CN112179812A - 一种可视化多介质动水注浆试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可视化多介质动水注浆试验装置及方法。将不同的透明注浆介质置于下面层中，然后将粘贴有橡胶密封条的透明上面层置于注浆介质之上；将粘有橡胶垫的承压装置放在上面层之上，然后拧紧下面层两短边侧的螺栓拉杆，以保证装置的密封性；将加载装置的压头置于承压装置的压头平台上，在配重挂钩上挂上一定质量的砝码；外接稳压水源以及注浆装置，同时架设高速摄像设备，即可开展动水注浆试验。本发明可以直观地研究不同注浆介质下的动水注浆扩散规律以及注浆结石体形成模式，不仅解决了现有技术中存在的不足，还为研究动水注浆规律提供新的试验方法和思路。
Description
技术领域
本发明涉及一种可视化多介质动水注浆试验装置及试验方法。
背景技术
注浆技术是有效解决地下工程中水灾害问题的常用手段之一。在注浆工程中有很多是用于高压、高流速、大流量的堵水，这时候假定注浆过程中仅存在静水是不符合工程实际的。实际上，动水条件下的注浆过程是浆液、水以及注浆介质的动态耦合作用过程。由于浆液及被注岩土介质性质复杂，注浆工程又属于地下隐蔽工程，目前还没有非常完善的动水注浆数学模型，理论研究仍落后于工程实践。而相似模型试验是开展动水注浆规律研究的重要手段，它以科学而系统的相似理论为基础，确保模型系统与原型系统之间的匹配与联系，从而可以提高试验结果的可信度。
然而在现有相关试验设备中，往往仅能研究单一的注浆介质，无法模拟出多种类型的可注岩土介质。有的动水注浆装置是完全密封的，无法直观地观察到浆液与动水在注浆介质中的动态作用规律。还有的动水注浆装置只考虑了浆液与水之间的两相流动过程，没有考虑实际工程所处的应力环境。
基于以上原因，需要一种能够考虑多种介质以及注浆应力环境的可视化动水注浆试验装置及方法被设计出来。本发明针对动水注浆试验的需求进行设计，在相似理论的基础上可以近似模拟出注浆工程中浆液在动水条件下的扩散规律，为研究动水注浆提供新的试验方法和思路。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种可视化多介质动水注浆试验装置及方法，可以研究不同注浆介质下的动水注浆扩散规律以及注浆结石体形成模式，不仅解决了现有技术中存在的不足，还为研究动水注浆规律提供新的试验方法和思路。
本发明的技术解决方案是：
一种可视化多介质动水注浆试验装置，包括上面层、注浆介质、下面层、加载装置、承压装置、动水入口箱以及废液出口箱。
所述下面层为凹槽型，所述动水入口箱和废液出口箱分别设置在下面层的凹槽两端，下面层、动水入口箱和废液出口箱构成注浆介质空间。所述注浆介质置于所述注浆介质空间内，形成注浆介质层。所述上面层与所述注浆介质空间形状适配，上面层扣合在注浆介质之上并将所述注浆介质空间密闭。所述承压装置设在上面层上，将加载装置的压力均匀传递至上面层上。所述动水入口箱与注浆介质空间之间设置入水闸门，所述废液出口箱与注浆介质空间之间设置排液闸门。下面层底部设注浆孔。
所述下面层置于平台架上，所述平台架设四条平台架腿，平台架腿侧面上方焊接吊环、底面设置万向轮，以便于整个试验装置的吊装和移动。
所述上面层选用透明材质，如有机玻璃，其尺寸略小于所述下面层内部空间尺寸，所述上面层四周贴一层橡胶密封条。
所述下面层由矩形钢板制作，其中两长边侧设置一定高度的侧向约束边，形成凹槽型，约束边两端均对向设置一个螺栓拉杆，用于控制约束边变形。
所述承压装置由四个直角梯形的带肋钢板焊接而成，正好与所述上面层的对角线重合。
所述承压装置的带肋钢板的底面粘贴一层橡胶垫，带肋钢板相互交叉部位焊接多层肋板，其中位于带肋钢板顶部的一层肋板兼做压头平台。
所述加载装置由支腿、杠杆和压头构成，所述支腿竖直固定于下面层约束边的中部，所述杠杆的一端铰接在支腿的顶部，所述压头铰接在杠杆的中部并且与压头平台位置相对应；所述杠杆的另一端设置配重挂钩。
所述压头处于与所述压头平台接触位置时，所述杠杆处于水平位置，以防止所述加载装置的杠杆在配重后转角过大。
所述动水入口箱位于下面层一侧的面的下半部分封闭，上半部分焊接金刚纱网并设置闸门。所述动水入口箱底面中心部位设置外接水源的注水孔，顶面设置一个排气孔。
所述废液出口箱位于下面层一侧的面的下半部分封闭，上半部分焊接金刚纱网并设置闸门。所述废液出口箱后面中心偏下部位设置一个排水孔。
所述压头的下端镶嵌一个可自由转动的钢珠。
一种使用本发明可视化多介质动水注浆试验装置进行可视化多介质动水注浆试验的方法，其步骤如下：
步骤1. 根据试验要求确定注浆介质
选择平面裂隙介质、多孔介质或大孔隙多孔介质；
平面裂隙通过在下面层内部四角放置指定厚度的裂隙垫圈来模拟，则浆液在平面裂隙介质中的流动抽象为Navier-Stokes方程；
多孔介质采用指定渗透率的透明砂来模拟，则浆液在多孔介质中的流动抽象为Darcy定律；
大孔隙多孔介质采用透明岩体碎块来模拟，则浆液在大孔隙多孔介质中的流动抽象为Brinkman方程。
步骤2. 将上面层放在注浆介质之上；然后将承压装置放于上面层之上；最后将加载装置的压头置于承压装置的压头平台上。
步骤3. 将下面层长边两端的螺栓拉杆用高强螺帽拧紧；然后根据所需荷载大小在配重挂钩上挂上砝码；最后将动水入口箱外接承压水源，在注浆孔处外接注浆设备及注浆材料，在试验装置上方架设高速摄像机。
步骤4. 根据试验需要，将动水入口箱的闸门和废液出口箱的闸门打开一定开度，然后将外接承压水源打开，使得动水在注浆介质中保持设定的流速。
步骤5. 打开注浆设备，同时打开高速摄像机记录浆液扩散过程，可以测出浆液扩散速度及形态变化。
步骤6. 在注浆扩散形态保持稳定后，在承压水源中加入示踪颜料，再次打开高速摄像机，可以测出注浆后的动水速度。
本发明的有益效果是：发明装置及方法，可以实现多种岩土介质的动水注浆模拟，提高了试验平台的使用效率；注浆介质及上面层均采用透明材料制作，浆液扩散过程全程可视化，便于直观研究浆液扩散形态及过程；设置加载装置，便于考虑实际工程中的应力环境；设置吊环及万向轮方便吊装与运移，预留进水孔和注浆孔，可以外接不同形式的动水水源与注浆装置，灵活多变。
附图说明
图1是本发明可视化多介质动水注浆试验装置整体示意图。
图2是本发明可视化多介质动水注浆试验装置结构示意图。
图3是本发明压头细部结构示意图。其中，a图是压头立体示意图，b图是压头剖面图。
图4是本发明动水入口箱结构示意图。其中，a图是动水入口箱立体示意图，b图是其仰视图。
图5是本发明废液出口箱构造示意图。其中，a图是动水入口箱立体示意图，b图是其仰视图。
图中：1-上面层，2-注浆介质，3-下面层，4-平台架，5-动水入口箱，6-废液出口箱，7-螺栓拉杆，8-高强螺帽，9-平台架腿，10-万向轮，11-吊环，12-加载装置，13-压头，14-配重挂钩，15-承压装置；16-橡胶垫，17-肋板，18-橡胶密封条，19-裂隙垫圈，20-注浆孔，21-排气口，22-进水口，23-闸门，24-拉手，25-滑槽，26-排水口，27-钢珠。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例：
一种可视化多介质动水注浆试验装置，包括上面层1、注浆介质2、下面层3、平台架4、加载装置12、承压装置15、动水入口箱5以及废液出口箱6。
如图1及图2，注浆介质2位于上面层1和下面层3之间。
所述上面层由矩形有机玻璃板制作，其尺寸略小于所述下面层内部空间尺寸，所述上面层四周粘贴橡胶防水条18。
所述下面层3由矩形钢板制作，其中两长边侧设置一定高度的侧向约束边，约束边两端各设置一个螺栓拉杆7，并由高强螺帽8施加预紧力；另外两短边侧分别焊接所述动水入口箱5和所述废液出口箱6。所述下面层3焊接在所述平台架4上，所述下面层3和所述平台架4靠近所述动水入口箱5位置设置一个可以外接注浆设备的注浆孔20。下面层3焊接在平台架4上，平台架4的四个角各设置一个平台架腿9，从而为下方注浆提供操作空间。平台架腿9底面设置万向轮10，上面外侧焊接吊环11，便于整个装置的移动和吊装。
所述承压装置15由四个直角梯形的带肋钢板焊接而成，正好构成所述上面层的对角线。带肋钢板的厚度要尽可能不影响所述上面层正上方的视野。所述承压装置的带肋钢板底面粘贴一层橡胶垫16，以保证承压装置15传力均匀；带肋钢板相互交叉部位焊接三层肋板17，最上面一层肋板兼做压头平台。承压装置15放置在上面层1之上。
所述加载装置12由支腿、杠杆和压头13构成，所述支腿竖直固定于下面层约束边的中部，所述杠杆的一端交接在支腿的顶部，所述压头13交接在杠杆的中部并且与压头平台位置相对应。所述杠杆的另一端设置配重挂钩14。承压装置15通过压头13与加载装置12相接触。压头13细部构造如图3所示。压头铰接在所述加载装置上，压头下端镶嵌一个可自由转动的钢珠27。
如图4及图5，动水入口箱5上面一侧设置排气口21，下面中间设置进水口22；动水入口箱5与下面层3相连接的一面上半部分焊接一层金刚纱网，内侧设置可以上下抽拉的闸门23；闸门23上部中间设置拉手24，两侧设置滑槽25；废液出口箱6外侧设置一个排水口26；废液出口箱6与下面层3相连接的一面上半部分焊接一层金刚纱网，内侧设置可以上下抽拉的闸门23；闸门23上部中间设置拉手24，两侧设置滑槽25。
可视化多介质动水注浆试验装置的试验方法，其步骤如下：
步骤1. 根据试验要求确定合适的注浆介质，该装置可以选择平面裂隙介质、多孔介质和大孔隙多孔介质；平面裂隙通过在下面层内部四角放置指定厚度的裂隙垫圈19来模拟，则浆液在该介质中的流动可以抽象为Navier-Stokes方程；多孔介质采用指定渗透率的透明砂来模拟，则浆液在该介质中的流动可以抽象为Darcy定律；大孔隙多孔介质采用透明岩体碎块来模拟，则浆液在该介质中的流动可以抽象为Brinkman方程。
步骤2. 将上面层1放在注浆介质2之上；然后将承压装置15放于上面层1之上；最后将加载装置的压头13置于承压装置15的压头平台上。
步骤3. 将下面层3长边两端的螺栓拉杆7用高强螺帽8拧紧；然后根据所需荷载大小在配重挂钩14上挂上砝码；最后将动水入口箱5外接承压水源，在注浆孔20处外接注浆设备及注浆材料，在试验装置上方架设高速摄像机。
步骤4. 根据试验需要，将闸门23打开一定开度的出水口，然后将外接承压水源打开，使得动水在注浆介质2中保持一定的流速。
步骤5. 打开注浆设备，同时打开高速摄像机记录浆液扩散过程，可以测出浆液扩散速度及形态变化。
步骤6. 在注浆扩散形态保持稳定后，在承压水源中加入示踪颜料，再次打开高速摄像机，可以测出注浆后的动水速度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种可视化多介质动水注浆试验装置，包括上面层、注浆介质、下面层、加载装置、承压装置、动水入口箱以及废液出口箱；其特征是：
所述下面层为凹槽型，所述动水入口箱和废液出口箱分别设置在下面层的凹槽两端，下面层、动水入口箱和废液出口箱构成注浆介质空间；所述注浆介质置于所述注浆介质空间内，形成注浆介质层；所述上面层与所述注浆介质空间形状适配，上面层扣合在注浆介质之上并将所述注浆介质空间密闭；所述承压装置设在上面层上，将加载装置的压力均匀传递至上面层上；所述动水入口箱与注浆介质空间之间设置入水闸门，所述废液出口箱与注浆介质空间之间设置排液闸门；下面层底部设注浆孔。
2.根据权利要求1所述可视化多介质动水注浆试验装置，其特征是：所述下面层置于平台架上；所述上面层选用透明材质，所述上面层四周贴一层橡胶密封条。
3.根据权利要求1所述可视化多介质动水注浆试验装置，其特征是：所述下面层由矩形钢板制作，其中两长边侧设置一定高度的侧向约束边，形成凹槽型，约束边两端均对向设置一个螺栓拉杆，用于控制约束边变形。
4.根据权利要求1所述可视化多介质动水注浆试验装置，其特征是：所述承压装置由四个直角梯形的带肋钢板焊接而成，与所述上面层的对角线重合。
5.根据权利要求1所述可视化多介质动水注浆试验装置，其特征是：所述承压装置的带肋钢板的底面粘贴一层橡胶垫，带肋钢板相互交叉部位焊接多层肋板，其中位于带肋钢板顶部的一层肋板兼做压头平台。
6.根据权利要求1所述可视化多介质动水注浆试验装置，其特征是：所述加载装置由支腿、杠杆和压头构成，所述支腿竖直固定于下面层约束边的中部，所述杠杆的一端铰接在支腿的顶部，所述压头铰接在杠杆的中部并且与压头平台位置相对应；所述杠杆的另一端设置配重挂钩。
7.根据权利要求1所述可视化多介质动水注浆试验装置，其特征是：所述压头处于与所述压头平台接触位置时，所述杠杆处于水平位置。
8.根据权利要求1所述可视化多介质动水注浆试验装置，其特征是：所述动水入口箱位于下面层一侧的面的下半部分封闭，上半部分焊接金刚纱网并设置闸门；所述动水入口箱底面中心部位设置外接水源的注水孔，顶面设置一个排气孔；
所述废液出口箱位于下面层一侧的面的下半部分封闭，上半部分焊接金刚纱网并设置闸门；所述废液出口箱后面中心偏下部位设置一个排水孔。
9.根据权利要求1所述可视化多介质动水注浆试验装置，其特征是：所述压头的下端镶嵌一个可自由转动的钢珠。
10.一种使用权利要求1-9之一所述的可视化多介质动水注浆试验装置进行可视化多介质动水注浆试验的方法，其步骤如下：
步骤1. 根据试验要求确定注浆介质
选择平面裂隙介质、多孔介质或大孔隙多孔介质；
平面裂隙通过在下面层内部四角放置指定厚度的裂隙垫圈来模拟，则浆液在平面裂隙介质中的流动抽象为Navier-Stokes方程；
多孔介质采用指定渗透率的透明砂来模拟，则浆液在多孔介质中的流动抽象为Darcy定律；
大孔隙多孔介质采用透明岩体碎块来模拟，则浆液在大孔隙多孔介质中的流动抽象为Brinkman方程；
步骤2. 将上面层放在注浆介质之上；然后将承压装置放于上面层之上；最后将加载装置的压头置于承压装置的压头平台上；
步骤3. 将下面层长边两端的螺栓拉杆用高强螺帽拧紧；然后根据所需荷载大小在配重挂钩上挂上砝码；最后将动水入口箱外接承压水源，在注浆孔处外接注浆设备及注浆材料，在试验装置上方架设高速摄像机；
步骤4. 根据试验需要，将动水入口箱的闸门和废液出口箱的闸门打开一定开度，然后将外接承压水源打开，使得动水在注浆介质中保持设定的流速；
步骤5. 打开注浆设备，同时打开高速摄像机记录浆液扩散过程，可以测出浆液扩散速度及形态变化；
步骤6. 在注浆扩散形态保持稳定后，在承压水源中加入示踪颜料，再次打开高速摄像机，可以测出注浆后的动水速度。
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