CN111829934A - 一种裂隙网络剪切-两相流试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种裂隙网络剪切‑两相流试验装置及试验方法，本装置包括模型边界等压注水注气装置、模型边界水气收集装置、玻璃制裂隙网络模型、宽盖板、窄盖板以及水气收集罐，玻璃制裂隙网络模型朝向外部环境的两侧分别安装有模型边界等压注水注气装置与模型边界水气收集装置；在玻璃制裂隙网络模型上下方夹设宽盖板和窄盖板，模型边界水气收集装置外接水气收集罐，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，其中X轴方向的位移需满足大于0；本发明的装置及方法可以实现不同开度、不同剪切位移条件下的两相流试验，揭示裂隙网络的剪切‑两相流的机理。

Description

一种裂隙网络剪切-两相流试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于流体力学、岩石力学技术领域，具体涉及一种裂隙网络剪切-两相流试验装置及试验方法。

背景技术

在岩体工程中，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。此外，油气资源的开发、煤层气的开采、二氧化碳封存以及地热资源开发等地下工程中还涉及到裂隙网络的两相流动问题。为此，实现裂隙网络剪切-两相流的室内物理模型试验来揭示裂隙网络的剪切-两相流机理具有重要意义。

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-两相流机理进行研究，而实现裂隙网络剪切-两相流的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-两相流物理模型试验的难度主要在于设计可发生剪切位移的裂隙网络。

申请号为201710432090.5的发明专利公开了“一种裂隙网络两相流实验装置及方法”，该装置和方法在具体操作过程中发现存在如下问题：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，该装置和方法无法模拟不同开度、不同剪切位移的情况。

现有的两相流试验装置和方法均无法模拟裂隙网络-剪切两相流的相关试验，无法揭示裂隙网络的剪切-两相流的机理，进而对相关岩土工程的施工安全造成严重隐患。

发明内容

本发明提供一种裂隙网络剪切-两相流试验装置及试验方法，可以实现不同开度、不同剪切位移条件下的两相流试验，揭示裂隙网络的剪切-两相流的机理。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种裂隙网络剪切-两相流试验装置，包括模型边界等压注水注气装置，所述模型边界等压注水注气装置剖面呈c字型，其开口朝向试验环境；

包括模型边界水气收集装置，所述模型边界水气收集装置剖面呈c字型，其开口朝向试验环境，且所述模型边界水气收集装置开口朝向与所述模型边界等压注水注气装置开口朝向相对；

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的一侧安装于所述模型边界等压注水注气装置开口内，另一半可拆分模型远离试验环境的一侧安装于所述模型边界水气收集装置开口内；

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所述玻璃制裂隙网络模型宽度方向盖设在两半可拆分模型上下方；

包括水气收集罐，所述模型边界水气收集装置外接所述水气收集罐；

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，还包括若干注水口、若干注气口、入口底部挡板以及入口顶部挡板，若干所述注水口与若干所述注气口交错等距呈一列分布在所述模型边界等压注水注气装置上方；所述入口底部挡板和所述入口顶部挡板设于所述模型边界等压注水装置开口内部，所述入口底部挡板位于若干所述注水口与若干所述注气口的下方，所述入口顶部挡板位于所述模型边界等压注水注气装置开口内顶部与所述玻璃制裂隙网络模型接触处。

作为本发明的进一步优选，还包括若干出口和出口顶部挡板，若干所述出口呈一列开设在所述模型边界水气收集装置的上方；所述出口顶部挡板设于所述模型边界水气收集装置开口内部，所述出水口顶部挡板位于所述模型边界水气收集装置开口内顶部与所述玻璃制裂隙网络模型接触处。

作为本发明的进一步优选，所述模型边界等压注水注气装置、所述模型边界水气收集装置、所述宽盖板以及所述窄盖板所接触的边界处均封胶。

作为本发明的进一步优选，还包括液气加载装置，所述液气加载装置维持注入若干所述注水口的液体压力和注入若干所述注气口的气体压力均为所需稳定值。

本发明还提供了一种裂隙网络剪切-两相流试验装置及试验方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：确定所述窄盖板尺寸：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注气装置、所述模型边界水气收集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：在所述模型边界等压注水注气装置上接入与水源和气源连通的所述液气加载装置，在所述模型边界水气收集装置上外接所述水气收集罐，开启水源和气源，待水流从所述模型边界等压注水注气装置的若干所述注水口注入，直至水流从所述模型边界水气收集装置的若干所述出口溢出为止；

步骤四：测所述注水口、所述注气口的水压和气压以及所述出口的水气收集：所述液气加载装置记录若干所述注水口水压与若干所述注气口气压；所述水气收集罐对流出所述模型边界水气收集装置的水和气进行收集。

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、本发明中的玻璃制裂隙网络模型有效的模拟了岩体内部裂隙的分布，玻璃制裂隙网络模型的位移剪切很好的实现了一定剪切位移条件下裂隙网络剪切-两相流试验；

2、本发明揭示裂隙网络的剪切-两相流机理以及为岩土工程的安全评估提供可靠的试验手段。

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示意图；

图2是本发明的剖面结构示意图；

图3是本发明的模型边界等压注水注气装置结构示意图；

图4是本发明的玻璃制裂隙网络模型安装位置示意图；

图5是本发明的模型边界水气收集装置结构示意图。

图中：10、模型边界等压注水注气装置；11、注水口；12、注气口；13、入口底部挡板；14、入口顶部挡板；20、模型边界水气收集装置；21、出口；22、出口顶部挡板；30、玻璃制裂隙网络模型；40、宽盖板；50、窄盖板；60、水气收集罐。

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。

目前，现有技术中仅能完成单裂隙中可以实现，不同开度、不同剪切位移条件下的两相流试验，然而，裂隙在岩体中并不是孤立存在的，往往以裂隙网络的形式广泛分布于岩体内部，也就是，现有技术无法有效的揭示裂隙网络的剪切-两相流的机理；或者现有技术中模拟了裂隙网络但是无法实现不同开度、不同剪切位移条件下的两相流试验，依旧无法有效的揭示裂隙网络的剪切-两相流的机理。

基于上述问题，本申请提供了一种裂隙网络剪切-两相流试验装置，所述试验装置包括模型边界等压注水注气装置10、模型边界水气收集装置20、玻璃制裂隙网络模型30、宽盖板40、窄盖板50以及水气收集罐60，其中：

如图2所示，所述模型边界等压注水注气装置10剖面呈C字型，其开口朝向试验环境，所述模型边界水气收集装置20剖面呈C字型，其开口朝向试验环境，所述模型边界等压注水注气装置10和所述模型边界水气收集装置20开口朝向相对；所述玻璃制裂隙网络模型30为两半式可拆分模型，两半可拆分模型其中一半可拆分模型远离试验环境的一侧安装于所述模型边界等压注水注气装置10开口内，另一半可拆分模型远离试验环境的一侧安装于所述模型边界水气收集装置20开口内；如图4所示，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且沿所述玻璃制裂隙网络模型30宽度方向盖设在两半可拆分模型上下方；所述水气收集罐60与所述模型边界水气收集装置20连接；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。

实施例1

本申请提供一种如图2所示的优选实施例1，一种裂隙网络剪切-两相流试验装置，包括所述模型边界等压注水注气装置10、所述模型边界水气收集装置20、所述玻璃制裂隙网络模型30、宽盖板40、窄盖板50以及所述水气收集罐60，将这些部分按上述组装完毕，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，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注气装置10、所述模型边界水气收集装置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，本方案还包括若干注水口11、若干注气口12、入口底部挡板13以及入口顶部挡板14，若干所述注水口11与若干所述注气口12交错等距呈一列分布在所述模型边界等压注水注气装置10上方；如图2和图3所示，所述入口底部挡板13和所述入口顶部挡板14设于所述模型边界等压注水装置10开口内部，所述入口底部挡板13位于若干所述注水口11与若干所述注气口12的下方，所述入口顶部挡板14位于所述模型边界等压注水注气装置10开口内顶部与所述玻璃制裂隙网络模型30接触处；

其中，还包括液气加载装置，所述液气加载装置包括恒压水箱和高压气瓶，所述恒压水箱还连接有空气压缩机，通过所述空气压缩机对储存在所述恒压水箱中的液体进行加压。所述恒压水箱与所述高压气瓶通过三通连接至所述模型边界等压注水注气装置10上的若干所述注水口11和若干所述注气口12。气体储存在所述高压气瓶中，通过控制所述高压气瓶的阀门释放气体介质，所述恒压水箱和所述高压气瓶的出口设置精密压力表，根据所述精密压力表的读数再对进入所述模型边界等压注水注气装置10的液体和气体的压力分别进行调控，维持进入所述模型边界等压注水注气装置10的液体和气体的压力始终处于所需的稳定值内。

如图1所示，本方案还包括若干出口21和出口顶部挡板22，若干所述出口21呈一列开设在所述模型边界水气收集装置20的上方；如图2和图5所示，所述出口顶部挡板22设于所述模型边界水气收集装置20开口内部，所述出水口顶部挡板23位于所述模型边界水气收集装置20开口内顶部与所述玻璃制裂隙网络模型30接触处；

其中，还包括出口水气收集系统，所述出口水气收集系统由液体收集装置和气体收集装置组成，所述液体收集装置设有用于称重的电子秤，所述电子秤与计算机连接，所述计算机记录液体质量的变化数据，所述气体收集装置由一个倒扣在水池中注有水的容器中，所述容器与所述液体收集装置连通；从若干所述出口21出来的气液混合物，进入所述液体收集装置，经过所述电子秤称重通过所述计算机记录液体的质量变化，气体进入至所述气体收集装置中的所述容器中，挤压所述容器中的液体，通过所述气体收集装置的直径和气体排水高度计算出气体体积，得到气体体积的变化，从而测出从若干所述出口21出来的气体体积。

本实施方案还提供了一种裂隙网络剪切-两相流试验装置的试验方法，具体试验方法步骤如下：

步骤一：确定窄盖板50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注气装置10、所述模型边界水气收集装置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，并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：在所述模型边界等压注水注气装置10上接入与水源和气源连通的所述液气加载装置，在所述模型边界水气收集装置20上外接所述水气收集罐60，开启水源、气源，待水流从所述模型边界等压注水注气装置10的若干所述注水口11注入，直至水流从所述模型边界水气收集装置20的若干所述出口21溢出为止；

步骤四：测所述注水口11、所述注气口12的水压和气压以及所述出口21的水气收集：所述液气加载装置记录若干所述注水口11水压与若干所述注气口12气压；所述水气收集罐60对流出所述模型边界水气收集装置20的水和气进行收集。

如图2所示，当往所述注水口11注入水，所述注气口12注气后，水流与气体先进入所述入口底部挡板13与所述模型边界等压注水注气装置10内壁形成的空腔内，起到一定缓冲作用并得到气液混合液，当气液混合液漫过所述入口底部挡板13后，在所述入口顶部挡板14与模型边界等压注水注气装置10内壁形成的通道内，所述气液混合液压力趋于稳定，从而保证气液混合液进入各个裂隙时的压力相等以及进入的气液混合液量基本一致；因气液混合液通过所述玻璃制裂隙网络模型30中的裂隙过程中会有一定压力损失，所以流出后的气液混合液充满所述模型边界水气收集装置20开口内部，此开口内部空腔有缓冲作用，使得流出若干所述出口21的气液混合液压力保持一致。所述注水口11和所述注气口12可以通过所述液气加载装置改变对应的气压和水压，所述水气收集罐60对流出所述模型边界水气收集装置20的水和气进行收集，并可以得到相应气体体积的变化量和液体质量的变化量，从而反映在岩石裂隙网络中气压水压，对出气出水的影响。

本发明中的所述模型边界等压注水注气装置10通过所述液气加载装置保证了所有裂隙开口处的水压力气压力相等，所述模型边界水气收集装置20通过所述水气收集罐60得到相应气体体积的变化量和液体质量的变化量，从而反映在岩石裂隙网络中气压水压，对出气出水的影响，因所述玻璃制裂隙网络模型30可以沿X轴和Y轴进行位移，从而本发明可以反映在岩石裂隙网络中气压水压，在不同开度、不同位移时对出气出水的影响；本发明中的所述玻璃制裂隙网络模型30有效的模拟了岩体内部裂隙的分布，所述玻璃制裂隙网络模型30的位移剪切很好的实现了一定剪切位移条件下裂隙网络剪切-两相流试验；本发明揭示裂隙网络的剪切-两相流机理以及为岩土工程的安全评估提供可靠的试验手段。

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 (6)

1.一种裂隙网络剪切-两相流试验装置，其特征在于：包括模型边界等压注水注气装置（10），所述模型边界等压注水注气装置（10）剖面呈c字型，其开口朝向试验环境；

包括模型边界水气收集装置（20），所述模型边界水气收集装置（20）剖面呈c字型，其开口朝向试验环境，且所述模型边界水气收集装置（20）开口朝向与所述模型边界等压注水注气装置（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的一侧安装于所述模型边界等压注水注气装置（10）开口内，另一半可拆分模型远离试验环境的一侧安装于所述模型边界水气收集装置（20）开口内；

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）且沿所述玻璃制裂隙网络模型（30）宽度方向盖设在两半可拆分模型上下方；

包括水气收集罐（60），所述模型边界水气收集装置（20）外接所述水气收集罐（60）；

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。

2.根据权利要求1所述的一种裂隙网络剪切-两相流试验装置，其特征在于：还包括若干注水口（11）、若干注气口（12）、入口底部挡板（13）以及入口顶部挡板（14），若干所述注水口（11）与若干所述注气口（12）交错等距呈一列分布在所述模型边界等压注水注气装置（10）上方；所述入口底部挡板（13）和所述入口顶部挡板（14）设于所述模型边界等压注水装置（10）开口内部，所述入口底部挡板（13）位于若干所述注水口（11）与若干所述注气口（12）的下方，所述入口顶部挡板（14）位于所述模型边界等压注水注气装置（10）开口内顶部与所述玻璃制裂隙网络模型（30）接触处。

3.根据权利要求2所述的一种裂隙网络剪切-两相流试验装置，其特征在于：还包括若干出口（21）和出口顶部挡板（22），若干所述出口（21）呈一列开设在所述模型边界水气收集装置（20）的上方；所述出口顶部挡板（22）设于所述模型边界水气收集装置（20）开口内部，所述出水口顶部挡板（23）位于所述模型边界水气收集装置（20）开口内顶部与所述玻璃制裂隙网络模型（30）接触处。

4.根据权利要求3所述的一种裂隙网络剪切-两相流试验装置，其特征在于：所述模型边界等压注水注气装置（10）、所述模型边界水气收集装置（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。

5.根据权利要求4所述的一种裂隙网络剪切-两相流试验装置，其特征在于：还包括液气加载装置，所述液气加载装置维持注入若干所述注水口（11）的液体压力和注入若干所述注气口（12）的气体压力均为所需稳定值。

6.一种基于权利要求5所述装置的裂隙网络剪切-两相流试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：确定所述窄盖板（50）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注气装置（10）、所述模型边界水气收集装置（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：在所述模型边界等压注水注气装置（10）上接入与水源和气源连通的所述液气加载装置，在所述模型边界水气收集装置（20）上外接所述水气收集罐（60），开启水源和气源，待水流从所述模型边界等压注水注气装置（10）的若干所述注水口（11）注入，直至水流从所述模型边界水气收集装置（20）的若干所述出口（21）溢出为止；

步骤四：测所述注水口（11）、所述注气口（12）的水压和气压以及所述出口（21）的水气收集：所述液气加载装置记录若干所述注水口（11）水压与若干所述注气口（12）气压；所述水气收集罐（60）对流出所述模型边界水气收集装置（20）的水和气进行收集。

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