CN110763604B - 一种利用磁流体测量岩石裂隙某点开度和标定渗透压力值的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种利用磁流体测量岩石裂隙某点开度和标定渗透压力值的实验装置，它包括四周带有若干小孔的承压板，若干螺纹非磁性钢杆，两端带有孔洞的非磁性加压钢条，有万向转动球铰和安装在承压板上的角度测量仪，加压气垫，氮气瓶，透明亚克力板，加压泵，磁流体以及电磁铁。利用加压泵将水压入试验岩样与类岩石透明树脂板的裂隙中，不断加大水压，使水流冲击被电磁铁吸附住的磁流体，直至水流冲开磁流体产生渗漏且磁流体开始产生位移。从而得到磁力大小、裂隙开度、渗透压、磁流体黏度，四者之间的关系。本发明的优点不会受到电磁铁的干扰，易观察磁流体流动状态，能够很好地模拟混凝土的流动，岩样能达到可视化，易于观察效果。
Description
技术领域
本发明涉及岩石裂隙实验装置领域，尤其涉及一种利用磁流体测量岩石裂隙某点开度和标定渗透压力值的实验装置及方法。
背景技术
隧道渗漏水是已建隧道中普遍存在的病害。渗漏水使路面湿滑，威胁行车安全；渗漏水增加洞内湿度；在寒区渗漏水还会引发各种冻害，进一步恶化隧道运营环境。隧道渗漏水是隧道设计、施工和运营中要解决的突出问题。在隧道补漏过程中，快速判断出最易最先发生渗漏的部位，运用适当的措施进行补救是补漏的首要步骤。在确定出最佳补漏位置后，确定最佳的裂隙封堵压力值是保证补漏措施经济适用的有效前提。理论上表明，岩石最易最先发生渗漏的部位便是渗流中的最大过水断面。根据流体力学相关知识，可以将渗流的封堵的压力值通过电磁力模拟出来。
在现有技术中，申请号为201310229686.7的发明专利公开了一种基于电导率的隧道渗漏水检测方法及装置以及专利名为“特殊地层环境条件下的渗漏连续监测实验装置及方法”的专利能进行渗漏监测。但是两种方法都没有提出渗流的封堵压力值，而且两种方法需要布置电极阵列或者光纤传感器，复杂且不够经济适用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用磁流体测量岩石裂隙某点开度和标定渗透压力值的实验装置及方法，此装置利用磁流体模拟渗漏不仅试验方法简单，而且可以测出裂隙封堵压力值。对隧道渗漏水补漏工程提供了一种，快速找到最佳补漏位置，以及裂隙封堵压力值的装置及方法。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种利用磁流体测量岩石裂隙某点开度和标定渗透压力值的实验装置，它包括承压板，所述承压板的顶部通过多根非磁性螺杆以及非磁性加压条安装有顶板，在承压板和顶板之间设置有加压气垫，所述加压气垫的顶部和顶板的底部之间设置有试样，在试样和顶板之间设置有用于加强填充磁流体的流体填充装置；所述承压板的底端固定有角度测量仪，所述顶板的顶部固定有电磁铁。
所述承压板通过支撑杆固定在万向转动球铰的顶部，所述万向转动球铰固定在支撑座的顶部。
所述加压气垫与用于提供气源的氮气瓶相连。
所述流体填充装置包括加压泵，所述加压泵与储液罐相连，所述储液罐的顶部固定有气压表，所述储液罐的底部出口通过连通管设置在试样的顶部和顶板的底端之间。
所述储液罐的侧壁上设置有刻度线，并在内部盛放磁流体；所述磁流体内部填充有纳米级铁粉。
所述顶板的正上方设置有摄像机，所述摄像机安装在相机支架的顶部。
所述一种利用磁流体测量岩石裂隙某点开度和标定渗透压力值的实验装置的实验方法，它包括以下步骤：
Step1：选取实验所用岩样，采用岩石力学RMT-150C试验仪对岩样进行劈裂，得到一条裂隙完全重合且平行于轴线方向、贯穿整个试样的人工粗糙裂隙面；
Step2：将劈裂后的岩样切割成长方体试样，将试样打磨光滑；
Step3：将切割后劈裂试样对立面进行翻模，翻模材料采用添加A%硬化剂的硅胶和加入添加剂的高清晰度透明不饱和树脂，从而得到试验岩样的对立面；
Step4：重复步骤2，3得到试验岩样的另一对立面；
Step5：将类岩石透明树脂板以及承压装置进行组装；组装后装置从上到下的结构应是：非磁性加压条作用在顶板上，顶板覆盖在类岩石透明树脂板上，两块类岩石透明树脂板组合构成试验岩样，在试验岩样下方为加压气垫，加压气垫为试验岩样提供均匀的法向应力；
Step6：调配不同黏度的磁流体，用磁流体中纳米级铁粉的含量控制磁流体的黏度；黏度值用以下公式计算得出：运动黏度ν=μ/ρ=τ/ρ×(du/dy)；μ为液体的动力黏度，ρ为液体的密度，τ为液流单位面积上的内摩擦阻力，du/dy为速度梯度；
Step7：在两块类岩石透明树脂板的裂隙中注入掺有纳米级铁粉的磁流体V，通过顶板和类岩石透明树脂板可以观察到磁流体的流动情况，在中空的承压板内部放置电磁铁，运用电磁铁的磁力将磁流体吸附住，使其堵住渗流通道；
Step8：由注入一定体积的磁流体V和已知电磁铁的表面积A，求得到某点的裂隙开度H=V/A，其中电磁铁的表面积A较小，忽略裂隙不规则引起的误差；
Step9：利用加压泵或氮气加压泵的压力将水压入试验岩样与类岩石透明树脂板的裂隙中，不断加大水压，使水流冲击被电磁铁吸附住的磁流体，直至水流冲开磁流体产生渗漏且磁流体开始产生位移；
Step10：通过顶板与类岩石透明树脂板观察，并运用摄像机记录下哪些位置开始渗漏且磁流体产生移动，将这些位置标记为渗漏点1、渗漏点2……以及位移点1、位移点2……，并记录此时的水头差或氮气加压泵的压力，此时的水头差大小或此时氮气加压泵的压力要换算成等效水头，即为该水头差所标定的磁力大小、裂隙开度及对应的磁流体黏度值；
Step11：绘制水头差与电磁力的关系曲线图；
Step12：在试验岩样与类岩石透明树脂板的裂隙中注入体积为V的磁流体，运用电磁铁控制磁流体的流动状态；
Step13：通过亚克力板和类岩石透明树脂板可以观察到磁流体的流动情况，确定最先发生渗透的位置；
Step14：此时用底部安装的电磁铁调整磁流体黏性，使磁流体不再移动，利用水头差与电磁力的关系曲线图，确定发生渗透时电磁力所对应的水头；
Step15：重复上述步骤不断改变磁力大小、裂隙开度、渗透压、磁流体黏度，从而得到四者之间的关系。
本发明有如下有益效果：
1.装置中所述带有若干小孔的承压板是由高强铝合金材料制成，且具有非磁材料的特性，不会对电磁铁造成干扰。
2.磁流体是直径为1~5纳米级的磁固体颗粒所形成的稳定的胶体溶液，有很好的紧密性，不易分散，黏性摩擦小的特性，磁流体不易溶于水，不会有体积的耗损导致结果偏差，且颜色深，由此特性，易观察磁流体流动状态，能够很好地模拟混凝土的流动。
3.高清晰度透明ZJ-K39DG不饱和树脂模拟的岩样能达到可视化，易于观察效果。
4.在中空的承压板内部放置电磁铁，运用电磁铁的磁力将磁流体吸附住，可达到控制磁流体移动的目的。
5.利用磁力与水头差的标定实验使得电磁力可以精确模拟等效水头差，达到相应压力效果。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的整体结构示意图。
图中：承压板1、非磁性螺杆2、非磁性加压条3、万向转动球铰4、角度测量仪5、加压气垫6、氮气瓶7、顶板8、加压泵9、磁流体10、电磁铁11。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
参见图1，一种利用磁流体测量岩石裂隙某点开度和标定渗透压力值的实验装置，它包括承压板1，所述承压板1的顶部通过多根非磁性螺杆2以及非磁性加压条3安装有顶板8，在承压板1和顶板8之间设置有加压气垫6，所述加压气垫6的顶部和顶板8的底部之间设置有试样，在试样和顶板8之间设置有用于加强填充磁流体10的流体填充装置；所述承压板1的底端固定有角度测量仪5，所述顶板8的顶部固定有电磁铁11。
进一步的，所述承压板1通过支撑杆固定在万向转动球铰4的顶部，所述万向转动球铰4固定在支撑座的顶部。
进一步的，所述加压气垫6与用于提供气源的氮气瓶7相连。
进一步的，所述流体填充装置包括加压泵9，所述加压泵9与储液罐相连，所述储液罐的顶部固定有气压表12，所述储液罐的底部出口通过连通管设置在试样的顶部和顶板8的底端之间。
进一步的，所述储液罐的侧壁上设置有刻度线，并在内部盛放磁流体10；所述磁流体10内部填充有纳米级铁粉。
进一步的，所述顶板8的正上方设置有摄像机13，所述摄像机13安装在相机支架的顶部。
实施例2：
所述一种利用磁流体测量岩石裂隙某点开度和标定渗透压力值的实验装置的实验方法，它包括以下步骤：
Step1：选取实验所用岩样，采用岩石力学RMT-150C试验仪对岩样进行劈裂，得到一条裂隙完全重合且平行于轴线方向、贯穿整个试样的人工粗糙裂隙面；
Step2：将劈裂后的岩样切割成长方体试样，将试样打磨光滑；
Step3：将切割后劈裂试样对立面进行翻模，翻模材料采用添加5%硬化剂的硅胶和加入添加剂的高清晰度透明不饱和树脂，从而得到试验岩样的对立面；
Step4：重复步骤2，3得到试验岩样的另一对立面；
Step5：将类岩石透明树脂板以及承压装置进行组装；组装后装置从上到下的结构应是：非磁性加压条3作用在顶板8上，顶板8覆盖在类岩石透明树脂板上，两块类岩石透明树脂板组合构成试验岩样，在试验岩样下方为加压气垫6，加压气垫6为试验岩样提供均匀的法向应力；
Step6：调配不同黏度的磁流体10，用磁流体10中纳米级铁粉的含量控制磁流体的黏度；黏度值用以下公式计算得出：运动黏度ν=μ/ρ=τ/ρ×(du/dy)；μ为液体的动力黏度，ρ为液体的密度，τ为液流单位面积上的内摩擦阻力，du/dy为速度梯度；
Step7：在两块类岩石透明树脂板的裂隙中注入掺有纳米级铁粉的磁流体V，通过顶板8和类岩石透明树脂板可以观察到磁流体的流动情况，在中空的承压板1内部放置电磁铁，运用电磁铁的磁力将磁流体吸附住，使其堵住渗流通道；
Step8：由注入一定体积的磁流体V和已知电磁铁的表面积A，求得到某点的裂隙开度H=V/A，其中电磁铁的表面积A较小，忽略裂隙不规则引起的误差；
Step9：利用加压泵或氮气加压泵的压力将水压入试验岩样与类岩石透明树脂板的裂隙中，不断加大水压，使水流冲击被电磁铁吸附住的磁流体，直至水流冲开磁流体产生渗漏且磁流体开始产生位移；
Step10：通过顶板8与类岩石透明树脂板观察，并运用摄像机13记录下哪些位置开始渗漏且磁流体产生移动，将这些位置标记为渗漏点1、渗漏点2……以及位移点1、位移点2……，并记录此时的水头差或氮气加压泵的压力，此时的水头差大小或此时氮气加压泵的压力要换算成等效水头，即为该水头差所标定的磁力大小、裂隙开度及对应的磁流体黏度值；
Step11：绘制水头差与电磁力的关系曲线图；
Step12：在试验岩样与类岩石透明树脂板的裂隙中注入体积为V的磁流体，运用电磁铁控制磁流体的流动状态；
Step13：通过亚克力板和类岩石透明树脂板可以观察到磁流体的流动情况，确定最先发生渗透的位置；
Step14：此时用底部安装的电磁铁调整磁流体黏性，使磁流体不再移动，利用水头差与电磁力的关系曲线图，确定发生渗透时电磁力所对应的水头；
Step15：重复上述步骤不断改变磁力大小、裂隙开度、渗透压、磁流体黏度，从而得到四者之间的关系。
Claims (4)
1.一种利用磁流体测量岩石裂隙某点开度和标定渗透压力值的实验装置的实验方法，所述实验装置包括承压板（1），所述承压板（1）的顶部通过多根非磁性螺杆（2）以及非磁性加压条（3）安装有顶板（8），在承压板（1）和顶板（8）之间设置有加压气垫（6），所述加压气垫（6）的顶部和顶板（8）的底部之间设置有试样，在试样和顶板（8）之间设置有用于加强填充磁流体（10）的流体填充装置；所述承压板（1）的底端固定有角度测量仪（5），所述顶板（8）的顶部固定有电磁铁（11）；
所述流体填充装置包括加压泵（9），所述加压泵（9）与储液罐相连，所述储液罐的顶部固定有气压表（12），所述储液罐的底部出口通过连通管设置在试样的顶部和顶板（8）的底端之间；
所述顶板（8）的正上方设置有摄像机（13），所述摄像机（13）安装在相机支架的顶部；
其特征在于，所述实验方法，包括以下步骤：
Step1：选取实验所用岩样，对岩样进行劈裂，得到一条裂隙完全重合且平行于轴线方向、贯穿整个试样的人工粗糙裂隙面；
Step2：将劈裂后的岩样切割成长方体试样，将试样打磨光滑；
Step3：将切割后劈裂试样对立面进行翻模，翻模材料采用添加5%硬化剂的硅胶和加入添加剂的高清晰度透明不饱和树脂，从而得到试验岩样的对立面；
Step4：重复步骤2，3得到试验岩样的另一对立面；
Step5：将类岩石透明树脂板以及承压装置进行组装；组装后装置从上到下的结构应是：非磁性加压条（3）作用在顶板（8）上，顶板（8）覆盖在类岩石透明树脂板上，两块类岩石透明树脂板组合构成试验岩样，在试验岩样下方为加压气垫（6），加压气垫（6）为试验岩样提供均匀的法向应力；
Step6：调配不同黏度的磁流体（10），用磁流体（10）中纳米级铁粉的含量控制磁流体的黏度；黏度值用以下公式计算得出：运动黏度ν=μ/ρ=τ/ρ×(du/dy)；μ为液体的动力黏度，ρ为液体的密度，τ为液流单位面积上的内摩擦阻力，du/dy为速度梯度；
Step7：在两块类岩石透明树脂板的裂隙中注入掺有纳米级铁粉的磁流体，通过顶板（8）和类岩石透明树脂板可以观察到磁流体的流动情况，在中空的承压板（1）内部放置电磁铁，运用电磁铁的磁力将磁流体吸附住，使其堵住渗流通道；
Step8：由注入体积为V的磁流体和已知电磁铁的表面积A，求得到某点的裂隙开度H=V/A，其中电磁铁的表面积A较小，忽略裂隙不规则引起的误差；
Step9：利用加压泵或氮气加压泵的压力将水压入试验岩样与类岩石透明树脂板的裂隙中，不断加大水压，使水流冲击被电磁铁吸附住的磁流体，直至水流冲开磁流体产生渗漏且磁流体开始产生位移；
Step10：通过顶板（8）与类岩石透明树脂板观察，并运用摄像机（13）记录下哪些位置开始渗漏且磁流体产生移动，将这些位置标记为渗漏点1、渗漏点2……以及位移点1、位移点2……，并记录此时的水头差或氮气加压泵的压力，此时的水头差大小或此时氮气加压泵的压力要换算成等效水头，即为该水头差所标定的磁力大小、裂隙开度及对应的磁流体黏度值；
Step11：绘制水头差与电磁力的关系曲线图；
Step12：在试验岩样与类岩石透明树脂板的裂隙中注入体积为V的磁流体，运用电磁铁控制磁流体的流动状态；
Step13：通过亚克力板和类岩石透明树脂板可以观察到磁流体的流动情况，确定最先发生渗透的位置；
Step14：此时用底部安装的电磁铁调整磁流体黏性，使磁流体不再移动，利用水头差与电磁力的关系曲线图，确定发生渗透时电磁力所对应的水头；
Step15：重复上述步骤不断改变磁力大小、裂隙开度、渗透压、磁流体黏度，从而得到四者之间的关系。
2.根据权利要求1所述一种利用磁流体测量岩石裂隙某点开度和标定渗透压力值的实验装置的实验方法，其特征在于：所述承压板（1）通过支撑杆固定在万向转动球铰（4）的顶部，所述万向转动球铰（4）固定在支撑座的顶部。
3.根据权利要求1所述一种利用磁流体测量岩石裂隙某点开度和标定渗透压力值的实验装置的实验方法，其特征在于：所述加压气垫（6）与用于提供气源的氮气瓶（7）相连。
4.根据权利要求1所述一种利用磁流体测量岩石裂隙某点开度和标定渗透压力值的实验装置的实验方法，其特征在于：所述储液罐的侧壁上设置有刻度线，并在内部盛放磁流体（10）；所述磁流体（10）内部填充有纳米级铁粉。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20200207 Assignee: Hongchuang (Yichang) Architectural Design Co.,Ltd. Assignor: CHINA THREE GORGES University Contract record no.: X2023980031470 Denomination of invention: An experimental device and method for measuring the opening of a rock fracture point and calibrating the permeability pressure value by using magnetic fluid Granted publication date: 20220208 License type: Common License Record date: 20230116 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Hongchuang (Yichang) Architectural Design Co.,Ltd. Assignor: CHINA THREE GORGES University Contract record no.: X2023980031470 Date of cancellation: 20230721 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |