平行理论的单一裂隙渗流立方定律已广泛应用于岩体裂隙的渗流分析。由于天然岩体裂隙面的粗糙性及不规则性，很难满足岩体平行板模型光滑裂隙的假定，导致计算结果存在较大的误差。在目前的相关研究中，有关仿真模拟计算真实裂隙粗糙度对渗流的影响试验均存在一定的局限性，仅能反映某种特定粗糙度的裂隙，或者是随机生成的裂隙模型，这些计算结果难以完全反映裂隙的水力特性。因此，研制一套能真实反映实际情况的试验系统，使得试验结果更接近工程实际，同时使得计算结果的精确度和准确性更符合实际情况。

现阶段，很少有人在试验中通过直接测量粗糙裂隙的张开度的大小来分析不同粗糙度裂隙对渗流的影响。以往的研究主要侧重于将裂隙的张开度认为等效水力隙宽，或者根据经验公式推算得到裂隙张开度的大小。国外学者Barton等许多学者基于大量的试验成果得出了等效水力隙宽和机械隙宽的关系，通过这个关系确定裂隙的张开度，然后在研究不同粗糙度裂隙对渗流的影响。国外学者Lomize、Louis、Barton、速宝玉等基于大量试验研究及统计分析，得出了修正的立方定律经验公式，并用于计算粗糙裂隙渗流规律。国内学者贺玉龙等人的不同节理粗糙度系数单裂隙渗流试验，得出了不同JRC裂隙渗透率与有效应力之间的关系。国内学者许光祥等利用加工的钢板来模拟单裂隙，模拟了几种粗糙面呈规则形状或非规则形状、以及上下两个粗糙面是否吻合的情况的粗糙面，采用平均隙宽代替水力隙宽，提出可以采用超立方和次立方定律总结以往的粗糙裂隙试验成果，并初步提出了临界判别的定性标准。国内学者张柬等选用含天然裂隙的岩体，将不同隙宽、不同粗糙度的裂隙岩块加工成规则的尺寸，利用激光扫描仪对裂隙面进行扫描，根据扫描数据计算隙宽，然后利用特定的装置对所选岩体进行试验，发现粗糙裂隙的渗流试验很难得出单宽渗流流量与平均隙宽的线性关系，试验结果表明单宽流量与平均隙宽存在着次立方和超立方两种情况，平均隙宽的幂指数随裂隙面粗糙程度的增大而增大。国内学者刘日成等利用普通的透明玻璃代替完整岩体，玻璃之间的间距代表裂隙张开度，组成三维平板模型，通过试验模型装置研究了三维交叉裂隙的非线性渗流特性，计算了三维模型宽度对计算结果的影响，随着模型宽度的增大，在相同水压力下裂隙内流体的雷诺数也随着增大，但增大的趋势逐渐变缓，并趋于稳定。

尽管人们已经认识到不同粗糙度的裂隙岩体对岩体渗流特性影响的重要性，但是相关的研究较少，主要是实验过程中粗糙裂隙的粗糙度和张开度等几何参数测定困难，具有局部性，难以全面测量评价对岩体渗流的影响。

目前，粗糙裂隙岩体在法向压力和水力压力的作用下，能够准确的测量到裂隙的张开度大小和数值化裂隙的粗糙度系数还鲜有文献报道，更没有相关的试验装置和试验方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验装置及方法，可以系统研究不同粗糙度和不同张开度的裂隙试样在法向压力和水力压力作用下渗流特性的机理，对于评价岩体稳定性、渗流特性，指导矿山岩体水力学设计方案布置、精细控制矿山的突水事故有着重要的理论意义。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验装置，包括夹持机构、法向加载机构及水力加载系统；所述夹持机构内用于放置试验用的裂隙试样，夹持机构位于法向加载机构内，法向加载机构用于向夹持机构中的裂隙试样施加法向压力；所述水力加载系统用于向夹持机构中的裂隙试样施加水力压力。

所述夹持机构包括试样密封胶囊、刚性支撑筒、支撑筒下封盖、支撑筒上封盖及法向传力垫块；所述试样密封胶囊内用于放置裂隙试样，试样密封胶囊顶部为开口结构，所述法向传力垫块竖直密封插装在试样密封胶囊的顶部开口，述法向传力垫块下表面与裂隙试样上表面紧密贴合；所述刚性支撑筒套装在试样密封胶囊外侧，刚性支撑筒底部由支撑筒下封盖进行封堵，刚性支撑筒顶部由支撑筒上封盖进行封堵，且试样密封胶囊的上下两端分别由于支撑筒下封盖和支撑筒上封盖进行固定，在试样密封胶囊与刚性支撑筒之间的环形间隙构成围压密封腔；在所述试样密封胶囊的侧壁上开设有胶囊进水口和胶囊出水口，胶囊进水口与胶囊出水口位于同一高度且正对设置。

所述法向加载机构包括法向加载气缸、加载框架、高压气瓶、法向加载调节阀及法向加载放空阀；所述加载框架包括下承重底座、上承载板、螺柱及压紧螺母；在所述下承重底座上竖直均布有四根螺柱，所述上承载板安装在四根螺柱上部，在上承载板上方的四根螺柱上均安装有一个压紧螺母；所述法向加载气缸竖直固装在上承载板上表面，法向加载气缸的活塞杆朝下设置，法向加载气缸的活塞杆端部与夹持机构的法向传力垫块上表面顶靠接触配合；所述高压气瓶的出气口与法向加载调节阀进气端相连，法向加载调节阀出气端一路与法向加载气缸的进气口相连，法向加载调节阀出气端另一路与法向加载放空阀进气端相连，法向加载放空阀出气端与大气连通；在所述上承载板下表面与法向传力垫块上表面之间安装有法向位移传感器，法向位移传感器的数据输出端通过A/D转换器与计算机相连，通过计算机实时采集法向位移数据。

所述水力加载系统包括水泵、水箱、溢流阀、过滤器、入口流量计、入口截止阀、入口放空阀、差压传感器、出口截止阀、计量天平、手动节流阀及入口压力传感器；所述水泵的抽水口通过过滤器与水箱相连，水泵的排水口与手动节流阀进水端相连，手动节流阀出水端一路通过溢流阀与水箱相连，手动节流阀出水端另一路通过入口流量计与入口截止阀进水端相连，入口截止阀出水端与试样密封胶囊的胶囊进水口相连；所述出口截止阀进水端与试样密封胶囊的胶囊出水口相连，出口截止阀出水端与计量天平相连；所述差压传感器连接在试样密封胶囊的胶囊进水口与胶囊出水口之间；所述入口放空阀设置在差压传感器与试样密封胶囊的胶囊进水口之间的管路上；所述入口压力传感器设置在溢流阀与手动节流阀之间的管路上；所述入口流量计、差压传感器、计量天平及入口压力传感器的数据输出端通过A/D转换器与计算机相连，通过计算机实时采集数据。

所述裂隙试样的形状采用长方体或圆柱形，所述试样密封胶囊及法向传力垫块按照裂隙试样的实际形状进行匹配选取。

所述裂隙试样采用3D打印方式制作、采用天然岩体进行制作或采用人造岩石进行制作。

一种用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验方法，采用了所述的用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验装置，包括如下步骤：

步骤一：先将制作好的裂隙试样的上半部分和下半部分拼合到一起，使上下两部分之间接缝形成粗糙裂隙通道，再利用密封胶或密封膜对粗糙裂隙通道的侧向进行密封；

步骤二：将拼合好的裂隙试样放入试样密封胶囊中，通过试样密封胶囊对裂隙试样的侧面和底面进行夹紧密封，同时保证裂隙试样的粗糙裂隙通道与胶囊进水口和胶囊出水口处于同一条直线上；

步骤三：将法向传力垫块竖直插入试样密封胶囊的顶部开口，直至法向传力垫块下表面与裂隙试样上表面紧密贴合，再利用密封胶或密封膜对法向传力垫块与试样密封胶囊顶部开口之间的缝隙进行密封；同时向围压密封腔中注入水压或气压，保证胶囊进水口和胶囊出水口的两侧部位以及裂隙试样粗糙裂隙通道的侧向部位产生正压力，进而使裂隙试样实现多重密封；

步骤四：将密封有裂隙试样的夹持机构送入法向加载机构的加载框架内，使法向传力垫块位于法向加载气缸正下方；

步骤五：将胶囊进水口与水力加载系统的入口截止阀连接到一起，将胶囊出水口与水力加载系统的出口截止阀连接到一起；同时将入口流量计、差压传感器、计量天平及入口压力传感器进行调零，使其处于初始量状态；

步骤六：启动法向加载气缸，使法向加载气缸的活塞杆向下伸出，直到活塞杆端部顶靠接触在法向传力垫块上表面，再将法向位移传感器进行调零，使其处于初始量状态；

步骤七：重新启动法向加载气缸，通过法向加载气缸的活塞杆对法向传力垫块及裂隙试样施加法向压力；同时启动水力加载系统的水泵，通过水泵向裂隙试样的粗糙裂隙通道施加水力压力，在水力压力作用下会使裂隙试样的上半部分产生上下浮动，而裂隙试样上半部分的浮动量通过法向位移传感器进行测量，进而获得裂隙试样粗糙裂隙通道的张开度大小和张开度的变化情况；

步骤八：将实验数据进行记录和存储，用于研究不同粗糙度和不同张开度的裂隙试样在法向压力和水力压力作用下的渗流特性。

本发明的有益效果：

本发明的用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验装置及方法，可以系统研究不同粗糙度和不同张开度的裂隙试样在法向压力和水力压力作用下渗流特性的机理，对于评价岩体稳定性、渗流特性，指导矿山岩体水力学设计方案布置、精细控制矿山的突水事故有着重要的理论意义。

附图说明

图1为本发明的一种用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验装置的结构原理图；

图2为本发明的夹持机构与法向加载机构(高压气瓶、法向加载调节阀及法向加载放空阀未示出)配装后的正视图；

图3为本发明的夹持机构与法向加载机构(高压气瓶、法向加载调节阀及法向加载放空阀未示出)配装后的侧视图；

图4为本发明的试样密封胶囊的立体图；

图5为裂隙试样在不同水力压力下裂隙张开度与渗流流量的关系曲线图；

图中，1—夹持机构，2—法向加载机构，3—试样密封胶囊，4—刚性支撑筒，5—支撑筒下封盖，6—支撑筒上封盖，7—法向传力垫块，8—裂隙试样，9—围压密封腔，10—胶囊进水口，11—胶囊出水口，12—法向加载气缸，13—高压气瓶，14—法向加载调节阀，15—法向加载放空阀，16—下承重底座，17—上承载板，18—螺柱，19—压紧螺母，20—法向位移传感器，21—水泵，22—水箱，23—溢流阀，24—过滤器，25—入口流量计，26—入口截止阀，27—入口放空阀，28—差压传感器，29—出口截止阀，30—计量天平，31—手动节流阀，32—入口压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～4所示，一种用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验装置，包括夹持机构1、法向加载机构2及水力加载系统；所述夹持机构1内用于放置试验用的裂隙试样8，夹持机构1位于法向加载机构2内，法向加载机构2用于向夹持机构1中的裂隙试样施加法向压力；所述水力加载系统用于向夹持机构1中的裂隙试样8施加水力压力。

所述夹持机构1包括试样密封胶囊3、刚性支撑筒4、支撑筒下封盖5、支撑筒上封盖6及法向传力垫块7；所述试样密封胶囊3内用于放置裂隙试样8，试样密封胶囊3顶部为开口结构，所述法向传力垫块7竖直密封插装在试样密封胶囊3的顶部开口，述法向传力垫块7下表面与裂隙试样8上表面紧密贴合；所述刚性支撑筒4套装在试样密封胶囊3外侧，刚性支撑筒4底部由支撑筒下封盖5进行封堵，刚性支撑筒4顶部由支撑筒上封盖6进行封堵，且试样密封胶囊3的上下两端分别由于支撑筒下封盖5和支撑筒上封盖6进行固定，在试样密封胶囊3与刚性支撑筒4之间的环形间隙构成围压密封腔9；在所述试样密封胶囊3的侧壁上开设有胶囊进水口10和胶囊出水口11，胶囊进水口10与胶囊出水口11位于同一高度且正对设置。

通过试样密封胶囊3和刚性支撑筒4的双重密封，可以保证流体只能从裂隙试样8的粗糙裂隙通道流入和流出，进而保证了裂隙试样8的完全密封性。

所述法向加载机构2包括法向加载气缸12、加载框架、高压气瓶13、法向加载调节阀14及法向加载放空阀15；所述加载框架包括下承重底座16、上承载板17、螺柱18及压紧螺母19；在所述下承重底座16上竖直均布有四根螺柱18，所述上承载板17安装在四根螺柱18上部，在上承载板17上方的四根螺柱18上均安装有一个压紧螺母19；所述法向加载气缸12竖直固装在上承载板17上表面，法向加载气缸12的活塞杆朝下设置，法向加载气缸12的活塞杆端部与夹持机构1的法向传力垫块7上表面顶靠接触配合；所述高压气瓶13的出气口与法向加载调节阀14进气端相连，法向加载调节阀14出气端一路与法向加载气缸12的进气口相连，法向加载调节阀14出气端另一路与法向加载放空阀15进气端相连，法向加载放空阀15出气端与大气连通；在所述上承载板17下表面与法向传力垫块7上表面之间安装有法向位移传感器20，法向位移传感器20的数据输出端通过A/D转换器与计算机相连，通过计算机实时采集法向位移数据。

本实施例中，法向位移传感器20的型号为HG-C1030的激光位移传感器，位移传感器量程为10mm，测量精度为10um，测量范围为25～35mm；法向加载气缸12的量程为0～50mm，最高工作压力为1MPa，法向加载气缸12还可以通过手动方式来调节法向压力的大小，加载速率为0.1kN/s。

所述水力加载系统包括水泵21、水箱22、溢流阀23、过滤器24、入口流量计25、入口截止阀26、入口放空阀27、差压传感器28、出口截止阀29、计量天平30、手动节流阀31及入口压力传感器32；所述水泵21的抽水口通过过滤器24与水箱22相连，水泵21的排水口与手动节流阀31进水端相连，手动节流阀31出水端一路通过溢流阀23与水箱22相连，手动节流阀31出水端另一路通过入口流量计25与入口截止阀26进水端相连，入口截止阀26出水端与试样密封胶囊3的胶囊进水口10相连；所述出口截止阀29进水端与试样密封胶囊3的胶囊出水口11相连，出口截止阀29出水端与计量天平30相连；所述差压传感器28连接在试样密封胶囊3的胶囊进水口10与胶囊出水口11之间；所述入口放空阀27设置在差压传感器28与试样密封胶囊3的胶囊进水口10之间的管路上；所述入口压力传感器32设置在溢流阀23与手动节流阀31之间的管路上；所述入口流量计25、差压传感器28、计量天平30及入口压力传感器32的数据输出端通过A/D转换器与计算机相连，通过计算机实时采集数据。

通过水泵21对裂隙试样8的粗糙裂隙通道施加渗流压力，通过入口流量计25测量流入裂隙试样8粗糙裂隙通道的水流量，通过差压传感器28测定裂隙试样8粗糙裂隙通道两端的压差，通过计量天平30测定从裂隙试样8粗糙裂隙通道流出的水流量。

所述裂隙试样8的形状采用长方体、圆柱形或其他形状，所述试样密封胶囊3及法向传力垫块7按照裂隙试样8的实际形状进行匹配选取。

本实施例中，裂隙试样8的形状采用的是长方体，其尺寸为400mm×200mm×150mm，试样密封胶囊3及法向传力垫块7按照长方体形状的裂隙试样8进行匹配选取，且法向传力垫块7的尺寸为400mm×200mm×100mm。

所述裂隙试样8采用3D打印方式制作、采用天然岩体进行制作或采用人造岩石进行制作。本实施例中，采用3D打印方式进行裂隙试样8的制作。

一种用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验方法，采用了所述的用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验装置，包括如下步骤：

步骤一：先将制作好的裂隙试样8的上半部分和下半部分拼合到一起，使上下两部分之间接缝形成粗糙裂隙通道，再利用密封胶或密封膜对粗糙裂隙通道的侧向进行密封；

步骤二：将拼合好的裂隙试样8放入试样密封胶囊3中，通过试样密封胶囊3对裂隙试样8的侧面和底面进行夹紧密封，同时保证裂隙试样8的粗糙裂隙通道与胶囊进水口10和胶囊出水口11处于同一条直线上；

步骤三：将法向传力垫块7竖直插入试样密封胶囊3的顶部开口，直至法向传力垫块7下表面与裂隙试样8上表面紧密贴合，再利用密封胶或密封膜对法向传力垫块7与试样密封胶囊3顶部开口之间的缝隙进行密封；同时向围压密封腔9中注入水压或气压，保证胶囊进水口10和胶囊出水口11的两侧部位以及裂隙试样8粗糙裂隙通道的侧向部位产生正压力，进而使裂隙试样8实现多重密封；

步骤四：将密封有裂隙试样8的夹持机构1送入法向加载机构2的加载框架内，使法向传力垫块7位于法向加载气缸12正下方；

步骤五：将胶囊进水口10与水力加载系统的入口截止阀26连接到一起，将胶囊出水口11与水力加载系统的出口截止阀29连接到一起；同时将入口流量计25、差压传感器28、计量天平30及入口压力传感器32进行调零，使其处于初始量状态；

步骤六：启动法向加载气缸12，使法向加载气缸12的活塞杆向下伸出，直到活塞杆端部顶靠接触在法向传力垫块7上表面，再将法向位移传感器20进行调零，使其处于初始量状态；

步骤七：重新启动法向加载气缸12，通过法向加载气缸12的活塞杆对法向传力垫块7及裂隙试样8施加法向压力；同时启动水力加载系统的水泵21，通过水泵21向裂隙试样8的粗糙裂隙通道施加水力压力，在水力压力作用下会使裂隙试样8的上半部分产生上下浮动，而裂隙试样8上半部分的浮动量通过法向位移传感器20进行测量，进而获得裂隙试样8粗糙裂隙通道的张开度大小和张开度的变化情况；

步骤八：将实验数据进行记录和存储，用于研究不同粗糙度和不同张开度的裂隙试样8在法向压力和水力压力作用下的渗流特性；如图5所示，为裂隙试样8在不同水力压力下裂隙张开度与渗流流量的关系曲线图。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (4)

1.一种用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验装置，其特征在于：包括夹持机构、法向加载机构及水力加载系统；所述夹持机构内用于放置试验用的裂隙试样，夹持机构位于法向加载机构内，法向加载机构用于向夹持机构中的裂隙试样施加法向压力；所述水力加载系统用于向夹持机构中的裂隙试样施加水力压力；

所述夹持机构包括试样密封胶囊、刚性支撑筒、支撑筒下封盖、支撑筒上封盖及法向传力垫块；所述试样密封胶囊内用于放置裂隙试样，试样密封胶囊顶部为开口结构，所述法向传力垫块竖直密封插装在试样密封胶囊的顶部开口，所 述法向传力垫块下表面与裂隙试样上表面紧密贴合；所述刚性支撑筒套装在试样密封胶囊外侧，刚性支撑筒底部由支撑筒下封盖进行封堵，刚性支撑筒顶部由支撑筒上封盖进行封堵，且试样密封胶囊的上下两端分别由于支撑筒下封盖和支撑筒上封盖进行固定，在试样密封胶囊与刚性支撑筒之间的环形间隙构成围压密封腔；在所述试样密封胶囊的侧壁上开设有胶囊进水口和胶囊出水口，胶囊进水口与胶囊出水口位于同一高度且正对设置；

所述法向加载机构包括法向加载气缸、加载框架、高压气瓶、法向加载调节阀及法向加载放空阀；所述加载框架包括下承重底座、上承载板、螺柱及压紧螺母；在所述下承重底座上竖直均布有四根螺柱，所述上承载板安装在四根螺柱上部，在上承载板上方的四根螺柱上均安装有一个压紧螺母；所述法向加载气缸竖直固装在上承载板上表面，法向加载气缸的活塞杆朝下设置，法向加载气缸的活塞杆端部与夹持机构的法向传力垫块上表面顶靠接触配合；所述高压气瓶的出气口与法向加载调节阀进气端相连，法向加载调节阀出气端一路与法向加载气缸的进气口相连，法向加载调节阀出气端另一路与法向加载放空阀进气端相连，法向加载放空阀出气端与大气连通；在所述上承载板下表面与法向传力垫块上表面之间安装有法向位移传感器，法向位移传感器的数据输出端通过A/D转换器与计算机相连，通过计算机实时采集法向位移数据；

所述水力加载系统包括水泵、水箱、溢流阀、过滤器、入口流量计、入口截止阀、入口放空阀、差压传感器、出口截止阀、计量天平、手动节流阀及入口压力传感器；所述水泵的抽水口通过过滤器与水箱相连，水泵的排水口与手动节流阀进水端相连，手动节流阀出水端一路通过溢流阀与水箱相连，手动节流阀出水端另一路通过入口流量计与入口截止阀进水端相连，入口截止阀出水端与试样密封胶囊的胶囊进水口相连；所述出口截止阀进水端与试样密封胶囊的胶囊出水口相连，出口截止阀出水端与计量天平相连；所述差压传感器连接在试样密封胶囊的胶囊进水口与胶囊出水口之间；所述入口放空阀设置在差压传感器与试样密封胶囊的胶囊进水口之间的管路上；所述入口压力传感器设置在溢流阀与手动节流阀之间的管路上；所述入口流量计、差压传感器、计量天平及入口压力传感器的数据输出端通过A/D转换器与计算机相连，通过计算机实时采集数据。

2.根据权利要求1所述的一种用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验装置，其特征在于：所述裂隙试样的形状采用长方体或圆柱形，所述试样密封胶囊及法向传力垫块按照裂隙试样的实际形状进行匹配选取。

3.根据权利要求1所述的一种用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验装置，其特征在于：所述裂隙试样采用3D打印方式制作、采用天然岩体进行制作或采用人造岩石进行制作。

4.一种用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验方法，采用了权利要求1所述的用于测试粗糙裂隙渗流特性的试验装置，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：先将制作好的裂隙试样的上半部分和下半部分拼合到一起，使上下两部分之间接缝形成粗糙裂隙通道，再利用密封胶或密封膜对粗糙裂隙通道的侧向进行密封；

步骤二：将拼合好的裂隙试样放入试样密封胶囊中，通过试样密封胶囊对裂隙试样的侧面和底面进行夹紧密封，同时保证裂隙试样的粗糙裂隙通道与胶囊进水口和胶囊出水口处于同一条直线上；

步骤三：将法向传力垫块竖直插入试样密封胶囊的顶部开口，直至法向传力垫块下表面与裂隙试样上表面紧密贴合，再利用密封胶或密封膜对法向传力垫块与试样密封胶囊顶部开口之间的缝隙进行密封；同时向围压密封腔中注入水压或气压，保证胶囊进水口和胶囊出水口的两侧部位以及裂隙试样粗糙裂隙通道的侧向部位产生正压力，进而使裂隙试样实现多重密封；

步骤四：将密封有裂隙试样的夹持机构送入法向加载机构的加载框架内，使法向传力垫块位于法向加载气缸正下方；

步骤五：将胶囊进水口与水力加载系统的入口截止阀连接到一起，将胶囊出水口与水力加载系统的出口截止阀连接到一起；同时将入口流量计、差压传感器、计量天平及入口压力传感器进行调零，使其处于初始量状态；

步骤六：启动法向加载气缸，使法向加载气缸的活塞杆向下伸出，直到活塞杆端部顶靠接触在法向传力垫块上表面，再将法向位移传感器进行调零，使其处于初始量状态；

步骤七：重新启动法向加载气缸，通过法向加载气缸的活塞杆对法向传力垫块及裂隙试样施加法向压力；同时启动水力加载系统的水泵，通过水泵向裂隙试样的粗糙裂隙通道施加水力压力，在水力压力作用下会使裂隙试样的上半部分产生上下浮动，而裂隙试样上半部分的浮动量通过法向位移传感器进行测量，进而获得裂隙试样粗糙裂隙通道的张开度大小和张开度的变化情况；

步骤八：将实验数据进行记录和存储，用于研究不同粗糙度和不同张开度的裂隙试样在法向压力和水力压力作用下的渗流特性。

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