CN110297072A - 法向压力可控的交叉裂隙剪切渗流可视化实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种法向压力可控的交叉裂隙剪切渗流可视化实验系统，包括可视化三维交叉裂隙模型、模型固定架、可视化加压装置、高精度柱塞泵、液压剪切仪和图像采集装置；三维交叉裂隙模型由四块直角裂隙面组成，并用模型固定架固定，可视化加压装置设置在可视化三维交叉裂隙模型上，高精度柱塞泵与可视化三维交叉裂隙模型连接，图像采集装置位于可视化三维交叉裂隙模型一侧，且图像采集装置通过可视化加压装置对可视化三维交叉裂隙模型加压，并通过高精度柱塞泵调节可视化三维交叉裂隙模型内液体的流量和流速，可视化加压装置可按要求调整开度位置和利用横向挡板调节内部加压部分的大小，适应各种开度的裂隙模型，并且可以在交叉裂隙的四个分支上施加不同的可控均布法向压力，并通过剪切仪进行剪切，改变裂隙形态，模拟真实岩石裂隙剪切过程中的受压情况。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学领域，涉及一种岩石交叉裂隙渗流可视化实验中法向压力可控的装置，尤其涉及在不同应力、不同渗透压力下岩石真实渗流特性的密封装置的一种法向压力可控的交叉裂隙剪切渗流可视化实验系统及方法。
背景技术
在各种岩体工程的建设中，经常会遇到大量岩体渗流的问题。岩石裂隙是岩体渗流的首要通道，而其渗流特性直接受到围岩压力的控制，因此研究法向压力和剪切过程对裂隙渗流特性的影响对于岩体工程具有重要的意义。岩体中大量裂隙相互交错形成交叉裂隙，是构成裂隙网络的基本要素。在实验室开展关于不同法向压力和剪切条件下岩石交叉裂隙渗流特性的实验研究对于我们深入理解岩石裂隙在不同应力状态下的渗流特性具有很大的帮助，可以为揭示岩石裂隙水力耦合特性用提供基础数据的支撑。
目前关于交叉裂隙渗流特性所开展的大量实验由于受到技术限制，一般只能观察到不受力或者受轴向集中荷载时的岩块裂隙面的渗流特性，无法观察记录裂隙面在施加法向均布荷载下以及剪切过程中的渗流情况。然而在实际工况中，岩体内部常常存在着不同大小的法向均布荷载并产生不同的剪切变形因此现存的岩石交叉裂隙渗流特性试验仪器无法充分反映现实情况。此外，由于需要模拟裂隙受压情况下的渗流特性，解决测试时的密封问题也十分重要。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种用于模拟岩石交叉裂隙中裂隙面的受压情况，通过一系列图像采集装置，从不同角度记录交叉裂隙各分支内部的渗流过程的一种法向压力可控的交叉裂隙剪切渗流可视化实验系统。
为了实现上述目的，本发明所设计的一种法向压力可控的交叉裂隙剪切渗流可视化实验系统，包括可视化三维交叉裂隙模型、用于施加法向压力的可视化加压装置、高精度柱塞泵、液压剪切仪和图像采集装置；所述可视化加压装置设置在可视化三维交叉裂隙模型上，所述高精度柱塞泵与可视化三维交叉裂隙模型连接；所述图像采集装置位于可视化三维交叉裂隙模型一侧，且所述图像采集装置通过可视化加压装置对可视化三维交叉裂隙模型加压，并通过高精度柱塞泵调节可视化三维交叉裂隙模型内液体的流量和流速，进而自动采集可视化三维交叉裂隙模型内部渗流的数据和状态，所述液压剪切仪(4)可以对裂隙模型(1)进行剪切，从而获取剪切过程中交叉裂隙的渗流特性。
上述中，所述的剪切仪用于改变裂隙形态且与一号裂隙口上部接触，从而推动上部裂隙面产生剪切现象。
进一步，所述的三维交叉裂隙模型由四块透明树脂平板模型和模型固定架组成，所述透明树脂平板模型的边缘由等距的平面构成，这些平面所围绕的中间部分是反映真实裂隙表面特征的粗糙面，且透明树脂平板模型的左、右两侧边缘处的平面内设有橡胶垫层，以便于防水，侧面边缘连接滑轨，所述模型固定架设有固定模型的凹槽和固定加载盒的卡扣，所述透明树脂平板模型边缘处的平面外侧固定于固定架凹槽内，固定压紧后形成三维交叉裂隙模型。
具体的讲，所述的三维交叉裂隙模型包括四块边缘水平延长平板的3D打印树脂模型、模型固定架和滑轨，所述树脂模型的左、右两侧延长平板通过固定架凹槽固定，所述的滑轨置于模型边缘的滑轨槽，可以防止试验中由于上下面挤压太紧而导致剪切移动困难，所述固定架材质由铁组成，具有足够的强度与刚度，所述3D打印模型边缘水平延长平板下表面由3mm区域是橡胶材质，并涂有润滑剂，这样保证了整体模型的密封性和可滑动性，在剪切过程中不发生漏水现象。交叉裂隙各端部设有一定长度的空腔以实现层流。
进一步，所述的可视化加压装置包括数个内部空心的透明无底板加载盒、可移动挡板、高弹性透明橡胶水袋和高精度压力传感器，所述透明橡胶水袋放置于加载盒内，且水袋内部安置高精度压力传感器和水泵的水管，所述高精度压力传感器数据由无线接收器接收并反馈给图像采集装置，其中，所述的可视化加压装置利用固定架的卡扣放置于交叉裂隙的四条分支上，利用四个水泵产生四种不用的法向压力。
具体的讲，所述加载盒通过模型固定架的固定卡扣进行固定限位，所述透明橡胶水袋放置于加载盒内，且水袋内部安置高精度压力传感器和水泵的水管，所述高精度压力传感器数据由无线接收器接收并反馈给电脑，其中，所述的可视化加压装置可以放置与交叉裂隙的四条分支上，利用各自相连的水泵产生四种不用的法向压力；所述透明橡胶水袋放置于加载盒内，且水袋内部安置高精度压力传感器，橡胶水袋通过水管与水泵相连，可根据调节充入水袋的水量来控制它所产生的均布法向压力。
进一步，所述的可移动挡板是由一块透明的调节挡板和两根可以伸缩固定的长杆组成，所述调节挡板随着长杆的伸缩移动而调节的位置，从而改变空腔的体积，这样可以随着树脂模型内的空腔体积的变化使高清摄像机记录内部渗流的过程及变化。
进一步，所述的高精度柱塞泵用于精准控制交叉裂隙中各分支的液体流量和流速，这样可以根据改变液体流量和流速，在树脂模型记录内部渗流的过程及变化。
进一步，所述的液压剪切仪与三维交叉裂隙模型的右侧水平裂隙面上部接触，通过水平推动力使模型的上半部产生剪切滑移。
具体讲，所述液压剪切仪通过推动一号裂隙口的上部，模拟整体裂隙模型发生剪切后的状态，而且可以根据推动的距离形成不同的模型形态。由于裂隙模型边缘水平延长平板下部的涂有润滑剂的3mm厚的橡胶，裂隙在剪切移动过程中不会发生漏水，而且由于橡胶的可压缩性，可以让模型有空间可以进行自我微调。
进一步，所述的图像采集装置，包括高清摄像机、面光源和计算机，所述高清摄像机和面光源两者分布于所观察裂隙面的两侧，其通过高清摄像机记录内部渗流的过程，并用计算机或者遥控控制四台摄像机同步开始于结束。
一种法向压力可控的交叉裂隙渗流可视化实验方法，包括如下步骤：
a.在透明树脂平板模型的左、右两侧边缘空缺处放置滑轨后再将整个模型通过固定架的凹槽内固定并压紧，再将透明橡胶水袋放置于加载盒内，且水袋内部安置高精度压力传感器和水泵的水管，然后将高精度柱塞泵与树脂模型上的水泵水管连接，最后，加载盒固定架的固定卡扣内，可移动挡板调节至符合裂隙面大小的位置，将高清摄像机和面光源两者分布于所观察裂隙面的两侧；
b.伸缩杆伸缩进行移动，调节挡板随着伸缩杆的移动而调节相应位置，从而控制树脂模型内的空腔体积，而外部的水通过水泵进入到水囊内，随着水的充入形成水压，从而在于水囊接触的裂隙模型上产生均布的法向压力。
c.开启高精度柱塞泵，高精度柱塞泵通过树脂模型内的水泵水管将外部的水输送到树脂模型内，而后高清摄像机记录内部渗流的过程，并将其记录内部渗流的过程及变化输送至计算机内；
d.开启液压剪切仪，推动三维裂隙交叉模型的上半部产生剪切滑移，此时透明橡胶水袋随之滑动保持恒定的法向压力，通过高清摄像机记录内部渗流的过程，并将其记录内部渗流的过程及变化输送至计算机内。
本发明得到的一种法向压力可控的交叉裂隙剪切渗流可视化实验系统,其有益效果是：
1、可视化加压装置可利用横向挡板调节内部加压部分的大小，适应各种长度的裂隙模型，并且可以在交叉裂隙的四个分支上施加不同的可控均布法向压力，模拟不同深度岩石裂隙的受压情况。
2、由三维交叉裂隙的表面可由3D打印机制作，表面近似于真实岩石裂隙面，保证了实验的真实性，由于三维交叉裂隙模型与加压装置的可视化，用高清摄像机可以记录其内部渗流情况，从而帮助理解其中的水力耦合机理。
3、利用剪切仪，可以反映三维交叉裂隙在剪切过程中内部渗流特性的演变规律。
附图说明
图1是可视化加压装置的正视图；
图2是可视化加压装置的俯视图；
图3是可视化加压装置的侧视图；
图4是三维交叉裂隙模型的正视图；
图5是三维交叉裂隙模型的侧视图；
图6是三维交叉裂隙模型的俯视图；
图7是一块3D打印直角形树脂模型侧视图；
图8是三维交叉裂隙模型和可视化加压装置拼装后的图(未含固定架，未剪切移动)；
图9是剪切移动后的三维交叉裂隙模型和可视化加压装置拼装图；
图10是固定架的正视图；
图11是固定架侧视图。
图中：可视化三维交叉裂隙模型1、可视化加压装置2、高精度柱塞泵3、液压剪切仪4、图像采集装置5、3D打印树脂模型6、固定架7、加载盒8、可移动挡板9、高弹性透明橡胶水袋10、高精度压力传感器11、调节挡板12、伸缩杆13、面光源14、高清摄像机15、计算机16、水囊室17、高强度玻璃壳18、中空锥形螺杆19、螺母20、紧固器21、水平延长部22a、橡胶22b、凹槽23、长方体空腔24、裂隙出入水口25、卡扣26、水囊出入水口27、水泵28、滑轨槽29a、滑轨29b。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例：
如图1-11所示，本发明提供的一种法向压力可控的交叉裂隙剪切渗流可视化实验系统，包括可视化三维交叉裂隙模型1、用于施加法向压力的可视化加压装置2、高精度柱塞泵3、液压剪切仪4和图像采集装置5；所述可视化加压装置2设置在可视化三维交叉裂隙模型1的上下侧，水泵28与水囊出入水口27相接，所述高精度柱塞泵3与可视化三维交叉裂隙模型1各出入口连接，所述图像采集装置5位于可视化三维交叉裂隙模型1一侧，所述面光源14位于可视化三维交叉裂隙模型1另一侧，且所述图像采集装置5通过可视化加压装置2对可视化三维交叉裂隙模型1加压，并通过高精度柱塞泵3调节可视化三维交叉裂隙模型1内液体的流量和流速，进而自动采集可视化三维交叉裂隙模型1内部渗流的数据和状态，所述的三维交叉裂隙模型包括四块边缘有2cm水平延长部的3D打印树脂模型6和固定架7以及滑轨，所述滑轨29b安置于模型侧面边缘的滑轨槽29a内，便于后期剪切时滑动，树脂模型5的左、右两侧通过固定架7固定，所述树脂模型5内侧设有3mm厚，1.7mm宽的橡胶层22b，且表面涂有润滑剂，可以有效保证树脂模型间压紧后的密封性和平整性，且不影响后期的剪切移动。交叉裂隙各入口端部均设有一定长度的空腔以实现层流，所述的可视化加压装置2包括一个内部空心的透明无底板加载盒8、可移动挡板10、高弹性透明橡胶水袋11、高精度压力传感器12、水泵28，所述透明橡胶水袋11放置于加载盒8内，且水袋内部安置高精度压力传感器12和水泵的水管，所述高精度压力传感器12数据由无线接收器接收并反馈给图像采集装置5，其中，所述的可视化加压装置2可以放置与交叉裂隙的四条分支上，用固定架上的卡扣26固定，利用四个水泵产生四种不用的法向压力，这样可根据裂隙面的位置自由调节，卡扣26具有良好的抗拉和抗折性；所述透明橡胶水袋11放置于加载盒8内，且水袋内部安置高精度压力传感器12，橡胶水袋11通过水管与水泵相连，可根据调节充入水袋的水量来控制它所产生的均布法向压力，所述的可移动挡板9是由一块透明的调节挡板12和一根可以伸缩固定的长杆13组成，所述调节挡板12随着长杆的伸缩移动而调节的位置，从而改变空腔的体积，适应不同宽度的加载面，所述的高精度柱塞泵3用于精准控制交叉裂隙中各分支的液体流量和流速，所述的图像采集装置5，包括高清摄像机15、面光源14和计算机16，所述高清摄像机15和面光源14两者分布于所观察裂隙面的两侧，其通过高清摄像机15记录内部渗流的过程，并用计算机16或者遥控控制四台摄像机同步开始于结束。
本实施例所提供的一种法向压力可控的交叉裂隙渗流可视化实验方法，其操作方法包括如下步骤：
a.将滑轨29b安置于模型侧面滑轨槽29a内，再将3D打印的裂隙树脂模型5的左、右两侧水平延长部固定于模型固定架7上的凹槽内，并将两边的模型固定架用木工夹加紧，再将透明橡胶水袋11放置于加载盒8内，且水袋内部安置高精度压力传感器12和水泵的水管，然后将高精度柱塞泵3与树脂模型5上出入水口连接，水泵与加载装置上的入水口相连最后，将高清摄像机15和面光源14两者分布于所观察裂隙面的两侧；
b.移动加压装置内长杆伸缩，调节挡板13随着长杆的移动而调节相应位置，从而控制加压装置2内的空腔体积，而外部的水输通过水泵向水袋，产生水压，进而在与裂隙模型外表面接触处产生均布法向压力。
c.开启高精度柱塞泵3，高精度柱塞泵3通过树脂模型5内的入水口将外部的水输送到树脂模型5内，而后，高清摄像机15记录内部渗流的过程，并将其记录内部渗流的过程及变化输送至计算机16内。
d.开启剪切仪4，推动交叉裂隙模型的上部，形成错位，同时调节加压装置内部的挡板位置，使加压区域适应变动后的裂隙模型。
e.具体的讲，一种法向压力可控的交叉裂隙剪切渗流可视化实验系统，包括3D打印的可视化三维交叉裂隙模型1、用于施加法向压力的可视化加压装置2、用于模拟渗流的高精度柱塞泵3液压剪切仪4以及图像采集装置5，所述的可视化加压装置2包括内部空心的透明无底板加载盒8、可移动挡板9、高弹性透明橡胶水囊11和高精度压力传感器12，其中，内部空心的透明无底板加载盒8包括水囊室17和高强度玻璃壳18、水囊出入水口27，所述高弹性透明橡胶水袋11设置在水囊室17内，并由高强度玻璃壳18包覆，长度伸缩杆13包括铁质长杆、中空锥形螺杆19和旋转螺母20，所述可移动挡板9用于调节内部空心的透明无底板加载盒8的内部大小长度，并且在内部空心的透明无底板加载盒8上开有相应的孔洞用于连接水泵和压力测试仪，中空锥形螺杆19和旋转螺母20可以固定伸缩杆13，使其在实验过程中不发生位移，同时也能根据实际模型的开度大小，将加压装置调节好大小与开度后使加压仪器的外壳侧面与模型两侧边缘重合，固定架使得加压装置和模型表面贴合更牢固，而且更便于加压装置对模型施压，通过由计算机16控制的水泵往水囊内注入相应水量从而完成加压。
如图6-7所示，所述的直角形3D打印树脂模型6内侧为粗糙面，外部是与加压装置接触的平面，四周侧面为水平延长部22a，长度2cm，厚度0.7cm，与水平延长部内侧是橡胶22b，厚0.3cm，长1.7cm，为模型整体提供了良好的密封性和微小变动空间。边缘为3mm宽的空缺，用于放置滑轨。裂隙出入水口25与柱塞泵相连，长方体空腔24是裂隙出入口处的缓冲区，液体在该处聚集后层流流入裂隙中。
如图10～11所示，所述的模型固定架7分为上下左右四个部分，可拆卸分离，上部可以独立于下部进行自由移动，方便后期的剪切活动。凹槽23用于固定直角树脂模型的水平延长部22a，提高整体性和防水性。卡扣26具有良好强度与刚度，用于固定可视化加压装置1，使裂隙模型和加压装置在试验中贴合更紧密。
Claims (8)
1.一种法向压力可控的交叉裂隙剪切渗流可视化实验系统，其特征在于，包括可视化三维交叉裂隙模型(1)、用于施加法向压力的可视化加压装置(2)、高精度柱塞泵(3)、液压剪切仪(4)和图像采集装置(5)，所述可视化加压装置(2)设置在可视化三维交叉裂隙模型(1)上，所述高精度柱塞泵(3)与可视化三维交叉裂隙模型(1)连接，所述图像采集装置(5)位于可视化三维交叉裂隙模型(1)一侧，且所述图像采集装置(5)通过可视化加压装置(2)对可视化三维交叉裂隙模型(1)加压，并通过高精度柱塞泵(3)调节可视化三维交叉裂隙模型(1)裂隙内液体的流量和流速，进而自动采集可视化三维交叉裂隙模型(1)内部渗流的数据和状态，所述液压剪切仪(4)可以对裂隙模型(1)进行剪切，从而获取剪切过程中交叉裂隙的渗流特性。
2.根据权利要求1所述的一种法向压力可控的交叉裂隙剪切渗流可视化实验系统，其特征在于，所述的三维交叉裂隙模型(1)由四块透明树脂平板模型(6)和模型固定架(7)组成，所述透明树脂平板模型(6)的边缘由等距的平面构成，这些平面所围绕的中间部分是反映真实裂隙表面特征的粗糙面，且透明树脂平板模型(6)的左、右两侧边缘处的平面内设有橡胶垫层，以便于防水，侧面边缘连接滑轨，所述模型固定架(7)设有固定模型的凹槽和固定加载盒的卡扣，所述透明树脂平板模型(6)边缘处的平面外侧固定于固定架(7)凹槽内，固定压紧后形成三维交叉裂隙模型(1)。
3.根据权利要求1所述的一种法向压力可控的交叉裂隙剪切渗流可视化实验系统，其特征在于，所述的可视化加压装置(2)包括内部空心的透明无底板加载盒(8)、可移动挡板(9)、高弹性透明橡胶水袋(10)和高精度压力传感器(11)，所述透明橡胶水袋(10)放置于加载盒(8)内，且水袋内部安置高精度压力传感器(11)和水泵的水管，所述高精度压力传感器(11)数据由无线接收器接收并反馈给图像采集装置(5)，其中，所述的可视化加压装置(2)利用固定架的卡扣放置于交叉裂隙的四条分支上，利用四个水泵产生四种不用的法向压力。
4.根据权利要求3所述的一种法向压力可控的交叉裂隙剪切渗流可视化实验系统，其特征在于，所述的可移动挡板(9)是由一块透明的调节挡板(12)和两根可以伸缩固定的伸缩杆(13)组成，所述调节挡板(12)随着伸缩杆(13)的伸缩移动而调节的位置，从而改变空腔的体积。
5.根据权利要求1所述的一种法向压力可控的交叉裂隙剪切渗流可视化实验系统，其特征在于，所述的高精度柱塞泵(3)用于精准控制交叉裂隙中各分支的液体流量和流速。
6.根据权利要求1所述的一种法向压力可控的交叉裂隙剪切渗流可视化实验系统，其特征在于，所述的图像采集装置(5)，包括高清摄像机(15)、面光源(14)和计算机(16)，所述高清摄像机(15)和面光源两者分布于所观察裂隙面的两侧，通过高清摄像机(15)记录内部渗流的过程，并用计算机(16)控制四台摄像机同步开始和结束拍摄。
7.根据权利要求1所述的一种法向压力可控的交叉裂隙剪切渗流可视化实验系统，其特征在于，所述的液压剪切仪(4)与三维交叉裂隙模型的右侧水平裂隙面上部接触，通过水平推动力使模型的上半部产生剪切滑移。
8.一种法向压力可控的交叉裂隙剪切渗流可视化实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.在透明树脂平板模型(6)的左、右两侧边缘空缺处放置滑轨后再将整个模型通过固定架(7)的凹槽内固定并压紧，再将透明橡胶水袋(10)放置于加载盒(8)内，且水袋内部安置高精度压力传感器(11)和水泵的水管，然后将高精度柱塞泵(3)与树脂模型(5)上的水泵水管连接，最后，加载盒(8)固定架的固定卡扣内，可移动挡板(9)调节至符合裂隙面大小的位置，将高清摄像机(15)和面光源两者分布于所观察裂隙面的两侧；
b.伸缩杆(13)伸缩进行移动，调节挡板(12)随着伸缩杆(13)的移动而调节相应位置，从而控制树脂模型(5)内的空腔体积，而外部的水通过水泵进入到水囊(10)内，随着水的充入形成水压，从而在于水囊接触的裂隙模型上产生均布的法向压力。
c.开启高精度柱塞泵(3)，高精度柱塞泵(3)通过树脂模型(6)内的水泵水管将外部的水输送到树脂模型(5)内，而后高清摄像机(15)记录内部渗流的过程，并将其记录内部渗流的过程及变化输送至计算机(16)内；
d.开启液压剪切仪(4)，推动三维裂隙交叉模型(1)的上半部产生剪切滑移，此时透明橡胶水袋随之滑动保持恒定的法向压力，通过高清摄像机(15)记录内部渗流的过程，并将其记录内部渗流的过程及变化输送至计算机(16)内。
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