CN114113538B - 装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置及其试验方法，包括装配式三维交叉裂隙可视化模型、稳压供水系统、数据监测系统和高聚物注浆系统，所述装配式三维交叉裂隙可视化模型分别与稳压供水系统和高聚物注浆系统相连，所述数据监测系统用于监测装配式三维交叉裂隙可视化模型内的高聚物浆液。本发明中的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置及其试验方法，可模拟多种复杂裂隙工况，操作简便、装配灵活，为研究动水条件下高聚物浆液在三维交叉裂隙中的扩散特性提供一种可靠的工具。

Description

装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置及其试验方法

技术领域

本发明属于高聚物注浆模型技术领域，具体涉及一种装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置及其试验方法。

背景技术

受断层、岩溶等不良地质构造的影响，渗漏、突涌水是隧道施工和矿井开采过程中常遇的灾害之一。据统计，国内隧道工程建设重大事故中，因突水导致的事故约占77％，不仅会降低隧道的整体稳定性，给施工带来巨大困难，甚至严重威胁工程设备和人员安全，破坏隧址区的生态平衡。在矿业开采领域，我国因煤矿透水死亡人数占煤炭工业总死亡人数的30％以上。此外，由于突涌水灾害治理不彻底导致隧道和矿井运营阶段出现渗漏、结构失稳和塌方等问题频发，造成了恶劣的社会影响和严重的经济损失。因此，发展高效可靠的水害防治技术对保障我国隧道和矿井施工、运营安全具有迫切而重要的现实意义。

注浆作为防渗堵漏的主要手段被广泛应用于岩体工程水害防治，而注浆新材料、新技术和新理论的研究一直是国内外学者关注的热点问题。近年来，具有自膨胀性的双组分聚氨酯高聚物注浆材料(简称高聚物)及其高压注射技术发展迅猛，应用日趋广泛。与水泥浆、水玻璃等普通浆材相比，高聚物浆液具有良好的综合性能，具有反应快、高膨胀率、安全环保、防水抗渗并且耐久性好等优点，在地下工程水害防治领域显示出广阔的应用前景。

岩体工程水害防治高聚物注浆方法的原理是向岩体裂隙中注射高聚物材料，材料发生化学反应，体积迅速膨胀并固化，从而快速填充裂隙、封堵渗流通道、挤密岩体，达到控水隔水的目的。

裂隙破坏了岩体的完整性和稳定性，为地下水冲刷破坏岩体结构造成突涌水灾害提供了基础条件。在地应力的多次作用下，自然界中裂隙多以裂隙网络的形式存在，因此，探明浆液在裂隙网络中的扩散规律对注浆设计和施工具有重要的指导意义。与非膨胀性浆材主要依赖于注浆压力驱动的扩散机制不同，高聚物浆液注入阶段主要由外部注浆压力驱动，外部注浆压力消失后完全依靠自身膨胀力促使其在裂隙中继续扩散。高聚物浆液是一种复杂流体，其扩散过程与自身化学反应、环境条件、注浆参数设置、裂隙网络特征以及被注介质约束环境等因素密切相关。因此，与水泥基、水玻璃等非膨胀材料相比，高聚物在裂隙网络中的扩散机理更为复杂。

目前国内外在高聚物注浆设备和注浆工艺方面已取得重大进展，在水利交通基础设施防护领域得到了广泛应用。然而，与迅猛发展的工程实践相比，目前对高聚物注浆理论的研究相对滞后，特别是对动水条件下高聚物岩体网络裂隙注浆机理的研究尚未有相关报道，导致注浆施工主要依赖于操作人员的经验，存在较大的盲目性，这严重制约着高聚物注浆技术向精细化发展。

模型试验可以直观反映浆液的扩散行为，其相关研究对推进注浆理论有重要意义。目前国内外学者在动水条件下浆液在裂隙中的扩散规律方面已取得了一些研究成果，然而这些研究多采用不同尺寸的单裂隙平行板模型，无法反映真实地质条件下岩体裂隙间的交叉、连接；当前针对岩体裂隙网络注浆模型的研究匮乏，仅有的少量二维裂隙网络注浆试验模型难以模拟裂隙粗糙度、交叉角度等裂隙特征的多参数变化；此外，为实现裂隙注浆过程的可视化，裂隙模型多采用亚力克板制作，受材料强度限制，现有裂隙网络模型提供的水压较低，无法模拟大水深高水压环境；由于高聚物浆液特殊的膨胀扩散特性，导致常密度浆液的相关研究结果不适用于高聚物注浆材料，而目前针对动水条件下三维交叉裂隙网络高聚物注浆机理的研究尚处于空白，不能满足高聚物注浆技术向精细化发展的需要。

中国发明专利CN108169457A公开了一种可视化变开度裂隙注浆模型试验台及使用方法，包括裂隙模板，裂隙开度调节装置，模型框架与数据采集装置。模型框架由有机玻璃板组成，框架侧面安装数据监测装置；框架的底面放置开度调节装置。裂隙开度调节装置由分离式液压千斤顶与光学电动升降平台组成。裂隙模板分为单一平板裂隙与粗糙裂隙。单一平板裂隙由两块有机玻璃板组成，上侧有机玻璃板通过卡扣固定在模型架上。下侧有机玻璃板底部边缘套入橡胶皮圈安装在防变形铝板上，通过橡胶皮圈与模型架挤紧作用固定。粗糙裂隙由两块3D打印的粗糙裂隙板组成。两块粗糙裂隙板分别粘贴在上下两侧有机玻璃板上。数据采集装置安装在模型框架侧面以及上侧有机玻璃板的开孔上。对比文件设置开度调节装置，由分离式液压千斤顶与光学电动升降平台组成，设计较为复杂，且对比文件中的注浆模型能只能研究单一裂隙内的浆液扩散情况，而本申请可以研究不同角度交叉裂隙中的浆液扩散情况以及对动水条件下的注浆进行研究。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本申请提供一种装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置及其试验方法，可模拟多种复杂裂隙工况，操作简便、装配灵活，为研究动水条件下高聚物浆液在三维交叉裂隙中的扩散特性提供一种可靠的工具。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明第一方面提供一种装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置，包括装配式三维交叉裂隙可视化模型、稳压供水系统、数据监测系统和高聚物注浆系统，所述装配式三维交叉裂隙可视化模型分别与稳压供水系统和高聚物注浆系统相连，所述数据监测系统用于监测装配式三维交叉裂隙可视化模型内的高聚物浆液的扩散过程。

所述装配式三维交叉裂隙可视化模型由下至上依次包括固定板、由多种角度组成的不规则结构以及透明刻板，所述不规则结构的一端面与所述固定板的上板面相连，所述不规则结构的另一端面与所述透明刻板的下板面相连；所述不规则结构的数量为多个，多个所述不规则结构由内到外依次设置，相邻两个不规则结构与固定板、透明刻板之间组成封闭交叉裂隙，所述不规则结构的侧面设有注浆孔、进水口和出水口。

所述数据监测系统包括分别设置于装配式三维交叉裂隙可视化模型四个侧方的摄像装置、设置于交叉裂隙侧壁上的压力传感器以及设置于出水口的流量监测装置。

高聚物注浆可视化装置包括装配式三维交叉裂隙可视化模型，稳压供水系统、数据监测系统和高聚物注浆系统，其中稳压供水系统用于为装配式三维交叉裂隙可视化模型提供稳压水源，高聚物注浆系统用于对装配式三维交叉裂隙可视化模型进行注浆，数据监测系统用于监测装配式三维交叉裂隙可视化模型内的高聚物浆液的扩散过程，对相关数据进行采集和处理。

具体地，装配式三维交叉裂隙可视化模型包括固定板、不规则结构和透明刻板；底部设置固定板，用于将不规则结构固定于固定板上，能够调节裂隙开度；本申请中的裂隙开度不仅可以通过在固定板上设置不同的凹槽间隔距离来调节，而且可以通过设置不规则结构的厚度来调节。

在固定板上设置多个不规则结构，多个不规则结构由内到外依次设置，然后在不规则结构上部设置透明刻板，使得相邻两个不规则结构与固定板、透明刻板之间组成封闭交叉裂隙，用以模拟不同开度的交叉裂隙，由于不规则结构由多种角度组成，还可以用于模拟不同角度的交叉裂隙，可用于模拟多种复杂的裂隙工况。在不规则结构的侧面设置注浆口，用于与注浆管道相连，像交叉裂隙内注浆，用于监测交叉裂隙内高聚物浆液的扩散过程；设置进水口，用于像交叉裂隙内注水，研究动水条件下高聚物浆液在交叉裂隙中的扩散情况。

数据监测系统具体包括分别设置于装配式三维交叉裂隙可视化模型四个侧方的摄像装置，用于透过不规则结构对装配式三维交叉裂隙可视化模型四个侧方的高聚物扩散过程进行监测，同时还包括设置在交叉裂隙侧壁上的传感器，用于监测高聚物注浆过程中浆液的膨胀压力和裂隙渗流压力变化，在出水口处设置流量监测装置，用于监测出水口处的水流量。

作为一种可选的实施方式，在本发明提供的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置中，压力传感器包括用于监测高聚物注浆过程中浆液的膨胀压力的薄膜压力传感器和裂隙渗流压力变化的渗流压力传感器，所述薄膜压力传感器和渗流压力传感器通过数据采集仪与计算机电连，所述摄像装置通过视频采集卡与计算机电连。

在交叉裂隙的侧壁上设置薄膜压力传感器，用于监测高聚物注浆过程中浆液的膨胀压力，在交叉裂隙的侧壁上设置渗流压力传感器，用于监测交叉裂隙内渗流压力的变化，然后将薄膜压力传感器和渗流压力传感器通过数据采集仪与计算机电连，利用计算机输出数据。在装配式三维交叉裂隙可视化模型四个侧方的摄像装置，然后将摄像装置通过视频采集卡与计算机电连，利用计算机输出数据。

作为一种可选的实施方式，在本发明提供的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置中，所述稳压供水系统包括供水承压装置和空气压缩机，所述供水承压装置通过流量计与不规则结构的进水口相连，所述空气压缩机与所述供水承压装置相连。

为了确保稳压供水系统提供稳定的水压，设置供水承压装置和空气压缩机，其中供水承压装置的一侧通过输气管和输气管接头连接空气压缩机，另一侧通过供水管接头和供水管与装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化试验装置中的交叉裂隙相连，供水管上设有进水阀和电子数显流量计。同时在供水承压装置上还设置有气压调节阀和压力表。空气压缩机给供水承压装置提供压力，通过调节供水承压装置上的气压调节阀，可以调节供水承压装置内的压力，起到稳压作用，使交叉裂隙内形成稳定流场，同时通过调节供水管上进水阀，可以控制水流入交叉裂隙的流速。

作为一种可选的实施方式，在本发明提供的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置中，还包括排水系统，所述排水系统包括集水箱，所述集水箱通过流量监测装置与所述出水口相连，所述流量监测装置与计算机电连。

为了对从交叉裂隙内排出的水进行收集，还设置由排水系统，排水系统包括集水箱，将集水箱通过流量监测装置与出水口相连，同时流量监测装置与计算机相连，通过计算机输出出水口的流量数据。

作为一种可选的实施方式，在本发明提供的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置中，所述不规则结构由多块立插板通过连接钢片组成，相邻两个立插板之间填充有密封胶，所述立插板的侧面设有嵌入式隔栅。

通过多块立插板首尾拼接组成不规则结构，相邻两个立插板之间通过连接钢片进行固定，为了进一步保持密封的状态，相邻两个立插板之间填充有密封胶，通过设置立插板，通过立插板可以组成包括多个角度的任何形状，具体形状和角度可以根据设计要求进行制作，实现灵活调整。同时在立插板的侧面设置嵌入式隔栅，可以增加立插板的强度，防止在模拟大水深高水压环境时对立插板造成损坏。

作为一种可选的实施方式，在本发明提供的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置中，所述不规则结构为包含60°、90°和120°角的梯形。

作为一种可选的实施方式，在本发明提供的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置中，所述交叉裂隙以直角边为中心轴整体旋转90°，能够转换为竖直交叉裂隙模型。

作为一种可选的实施方式，在本发明提供的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置中，所述透明刻板与固定板上设有凹槽，所述不规则结构的两端面通过密封垫片固定于所述凹槽内。通过设置凹槽可以将不规则结构两端面，即立插板的两端面固定于透明刻板和固定板之间，实现对立插板的固定。

作为一种可选的实施方式，在本发明提供的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置中，外层所述不规则结构侧面的中间位置设有可封闭式注浆孔，所述可封闭式注浆孔设有堵头。

在外层不规则结构侧面的中间位置均设置可封闭时注浆孔，可以根据实验需要改变注浆孔的位置，将需要注浆的注浆孔打开，剩余的注浆孔可以关闭。具体使用时通过塞入或者拔出堵头的方式改变注浆孔的位置。

作为一种可选的实施方式，在本发明提供的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置中，所述不规则结构包括侧面为不同粗糙度的不规则结构。

将不规则结构的侧面设置为不同的粗糙度，有利于设置不同粗糙度的交叉裂隙，有利于模拟多种复杂裂隙工况。

作为一种可选的实施方式，在本发明提供的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置中，所述固定板与透明刻板之间设置有支撑工字钢，所述支撑工字钢通过螺栓进行固定。设置支撑工字钢更加有利于透明刻板和固定板之间的固定。

作为一种可选的实施方式，在本发明提供的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置中，所述进水口设于所述不规则结构的第一侧面上，所述出水口设于与所述第一侧面相邻的第二侧面上，所述第一侧面与第二侧面组成的拐角处设有堵水垫。

在第一侧面上设置进水口，用于在注浆时像交叉裂隙内注水，在于第一侧面相邻的第二侧面上设置出水口，用于排出交叉裂隙内的水，有利于研究动水条件下高聚物浆液在交叉裂隙中的扩散情况，在第一侧面和第二侧面组成的拐角处设置堵水垫，用于阻断反向流水，防止注入交叉裂隙内的水直接反向从出水口流出。

本发明第二方面提供一种装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置的试验方法，包括以下步骤：

S1、将预制的不同粗糙度的立插板首尾连接，组成多个不规则结构；

S2、按照由下至上的顺序依次组固定板、不规则结构和透明刻板，形成装配式三维交叉裂隙可视化模型，然后与可以调节供水压力的稳压供水系统、数据监测系统和高聚物注浆系统进行连接并进行装置密封性测试；

S3、设定稳压供水系统的供水压力，向装配式三维交叉裂隙可视化模型的交叉裂隙内进行稳压供水，启动高聚物注浆系统，向形成稳定流场的交叉裂隙内注入浆液，通过数据监测系统记录动水环境下高聚物浆液在交叉裂隙中的扩散过程、渗流压力、浆液压力以及进出口处的流量变化；

S4、改变注浆孔位置，改变相邻两个不规则结构之间交叉裂隙的开度或更换不同粗糙程度的不规则结构，模拟动水条件下浆液在不同角度交叉裂隙，不同开度交叉裂隙或不同粗糙度交叉裂隙中的扩散情况；

S5、当不规则结构中包括直角侧边时，以直角侧边为中心轴旋转模型，转换为竖直模型，重复步骤S1-S4即可进行竖直交叉裂隙的高聚物浆液注浆试验。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明公布的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置，包括装配式三维交叉裂隙可视化模型、稳压供水系统、数据监测系统和高聚物注浆系统，其中装配式三维交叉裂隙可视化模型包括固定板、不规则结构和透明刻板，设置固定板，用于将不规则结构固定于固定板上，同时方便在固定板上设计裂隙开度，在固定板上设置多个不规则结构，多个不规则结构由内到外依次设置，然后在不规则结构上部设置透明刻板，使得相邻两个不规则结构与固定板、透明刻板之间组成封闭交叉裂隙，用以模拟不同开度的交叉裂隙，由于不规则结构由多种角度组成，还可以用于模拟不同角度的交叉裂隙，可用于模拟多种复杂的裂隙工况。在不规则结构的侧面设置注浆口，用于与注浆管道相连，像交叉裂隙内注浆，用于监测交叉裂隙内高聚物浆液的扩散过程；设置进水口，用于像交叉裂隙内注水，研究动水条件下高聚物浆液在交叉裂隙中的扩散情况。同时设置稳压供水系统用于为装配式三维交叉裂隙可视化模型提供稳压水源，高聚物注浆系统用于对装配式三维交叉裂隙可视化模型进行注浆，数据监测系统用于监测装配式三维交叉裂隙可视化模型内的高聚物浆液的扩散过程，对相关数据进行采集和处理。

(2)本发明公布的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置，结构装配组合简单灵活，采用模块化的组装方式，方便拆装和组合，且试验样品易于取出留档。实现交叉裂隙高聚物注浆扩散可视化观测，为高聚物在交叉裂隙中的扩散特性研究提供一套较为完备的模型结构。

附图说明

图1为本发明中可视化装置结构示意图；

图2为本发明中透明刻板与固定板的连接结构示意图；

图3为透明刻板与固定板的凹槽结构示意图；

图4为单侧面粗糙的组成梯形的立插板结构示意图；

图5为图4中的A-A剖面图；

图6为图4中的B-B剖面图；

图7为单侧面光滑的组成梯形的立插板结构示意图；

图8为图7中的1-1剖面图；

图9为组成不同角度交叉裂隙结构示意图；

图10为组成不同开度交叉裂隙结构示意图；

图11为组成不同粗糙度交叉裂隙结构示意图；

图12为支撑工字钢与螺栓加固示意图；

图13为堵水垫与连接钢片结构示意图；

图14为堵头结构示意图；

图15为堵头堵住可变注浆孔结构示意图；

附图标记

11、固定板；12、不规则结构；13、透明刻板；14、交叉裂隙；15、注浆孔；16、进水口；17、出水口；18、堵水垫；

111、凹槽；112、支撑工字钢；113、螺栓；

121、立插板；122、连接钢片；123、第一梯形；124、第二梯形；125、第三梯形；126、第四梯形；127、第五梯形；127、第六梯形；

1211、嵌入式隔栅；1212、凸起端；

151、堵头；

21、摄像装置；22、流量监测装置；23、薄膜压力传感器；24、渗流压力传感器；25、数据采集仪；26、计算机；27、视频采集卡；28、排水阀；

31、供水承压装置；32、空气压缩机；33、电子数显流量计；34、输气管接头；35、供水管接头；36、进水阀；37、气压调节阀；38、压力表；

41、注浆机；42、注浆管；

51、集水箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

实施例1

一种装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置，如图1所示，包括装配式三维交叉裂隙可视化模型、稳压供水系统、数据监测系统和高聚物注浆系统，其中装配式三维交叉裂隙可视化模型分别与稳压供水系统和高聚物注浆系统相连，数据监测系统用于监测装配式三维交叉裂隙可视化模型内的高聚物浆液的扩散过程。

装配式三维交叉裂隙可视化模型由下至上依次包括固定板11、由多种角度组成的不规则结构12以及透明刻板13，不规则结构12的一端面与固定板11的上板面相连，不规则结构12的另一端面与透明刻板13的下板面相连；不规则结构12的数量为多个，多个不规则结构12由内到外依次设置，相邻两个不规则结构12与固定板11、透明刻板13之间组成封闭交叉裂隙14，不规则结构12的侧面设有注浆孔15、进水口16和出水口17。

在具体实施过程中，装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化模型的下部设置固定板11，在本实施例中，固定板11为钢刻板，选择钢刻板有利于对不规则结构12进行固定，能够调节裂隙开度；本申请中的裂隙开度不仅可以通过在固定板11上设置不同的凹槽间隔距离来调节，而且可以通过设置不规则结构12的厚度来调节。有利于模拟在不同裂隙开度下高聚物注浆的扩散情况。

在固定板11上设置由多种角度组成的不规则结构12，在具体实施过程中，不规则结构12可以为各种形状，只要包括多个角度，能够模拟不同角度即可。不规则结构12的数量为多个，多个不规则结构12由内到外依次设置，在本实施例中，不规则结构12为包括包含60°、90°和120°角的直角梯形结构，如图1或4所示，四个梯形结构由内到外依次设置，然后在梯形结构的上部设置透明刻板13，使得相邻两个不规则结构12与固定板11、透明刻板13之间组成封闭的交叉裂隙14，由于不规则结构由多种角度组成，可以用于模拟不同角度的交叉裂隙，观测角度对浆液扩散过程的影响；通过设置多个不规则结构12，使得任意两个不规则结构12之间组成交叉裂隙14，可以模拟不同开度的交叉裂隙14，观测不同开度对浆液扩散过程的影响；用于模拟多种复杂的裂隙工况。

在不规则结构12的侧面设置注浆孔15，用于与注浆管道相连，作用在于像交叉裂隙14内注浆，用于监测交叉裂隙14内高聚物浆液的扩散过程；设置进水口16，用于在注浆时像交叉裂隙内注水，设置出水口17，用于排出交叉裂隙14内的水，有利于研究动水条件下高聚物浆液在交叉裂隙14中的扩散情况。

在本实施例中，为了便于观察，透明刻板13为透明亚克力刻板。

作为进一步改进的实施方案，不规则结构12由多块立插板121通过连接钢122片组成，相邻两个立插板121之间填充有密封胶。

在具体实施过程中，不规则结构12由多块立插板121首尾拼接而成，相邻两个立插板121之间通过连接钢片122进行固定，如图8-10所示，为了进一步保持密封的状态，相邻两个立插板121之间填充有密封胶，通过设置立插板121，利用立插板121可以组成包括多个角度的任何形状，具体形状和角度可以根据设计要求进行制作，实现灵活调整。

在本实施例中，共设置四个梯形结构，由内而外分别为第一梯形123、第二梯形124、第三梯形125和第四梯形126，每个梯形结构由四块立插板121首尾拼接组成。交叉裂隙14的开度通过改变立插板121的位置进行调整，如图10所示，第一梯形123和第二梯形124可以组成开度为b1的交叉裂隙，需变换裂隙开度时去除第一梯形123，将第三梯形125拼装在相应位置，从而与第二梯形124形成开度为b2的交叉裂隙；取下第二梯形124，将第四梯形126拼装在相应位置，则与第三梯形125形成开度为b3的交叉裂隙。其他情况依次类推。

作为进一步改进的实施方案，立插板121的侧面设有嵌入式隔栅1211。

在本实施例中，为了进一步增加立插板121的强度，防止在模拟大水深高水压环境时对立插板造成损坏，在立插板121的侧面设有嵌入式隔栅1211，如图5和6所示。

作为进一步改进的实施方案，交叉裂隙14以直角边为中心轴整体旋转90°，能够转换为竖直交叉裂隙14模型，增加了本申请中可视化模型的使用场景。

作为进一步改进的实施方案，透明刻板13与固定板11上设有凹槽111，不规则结构12的两端面通过密封垫片固定于凹槽111内。

在具体实施过程中，不规则结构12的两端面可以以任何方式固定在透明刻板13与固定板11之间，只要能实现不规则结构12的两端面与透明刻板13与固定板11之间实现密封式固定即可。在本实施例中，在透明刻板13与固定板11上设有凹槽111，将不规则结构12的上下两端面，即立插板121的上下两端面插入透明刻板13与固定板11上的凹槽111内，具体可以为在立插板121的上下两端面设置凸起端1212，将凸起端1212固定在凹槽111内，为了进一步实现密封固定，本实施例中在透明刻板13与固定板11上的凹槽111内设置密封垫片。

作为进一步改进的实施方案，外层不规则结构12侧面的中间位置设有可封闭式注浆孔15。

在具体实施过程中，在外层不规则结构12侧面的中间位置设置可封闭时注浆孔15，可以根据实验需要改变注浆孔15的位置，将需要注浆的注浆孔15打开，剩余的注浆孔15可以关闭。在本实施例中，在梯形结构的上面、下面和左侧面的的中间位置设置可封闭式注浆孔15，如图4所示。

具体在实施过程中，如图10或11所示，当依次设置4个梯形结构时，即设置三个交叉裂隙14，每个交叉裂隙14中外层的梯形结构的侧面的中间位置设置可封闭时注浆孔15。

作为进一步改进的实施方案，可封闭式注浆孔15设有堵头151。

在具体实施过程中，只要能实现设置为可封闭式注浆孔15的方式均可，在本实施例中，可封闭式注浆孔15设置由堵头151，具体使用时通过塞入或者拔出堵头151的方式改变注浆孔15的位置。

作为进一步改进的实施方案，进水口16设于不规则结构的第一侧面上，出水口17设于与第一侧面相邻的第二侧面上，第一侧面与第二侧面组成的拐角处设有堵水垫18。

在具体实施过程中，在第一侧面上设置进水口16，用于在注浆时像交叉裂隙14内注水，在于第一侧面相邻的第二侧面上设置出水口17，用于排出交叉裂隙14内的水，有利于研究动水条件下高聚物浆液在交叉裂隙中的扩散情况，在第一侧面和第二侧面组成的拐角处设置堵水垫18，用于阻断反向流水，防止注入交叉裂隙14内的水直接反向从出水口流出。

在本实施例中，如图9-11所示，在梯形的第一侧面，即上面的右端设置进水口16，在第二侧面，即右侧面的上端设置出水口17，在第一侧面和第二侧面组成的拐角处设置堵水垫18，用于阻断反向流水，实现在动水条件下对高聚物浆液在交叉裂隙中的扩散情况的研究。

作为进一步改进的实施方案，不规则结构12包括侧面为不同粗糙度的不规则结构。

在具体实施过程中，将不规则结构12的侧面设置为不同的粗糙度，有利于设置不同粗糙度的交叉裂隙14，有利于模拟多种复杂裂隙工况。可以将由立插板121组成的梯形结构的侧面设置为光滑面或粗糙面，用于模拟不同粗糙度的裂隙情况。

在本实施例中，如图11所示，共设置四个梯形结构，由内而外分别为第一梯形123、第二梯形124、第五梯形127和第六梯形128，每个梯形结构由四块立插板首尾拼接组成，其中第一梯形123和第二梯形124为光滑面，第五梯形127和第六梯形128为粗糙面，交叉裂隙14的粗糙度通过更换不同粗糙度的立插板实现，如图11所示，单侧面光滑的第一梯形123和第二梯形124与单侧面粗糙的第五梯形127和第六梯形128能够形成三组不同粗糙度的交叉裂隙14模型。

作为进一步改进的实施方案，固定板11与透明刻板13之间设置有支撑工字钢112，支撑工字钢112通过螺栓113进行固定。

在本实施例中，为了进一步将固定板11与透明刻板13之间进行固定，在固定板11与透明刻板13直接设置有支撑工字钢112，且将支撑工字钢112通过强力螺栓113固定于固定板11与透明刻板13上。

作为进一步改进的实施方案，数据监测系统包括分别设置于装配式三维交叉裂隙可视化模型四个侧方的摄像装置21、设置于交叉裂隙14侧壁上的压力传感器以及设置于出水口17处的流量监测装置22。

在本实施例中，数据监测系统具体包括分别设置于装配式三维交叉裂隙可视化模型四个侧方的摄像装置21，用于透过不规则结构对装配式三维交叉裂隙14可视化模型四个侧方的高聚物扩散过程进行监测，同时还包括设置在交叉裂隙14侧壁上的传感器，用于监测高聚物注浆过程中浆液的膨胀压力和裂隙渗流压力变化，在出水口17处通过排水阀28与流量监测装置22相连，用于监测出水口17处的水流量。

作为进一步改进的实施方案，压力传感器包括用于监测高聚物注浆过程中浆液的膨胀压力的薄膜压力传感器23和裂隙渗流压力变化的渗流压力传感器24，其中薄膜压力传感器23和渗流压力传感器24通过数据采集仪25与计算机26电连，摄像装置21通过视频采集卡27与计算机26电连。

在具体实施过程中，在交叉裂隙14的侧壁上设置薄膜压力传感器23，用于监测高聚物注浆过程中浆液的膨胀压力，在交叉裂隙14的侧壁上设置渗流压力传感器24，用于监测交叉裂隙内渗流压力的变化，然后将薄膜压力传感器23和渗流压力传感器24通过数据采集仪25与计算机26电连，利用计算机26输出数据。在装配式三维交叉裂隙可视化模型四个侧方的摄像装置21，然后将摄像装置21通过视频采集卡27与计算机26电连，利用计算机26输出数据。

在本实施例中，摄像装置21为四个高清摄像头。

作为进一步改进的实施方案，稳压供水系统包括供水承压装置31和空气压缩机32，其中供水承压装置31通过流量计33与不规则结构12的进水口16相连，空气压缩机32与供水承压装置31相连。

在本实施例中，为了确保稳压供水系统提供稳定的水压，设置供水承压装置31和空气压缩机32，其中供水承压装置31的一侧通过输气管和输气管接头34连接空气压缩机32，另一侧通过供水管接头35和供水管与装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化试验装置中的交叉裂隙14相连，供水管上设有进水阀36和电子数显流量计33。同时在供水承压装置31上还设置有气压调节阀37和压力表38。空气压缩机32给供水承压装置31提供压力，通过调节供水承压装置31上的气压调节阀37，可以调节供水承压装置31内的压力，起到稳压作用，使交叉裂隙14内形成稳定流场，同时通过调节供水管上进水阀36，可以控制水流入交叉裂隙14的流速。

作为进一步改进的实施方案，高聚物注浆系统包括注浆机41和注浆管42，其中高聚物注浆机41通过注浆管42与装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化模型的注浆孔15相连。

作为进一步改进的实施方案，装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置中，还包括排水系统，排水系统包括集水箱51，其中集水箱51通过流量监测装置22与出水口17相连，流量监测装置22与计算机26电连。

在具体实施过程中，为了对从交叉裂隙内排出的水进行收集，还设置有排水系统，排水系统包括集水箱51，将集水箱51通过流量监测装置22与出水口17相连，同时流量监测装置22与计算机26相连，通过计算机26输出出水口17的流量数据。

实施例2

一种装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置的试验方法，包括以下步骤：

S1、将预制的不同粗糙度的立插板首尾连接，组成多个不规则结构；

S2、按照由下至上的顺序依次组固定板、不规则结构和透明刻板，形成装配式三维交叉裂隙可视化模型，然后与可以调节供水压力的稳压供水系统、数据监测系统和高聚物注浆系统进行连接并进行装置密封性测试；

S3、设定稳压供水系统的供水压力，向装配式三维交叉裂隙可视化模型的交叉裂隙内进行稳压供水，启动高聚物注浆系统，向形成稳定流场的交叉裂隙内注入浆液，通过数据监测系统记录动水环境下高聚物浆液在交叉裂隙中的扩散过程、渗流压力、浆液压力以及进出口处的流量变化；

S4、改变注浆孔位置，改变相邻两个不规则结构之间交叉裂隙的开度或更换不同粗糙程度的不规则结构，模拟动水条件下浆液在不同角度交叉裂隙，不同开度交叉裂隙或不同粗糙度交叉裂隙中的扩散情况；

S5、当不规则结构中包括直角侧边时，以直角侧边为中心轴旋转模型，转换为竖直模型，重复步骤S1-S4即可进行竖直交叉裂隙的高聚物浆液注浆试验。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置，其特征在于，包括装配式三维交叉裂隙可视化模型、稳压供水系统、数据监测系统和高聚物注浆系统，所述装配式三维交叉裂隙可视化模型分别与稳压供水系统和高聚物注浆系统相连，所述数据监测系统用于监测装配式三维交叉裂隙可视化模型内的高聚物浆液；

所述装配式三维交叉裂隙可视化模型由下至上依次包括固定板、由多种角度组成的不规则结构以及透明刻板，所述不规则结构的一端面与所述固定板的上板面相连，所述不规则结构的另一端面与所述透明刻板的下板面相连；所述不规则结构的数量为多个，多个所述不规则结构由内到外依次设置，相邻两个不规则结构与固定板、透明刻板之间组成封闭交叉裂隙，所述交叉裂隙以直角边为中心轴整体旋转90°，能够转换为竖直交叉裂隙模型，所述不规则结构的侧面设有注浆孔、进水口和出水口；所述不规则结构为包含60°、90°和120°角的梯形；

所述数据监测系统包括分别设置于装配式三维交叉裂隙可视化模型四个侧方的摄像装置、设置于交叉裂隙侧壁上的压力传感器以及设置于出水口的流量监测装置。

2.根据权利要求1所述的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置，其特征在于，所述压力传感器包括用于监测高聚物注浆过程中浆液的膨胀压力的薄膜压力传感器和裂隙渗流压力变化的渗流压力传感器，所述薄膜压力传感器和渗流压力传感器通过数据采集仪与计算机电连，所述摄像装置通过视频采集卡与计算机电连。

3.根据权利要求1所述的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置，其特征在于，所述稳压供水系统包括供水承压装置和空气压缩机，所述供水承压装置通过流量计与不规则结构的进水口相连，所述空气压缩机与所述供水承压装置相连。

4.根据权利要求1所述的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置，其特征在于，还包括排水系统，所述排水系统包括集水箱，所述集水箱通过流量监测装置与所述出水口相连，所述流量监测装置与计算机电连。

5.根据权利要求1-4任一所述的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置，其特征在于，所述不规则结构由多块立插板通过连接钢片组成，相邻两个立插板之间填充有密封胶，所述立插板的侧面设有嵌入式隔栅。

6.根据权利要求1-4任一所述的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置，其特征在于，所述透明刻板与固定板上设有凹槽，所述不规则结构的两端面通过密封垫片固定于所述凹槽内。

7.根据权利要求1-4任一所述的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置，其特征在于，外层所述不规则结构侧面的中间位置设有可封闭式注浆孔，所述可封闭式注浆孔设有堵头。

8.根据权利要求1-4任一所述的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置，其特征在于，所述不规则结构包括侧面为不同粗糙度的不规则结构。

9.根据权利要求1-4任一所述的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置，其特征在于，所述固定板与透明刻板之间设置有支撑工字钢，所述支撑工字钢通过螺栓进行固定。

10.如权利要求1-9任一所述的装配式三维交叉裂隙高聚物注浆可视化装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将预制的不同粗糙度的立插板首尾连接，组成多个不规则结构；

S2、按照由下至上的顺序依次组固定板、不规则结构和透明刻板，形成装配式三维交叉裂隙可视化模型，然后与可以调节供水压力的稳压供水系统、数据监测系统和高聚物注浆系统进行连接并进行装置密封性测试；

S3、设定稳压供水系统的供水压力，向装配式三维交叉裂隙可视化模型的交叉裂隙内进行稳压供水，启动高聚物注浆系统，向形成稳定流场的交叉裂隙内注入浆液，通过数据监测系统记录动水环境下高聚物浆液在交叉裂缝中的扩散过程、渗流压力、浆液压力以及进出口处的流量变化；

S4、改变注浆孔位置，改变相邻两个不规则结构之间交叉裂隙的开度或更换不同粗糙程度的不规则结构，模拟动水条件下浆液在不同角度交叉裂隙，不同开度交叉裂隙或不同粗糙度交叉裂隙中的扩散情况；

S5、当不规则结构中包括直角侧边时，以直角侧边为中心轴旋转模型，转换为竖直模型，重复步骤S1-S4即可进行竖直交叉裂隙的高聚物浆液注浆试验。