CN111829933B - 一种用于裂隙网络剪切渗流试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于裂隙网络剪切渗流试验装置及其试验方法，本装置包括模型边界等压注水装置、模型边界等压出水装置、所述玻璃制裂隙网络模型、宽盖板以及窄盖板，所述各结构连接处均进行封水处理；在玻璃制裂隙网络模型上下方夹设宽盖板和窄盖板，窄盖板设置于玻璃制裂隙网络模型剪切部分，宽盖板设置于窄盖板两侧，宽盖板远离窄盖板的一端与模型边界等压注水装置开口内部中的注水口顶部挡板紧贴，以玻璃制裂隙网络模型长度方向为x轴，宽度方向为y轴建立坐标系，玻璃制裂隙网络模型可沿x轴、y轴方向移动；本发明涉及的装置及方法，实现了裂隙网络剪切渗流室内物理模型试验，且具有低成本、操作简单等优点。
Description
技术领域
本发明属于流体力学、岩石力学技术领域，具体涉及一种用于裂隙网络剪切渗流试验装置及其试验方法。
背景技术
在岩土工程中，岩体在地震、开挖等因素的扰动下会发生剪切、错动，使得岩体内部的裂隙网络沿着剪切裂隙发生相对位移。这将为水或其他有害物质的运移提供更复杂的通道，进一步增大了岩体的渗透率并劣化了岩体的物理力学性能。通过实现裂隙网络的剪切渗流室内物理模型试验，可以揭示裂隙网络的剪切渗流机理，并为岩土工程的安全评估提供可靠的依据。
据统计，90%以上的岩体边坡破坏和地下水渗透力有关，60%矿井事故与地下水作用有关，30%-40%的水电工程大坝失事是由渗透作用引起的。因此，本领域迫切需要对裂隙网络的剪切渗流机理进行研究，而实现裂隙网络的剪切渗流物理模型试验是最有效、最重要的一步。开展裂隙网络的剪切渗流物理模型试验的难度主要在于保证所有裂隙开口处的水压力相等以及设计可发生剪切位移的裂隙网络。
申请号为201410140674.1的发明专利提出了一种岩石剪切-渗流耦合试验方法，该方法在具体操作过程中发现存在如下问题：（1）试样在发生剪切破坏时，剪切裂隙和裂隙网络内部裂隙均发生了变形，导致开度以及渗透系数发生了变化，无法单独确定剪切裂隙对试样整体裂隙网络渗流特性的影响；（2）在试验过程中，测点的水压力会不断发生变化，为动水压力，无法模拟现场稳态流动的静水压力。
发明内容
本发明提供一种用于裂隙网络剪切渗流试验装置及其试验方法，既实现了裂隙网络剪切渗流室内物理模型试验，又具有低成本、操作简单等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于裂隙网络剪切渗流试验装置，包括模型边界等压注水装置，所述模型边界等压注水装置剖面呈c字型，其开口朝向试验环境；
包括模型边界等压出水装置，所述模型边界等压出水装置剖面呈c字型，其开口朝向试验环境，且所述模型边界等压出水装置开口朝向与所述模型边界等压注水装置开口朝向相对；
包括玻璃制裂隙网络模型，所述玻璃制裂隙网络模型为两半可拆分模型，两半可拆分模型其中一半可拆分模型远离试验环境外的一侧安装于所述模型边界等压注水装置开口内，另一半可拆分模型远离试验环境外的一侧安装于所述模型边界等压出水装置开口内；
以所述玻璃制裂隙网络模型长度方向为x轴，宽度方向为y轴建立坐标系，两半可拆分模型均可沿x轴、y轴方向移动，其中x轴方向的位移需满足大于0。
作为本发明的进一步优选，还包括宽盖板和窄盖板，所述窄盖板盖设在两半可拆分模型紧邻处的上下方，所述宽盖板紧贴所述窄盖板且沿远离试验环境方向盖设在两半可拆分模型上下方。
作为本发明的进一步优选，还包括注水口、注水口底部挡板、注水口顶部挡板以及注水口静压测试口，所述注水口与所述注水口静压测试口呈一列开设在所述模型边界等压注水装置的上方；所述注水口底部挡板和所述注水口顶部挡板设于所述模型边界等压注水装置开口内部，所述注水口底部挡板位于所述注水口与所述注水口静压测试口的下方，所述注水口顶部挡板位于所述模型边界等压注水装置与所述玻璃制裂隙网络模型接触处顶部。
作为本发明的进一步优选，还包括出水口、出水口静压测试口以及出水口顶部挡板，所述出水口与所述出水口静压测试口均开设在所述模型边界等压出水装置的上方；所述出水口顶部挡板设于所述模型边界等压出水装置开口内部，所述出水口顶部挡板位于所述模型边界等压出水装置与所述玻璃制裂隙网络模型接触处顶部。
作为本发明的进一步优选，所述模型边界等压注水装置、所述模型边界等压出水装置、所述宽盖板以及所述窄盖板所接触的边界处均封胶。
本发明还提供了一种用于裂隙网络剪切渗流的试验方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，确定窄盖板尺寸：根据所需剪切位移的大小和方向，加工相应尺寸的所述窄盖板；
步骤二，试验装置安装：将所述模型边界等压注水装置、所述模型边界等压出水装置以及所述玻璃制裂隙网络模型进行组装，并采用所述宽盖板和所述窄盖板进行固定；
步骤三，试验准备：开启水源，待水流从所述模型边界等压注水装置的所述注水口注入，直至水流从所述模型边界等压出水装置的所述出水口溢出；
步骤四，测注、出水口水流压力：待步骤三中整体水流稳定后，采用差压计在所述注水口静压测试口和所述出水口静压测试口分别测试所述注水口和所述出水口的静水压力。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的模型边界等压注水装置保证了所有裂隙开口处的水压力相等，模型边界等压出水装置保证了出水口的水压力相等，使得模拟现场为稳态流动的静水压力；
2、本发明中的玻璃制裂隙网络模型为两半可拆分模型，通过其中一半可拆分模型在x轴、y轴方向的移动，来实现裂隙网络剪切渗流室内物理模型试验；
3、本发明玻璃制裂隙网络模型中的裂隙网络由玻璃板加工制作，操作方便，成本低廉。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的整体结构俯视图；
图2是本发明的整体结构主视图；
图3是本发明的模型边界等压注水装置正视图；
图4是本发明的玻璃制裂隙网络模型正视图；
图5是本发明的模型边界等压出水装置正视图。
图中：10、模型边界等压注水装置；11、注水口；12、注水口底部挡板；13、注水口顶部挡板；14、注水口静压测试口；20、模型边界等压出水装置；21、出水口；22、出水口静压测试口；23、出水口顶部挡板；30、玻璃制裂隙网络模型；40、宽盖板；50、窄盖板。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
裂隙网络的剪切渗流室内物理模型试验可以揭示裂隙网络的剪切渗流机理，并为岩土工程的安全评估提供可靠的依据。现有技术中，存在一些缺陷，比如试样在发生剪切破坏时，剪切裂隙和裂隙网络内部裂隙均发生了变形，导致开度以及渗透系数发生了变化，无法单独确定剪切裂隙对试样整体裂隙网络渗流特性的影响；在试验过程中，测点的水压力会不断发生变化，为动水压力，无法模拟现场稳态流动的静水压力等缺陷。
基于上述问题，本申请提供了一种用于裂隙网络剪切渗流试验装置，包括如图2所示的模型边界等压注水装置10，所述模型边界等压注水装置10剖面呈c字型，其开口朝向试验环境；包括模型边界等压出水装置20，所述模型边界等压出水装置20剖面呈c字型，其开口朝向试验环境，且所述模型边界等压出水装置20开口朝向与所述模型边界等压注水装置10开口朝向相对；包括玻璃制裂隙网络模型30，所述玻璃制裂隙网络模型30为两半可拆分模型，两半可拆分模型其中一半可拆分模型远离试验环境外的一侧安装于所述模型边界等压注水装置10开口内，另一半可拆分模型远离试验环境外的一侧安装于所述模型边界等压出水装置20开口内；如图1所示，以所述玻璃制裂隙网络模型30长度方向为x轴，宽度方向为y轴建立坐标系，两半可拆分模型均可沿x轴、y轴方向移动，其中x轴方向的位移需满足大于0；
其中，所述玻璃制裂隙网络模型30是在玻璃板上用水刀切割或玻璃刀刻画或物理打击制备得到裂隙网络；在进行剪切时，只需两半可拆分模型中一半可拆分模型沿x轴或Y轴方向移动即可满足所需开度和位移，无需两半可拆分模型均进行移动。
如图4所示，本申请还包括宽盖板40和窄盖板50，所述窄盖板50盖设在两半可拆分模型紧邻处的上下方（即剪切位移部分的上下方），所述宽盖板40紧贴所述窄盖板50且沿远离试验环境方向盖设在两半可拆分模型上下方；
其中，所述宽盖板40用于夹住所述玻璃制裂隙网络模型30；所述窄盖板50用于夹住所述玻璃制裂隙网络模型30的剪切部分，所述窄盖板50的尺寸由剪切位移的大小和方向进行确定；所述模型边界等压注水装置10、所述模型边界等压出水装置20、所述宽盖板40以及所述窄盖板50紧邻的边界处进行封胶处理。
如图1所示，本申请还包括注水口11、注水口底部挡板12、注水口顶部挡板13以及注水口静压测试口14，所述注水口11与所述注水口静压测试口14均开设在所述模型边界等压注水装置10远离试验环境的一端的上方；如图3所示，所述注水口底部挡板12和所述注水口顶部挡板13设于所述模型边界等压注水装置10开口内部，所述注水口底部挡板12位于所述注水口11与所述注水口静压测试口14的下方，所述注水口顶部挡板13位于所述模型边界等压注水装置10与所述玻璃制裂隙网络模型30接触处顶部；
其中，所述注水口11和所述注水口静压测试口14位于所述模型边界等压注水装置10远离试验环境的一端的上方的位置不限定，任意一处均不影响试验结果。
如图1所示，本申请还包括出水口21、出水口静压测试口22以及出水口顶部挡板23，所述出水口21与所述出水口静压测试口22均开设在所述模型边界等压出水装置20远离试验环境的一端的上方；如图5所示，所述出水口顶部挡板23设于所述模型边界等压出水装置20开口内部，所述出水口顶部挡板23位于所述模型边界等压出水装置20与所述玻璃制裂隙网络模型30接触处顶部；
其中，所述出水口21和所述出水口静压测试口22位于所述模型边界等压出水装置20远离试验环境的一端的上方的位置不限定，任意一处均不影响试验结果。
实施例1
本申请提供一种如图2所示的优选实施例1，本实施方案由所述模型边界等压注水装置10、所述模型边界等压出水装置20以及所述玻璃制裂隙网络模型30三部分组成，将三部分组装后，在所述玻璃制裂隙网络模型30上下方夹设宽盖板40，在所述玻璃制裂隙网络模型30剪切位移上下方夹设窄盖板50，所述宽盖板40与所述窄盖板50紧贴，所述宽盖板40远离所述窄盖板50的一端与所述模型边界等压注水装置10开口内部中的注水口顶部挡板13紧贴，将所述模型边界等压注水装置10、所述模型边界等压出水装置20、所述宽盖板40以及所述窄盖板50紧贴的边界处进行封胶处理，所述玻璃制裂隙网络模型30可沿x轴、y轴方向移动。
其中，如图2所示，当往所述注水口11注入水后，水流先进入所述注水口底部挡板12与所述模型边界等压注水装置10内壁形成的空腔内，起到一定缓冲作用，当水流漫过所述注水口底部挡板12后，水流压力趋于稳定，从而保证水流流入各个裂隙时的压力相等以及流入的水流量基本一致；因水流通过所述玻璃制裂隙网络模型30中的裂隙过程中会有水压损失，所以流出所述玻璃制裂隙网络模型30后水压减小，流出后的水流充满所述模型边界等压出水装置20开口内部，此开口内部空腔有缓冲作用，使得流出所述出水口21的水流压力保持一致；整个模型水流稳定后，采用差压计在注水口静压测试口14和出水口静压测试口22分别测试所述注水口11和所述出水口21的静水压力。
本实施方案具体试验方法如下：
步骤一，确定窄盖板50尺寸：根据所需的剪切位移的大小和方向，加工相应尺寸的窄盖板50；
步骤二，试验装置安装：将模型边界等压注水装置10、模型边界等压出水装置20以及玻璃制裂隙网络模型30进行组装，并采用宽盖板40和窄盖板50进行固定，在所述模型边界等压注水装置10、所述模型边界等压出水装置20、所述宽盖板40以及所述窄盖板50所接触的边界处均进行封水处理（封胶）；
步骤三，试验准备：将玻璃制裂隙网络模型30沿x或Y轴方向移动至所需开度和剪切位移，将水流从模型边界等压注水装置10的注水口11注入，直至水流从模型边界等压出水装置20的出水口21溢出（出水口21溢出水流即为整个模型内部水压力处于稳定状态）；
步骤四，测注、出水口水流压力：待步骤三中整体水流稳定后，采用差压计在注水口静压测试口14和出水口静压测试口22分别测试注水口11和出水口21的静水压力。
本发明中的模型边界等压注水装置10保证了所有裂隙开口处的水压力相等，模型边界等压出水装置20保证了出水口的水压力相等，使得模拟现场为稳态流动的静水压力；本发明通过其中一半可拆分模型在x轴、y轴方向的移动，来实现裂隙网络剪切渗流室内物理模型试验；本发明玻璃制裂隙网络模型30中的裂隙网络由玻璃板加工制作，操作方便，成本低廉，同时因为玻璃板为透明，便于试验中对渗流的观察，为了更观察更加方便可将水源换为有色染液通过渗流可以观察有色染液在裂隙网络模块中沿不同裂隙方向的流动。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (4)
1.一种用于裂隙网络剪切渗流试验装置，其特征在于：包括模型边界等压注水装置（10），所述模型边界等压注水装置（10）剖面呈c字型，其开口朝向试验环境；
包括模型边界等压出水装置（20），所述模型边界等压出水装置（20）剖面呈c字型，其开口朝向试验环境，且所述模型边界等压出水装置（20）开口朝向与所述模型边界等压注水装置（10）开口朝向相对；
包括玻璃制裂隙网络模型（30），所述玻璃制裂隙网络模型（30）为两半可拆分模型，两半可拆分模型其中一半可拆分模型远离试验环境外的一侧安装于所述模型边界等压注水装置（10）开口内，另一半可拆分模型远离试验环境外的一侧安装于所述模型边界等压出水装置（20）开口内；
以所述玻璃制裂隙网络模型（30）长度方向为x轴，宽度方向为y轴建立坐标系，两半可拆分模型均可沿x轴、y轴方向移动，其中x轴方向的位移需满足大于0；
包括宽盖板（40）和窄盖板（50），所述窄盖板（50）盖设在两半可拆分模型紧邻处的上下方，所述宽盖板（40）紧贴所述窄盖板（50）且沿远离试验环境方向盖设在两半可拆分模型上下方；
包括注水口（11）、注水口底部挡板（12）、注水口顶部挡板（13）以及注水口静压测试口（14），所述注水口（11）与所述注水口静压测试口（14）呈一列开设在所述模型边界等压注水装置（10）的上方；所述注水口底部挡板（12）和所述注水口顶部挡板（13）设于所述模型边界等压注水装置（10）开口内部，所述注水口底部挡板（12）位于所述注水口（11）与所述注水口静压测试口（14）的下方，所述注水口顶部挡板（13）位于所述模型边界等压注水装置（10）与所述玻璃制裂隙网络模型（30）接触处顶部。
2.根据权利要求1所述的一种用于裂隙网络剪切渗流试验装置，其特征在于：还包括出水口（21）、出水口静压测试口（22）以及出水口顶部挡板（23），所述出水口（21）与所述出水口静压测试口（22）均开设在所述模型边界等压出水装置（20）的上方；所述出水口顶部挡板（23）设于所述模型边界等压出水装置（20）开口内部，所述出水口顶部挡板（23）位于所述模型边界等压出水装置（20）与所述玻璃制裂隙网络模型（30）接触处顶部。
3.根据权利要求2所述的一种用于裂隙网络剪切渗流试验装置，其特征在于：所述模型边界等压注水装置（10）、所述模型边界等压出水装置（20）、所述宽盖板（40）以及所述窄盖板（50）所接触的边界处均封胶。
4.一种基于权利要求3所述的用于裂隙网络剪切渗流试验装置的试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一，确定窄盖板尺寸：根据所需剪切位移的大小和方向，加工相应尺寸的所述窄盖板（50）；
步骤二，试验装置安装：将所述模型边界等压注水装置（10）、所述模型边界等压出水装置（20）以及所述玻璃制裂隙网络模型（30）进行组装，并采用所述宽盖板（40）和所述窄盖板（50）进行固定；
步骤三，试验准备：开启水源，待水流从所述模型边界等压注水装置（10）的所述注水口（11）注入，直至水流从所述模型边界等压出水装置（20）的所述出水口（21）溢出；
步骤四，测注、出水口水流压力：待步骤三中整体水流稳定后，采用差压计在所述注水口静压测试口（14）和所述出水口静压测试口（22）分别测试所述注水口（11）和所述出水口（21）的静水压力。
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