CN111766190A - 模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程试验技术领域，提供了一种模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统，旨在解决模拟试验中不能实现高低温条件下岩体注浆、渗流运移过程可视化检测的问题，该系统包括实验舱系统、注浆系统、温控系统、透水控制系统、旋转承载系统和探测扫描系统；注浆系统用于注射浆液模拟试件注浆过程；温控系统用于进行循环浴液的温度控制；透水控制系统用于输送渗流液；探测扫描系统包括高能加速器CT探测系统和PET探测系统，分别用于检测浆液渗流运移及液体流体运移。通过本发明提供的温控系统、注浆系统、透水控制系统可实现高低温条件下的岩体注浆模拟，同时通过探测扫描系统可实现岩体注浆、渗流运移过程的实时可视化检测。

Description

模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统

技术领域

本发明属于岩土工程试验技术领域，具体涉及一种模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统。

背景技术

注浆技术在地下结构防渗、基坑加固、防止地面沉降、已建构筑物地基处理、顶管减摩顶进等方面起着重要的作用，对隧道工程而言，注浆具有充填作用，加固作用和减渗作用。隧道洞身处在地下水发育地段，大量排放可能影响当地生态环境，采用“以堵为主、限量排放”的防排水原则；注浆的主要作用：1)降低围岩的渗流性，提高其抗渗能力，减少地下水的渗流量；2)疏导(局部为堵水)水流，改善工程施工，运营条件；3)改善隧道围岩的力学性能，提高其整体性；4)充填隧道周边围岩的溶洞、溶槽、裂隙，防止塌陷，改善其物理力学条件。

但是实施施工中，对于地热条件下高温隧道或者高原条件下的低温隧道，注浆工程的相关参数把控常常依据经验设定，注浆量的多少以及注浆后隧道围岩的浆液扩展情况不能得到可靠数据；若注浆量较少，在高温或者低温外界环境作用下，注浆后的隧道围岩会造成裂缝产生以及突水情况的发生，易造成人身伤亡及重大经济损失，对隧道的后期运营有着重大影响。现有技术中对特殊条件下的隧道注浆模拟，其均不能实现试件中隧道注浆过程模拟、渗流突水的流体运移模拟的可视化三维过程检测，不能全面地探索隧道围岩注浆前后的流体在裂缝中的运移演化规律和控制因素，得到的模拟试验数据缺乏科学性和准确性。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决模拟试验中不能实现高低温条件下岩体注浆、渗流运移过程可视化检测的问题，本发明提供了一种模拟模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统，该可视化试验系统包括实验舱系统、注浆系统、温控系统、透水控制系统、旋转承载系统和探测扫描系统；

所述实验舱系统包括箱体、加载装置、保温层装置和垫板组件；所述加载装置设置于所述箱体内部，用于对试件施加围压以模拟地应力；所述保温层装置设置于所述加载装置内部，用于进行试件温度保护；所述垫板组件设置于所述保温层装置内部，用于设置透水管路和温控管路；

所述注浆系统用于注射浆液；所述温控系统用于进行循环浴液的温度控制；

所述透水控制系统包括透水控制动力装置和透水组件，所述透水组件设置于所述透水控制动力装置之间，用于输送渗流液；

所述旋转承载系统包括转台和传动装置，所述传动装置的一端固设于所述转台；所述转台设置于所述实验舱系统下方；所述转台周侧设置有凹槽，用于容纳所述传动装置；在转台动力装置驱动下，所述传动装置可沿着所述凹槽环绕；

所述探测扫描系统包括高能加速器CT探测系统和PET探测系统，用于扫描探测试件内部浆液渗流运移的所述高能加速器CT探测系统、用于扫描探测试件内部流体运移的所述PET探测系统分别设置于所述实验舱系统的侧边且两者互不干涉。

在一些优选实例中，所述注浆系统包括注浆动力装置和注浆组件，所述注浆组件设置于所述注浆动力装置与所述箱体之间，用于输送浆液；所述注浆组件包括注浆总管以及多个注浆分管；所述注浆总管的一端与所述注浆动力装置连接，另一端与多个所述注浆分管通过组合接头连接。

在一些优选实例中，所述组合接头包括基体、第一连接部和第二连接部，所述第一连接部、所述第二连接部分别设置于所述基体的不同侧面；所述第一连接部设置有第一凸起，所述第一凸起上开设有第一连接孔；所述第二连接部设置有多个第二凸起，多个所述第二凸起均开设有第二连接孔；所述基体为弧形结构。

在一些优选实例中，所述PET探测系统包括第一探测器装置和第二探测器装置，所述第一探测器装置、所述第二探测器装置分别设置于所述箱体的两侧。

在一些优选实例中，所述PET探测系统还包括第一探测器移动装置和第二探测器移动装置；所述第一探测器移动装置包括第一移动导轨和第一移动部件，所述第一移动部件可在第一驱动装置的驱动下调整所述第一探测器装置与所述箱体之间的探测距离；

所述第二探测器移动装置包括第二移动导轨和第二移动部件，所述第二移动部件可在第二驱动装置的驱动下调整所述第二探测器装置与所述箱体之间的探测距离。

在一些优选实例中，所述传动装置为管汇拖链。

在一些优选实例中，所述箱体为回字形框架结构，所述回字形框架结构的开口方向与试件中隧道贯通方向一致；

所述加载装置为液压油缸，四个所述液压油缸分别设置于所述回字形框架结构的上侧、下侧、左侧和右侧；

所述保温层为箱型结构，所述箱型结构上设置有穿设透水管路、注浆管路、温控管路的通孔。

在一些优选实例中，所述垫板组件包括第一垫板、第二垫板、第三垫板和第四垫板，所述第一垫板、所述第二垫板、所述第三垫板和所述第四垫板分别设置于试件的上侧、左侧、下侧、右侧，并且构成回字形框架结构；

所述第一垫板、所述第二垫板、所述第三垫板和所述第四垫板的外侧均开设有用于容纳温控管路的温控槽；

所述温控槽包括呈回折型的导槽，所述导槽包括多个相互平行的平行段以及连通相邻平行段的平直段。

在一些优选实例中，所述第一垫板还设置有透水孔和透水槽，所述透水孔设置于所述第一垫板内部且与所述温控槽不连通；

所述透水槽设置于所述第一垫板内侧，用于所述透水孔中注入的核素溶液的均匀渗流；所述透水槽包括横向导流槽、多个纵向导流槽；多个所述纵向导流槽平行间隔设置，所述横向导流槽垂直于多个所述纵向导流槽设置，用于连通多个所述纵向导流槽。

在一些优选实例中，所述温控系统包括温控动力装置和温控组件，所述温控组件设置于所述温控动力装置与所述箱体之间，用于输送预设温度浴液；

所述温控组件包括浴液输入管路、浴液输出管路和连接管路，所述连接管路的两端分别与所述浴液输入管路、所述浴液输出管路连接；

所述连接管路设置于所述垫板组件上，且所述连接管路的形状与所述温控槽的形状一致。

通过本发明的有益效果为：

1)通过本发明可实现对高低温特殊条件下隧道注浆扩散过程、渗流体动态运移过程的可视化监测，获得可靠的注浆、渗流模拟试验数据；通过设置的温控系统可有效模拟岩体所处的特殊环境，对研究特殊条件下的隧道注浆、渗流提供可靠数据基础。

2)可以研究注浆后的隧道围岩在承压水作用下的变形渗流特性以及裂缝发育扩展过程，更加完全地还原了工程实际背景，为注浆后的隧道中突水机理的研究提供更加准确的试验数据。

3)通过透水控制系统可全面模拟实际隧道围岩的受力状态，可最大程度还原隧道岩体的地下渗流环境，能用于模拟隧道突水、真实反映灾变过程，可以节省大量资金和人力物力，具有试验成本低、周期短、操作方便的特点。即通过本发明可真实准确的再现注浆后的隧道围岩突水突泥灾变演化过程，试验结果较数值模拟更为接近实际工程，使人们能够直观的得到岩体的受力特征以及变形规律，为研究突水突泥致灾机理奠定基础。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明中的模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统的一种实施例的立体结构示意图；

图2是图1中的实验舱系统的立体结构示意图；

图3是图2中的垫板组件的立体结构示意图；

图4是本发明中的模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统中的温控系统中的温控组件的具体结构示意图；

图5是本发明中的模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统中的注浆系统中的注浆组件的具体结构示意图；

图6是图1中的旋转承载系统的立体结构示意图；

图7是图1中的PET探测系统的立体结构示意图；

图8是图1中的高能加速器CT探测系统的立体结构示意图。

附图标记说明：

100、实验舱系统，110、箱体，120、加载装置，130、保温层装置，141、第一垫板，142、第二垫板，143、第三垫板，144、第四垫板，145、温控槽，146、透水孔，147、透水槽；200、PET探测系统，210、第一探测器装置，211、第一支撑装置，220、第二探测器装置，221、第二支撑装置；300、CT探测系统，310、高能加速器CT射线源，311、CT射线源平台，312、CT射线源机架，320、高能加速器CT探测器，321、CT探测器平台，322、CT探测器机架；400、旋转承载系统，410、转台，420、拖链装置；500、温控系统，510、温控组件；600、透水控制系统；700、注浆系统；710、注浆组件。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式，本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统，包括实验舱系统、注浆系统、温控系统、透水控制系统、旋转承载系统和探测扫描系统，其中，注浆系统用于控制对岩体试件的注浆，进行隧道围岩的加固模拟；温控系统包括温控泵和温控管路，温控泵通过温控管路的设置模拟进行岩体试件的高温或者低温环境，即可用来模拟隧道所处的高地应力环境中的地热高温环境或者高原低温环境；透水控制系统设置于岩体试件上方，用于模拟渗透；探测扫描系统用于扫描检测注浆全过程中浆液在岩体试件裂缝中的动态运移以及注浆之后渗透试验中渗透全过程的动态渗流过程，得到设定注浆参数、设定渗流参数对应的岩体加固、岩体裂缝扩展情况，以得到可靠的试验数据，为特殊条件下的施工提供可靠数据；旋转承载系统设置于实验舱系统的下方，用于承载实验舱系统并可带动其旋转，在扫描检测过程中，旋转承载系统可配合对应的探测系统带动实验舱系统旋转，完成全面、准确的岩体试件中注浆运移、渗流运移的动态全过程，进一步地得到隧道周围注浆实际范围以及防渗结果。

进一步地，实验舱系统包括箱体、加载装置、保温层装置和垫板组件，其中，加载装置设置于箱体内部，用于对试件施加围压以模拟地应力；保温层装置设置于加载装置与岩体试件之间，用于进行试件温度保护，减少试件与外界的热量交换，提高对试件的温度控制效率；垫板组件设置于保温层装置内部，用于设置透水管路和温控管路，同时用来承载加载装置对岩体试件的加载，进一步的提高岩体试件受力均匀性。

进一步地，注浆系统包括注浆泵和注浆管路，用于注射浆液。

进一步地，温控系统包括高温泵或者低温泵、温控管路，用于进行设置在试件周侧的循环浴液的温度控制，实现对岩体试件整体的温度控制。

进一步地，透水控制系统包括透水控制动力装置(核素加载泵)和透水组件，透水组件设置于透水控制动力装置之间，用于输送渗流液，其中渗流液体为带有核素的液体。

进一步地，探测扫描系统包括高能加速器CT探测系统和PET探测系统，高能加速器CT探测系统、PET探测系统分别设置于实验舱系统的侧边且互不干涉；其中，高能加速器CT探测系统用于扫描探测试件内部隧道上方浆液渗流扩散动态全过程，PET探测系统用于扫描探测试件内部带有核素的液体在岩体试件裂缝中的运移情况，以及试件中隧道上方注浆部分的防渗效果。

以下参照附图结合具体实施例进一步说明本发明。

参照附图1，图示是本发明中的模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统的一种实施例的立体结构示意图，包括实验舱系统100、PET探测系统200、CT探测系统300、旋转承载系统400、温控系统500、透水控制系统600和注浆系统700，其中，PET探测系统200和CT探测系统300分别设置于实验舱系统100的不同侧面，分别用于对渗流动态运移、浆液动态运移的扫描检测；旋转承载系统400设置于实验舱系统100的下方，用于承载实验舱系统100；温控系统500包括温度控制泵和温控管路，用于进行循环浴液的温度控制；透水控制系统600包括透水控制动力装置和透水组件，透水组件设置于透水控制动力装置之间，用于输送渗流液；注浆系统700用于注射浆液。

进一步地，温度控制泵可以为高温泵或者低温泵，以进行地热条件下高温隧道或者高原条件下的低温隧道的环境模拟。

通过本发明中的温控系统模拟不同预设温度场环境、实验舱系统中的加载装置模拟应力场环境、注浆系统模拟岩体试件中隧道上方设定区域的注浆、透水控制系统模拟注浆之后的流体渗流，通过对应的探测系统获得注浆范围扩展全过程、以及注浆后的流体在岩体试件裂缝中的动态运移全过程，进一步得到注浆后的隧道防渗效果，同时通过本发明提供的可视化试验系统可得到不同设定注浆参数、透水参数下岩体试件中的裂缝变化以及对隧道的影响，为实际施工提供可靠作业数据。

进一步地，PET探测系统、旋转承载系统、实验舱系统、CT探测系统设置于同一底座上，进一步提高模拟试验设置精度，提高检测效果。

进一步地，参照附图2，图2是图1中的实验舱系统的立体结构示意图；实验舱系统包括箱体110、加载装置120、保温层装置130和垫板组件，其中，箱体110为回字形框架结构，其开口方向与试件中隧道贯通方向一致，箱体上设置有穿设透水管路、注浆管路、温控管路的通孔；加载装置120设置于箱体内部，优选地，加载装置为液压油缸，四个液压油缸分别设置于回字形框架结构的上、下、左和右内侧，用于对试件施加围压以模拟地应力；保温层装置130为箱型结构，设置于加载装置内部，用于进行试件温度保护，其中，箱型结构上设置有穿设透水管路、注浆管路、温控管路的通孔，为了更清楚了显示管路设置图中显示了部分管路。

进一步地，箱体通过连接板固定设置于旋转承载系统上。

进一步地，在本发明中，是采用箱体回字形设置以及上、下、左、右四个侧壁加载，可以减少探测系统中穿过模型箱体后的信息衰减，提高成像质量，相同射线能量下，采用相邻侧面加载而不是周侧全部加载，能实现更精确的三维检查测，同时能做的试验模型尺寸更大，更符合现场实际。

进一步地，参照附图3，实验舱系统还包括垫板组件，垫板组件设置于保温层装置内部，用于设置透水管路和温控管路，图示为垫板组件的立体结构示意图，该垫板组件包括第一垫板141、第二垫板142、第三垫板143和第四垫板144，第一垫板、第二垫板、第三垫板和第四垫板分别设置于试件的上侧、左侧、下侧、右侧，并且构成回字形框架结构；第一垫板、第二垫板、第三垫板和第四垫板的外侧均开设有用于容纳温控管路的温控槽145；温控槽包括呈回折型的导槽，导槽包括多个相互平行的平行段以及连通相邻平行段的平直段。

进一步地，第一垫板还设置有透水孔146和透水槽147，透水孔146设置于第一垫板141内部且与其外侧设置的温控槽不连通；透水槽147设置于第一垫板141内侧，用于透水孔中注入的核素溶液的均匀渗流；透水槽147包括横向导流槽、多个纵向导流槽；多个纵向导流槽平行间隔设置，横向导流槽垂直于多个纵向导流槽设置，用于连通多个纵向导流槽。

进一步地，透水槽147的周侧设置有一圈透水密封圈，防止渗透水从第一垫板与岩体试件中向外侧流失，保证透水控制效果。

进一步地，温控系统包括温控动力装置和温控组件，温控组件设置于温控动力装置与箱体之间，用于输送预设温度浴液；温控组件包括浴液输入管路、浴液输出管路和连接管路，连接管路的两端分别与浴液输入管路、浴液输出管路连接，连接管路设置在岩体试件周侧；其中，温控动力装置(即温控泵)为高温泵或者低温泵，用于进行设置在试件周侧的循环浴液的温度控制，实现对岩体试件整体的温度控制。

进一步地，参照附图4，图示是本发明中的模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统中的温控系统中的温控组件的具体结构示意图，温控组件510也就是设置在试件周侧的连接管路，连接管路的形状与温控槽的形状设置一致，形成呈回折型的类S形形状，增大与试件的接触面积，进一步提高温控效果。

连接管路包括第一连接管路、第二连接管路、第三连接管路和第四连接管路，分别设置于第一垫板、第二垫板、第三垫板和第四垫板的外侧的温控槽中，且连接管路的高度低于温控槽的深度；相邻的连接管路之间通过软管连接，将四块垫板内设置的管路连通；连接管路的输入管口设置于第二垫板上，输出管口设置于第三垫板上。

进一步地，温控泵控制输出的浴液从浴液输入管路进入，经过第二垫板内的第二连接管路、第一垫板内的第一连接管路、第四垫板内的第四连接管路、第三垫板内的第三连接管路后，从浴液输出管路流出，返回温控泵，再进行制冷或者加热，依次循环低温或高温浴液达到控制四块垫板的温度，以模拟岩体试件所处的设定温度环境。

进一步地，浴液温度、管内流速以及不同管间距可根据温控泵的控制灵活设置，本实施例并不限制本发明的保护范围。

进一步地，垫板组件中还设置有温度传感器，用于检测对应垫板的温度；温度传感器与温控泵信号连接，用于实时检测控制温度，以进行温控泵的温度设定调节。

注浆系统包括注浆动力装置和注浆组件，注浆组件设置于注浆动力装置与实验舱系统之间，用于输送浆液。

参照附图5，图示是本发明注浆系统中的注浆组件的具体结构示意图；注浆组件710包括注浆总管(未示出)以及多个注浆分管，注浆总管的一端与注浆动力装置连接，另一端与多个注浆分管通过组合接头连接。

进一步地，组合接头包括基体、第一连接部和第二连接部，第一连接部、第二连接部分别设置于基体的不同侧面；第一连接部设置有第一凸起，第一凸起上开设有第一连接孔；第二连接部设置有多个第二凸起，多个第二凸起均开设有第二连接孔；基体为弧形结构，即多个注浆分管呈弧形设置于隧道上方，用于进行岩体试件中隧道上方的注浆模拟，即多个注浆分管的设置方式与隧道上方形状一致。

进一步地，注浆分管为注浆钢花管；注浆分管在岩体试件中的长度约为隧道总长的三分之二，保证浆液在岩体试件内部的注浆。

参照附图6，图示是图1中的旋转承载系统的立体结构示意图，该旋转承载系统包括转台410和传动装置420，传动装置的前端通过连接件固设于转台420；转台设置于实验舱系统下方；转台410周侧设置有凹槽，用于容纳传动装置420；传动装置用于容纳透水管路、温控管路和注浆管路，在转台动力装置驱动下，传动装置420随着连接于岩体试件上的透水管路、温控管路和注浆管路沿着凹槽环绕，防止转台旋转过程中不同管路的缠绕断裂；在本实施例中，转台的旋转是为了配合探测扫描系统对岩体试件的扫描探测，因此，转台在动力装置的驱动下实现顺时针旋转一周或者逆时针旋转一周，即传动装置环绕凹槽一周或者退出凹槽，实现对应的检测。

进一步地，传动装置为管汇拖链。

进一步地，旋转承载系统还包括拖链导槽，设置于管汇拖链侧边用于导引其运动。

优选地，转台通过电机驱动，实现角度调整自动化，具有角度调整范围广、精密高、承载大的特点；步进电机与传动件通过进口高品质弹性联轴器连接，排除空间和加工形位误差，旋转台面外圈刻度直观，标准接口，方便信号传输，手动手轮配置，电控手动均可；可选装伺服电机或步进电机，实现对模型箱体的旋转控制。

参照附图7，图示是图1中的PET探测系统的立体结构示意图，PET探测系统包括第一探测器装置210、第一支撑装置211、第二探测器装置220和第二支撑装置221，其中，第一探测器装置210、第二探测器装置220分别设置于箱体的两侧，且分别通过第一支撑装置211、第二支撑装置221设置于地面；PET探测系统用于检测透水控制系统中注入液中核素发出的光子信号，用来实现液体在岩体试件裂缝中的三维动态运移。

进一步地，PET探测系统还包括第一探测器移动装置和第二探测器移动装置；第一探测器移动装置包括第一移动导轨和第一移动部件，第一移动部件可在第一驱动装置的驱动下调整第一探测器装置与箱体之间的探测距离；第二探测器移动装置包括第二移动导轨和第二移动部件，第二移动部件可在第二驱动装置的驱动下调整第二探测器装置与箱体之间的探测距离，进而灵活调控对特定部位检测的距离，进一步提高检测精度。

进一步地，通过该PET探测系统还可通过液体运移检测实现盐岩腔形状的可视化检测。

参照附图8，图示是图1中的高能加速器CT探测系统的立体结构示意图，包括高能加速器CT射线源310、CT射线源平台311、CT射线源机架312、高能加速器CT探测器320、CT探测器平台321和CT探测器机架322，CT射线源310设置于CT射线源平台311上；CT探测器320设置于CT探测器平台321上；CT射线源平台311和CT探测器平台321的高度设置对应模型箱体的高度，保证该探测系统能够探测整个试件的注浆、透水渗流过程，实现对其三维形状可视化实时监测。

进一步地，高能加速器CT探测器还包括CT线阵探测器和CT面阵探测器，两者设置于探测器平台上，两种探测器可针对不同需求进行切换，保证最佳扫描质量；线阵探测器具有更高的成像精度，用于对试验模型的某一区域进行精细扫描，获得试验模型结构特征的尺寸信息；面阵探测器具有更大的视野，可以对试验样品进行大范围的成像，获得试验样品中裂纹在三维空间中的分布信息。

进一步地，高能加速器CT探测系统还包括CT探测器竖直导轨和CT探测器水平导轨；其中，CT探测器竖直导轨安装于CT探测器机架靠近箱体的内侧，通过该装置的设置可实现探测器的升降，实现CT面阵探测器和CT线阵探测器在高度方向的调整，CT探测器机架通过该CT探测器水平导轨以及滑块连接于探测器底座，实现探测器整体装置相对于箱体的远离或靠近运动，调整探测视野。

在本实施例中，通过对应升降电机的控制调整射线源、探测器相对于隧道模型的不同高度，可进行针对性的局部探测。

进一步地，升降驱动装置可为丝杆步进电机，或者是其它可实现对液管升降控制的装置均可，本实施例并不限制本发明的保护范围。

在本发明中采用PET检测，安全性好；PET检查需要的核素有一定的放射性，但所用核素量很少，而且半衰期很短(短的在12分钟左右，长的在120分钟左右)，经过物理衰减和生物代谢两方面作用，存留时间很短，因而安全可靠。

X射线显微CT(X-CT，X-ray Computed Tomography)，即计算机层析成像技术，是一种非侵入性和非破坏性成像技术，在不破坏样品的情况下，利用X射线对物体进行扫描，能够获得样品内部三维结构和形貌信息。它能在对检测物体无损伤条件下，以二维断层图像或三维立体图像的形式，清晰、准确、直观地展示被检测物体内部的结构、组成及形貌等，被誉为当今最佳无损检测和无损评估技术。

X射线显微CT由于其高分辨率及无损成像的特点使它在地质学、材料学、先进制造、生命科学等领域获得广泛应用。在地质学方面，岩心内部孔隙结构、裂缝、层理等微观尺度上的三维空间表征，实现对岩心内部孔喉的连通性、孔隙度、孔喉尺寸及多种渗流特征参数的统计计算。在材料学领域，材料内部孔隙、裂纹、夹杂、分层等三维空间分布及其各项定量分析，表征材料结构及密度分布情况。

进一步地，基于模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统，具体操作步骤如下：

步骤S100，将制作好的包含岩体试件的实验舱系统固定至旋转承载系统上；预设试件的侧向加载值、注浆流速、注浆时间、透水流速、预设温度；

步骤S200，加载装置施加侧向加载值于试件，以模拟试件所受的真实地应力；

步骤S300，启动温控泵，按照预设温度进行温控管路液体循环，并基于温度传感器的检测，以达到预设温度的环境模拟；

步骤S400，启动注浆系统，按照预设注浆流速、预设注浆时间进行注浆模拟；

步骤S500，启动高能加速器CT探测系统，通过实时CT扫描，获得注浆渗透全过程三维图像；

步骤S600，注浆停止后，启动透水控制系统，按照预设透水流速施加渗透水压力；

步骤S700，启动PET探测系统，通过实时PET扫描，获得水渗透全过程三维图像；

步骤S800，逐步调整注射的透水流速，控制探测系统实时检测隧道围岩突水过程中裂缝的扩展演化过程，直至突水通道完全形成，关闭透水控制系统，获取突水发生时对应的透水流速等参数；其中，透水流速可根据渗透水压要求从小到大等距梯度设置。

基于探测系统的检测，获取试样内部注浆范围扩散过程、渗流体在岩体裂缝中的运移状态以及注浆范围突破后突水发生前后隧道周围的裂缝发育和扩展状态，获得对应的可视化三维模型。

在现有技术中，在对特殊条件下的实际开挖过程中，在遇到地下河或者天型溶洞时，只有在隧洞中修隔水墙，阻截暗河，采用“以堵为主、限量排放”的防排水原则，因此，在各施工中，通常会采用注浆的方式来进一步提高隧道周围岩体的抗渗能力；通过透水控制系统中注射的核素溶液，以及通过核素加载泵(透水控制动力装置)设置的不同压力，可按照设定的压力大小等级对隧道模型进行阶梯式模拟，通过探测系统中的PET探测系统的检测，可进一步获得液体在隧道围岩裂缝中的走向，以及不同压力的溶液对注浆后的围岩裂缝的破坏，以及对应压力下发生突水涌水的裂缝位置及所用时间参数，获得精确的模拟试验数据，为实施施工提供有价值的试验参数，提高营运安全性。

进一步地，该可视化试验系统还设置有中央处理器，其中，高能加速器CT探测系统、PET探测系统、注浆系统、温控系统、透水控制系统、旋转承载系统均与中央处理器信号连接，中央处理器基于实时检测的注浆范围浆液扩散的三维形状以及透水注入的流体在隧道围岩裂缝中的运移情况，获得对应注浆参数下的防渗效果，以及不同流体压力参数下对注浆后隧道围岩裂缝的破坏三维过程，实时调控对应注入液体的流速、压力等参数，并实时记录对应设置参数得到的裂缝发育扩展情况，根据最终形成的隧道突水情况，获得对应模拟参数值。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来；本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统，其特征在于，该可视化试验系统包括实验舱系统、注浆系统、温控系统、透水控制系统、旋转承载系统和探测扫描系统；

所述实验舱系统包括箱体、加载装置、保温层装置和垫板组件；所述加载装置设置于所述箱体内部，用于对试件施加围压以模拟地应力；所述保温层装置设置于所述加载装置内部，用于进行试件温度保护；所述垫板组件设置于所述保温层装置内部，用于设置透水管路和温控管路；

所述注浆系统用于注射浆液；所述温控系统用于进行循环浴液的温度控制；

所述透水控制系统包括透水控制动力装置和透水组件，所述透水组件设置于所述透水控制动力装置之间，用于输送渗流液；

所述旋转承载系统包括转台和传动装置，所述传动装置的一端固设于所述转台；所述转台设置于所述实验舱系统下方；所述转台周侧设置有凹槽，用于容纳所述传动装置；在转台动力装置驱动下，所述传动装置可沿着所述凹槽环绕；

所述探测扫描系统包括高能加速器CT探测系统和PET探测系统，用于扫描探测试件内部浆液渗流运移的所述高能加速器CT探测系统、用于扫描探测试件内部流体运移的所述PET探测系统分别设置于所述实验舱系统的侧边且两者互不干涉。

2.根据权利要求1所述的模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统，其特征在于，所述注浆系统包括注浆动力装置和注浆组件，所述注浆组件设置于所述注浆动力装置与所述箱体之间，用于输送浆液；

所述注浆组件包括注浆总管以及多个注浆分管；所述注浆总管的一端与所述注浆动力装置连接，另一端与多个所述注浆分管通过组合接头连接。

3.根据权利要求2所述的模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统，其特征在于，所述组合接头包括基体、第一连接部和第二连接部，所述第一连接部、所述第二连接部分别设置于所述基体的不同侧面；

所述第一连接部设置有第一凸起，所述第一凸起上开设有第一连接孔；

所述第二连接部设置有多个第二凸起，多个所述第二凸起均开设有第二连接孔；

所述基体为弧形结构。

4.根据权利要求1所述的模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统，其特征在于，所述PET探测系统包括第一探测器装置和第二探测器装置，所述第一探测器装置、所述第二探测器装置分别设置于所述箱体的两侧。

5.根据权利要求4所述的模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统，其特征在于，所述PET探测系统还包括第一探测器移动装置和第二探测器移动装置；所述第一探测器移动装置包括第一移动导轨和第一移动部件，所述第一移动部件可在第一驱动装置的驱动下调整所述第一探测器装置与所述箱体之间的探测距离；

所述第二探测器移动装置包括第二移动导轨和第二移动部件，所述第二移动部件可在第二驱动装置的驱动下调整所述第二探测器装置与所述箱体之间的探测距离。

6.根据权利要求1所述的模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统，其特征在于，所述传动装置为管汇拖链。

7.根据权利要求1所述的模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统，其特征在于，所述箱体为回字形框架结构，所述回字形框架结构的开口方向与试件中隧道贯通方向一致；

所述加载装置为液压油缸，四个所述液压油缸分别设置于所述回字形框架结构的上侧、下侧、左侧和右侧；

所述保温层为箱型结构，所述箱型结构上设置有穿设透水管路、注浆管路、温控管路的通孔。

8.根据权利要求7所述的模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统，其特征在于，所述垫板组件包括第一垫板、第二垫板、第三垫板和第四垫板，所述第一垫板、所述第二垫板、所述第三垫板和所述第四垫板分别设置于试件的上侧、左侧、下侧、右侧，并且构成回字形框架结构；

所述第一垫板、所述第二垫板、所述第三垫板和所述第四垫板的外侧均开设有用于容纳温控管路的温控槽；

所述温控槽包括呈回折型的导槽，所述导槽包括多个相互平行的平行段以及连通相邻平行段的平直段。

9.根据权利要求8所述的模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统，其特征在于，所述第一垫板还设置有透水孔和透水槽，所述透水孔设置于所述第一垫板内部且与所述温控槽不连通；

所述透水槽设置于所述第一垫板内侧，用于所述透水孔中注入的核素溶液的均匀渗流；所述透水槽包括横向导流槽、多个纵向导流槽；多个所述纵向导流槽平行间隔设置，所述横向导流槽垂直于多个所述纵向导流槽设置，用于连通多个所述纵向导流槽。

10.根据权利要求7所述的模拟含裂缝岩体注浆、渗流过程的可视化试验系统，其特征在于，所述温控系统包括温控动力装置和温控组件，所述温控组件设置于所述温控动力装置与所述箱体之间，用于输送预设温度浴液；

所述温控组件包括浴液输入管路、浴液输出管路和连接管路，所述连接管路的两端分别与所述浴液输入管路、所述浴液输出管路连接；

所述连接管路设置于所述垫板组件上，且所述连接管路的形状与所述温控槽的形状一致。

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