CN114279940A - 裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，包括：试验装置包括密闭的腔体，腔体用于固定具有裂隙的试样岩体，试验装置上沿第一方向的一侧设有剪切力加载组件，试验装置上沿第一方向相对的两侧还分别设有进水口和出水口，进水口和出水口均用于与裂隙导通以供带有示踪粒子的液体经由进水口流入裂隙中并经由出水口流出；可视化组件包括激光组件和两个CCD相机，激光组件用于提供光源，CCD相机用于拍摄示踪粒子；出水采集组件用于对从裂隙渗流处的水的流量进行采集测量；控制器与可视化组件电性连接。根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，能够更准确地获取裂隙内部的瞬态流场。

Description

裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统

技术领域

本申请涉及裂隙剪切渗流试验技术领域，尤其涉及一种裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统。

背景技术

裂隙岩石是水利水电、矿山、隧道开挖等工程中经常遇到的一类复杂岩体，它的强度、变形和渗透性等特征，将直接关系着工程设计、施工和运营稳定性，而这些特性具有显著的时间相关性。裂隙岩体剪切流变常常是造成岩体滑坡、围岩塌落、地下工程失稳等工程事故的主要因素。因此，开展裂隙岩体剪切渗流特性的实验研究，对于岩体工程的长期稳定性评价十分重要。同时，地下水主要沿裂隙面流动，地下水也是影响工程稳定性的重要因素，一般裂隙的渗透系数是完整岩石的几倍甚至几十倍；在应力作用下，裂隙面开度发生变化，从而导致裂隙岩体渗透性发生变化。

自然界中的岩体通常含有大量单裂隙构成，在裂隙岩体当中，完整的岩块透水性极其微弱，而流体流动的主要通道是其内部发育的单裂隙及裂隙网络，而深入探究单裂隙在剪切力的作用下局部流场结构演化特征是掌握其渗流特性的关键。

为了提高工程流体力学实验教学质量、增强学生理论与实践的结合，亟需能够开展多项流体试验的流动显示教学方面的演示系统。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，采用了粒子图像测速技术，能够准确获取裂隙内部的瞬态流场，具有较高的测量精度，可直观展示裂隙内部流体流场变化。

根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，包括：试验装置，试验装置包括密闭的腔体，腔体用于固定具有裂隙的试样岩体，试验装置上沿第一方向的一侧设有剪切力加载组件，试验装置上沿第一方向相对的两侧还分别设有进水口和出水口，进水口和出水口均用于与裂隙导通以供带有示踪粒子的液体经由进水口流入裂隙中并经由出水口流出；可视化组件，可视化组件包括激光组件和两个CCD相机，激光组件用于提供光源，CCD相机用于捕捉并拍摄示踪粒子；出水采集组件，出水采集组件用于对从裂隙渗流处的水的流量进行采集测量；控制器，控制器与可视化组件电性连接。

根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，可视化组件还包括固定座，CCD相机固定于固定座上，固定座包括底座、X轴向导轨以及Y轴向导轨，底座包括万向轴，X轴向导轨固定于万向轴的顶端，Y轴向导轨底部通过第一滑块可滑动地嵌设于X轴向导轨上，Y轴向导轨上设有第二滑块，第二滑块上设有可转动的圆盘，CCD相机设于圆盘上。

根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，CCD相机具有第一位置和第二位置，在第一位置时，CCD相机与激光组件位于试验装置的第二方向的同侧，且CCD相机与激光组件位于同一平面上，在第二位置时，CCD相机位于试验装置的第三方向的一侧，其中，第一方向、第二方向以及第三方向两两垂直。

可选地，CCD相机位于第一位置用于观测试样岩体的局部流场，液体包括罗丹明B溶液，CCD相机位于第二位置用于观测试样岩体的宏观流场，液体包括空心玻璃微珠悬浮液。

可选地，试验装置包括上盖板组件、下盖板组件、围板组件，上盖板组件、下盖板组件以及围板组件共同限定出腔体，围板组件的内侧壁上设有缓冲件，缓冲件和剪切力加载组件分别位于试验装置的第一方向相对的两侧。

可选地，缓冲件包括橡胶、硅胶、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、环氧树脂以及聚二甲基硅氧烷中的一种。

可选地，围板组件沿第一方向相对的两侧分别设有层叠的第一固定板和第二固定板，第一紧固螺栓可转动地穿设于第一固定板和第二固定板上，缓冲件设于一侧的第一固定板和第二固定板之间，第二紧固螺栓可转动地穿设于上盖板组件和围板组件上。

可选地，剪切力加载组件包括加压螺栓，另一侧的第一固定板包括沿第三方向排列的第一子板和第二子板，另一侧的第二固定板包括沿第三方向排列的第三子板和第四子板，加压螺栓可转动地穿设于第一子板和第三子板上，加压螺栓的尾端穿入腔体中，第一紧固螺栓穿设于第二子板和第四子板上。

根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，出水采集组件包括电子天平和放置于电子天平托盘上的集液器，集液器与出水口连通，还包括：水压控制组件，水压控制组件包括水泵，水泵与进水口连通；检测装置，检测装置包括第一测压传感器、第二测压传感器、温压传感器和温度传感器，第一测压传感器设于水泵与进水口之间的流路上，第二测压传感器和温度传感器设于出水口与集液器之间的流路上，温压传感器设于裂隙内。

根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，试验装置还包括封水囊，封水囊内设有入口和出口，入口和进水口通过进水管连通，出口与出水口通过出水管连通，封水囊具有弹性且用于沿裂隙的周向包裹试样岩体。

根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，采用了粒子图像测速技术，通过激光组件激发流过裂隙的示踪粒子并通过CCD相机进行捕捉拍摄，将固态粒子示踪法与激光光源结合来获取裂隙内部的流体流动图像，能够更准确地获取裂隙内部的瞬态流场，更为准确地了解裂隙局部流场演化特征及对热能传输特性的影响。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统的示意图；

图2为根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统的试验装置的剖视图；

图3为根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统的试验装置的封水囊的立体图；

图4为根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统中CCD相机在第一位置时的示意图；

图5为根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统中CCD相机在第二位置时的示意图。

附图标记：

教学系统1，

试验装置10，剪切力加载组件11，加压螺栓110，进水口12，出水口13，上盖板组件14，上盖板142，下盖板组件15，下盖板152，围板组件16，第一固定板162，第一子板1622，第二子板1624，第二固定板164，第三子板1642，第四子板1644，第五子板1646，第六子板1648，第一紧固螺栓165，第二紧固螺栓166，缓冲件17，封水囊18，

可视化组件20，激光组件21，激光器212，导光臂214，CCD相机22，

出水采集组件30，电子天平32，集液器34，

控制器40，

水压控制组件50，水泵51，

检测装置60，第一测压传感器61，第二测压传感器62，温压传感器63，温度传感器64，

试样岩体2。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

粒子图像测速技术（Paticle Image Velocimetry，缩写PIV）是通过CCD相机22、激光器212以及示踪粒子进行流速测量的流场测量技术，与传统的测量技术相比，PIV技术不会对被测流场产生干扰，并且可以实现全场瞬态测量，具有较高的测量精度。

如图1所示，根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统1，包括：试验装置10，可视化组件20、出水采集组件30以及控制器40。

试验装置10用于固定试样岩体2以及对试样岩体2加载剪切力。试验装置10包括密闭的腔体，腔体用于放置具有裂隙的试样岩体2，试样岩体2放置于腔体中时，使裂隙的延伸方向与第一方向同向。其中，试样岩体2是通过3D打印和激光蚀刻等技术获得的具有不同裂隙类型的透明模型。

如图2所示，试验装置10上沿第一方向的一侧设有剪切力加载组件11，由于试样岩体2放置于腔体中时，裂隙的延伸方向与第一方向同向，通过剪切力加载组件11对能够对试样岩体2加载剪切力。

如图2所示，试验装置10上沿第一方向相对的两侧还分别设有进水口12和出水口13，进水口12和出水口13均用于与裂隙导通以供带有示踪粒子的液体经由进水口12流入裂隙中并经由出水口13流出。供水装置与进水口12连通用于向裂隙中充入液体。其中，通常液体为包含不同示踪粒子的水溶液。

如图1、图4和图5所示，可视化组件20包括激光组件21和两个CCD相机22，激光组件21用于提供光源，照射裂隙，CCD相机22用于捕捉并拍摄示踪粒子。具体地，在观测局部流场时，激光组件21包括激光器212，通过激光器212发射脉冲激光照射裂隙局部区域，CCD相机22摄取两次或者多次曝光的示踪粒子的图像，再利用图像互相关方法分析，获得每一小区域中示踪粒子图像的平均位移，由此可以确定流场切面上区域的二维速度。在观测宏观流场时，激光组件21包括激光器212和导光臂214，通过激光器212发出点光源进入导光臂214，通过导光臂214调整激光出光的角度和位置，再经过导光臂214中的透镜组转换成具有一定厚度的激光片光再经过一系列的光路转换使光的传播方向、偏振方向和相位差等无序化，最终从射出光强分布均匀的平面光源，能够照射流场的整个切面区域，通过CCD相机22摄取两次或者多次曝光的示踪粒子的图像，再利用图像互相关方法分析，获得每一小区域中示踪粒子图像的平均位移，由此可以确定流场切面上整个区域的二维速度。

单个CCD相机22拍摄的是二维图像，通过调节两个CCD相机22的拍摄视野，使得两个CCD相机22从不同角度拍摄同一处区域，从而获取该处区域的三维立体图像。

在一些实施例中，CCD相机22选用LX8M CD相机，相机分辨率3312×2488pixel，满分辨率下16Hz，双帧间隔最短200ns，动态范围12bit，微距镜头，焦距100mm，光圈2.8mm，最小工作距离300mm。

激光器212选用双脉冲激光器，最大重复频率15Hz，激光波长532nm，单个脉冲能量200mJ/Pulse，导光臂214选用7关节导光臂，长度1.8m，工作波长532nm和266nm。

如图1所示，出水采集组件30用于对从裂隙渗流处的水的流量进行采集测量。

如图1所示，控制器40与可视化组件20电性连接，控制器40可以与出水采集组件30电性连接也可以不连接，在控制器40与出水装置电性连接时，出水采集组件30将采集到的数据直接传递给控制器40，在不连接时，可通过学生人工观测记录数据，再将记录的数据输入控制器40中，基于出水采集组件30获取到的实时出水流量，控制器40可实时计算出裂隙的实时水力开度和实时各向异性渗透率，以获得表征裂隙在剪切注水过程中的演化特性的关键参数。

试验装置10具有第一方向、第二方向以及第三方向，其中，第一方向、第二方向以及第三方向两两垂直。第一方向、第二方向以及第三方向是定义的方向，与试验装置10的宽度方向、长度方向以及高度方向一一对应，例如，如图2所示，第一方向可以是试验装置10的宽度方向，第二方向是长度方向，对应的第三方向是高度方向，或者是第一方向是试验装置10的长度方向，第二方向是试验装置10的宽度方向，对应的第三方向是高度方向。

根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统1，采用了粒子图像测速技术，通过激光组件21激发流过裂隙的示踪粒子并通过CCD相机22进行捕捉拍摄，将固态粒子示踪法与激光光源结合来获取裂隙内部的流体流动图像，能够更准确地获取裂隙内部的瞬态流场，可直观展示裂隙内部流体流场变化，更为准确地了解裂隙局部流场演化特征及对热能传输特性的影响。

根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统1，可视化组件20还包括固定座，CCD相机22固定于固定座上，固定座包括底座、X轴向导轨以及Y轴向导轨，底座包括万向轴，X轴向导轨固定于万向轴的顶端，Y轴向导轨底部通过第一滑块可滑动地嵌设于X轴向导轨上，Y轴向导轨上设有第二滑块，第二滑块上设有可转动的圆盘，CCD相机22设于圆盘上。通过固定座可以方便地调节CCD相机22的位置，从而方便调节CCD相机22的视场。

具体地，X轴向导轨可以调节CCD相机22在X轴向的位移，Y轴向导轨可以调节CCD相机22在Y轴向的位移，圆盘可转动能够调节CCD相机22与试验装置10相对的角度，圆盘可转动的角度可以是小于360°的一个角度，或者是n360°，n≧1。X轴向导轨以及第一滑块还可以构造成X轴向丝杠，Y轴向导轨以及第二滑块还可以构造成Y轴向丝杠。

圆盘通过固定轴设于第二滑块上，在一些实施例中，固定轴固定设于第二滑块上，圆盘平行于Y轴向导轨，在一些实施例中，第二滑块或者圆盘上设有导向斜面，使得圆盘与Y轴向导轨具有一定的倾斜角度，在另外一些实施例中，固定轴可沿Z轴方向转动一定的角度，使得圆盘与Y轴向导轨之间的倾斜角度可调，进而实现可以微调CCD相机22在Z轴方向的倾斜角度。

万向轴至少包括一个万向联轴器以及通过万向联轴器连接的支撑轴，可以大范围地调节CCD相机22在Z轴方向的位移，其中，X轴、Y轴以及Z轴两两垂直。

根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统1，CCD相机22具有第一位置和第二位置，在第一位置时，如图4所示，CCD相机22用于观测试样岩体2的局部流场，两个CCD相机22与激光组件21位于试验装置10的第二方向的同侧，且两个CCD相机22与激光组件21位于同一平面上，激光组件21发出点光源，其中，优选地，两个CCD相机22相对于激光组件21对称布置。在第二位置时，如图5所示，CCD相机22用于观测试样岩体2的宏观流场，激光组件21发出片光，两个CCD相机22位于试验装置10的第三方向的一侧，使得CCD相机22的拍摄视野与激光组件21照出的片光垂直。

在选择示踪粒子时，应该同时考虑示踪粒子的跟随性和光学特性，跟随性要求粒子越小越好，但光学特性要求粒子不能太小，在无接触测试中，为了提高水中示踪粒子的跟随性和测试结果的可靠性，选用粒子的粒度应尽量小。与观测试样岩体2宏观流场相比，由于观测试样岩体2的局部流场时的CCD相机22视野范围更小，用于流经裂隙的液体中的示踪粒子的粒度比观测试样岩体2宏观流场时示踪粒子的粒度更小一些，能够提高示踪粒子的跟随性以提升测试结果的可靠性。

可选地，CCD相机22位于第一位置用于观测试样岩体2的局部流场，液体包括罗丹明B（Rhodamine B）溶液。水性悬浮液中含有1%的固体，密度为1.06g/cm^3,，平均粒径0.86μm，可在532nm激光激发下散射处610nm的红光。

可选地，CCD相机22位于第二位置用于观测试样岩体2的宏观流场，液体包括空心玻璃微珠悬浮液，平均粒径15μm，流体跟随性好，可见度高。

可选地，如图2所示，试验装置10包括上盖板14、下盖板组件15、围板组件16，上盖板14、下盖板组件15以及围板组件16共同限定出腔体，围板组件16的内侧壁上设有缓冲件17，缓冲件17和剪切力加载组件11分别位于试验装置10的第一方向相对的两侧。上盖板14包括上盖板142，下盖板组件15包括下盖板152，在一些实施例中，围板组件16包括位于试验装置10前后左右四个方向的侧隔板，由于需要满足试样岩体2的裂隙在剪切时的变化，前后方向的侧隔板需要透明材质制成；在另外一些实施例中，围板组件16包括设于左右两侧的侧隔板，此时，第一方向对应为左右方向，在这些实施例中，前后两侧不设置侧隔板方便学生观测试样岩体2的裂隙在剪切时的变化或者观测液体在裂隙中的流动，起到教学的目的，加深学生对非线性流动、流线、雷诺数、层流、紊流以及涡流等流体力学知识的理解。

如图2所示，缓冲件17和剪切力加载组件11分别位于试验装置10的第一方向相对的两侧，缓冲件17是用于承受剪切力加载组件11施加于试样岩体2上引起剪切变形之后残余的力，使得缓冲件17自身产生变形，而不会影响围板组件16与上盖板14和下盖板组件15的连接。

可选地，缓冲件17包括橡胶、硅胶、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、环氧树脂以及聚二甲基硅氧烷中的一种，上述材料制成的缓冲件17使得缓冲件17可承受大变形，同时具有良好的封水性能。

可选地，如图2所示，围板组件16沿第一方向相对的两侧分别设有层叠的第一固定板162和第二固定板164，第一紧固螺栓165可转动地穿设于第一固定板162和第二固定板164上，缓冲件17设于一侧的第一固定板162和第二固定板164之间。在一些实施例中，第一方向为试验装置10的左右方向，当然第一方向还可以是试验装置10的上下方向或者前后方向。通过第一紧固螺栓165以及第一固定板162和第二固定板164的配合，能够通过拧动第一紧固螺栓165，起到一定的挤压第一固定板162和第二固定板164进而挤压试样岩体2的作用，从而能够调节试样岩体2的围压。缓冲件17设于另一侧的第一固定板162和第二固定板164之间。

在一些实施例中，如图2所示，第一固定板162位于第二固定板164远离试样岩体2的一侧，第一固定板162和第二固定板164的位置互换对本申请的功能实现没有影响，以下仅为解释说明。在第一固定板162位于第二固定板164靠近试样岩体2的一侧时，缓冲件17位于第一固定板162的靠近试样岩体2的一侧，第一固定板162与试样岩体2直接接触从而能够更好地固定试样岩体2，而剪切力加载组件11施加于试样岩体2上引起剪切变形之后产生的残余的力可以通过第一固定板162传递给缓冲件17吸收，防止第一固定板162发生损坏。通过第一紧固螺栓165与第一固定板162和第二固定板164的配合作为施加围压的部件，使得结构设置简单，降低成本，方便学生自行安装，方便教学。

在一些实施例中，第一紧固螺栓165与第一固定板162螺纹连接，第二固定板164上设有光滑孔，第一紧固螺栓165穿设于光滑孔中，第一紧固螺栓165位于腔体中的部分上还套设有限位螺母，防止第一紧固螺栓165从第二固定板164上脱出，在第一紧固螺栓165转动时，第一紧固螺栓165与第一固定板162之间产生沿第一方向的位移，而第一紧固螺栓165与第二固定板164光滑连接，此时第一紧固螺栓165在光滑孔中空转，第二固定板164与第一紧固螺栓165不发生相对位移，从而使得第二固定板164随着第一紧固螺栓165相对于第一固定板162产生位移，从而起到对试样岩体2加载或者卸载围压的作用。

可选地，如图2所示，裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统1还包括第二紧固螺栓166，第二紧固螺栓166可转动地穿设于上盖板14和围板组件16上，从而通过拧动第二紧固螺栓166按照不同的方向旋转，能够对试样岩体2加载轴压或者卸载轴压。通过第二紧固螺栓166与上盖板14和围板组件16配合作为施加轴压的部件，使得结构设置简单，降低成本，方便学生自行安装，方便教学。

在一些实施例中，第二紧固螺栓166可活动地穿设于上盖板142与第一固定板162或上盖板142与第二固定板164上。当第二紧固螺栓166穿设于上盖板142与第一固定板162上时，第二紧固螺栓166分别与上盖板142和第一固定板162螺纹连接，当第二紧固螺栓166穿设于上盖板142与第二固定板164上时，第二紧固螺栓166分别与第一固定板162和第二固定板164螺纹连接。

可选地，如图2所示，剪切力加载组件11包括加压螺栓110，另一侧的第一固定板162包括沿第三方向排列的第一子板1622和第二子板1624，另一侧的第二固定板164包括沿第三方向排列的第三子板1642和第四子板1644，第一子板1622与第三子板1642层叠，第二子板1624与第四子板1644层叠，加压螺栓110可转动地穿设于第一子板1622和第三子板1642上，加压螺栓110的尾端穿入腔体中，第一紧固螺栓165穿设于第二子板1624和第四子板1644上。

如图2所示，加压螺栓110的头部位于围板组件16外，加压螺栓110沿第一方向横向延伸，转动加压螺栓110逐渐伸入腔体中可以向固定于腔体中的试样岩体2施加剪切力。加压螺栓110作为施加剪切力的部件，使得结构设置简单，降低成本，方便学生自行安装操作，方便教学。

加压螺栓110穿设于第一子板1622和第三子板1642上，第一紧固螺栓165穿设于第二子板1624和第四子板1644上，使得加压螺栓110和第一紧固螺栓165可以分别旋转调节实现对应功能而互不影响。

同样地，如图2所示，位于缓冲件17侧的第二固定板164包括沿第三方向排列的第五子板1646和第六子板1648，缓冲件17位于第五子板1646与相邻的第一固定板162之间，第五子板1646与第三子板1642以及第一子板1622相对设置，从而使得加压螺栓110施加的剪切力经裂隙一侧的试样岩体2剪切变形之后传递到第五子板1646时，通过缓冲件17抵消，而第六子板1648不受影响从而不影响裂隙另一侧的试样岩体2的位置。在一些实施例中，第六子板1648和相邻的第一固定板162上也穿设有第一紧固螺栓165，第五子板1646和相邻的第一固定板162上也穿设有第一紧固螺栓165。

如图1所示，根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统1还包括水压控制组件50和检测装置60。

如图1所示，具体地，出水采集组件30包括电子天平32和放置于电子天平32托盘上的集液器34，集液器34与出水口14连通，集液器34用于收集从出液口流出的液体，电子天平32用于对集液器34进行称重；水压控制组件50包括水泵51，水泵51与进水口13连通，水泵51为液体进入进水口13提供动力。水泵51与控制器40电性连接，从而通过控制器40来控制水泵51的开度。

如图1所示，检测装置60包括第一测压传感器61、第二测压传感器62、温压传感器63和温度传感器64，第一测压传感器61设于水泵51与进水口12之间的流路上，用于检测进入进水口12中的液体的水压，第二测压传感器62和温度传感器64设于出水口13与集液器34之间的流路上，第二测压传感器62用于检测流经裂隙之后的流出的液体的水压，温度传感器64用于测量流经裂隙之后的流出的液体的温度，温压传感器63设于裂隙内，温压传感器63可以同时测量裂隙内液体的温度和水压，温压传感器63可以是一个或者大于一个的多个，本申请不作限制，可以根据需要设置。进入进水口12的液体的温度是设定的，因此无需测量。温压传感器63也可以替换成分开的温度传感器64和压力传感器。检测装置60与控制器40电性连接，用于向控制器40传输检测数据。

如图2和图3所示，根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统1，试验装置10还包括封水囊18，封水囊18内设有入口和出口，入口和进水口12通过进水管连通，出口与出水口13通过出水管连通，封水囊18具有弹性且用于沿裂隙的周向包裹试样岩体2。试样岩体2预制缝隙，通过封水囊18将上半部分和下半部分拼合在一起。进水管可以内置于第三子板1642中，出水管可以内置于第六子板1648中。

根据本发明实施例的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统1，能够通过激光组件21激发流过裂隙的示踪粒子并通过CCD相机22进行捕捉拍摄，能够更准确地获取裂隙内部的瞬态流场，更为准确地了解裂隙局部流场演化特征及对热能传输特性的影响。

在一些实施例中，具体的实验步骤如下：

制备样品：将岩石样品加工成100×100×50-100mm（长×宽×高）的立方体试样，通过劈裂或剪切实验制备单裂隙岩石样品作为试样岩体2。试样岩体2为高透光性的透明实验模型。

安装样品：在试样岩体2制备好之后，采用封水胶对试样岩体2的第二方向的两侧的裂隙进行封水处理，通过转动第一紧固螺栓165解除围压，将试样岩体2置于封水囊18中，保证裂隙全部位于封水囊18中，然后将其放置于下盖板152上，并依次放入第四子板1644、第三子板1642、第二子板1624、第一子板1622、第六子板1648、第五子板1646以及位于第五子板1646外侧的第一固定板162，将缓冲件17安装于第五子板1646以及第一固定板162之间，用封水胶对各个部件连接处进行封水连接处理，盖好上盖板142；转动第一紧固螺栓165施加围压，使得试样装置内部各部件紧密贴合，同时起到固定试样岩体2的作用，转动第二紧固螺栓166施加轴压，进一步固定试样岩体2。接着，根据实验需要的水压大小，同时转动第一紧固螺栓165进一步施加围压，保障在该水压范围内，水仅能通过进水管通过裂隙流向出水管。

检测封水效果：试样岩体2安装好之后，启动水压控制组件50，通水一段时间，以检测试验装置10的封水效果，如果封水效果良好，则继续实验，如果封水效果不理想，则继续转动第一紧固螺栓165调整围压。

开始实验：打开水压控制组件50，使水流经裂隙，并在出水口13能够收集到较稳定的液流，转动加压螺栓110，达到实验要求的剪切位移时停止转动，进行实验。

在上述内容的基础上，该教学系统1具体可以开展以下实验：

（1）开展不同剪切位移条件下裂隙岩体渗流实验

（2）开展恒定注水压力条件下裂隙岩体剪切渗流实验；

（3）开展恒定注水流量条件下裂隙岩体剪切渗流实验；

整个实验过程中，检测装置60对实验过程中裂隙的进水口12和出水口13处的压力及局部流场进行实时测量；水压控制组件50对渗透压力、流量进行控制并做记录，出水采集组件30对出水口13流出的水量进行称重。

实验结束：完成所有工况条件下的剪切渗流实验后，关闭水压控制组件50。解除围压，对实验装置进行清理，实验结束。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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，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，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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发明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。

Claims (10)

1.一种裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，其特征在于，包括：

试验装置，所述试验装置包括密闭的腔体，所述腔体用于固定具有裂隙的试样岩体，所述试验装置上沿第一方向的一侧设有剪切力加载组件，所述试验装置上沿第一方向相对的两侧还分别设有进水口和出水口，所述进水口和所述出水口均用于与所述裂隙导通以供带有示踪粒子的液体经由所述进水口流入所述裂隙中并经由所述出水口流出；

可视化组件，所述可视化组件包括激光组件和两个CCD相机，所述激光组件用于提供光源，所述CCD相机用于捕捉并拍摄所述示踪粒子；

出水采集组件，所述出水采集组件用于对从所述裂隙渗流处的水的流量进行采集测量；

控制器，所述控制器与所述可视化组件电性连接。

2.根据权利要求1所述的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，其特征在于，所述可视化组件还包括固定座，所述CCD相机固定于所述固定座上，所述固定座包括底座、X轴向导轨以及Y轴向导轨，所述底座包括万向轴，所述X轴向导轨固定于所述万向轴的顶端，所述Y轴向导轨底部通过第一滑块可滑动地嵌设于所述X轴向导轨上，所述Y轴向导轨上设有第二滑块，所述第二滑块上设有可转动的圆盘，所述CCD相机设于所述圆盘上。

3.根据权利要求1或2所述的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，其特征在于，所述CCD相机具有第一位置和第二位置，在所述第一位置时，所述CCD相机与所述激光组件位于所述试验装置的第二方向的同侧，且所述CCD相机与所述激光组件位于同一平面上，在所述第二位置时，所述CCD相机位于所述试验装置的第三方向的一侧，其中，所述第一方向、所述第二方向以及所述第三方向两两垂直。

4.根据权利要求3所述的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，其特征在于，所述CCD相机位于所述第一位置用于观测所述试样岩体的局部流场，所述液体包括罗丹明B溶液，所述CCD相机位于所述第二位置用于观测所述试样岩体的宏观流场，所述液体包括空心玻璃微珠悬浮液。

5.根据权利要求3所述的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，其特征在于，

所述试验装置包括上盖板组件、下盖板组件、围板组件，所述上盖板组件、所述下盖板组件以及所述围板组件共同限定出所述腔体，所述围板组件的内侧壁上设有缓冲件，所述缓冲件和所述剪切力加载组件分别位于所述试验装置的第一方向相对的两侧。

6.根据权利要求5所述的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，其特征在于，所述缓冲件包括橡胶、硅胶、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、环氧树脂以及聚二甲基硅氧烷中的一种。

7.根据权利要求5所述的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，其特征在于，所述围板组件沿第一方向相对的两侧分别设有层叠的第一固定板和第二固定板，第一紧固螺栓可转动地穿设于所述第一固定板和所述第二固定板上，所述缓冲件设于一侧的所述第一固定板和所述第二固定板之间，第二紧固螺栓可转动地穿设于所述上盖板组件和所述围板组件上。

8.根据权利要求7所述的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，其特征在于，所述剪切力加载组件包括加压螺栓，另一侧的所述第一固定板包括沿所述第三方向排列的第一子板和第二子板，另一侧的所述第二固定板包括沿所述第三方向排列的第三子板和第四子板，所述加压螺栓可转动地穿设于所述第一子板和所述第三子板上，所述加压螺栓的尾端穿入所述腔体中，所述第一紧固螺栓穿设于所述第二子板和所述第四子板上。

9.根据权利要求1所述的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，其特征在于，所述出水采集组件包括电子天平和放置于所述电子天平托盘上的集液器，所述集液器与所述出水口连通，还包括：

水压控制组件，所述水压控制组件包括水泵，所述水泵与所述进水口连通；

检测装置，所述检测装置包括第一测压传感器、第二测压传感器、温压传感器和温度传感器，所述第一测压传感器设于所述水泵与所述进水口之间的流路上，所述第二测压传感器和所述温度传感器设于所述出水口与所述集液器之间的流路上，所述温压传感器设于所述裂隙内。

10.根据权利要求1所述的裂隙岩体剪切渗流特性可视化教学系统，其特征在于，所述试验装置还包括封水囊，所述封水囊内设有入口和出口，所述入口和所述进水口通过进水管连通，所述出口与所述出水口通过出水管连通，所述封水囊具有弹性且用于沿所述裂隙的周向包裹所述试样岩体。

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