CN114839119B - 探究x型裂隙网中核素传质规律的三维模拟装置及其方法 - Google Patents

探究x型裂隙网中核素传质规律的三维模拟装置及其方法 Download PDF

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Abstract

一种用于探究X型裂隙网中核素传质规律的三维模拟装置及其方法，模拟装置包括交叉裂隙岩样组成的岩体裂隙网络系统，将岩体裂隙网络系统与外界环境隔离使其内部结构稳定且不出现渗流问题的交叉裂隙岩体模拟试验箱装置，给整个岩体裂隙网络系统提供水和力的变速率调节供给系统、以及整个试验过程中自动收集并处理各项试验数据的监测系统。本发明以中大尺度的含交叉裂隙的岩体试样为研究对象，弥补了实验室小尺度试样的不足，最大程度实现了核素在野外裂隙岩体网络系统上的准确模拟、迁移分布及预测，同时可自动监测核素在裂隙中运移的轨迹和路径，研究核素在裂隙交叉处的渗流传质规律；本发明装置简易、易操作，实施费用低。

Description

探究X型裂隙网中核素传质规律的三维模拟装置及其方法
技术领域
本发明涉及高放废物贮存、放射性核素滞留技术领域，具体涉及一种用于探究X型裂隙网中核素传质规律的三维模拟装置及其方法。
背景技术
核工业发展过程中会不可避免地产生核废料，其中高放核废料具有半衰期长、毒害性大、辐射性强等特点，需对其进行安全处置。目前国际上公认的最有效的高放废物处置方案是深地质处置，将高放废料深埋于地下数百米的岩层之中，利用多层屏障系统将其与生物圈有效隔离。然而，在长期的核废料储存过程中，储藏罐可能会因锈蚀或地质环境变迁而发生泄露，从而导致放射性核素释放进入围岩裂隙系统中并随地下水运移，威胁生态安全与人类健康。而核素在裂隙系统中运移预测的准确性直接影响地质处置库的安全评价，因此开展核素在围岩裂隙网络系统中的吸附迁移运移特征和规律，模拟预测核素运移过程和空间分布研究至关重要。
目前实验室开展核素迁移模拟过程的方法主要集中在粉末状矿物填充柱或者几厘米长的岩柱上，这样研究得出的核素吸附迁移规律的数据虽有一定的参考价值，但与实际核素在大尺度围岩裂隙中的运移特征或迁移行为相比存在较大差异，不太符合现实。由于核素在现场裂隙岩体中试验所耗费用巨大、试验场地不易选择，实施及监测、取样过程均非常困难，因此很有必要发明一套中大尺度试验装置可在实验室内开展放射性核素在围岩裂隙网络系统中的运移规律研究，弥补实验室小尺度试样的不足，最大程度实现核素在野外裂隙岩体网络系统的准确模拟和预测。
发明内容
本发明提供了一种用于探究X型裂隙网中核素传质规律的三维模拟装置及其方法。
一种用于探究X型裂隙网中核素传质规律的三维模拟装置，包括岩体裂隙网络系统、交叉裂隙岩体模拟试验箱装置、变速率调节供给系统及自动收集并处理各项试验数据的监测系统；
岩体裂隙网络系统由真实的岩体试样组成；该岩样被切割成4块，内部存在两条交叉裂隙，裂隙开度设置为0.5mm-2.5mm；为确保整个试验过程中能真实模拟实际岩体裂隙开度的变化情况，在每条裂隙中填充粒径为60-100 目的标准砂作为裂隙介质。
交叉裂隙岩体模拟试验箱装置是整个装置的核心区域，是由一个长方形的交叉裂隙岩体模拟试验箱组成，材质为不锈钢；交叉裂隙岩体模拟试验箱的左侧设置进水导管安装部，进水导管安装部用于安装进水导管，交叉裂隙岩体模拟试验箱右侧设置出水导管安装部，出水导管安装部用于安装出水导管；交叉裂隙岩体模拟试验箱的前后两侧布设共布设若干监测取样管；交叉裂隙岩体模拟试验箱上、下两侧安装有传力组件结构；交叉裂隙岩体模拟试验箱内部安装防水层，交叉裂隙岩体模拟试验箱由防水板组成，交叉裂隙岩体模拟试验箱可拆卸，防水层包裹在岩体裂隙网络系统外，对岩体裂隙网络系统密封，包裹防水层的岩体裂隙网络系统镶嵌在交叉裂隙岩体模拟试验箱中；交叉裂隙岩体模拟试验箱的前侧和后侧的各监测取样管均外接具有止水夹的橡胶胶管，各橡胶胶管外端均与取样口连通；
所述的变速率调节供给系统包括可为岩体裂隙网络系统提供水源的供水系统和提供荷载压力的加载系统；
供水系统包括供水箱、进水导管、蠕动泵和合成地下水溶液；进水导管的数量为两个，两个进水导管均穿过各自的进水导管安装部与岩体裂隙网络系统的岩体试样的两条交叉裂隙连通，两个进水导管另一端通过蠕动泵与供水箱连通，岩体裂隙网络系统的岩体试样的两条交叉裂隙与出水导管的进口端连通，出水导管的出口端与自动分数收集器连通；蠕动泵通过进水导管将供水箱中的溶液输送到交叉裂隙岩体模拟试验箱装置的岩体试样中；合成地下水溶液是参照野外岩体试样的取样地区实际地下水离子组成配制而成，
加载系统包括荷载加载器和传力组件结构；传力组件结构包括若干传力杆、承压板及支撑传力杆的支架，岩体试样的上、下两端面布设承压板，交叉裂隙岩体模拟试验箱上、下两端面也布设承压板，岩体试样端面的承压板与交叉裂隙岩体模拟试验箱端面的承压板相对应，若干传力杆穿过交叉裂隙岩体模拟试验箱，每个传力杆的两端面分别与岩体试样端面的承压板、交叉裂隙岩体模拟试验箱端面的承压板相接触；交叉裂隙岩体模拟试验箱顶部端面的承压板与荷载加载器接触；
荷载加载器施加压力于交叉裂隙岩体模拟试验箱装置上侧的传力组件结构及下侧的底座上，目的是给岩体裂隙网络系统提供相应的荷载，从而获取实验所需的不同宽度的裂隙开度；
所述自动收集并处理各项试验数据的监测系包括温度传感器和流量计数器、荷载传感器和自动分数收集器；温度传感器安装在进水导管安装部和出水导管安装部，每个监测取样管内安装流量计数器；温度传感器和流量计数器能获取岩体裂隙网络系统中在各个监测取样管位置上的流速和进水口和出水口的实时温度，便于观测核素在岩体裂隙网络系统中运移时是否会伴随大量热量的产生；荷载传感器安装在加载系统的荷载加载器上，自动分数收集器与出水导管的出口端连通；
自动分数收集器可自动定时将交叉裂隙岩体模拟试验箱装置出水口中流出液收集到试管中。
本发明的工作过程：
供水系统中多通道蠕动泵通电转动，将供水箱中的合成地下水溶液SGW 通过进水导管导入到交叉裂隙岩体模拟试验箱装置的进水导管安装部中，液体流经两条含裂隙介质的两条交叉裂隙后缓慢流到出水口，由出水导管导出后被自动分数收集器收集；其试验的过程中会定时从各监测取样管中采集一定量的溶液，待自动分数收集器收集到的流出液中核素浓度达到预想的浓度范围后，将蠕动泵和自动分数收集器断电，整个过程终止。
整个试验的过程中，水流只能从两条交叉裂隙内流动，整个岩体试样的两条交叉裂隙被填充一定级配和密度的标准砂作为裂隙介质，通过加载系统对交叉裂隙岩体模拟试验箱装置进行加压处理，可在试验的过程中改变裂隙介质的密度，从而使岩体试样的两条交叉裂隙开度呈现不同程度的闭合，探讨不同裂隙开度下核素在交叉裂隙网络系统中的迁移变化规律；通过调节蠕动泵可为实验提供不同的流速条件；整个试验研究的岩体试样属于中大型尺度，可解决现阶段实验室小尺度试样的不足，从而在实验室最大程度实现对野外裂隙岩体网络系统的准确模拟，使获取的实验数据更贴合现实，具有更强的代表性。整个装置具有较为系统的自动收集和处理各种试验数据的监测系统，可实现实时自动收集实验数据，实验过程可重复进行，实现核素在岩体裂隙网络系统中的吸附迁移模拟及渗流传质规律的研究。
一种用于探究X型裂隙网中核素传质规律的三维模拟装置的三维模拟方法，包括以下步骤：
1)、交叉裂隙岩体供水初始平衡：
按照岩体取样地区地下水离子成分配置合成地下水溶液以供选择。此处按中国西北某地区某钻孔580m深处的地下水离子成分为准；实验开始前先测定合成地下水溶液的各离子初始浓度及pH，启动蠕动泵3，在蠕动泵3的驱动下将地下水溶液泵入整个试验箱装置，导入前在进水口4和出水口9上配套一组温度传感器19，流出液最终被自动分数收集器15定时收集；设置蠕动泵3初始流速为0.1ml/h，整个过程流速非常缓慢，目的是为了排空交叉裂隙中的气泡，定时观察自动分数收集器15收集的流出液及监测取样管6采集的流出液的流量、各离子浓度、pH是否稳定，若通过观察各处的流出液的流量输出稳定且pH值及各离子浓度均与进水导管2处的初始测定结果保持基本一致，表明整个岩体裂隙网络系统供水达到初始平衡状态；
2)、吸附剂及示踪剂的选择与注入：
根据实验需求，示踪剂选择Br-离子，初始浓度设置为200mg/L；吸附剂选择核素Se(IV)，浓度设置为10mg/L；两者的初始浓度设定均按照高出天然地下水溶液该元素浓度100倍的标准给出；配置两种合成地下水溶液SGW1 和SGW2；待步骤1)达到平衡后，将步骤1)中通入的合成地下水溶液SGW1 替换成SGW2，该过程持续到自动分数收集器15收集到的样品中吸附剂Se 的浓度达到进水导管2中初始Se浓度的90％以上为止，停止实验；
3)、观测、记录和测定实验数据：
当交叉裂隙岩体供水达到平衡时，便开始正式进行观测和记录实验数据工作，整个过程都要实时观察并记录进水口4、出水口9及各监测取样管6处的温度传感器19、流量计数器18的实验数据以及加载系统上的荷载传感器16的实验数据；整个实验过程中也会定时采用注射器从取样口8中收集0.5ml 的样品，自动分数收集器15定时自动收集5ml流出液后自动转到下一个试管，最终收集的样品均进行Se和Br的浓度的测定；由于步骤2)中合成地下水溶液SGW1和SGW2替换的时间依据出水口9流出液中流出的Br和Se的测定浓度而言，故需实时监测两者浓度；整个试验过程中收集的样品上的核素Se 的浓度由ICP-OES仪测定；Br的浓度由阴离子色谱仪测定；通过观察出水口9流出液中Se和Br的C/C0-t的穿透曲线，可直观观测到Se在交叉裂隙岩体中的吸附迁移变化规律；通过对比观察交叉裂隙点附近监测取样管6的3号点位、2号点位、4号点位、7号点位及8号点位中的Se的C/C0-t的穿透曲线可探索核素Se在裂隙网络交叉点处溶质的渗流传质规律；若单独观察一条裂隙上的各个监测取样管6的1号点位～5号点位或6号点位～9号点位处Se 的C/C0-t的穿透曲线，可探索随着距离的增加，核素Se在岩体裂隙中的吸附系数的尺度效应问题。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、由于室内实验室研究核素在粉末状矿物或小尺度单裂隙岩体柱上的吸附迁移研究过于理想化，而真实情况下核素的迁移往往发生在大尺度的裂隙网络系统或破碎带上。因此该装置设计的研究对象是较大尺度的含交叉裂隙的岩体试样，弥补实验室小尺度试样的不足，最大程度实现核素在野外裂隙岩体网络系统的准确模拟，实验更具代表性，数据更贴合现实。
2、本发明在裂隙交叉点前后均布设监测取样点进行定时采样，可通过核素浓度的穿透曲线的对比分析获取核素在裂隙交叉处的渗流传质规律。
3、本发明通过在同一条裂隙不同距离处布设监测取样点，可探索核素在岩体裂隙中的吸附系数产生的尺度效应问题。
4、本发明安装自动收集和处理各项试验数据的自动监测系统，可实时观测和测量核素在裂隙网络系统中的吸附迁移变化规律。
5、在试验的过程中可通过改变地下水溶液的流速和成分及岩体交叉裂隙的裂隙开度，同时实现不同影响条件下的条件实验和平行试验。
6、装置结构简单，组装方便，数据收集自动化，实验过程可重复，节约人力成本，可广泛应用于大尺度岩体裂隙网络系统中溶质运移模拟试验研究。
附图说明
图1为发明的三维模拟装置的结构示意图；
图2为本发明的交叉裂隙岩体模拟试验箱装置的立体结构图；
图3为本发明的各监测取样管的监测点位示意图。
图中：1-供水箱，2-进水导管，3-蠕动泵，4-进水口，5-交叉裂隙岩体模拟试验箱，6-监测取样管，7-橡胶软管，8-取样口，9-出水口，10-承压板，11- 传力组件结构，12-岩体试样，13-两条交叉裂隙，14-防水层，15-自动分数收集器，16-荷载传感器，17-传力杆，18-流量计数器，19-温度传感器，20-底座， 21-出水导管，22-荷载加载器，23-支架，24-进水导管安装部，25-出水导管安装部。
具体实施方式
本发明针对室内实验室开展相关核素的吸附迁移模拟试验。
如图1和图2所示，一种用于探究X型裂隙网中核素传质规律的三维模拟装置，包括岩体裂隙网络系统、交叉裂隙岩体模拟试验箱装置、变速率调节供给系统及自动收集并处理各项试验数据的监测系统；
岩体裂隙网络系统由真实的岩体试样12组成；该岩样被切割成4块，内部存在两条交叉裂隙13，裂隙开度设置为0.5mm-2.5mm；为确保整个试验过程中能真实模拟实际岩体裂隙开度的变化情况，在每条裂隙中填充粒径为 60-100目的标准砂作为裂隙介质。
交叉裂隙岩体模拟试验箱装置是整个装置的核心区域，是由一个长方形的交叉裂隙岩体模拟试验箱5组成，尺寸大小为80*80*20cm；材质为不锈钢；交叉裂隙岩体模拟试验箱5的左侧设置进水导管安装部24，进水导管安装部 24用于安装进水导管2，交叉裂隙岩体模拟试验箱5右侧设置出水导管安装部25，出水导管安装部25用于安装出水导管21；交叉裂隙岩体模拟试验箱5 的前后两侧布设共布设9个监测取样管6，直径为1cm；交叉裂隙岩体模拟试验箱5上、下两侧安装有传力组件结构11；交叉裂隙岩体模拟试验箱5内部安装一层2cm厚的防水层14，交叉裂隙岩体模拟试验箱5由防水板组成，交叉裂隙岩体模拟试验箱5可拆卸，防水层14包裹在岩体裂隙网络系统外，对岩体裂隙网络系统密封，包裹防水层14的岩体裂隙网络系统镶嵌在交叉裂隙岩体模拟试验箱5中。交叉裂隙岩体模拟试验箱5的前侧和后侧的各监测取样管6均外接具有止水夹的橡胶胶管7，各橡胶胶管7外端均与取样口8连通。
所述的变速率调节供给系统包括可为岩体裂隙网络系统提供水源的供水系统和提供荷载压力的加载系统；
供水系统包括供水箱1、进水导管2、蠕动泵3和合成地下水溶液；进水导管2的数量为两个，两个进水导管2均穿过各自的进水导管安装部24与岩体裂隙网络系统的岩体试样12的两条交叉裂隙13连通，两个进水导管2另一端通过蠕动泵3与供水箱1连通，岩体裂隙网络系统的岩体试样12的两条交叉裂隙13与出水导管21的进口端连通，出水导管21的出口端与自动分数收集器15连通。
蠕动泵3采用BT100L型号，可通过调节流速可为整个试验过程提供可调控的驱动力，流速可控制在0.21μL/min-48mL/min，泵头采用DG10-4型，蠕动泵3通过进水导管2将供水箱1中的溶液输送到交叉裂隙岩体模拟试验箱装置的岩体试样12中；合成地下水溶液是参照野外岩体试样的取样地区实际地下水离子组成配制而成，分为两种类型为SGW1型和SGW2型：SGW1型为不含吸附剂Se(IV)和示踪剂Br-的合成地下水；SGW2型为含吸附剂Se(IV)和示踪剂Br-的合成地下水。
加载系统包括荷载加载器22和传力组件结构11；传力组件结构11包括若干传力杆17、承压板10及支撑传力杆17的支架23，岩体试样12的上、下两端面布设承压板10，交叉裂隙岩体模拟试验箱5上、下两端面也布设承压板10，岩体试样12端面的承压板10与交叉裂隙岩体模拟试验箱5端面的承压板10相对应，若干传力杆17穿过交叉裂隙岩体模拟试验箱5，每个传力杆17的两端面分别与岩体试样12端面的承压板10、交叉裂隙岩体模拟试验箱5端面的承压板10相接触；交叉裂隙岩体模拟试验箱5顶部端面的承压板 10与荷载加载器22接触。
荷载加载器22施加压力于交叉裂隙岩体模拟试验箱装置上侧的传力组件结构11及下侧的底座20上，目的是给岩体裂隙网络系统提供相应的荷载，从而获取实验所需的不同宽度的裂隙开度；所述的荷载加载器22为油压千斤顶或液压机，单个油压千斤顶的最大推力一般可达到500kN。
所述自动收集并处理各项试验数据的监测系包括温度传感器19和流量计数器18、荷载传感器16和自动分数收集器15；温度传感器19安装在进水导管安装部24和出水导管安装部25，每个监测取样管6内安装流量计数器18；温度传感器19和流量计数器18能获取岩体裂隙网络系统中在各个监测取样管6位置上的流速和进水口4和出水口9的实时温度，便于观测核素在岩体裂隙网络系统中运移时是否会伴随大量热量的产生；荷载传感器16安装在加载系统的荷载加载器22上，自动分数收集器15与出水导管21的出口端连通。
自动分数收集器15可自动定时将交叉裂隙岩体模拟试验箱装置出水口9 中流出液收集到试管中，自动分数收集器15型号为SBS-100型，可定时采样收集范围1s-200h，也可定滴采样范围1滴-9999滴，样品收集试管100支，每支最大容量12ml。试验的过程中可通过对自动分数收集器15每隔10min 收集到的液体进行稀释、测量得出流出液的流速、Se(IV)和Br-的浓度，画出 C/C0-t的浓度穿透曲线，进而实现核素在交叉裂隙岩体网络系统中吸附迁移情况的实时观测。另外，各个监测取样管6的取样情况可采用手动采集或者自动分数收集器15进行自动收集，通过对比分析交叉裂隙点位置对应的监测取样管6的3号点位中硒的浓度和周围前后取样孔6的2号点位、7号点位、4 号点位、8号点位中硒的浓度变化，可研究核素在交叉裂隙点处的渗流传质规律。通过对比一条单裂隙上不同位置的监测取样管6中的1号点位～5号点位硒浓度随时间的变化，可实时观测硒在裂隙岩体上的吸附迁移行动轨迹及探讨有效吸附系数的尺度效应问题。
本实施例的工作过程：
供水系统中多通道蠕动泵3通电转动，将供水箱1中的合成地下水溶液 SGW通过进水导管2导入到交叉裂隙岩体模拟试验箱装置5的进水导管安装部24中，液体流经两条含裂隙介质的两条交叉裂隙13后缓慢流到出水口9，由出水导管21导出后被自动分数收集器15收集；其试验的过程中会定时从各监测取样管6中采集一定量的溶液，待自动分数收集器15收集到的流出液中核素浓度达到预想的浓度范围后，将蠕动泵3和自动分数收集器15断电，整个过程终止。
整个试验的过程中，水流只能从两条交叉裂隙13内流动，整个岩体试样 12的两条交叉裂隙13被填充一定级配和密度的标准砂作为裂隙介质，通过加载系统对交叉裂隙岩体模拟试验箱装置5进行加压处理，可在试验的过程中改变裂隙介质的密度，从而使岩体试样12的两条交叉裂隙13开度呈现不同程度的闭合，探讨不同裂隙开度下核素在交叉裂隙网络系统中的迁移变化规律；通过调节蠕动泵3可为实验提供不同的流速条件；整个试验研究的岩体试样12属于中大型尺度，可解决现阶段实验室小尺度试样的不足，从而在实验室最大程度实现对野外裂隙岩体网络系统的准确模拟，使获取的实验数据更贴合现实，具有更强的代表性。整个装置具有较为系统的自动收集和处理各种试验数据的监测系统，可实现实时自动收集实验数据，实验过程可重复进行，实现核素在岩体裂隙网络系统中的吸附迁移模拟及渗流传质规律的研究。
一种用于探究X型裂隙网中核素传质规律的三维模拟装置的三维模拟方法，包括以下步骤：如图1、图2和图3所示；
1、岩体裂隙网络系统的前处理：岩体试样12根据核废料地质处置库周围围岩的不同类型大体分为花岗岩、凝灰岩、泥岩或盐岩等；此处选择花岗岩为例，岩样大小尺寸加工为80*80*20cm，先用切割法将所选岩体试样12 切割成4块，并重新对其拼接处理使其产生两条交叉裂隙13；每条交叉裂隙中间填充一定量的标准砂作为裂隙介质，可真实模拟实际岩体裂隙开度 0.5mm-2.5mm的变化情况；对交叉裂隙岩体进行重新拼接处理时，可在各监测取样管6、进水导管安装部24、及出水导管安装部25以外位置处加一层薄薄的透明止水带进行初步固定。
2、交叉裂隙岩体模拟试验箱装置的组装：整个试验箱装置都是可拆卸重组的，材质为不锈钢；为防止试验的过程中水流在岩体裂隙网络系统的交叉裂隙13中流动时出现渗水问题，对步骤1中初步拼接处理的交叉裂隙岩体布设一层由防水板组成的2cm厚的防水层14；防水板需要在进水导管安装部24、出水导管安装部25和监测取样管6位置处留出相应的空间，用于安装进水导管2、出水导管21和监测取样管6，其中每个监测取样管6内都要安装一个微型的流量计数器18，进水导管安装部24及出水导管安装部25上安装温度传感器19；防水板布设后将整个岩体裂隙网络系统镶嵌到试验箱内；其中试验箱装置左侧进水导管安装部24外接进水导管2，右侧出水导管安装部25外接出水导管21，前侧和后侧的各监测取样管6均外接一段含止水夹的橡胶胶管7；试验箱装置上侧连接传力组件结构11，依次为传力杆17、承压板10、支撑传力杆所需的支架23。下侧连接底座20；整个试验箱5重新组装后，在蠕动泵3的驱动下将地下水溶液泵入整个试验箱装置，流速根据实验需求进行设定，这里初步设置为0.1ml/h,导入前在进水口4和出水口9上配套一组温度传感器19，流出液最终被自动分数收集器15定时收集。
3、交叉裂隙岩体供水初始平衡：按照岩体取样地区地下水离子成分配置合成地下水溶液以供选择。此处按中国西北某地区某钻孔580m深处的地下水离子成分为准。实验开始前先测定合成地下水溶液的各离子初始浓度及pH，启动装置，设置蠕动泵3初始流速为0.1ml/h，整个过程流速非常缓慢，目的是为了排空交叉裂隙中的气泡，定时观察自动分数收集器15收集的流出液及监测取样管6采集的流出液的流量、各离子浓度、pH是否稳定，若通过观察各处的流出液的流量输出稳定且pH值及各离子浓度均与进水导管2处的初始测定结果保持基本一致，表明整个岩体裂隙网络系统供水达到初始平衡状态。
4、吸附剂及示踪剂的选择与注入：根据实验需求，示踪剂选择Br-离子，初始浓度设置为200mg/L；吸附剂选择核素Se(IV)，浓度设置为10mg/L；两者的初始浓度设定均按照高出天然地下水溶液该元素浓度100倍的标准给出；配置两种合成地下水溶液SGW1(不含Br和Se，步骤3中已通入该溶液)和 SGW2(含Br和Se)；待步骤3达到平衡后，将步骤3中通入的合成地下水溶液SGW1替换成SGW2，该过程持续到自动分数收集器15收集到的样品中吸附剂Se的浓度达到进水导管2中初始Se浓度的90％以上为止，停止实验。
5、观测、记录和测定实验数据：当交叉裂隙岩体供水达到平衡时，便开始正式进行观测和记录实验数据工作，整个过程都要实时观察并记录进水口 4、出水口9及各监测取样管6处的温度传感器19、流量计数器18的实验数据以及加载系统上的荷载传感器16的实验数据；整个实验过程中也会定时采用注射器从取样口8中收集0.5ml的样品，自动分数收集器15定时自动收集 5ml流出液后自动转到下一个试管，最终收集的样品均进行Se和Br的浓度的测定；由于步骤4中合成地下水溶液SGW1和SGW2替换的时间依据出水口 9流出液中流出的Br和Se的测定浓度而言，故需实时监测两者浓度；整个试验过程中收集的样品上的核素Se的浓度由ICP-OES仪测定；Br的浓度由阴离子色谱仪测定；通过观察出水口9流出液中Se和Br的C/C0-t的穿透曲线，可直观观测到Se在交叉裂隙岩体中的吸附迁移变化规律；通过对比观察交叉裂隙点附近监测取样管6的3号点位、2号点位、4号点位、7号点位及8号点位中的Se的C/C0-t的穿透曲线可探索核素Se在裂隙网络交叉点处溶质的渗流传质规律；若单独观察一条裂隙上的监测取样管6的2号点位～5号点位或6号点位～9号点位处Se的C/C0-t的穿透曲线，可探索随着距离的增加，核素Se在岩体裂隙中的吸附系数的尺度效应问题。

Claims (7)

1.用于探究X型裂隙网中核素传质规律的三维模拟装置，其特征在于：包括岩体裂隙网络系统、交叉裂隙岩体模拟试验箱装置、变速率调节供给系统及自动收集并处理各项试验数据的监测系统；
所述的岩体裂隙网络系统由真实的岩体试样(12)组成；该岩样被切割成4块，内部存在两条交叉裂隙(13)；
所述的交叉裂隙岩体模拟试验箱装置是整个装置的核心区域，是由一个长方形的交叉裂隙岩体模拟试验箱(5)组成，交叉裂隙岩体模拟试验箱(5)的左侧设置进水导管安装部(24)，进水导管安装部(24)用于安装进水导管(2)，交叉裂隙岩体模拟试验箱(5)右侧设置出水导管安装部(25)，出水导管安装部(25)用于安装出水导管(21)；交叉裂隙岩体模拟试验箱(5)的前后两侧布设共布设9个监测取样管(6)，交叉裂隙岩体模拟试验箱(5)上、下两侧安装有传力组件结构(11)；交叉裂隙岩体模拟试验箱(5)内部安装一层防水层(14)，交叉裂隙岩体模拟试验箱(5)由防水板组成，防水层(14)包裹在岩体裂隙网络系统外，对岩体裂隙网络系统密封，包裹防水层(14)的岩体裂隙网络系统镶嵌在交叉裂隙岩体模拟试验箱(5)中，交叉裂隙岩体模拟试验箱(5)的前侧和后侧的各监测取样管(6)均外接具有止水夹的橡胶胶管(7)，各橡胶胶管(7)外端均与取样口(8)连通；
所述的变速率调节供给系统包括可为岩体裂隙网络系统提供水源的供水系统和提供荷载压力的加载系统；
供水系统包括供水箱(1)、进水导管(2)、蠕动泵(3)和合成地下水溶液；进水导管(2)的数量为两个，两个进水导管(2)均穿过各自的进水导管安装部(24)与岩体裂隙网络系统的岩体试样(12)的两条交叉裂隙(13)连通，两个进水导管(2)另一端通过蠕动泵(3)与供水箱(1)连通，岩体裂隙网络系统的岩体试样(12)的两条交叉裂隙(13)与出水导管(21)的进口端连通，出水导管(21)的出口端与自动分数收集器(15)连通；蠕动泵(3)通过进水导管(2)将供水箱(1)中的溶液输送到交叉裂隙岩体模拟试验箱装置的岩体试样(12)中；
加载系统包括荷载加载器(22)和传力组件结构(11)；传力组件结构(11)包括若干传力杆(17)、承压板(10)及支撑传力杆(17)的支架(23)，岩体试样(12)的上、下两端面布设承压板(10)，交叉裂隙岩体模拟试验箱(5)上、下两端面也布设承压板(10)，岩体试样(12)端面的承压板(10)与交叉裂隙岩体模拟试验箱(5)端面的承压板(10)相对应，若干传力杆(17)穿过交叉裂隙岩体模拟试验箱(5)，每个传力杆(17)的两端面分别与岩体试样(12)端面的承压板(10)、交叉裂隙岩体模拟试验箱(5)端面的承压板(10)相接触；交叉裂隙岩体模拟试验箱(5)顶部端面的承压板(10)与荷载加载器(22)接触；荷载加载器(22)施加压力于交叉裂隙岩体模拟试验箱装置上侧的传力组件结构(11)及下侧的底座(20)上，目的是给岩体裂隙网络系统提供相应的荷载，从而获取实验所需的不同宽度的裂隙开度；
所述自动收集并处理各项试验数据的监测系包括温度传感器(19)和流量计数器(18)、荷载传感器(16)和自动分数收集器(15)；温度传感器(19)安装在进水导管安装部(24)和出水导管安装部(25)，每个监测取样管(6)内安装流量计数器(18)；温度传感器(19)和流量计数器(18)能获取岩体裂隙网络系统中在各个监测取样管(6)位置上的流速和进水口(4)和出水口(9)的实时温度，便于观测核素在岩体裂隙网络系统中运移时是否会伴随大量热量的产生；荷载传感器(16)安装在加载系统的荷载加载器(22)上，自动分数收集器(15)与出水导管(21)的出口端连通，自动分数收集器(15)可自动定时将交叉裂隙岩体模拟试验箱装置出水口(9)中流出液收集到试管中。
2.根据权利要求1所述的用于探究X型裂隙网中核素传质规律的三维模拟装置，其特征在于：所述的两条交叉裂隙(13)的裂隙开度设置为0.5mm-2.5mm；每条裂隙中填充有粒径为60-100目的标准砂作为裂隙介质。
3.根据权利要求1所述的用于探究X型裂隙网中核素传质规律的三维模拟装置，其特征在于：所述的交叉裂隙岩体模拟试验箱(5)的尺寸大小为80*80*20cm，材质为不锈钢；所述监测取样管(6)的直径为1cm；所述的防水层(14)厚度为2cm。
4.根据权利要求1所述的用于探究X型裂隙网中核素传质规律的三维模拟装置，其特征在于：所述的交叉裂隙岩体模拟试验箱(5)可拆卸。
5.根据权利要求1所述的用于探究X型裂隙网中核素传质规律的三维模拟装置，其特征在于：所述的合成地下水溶液是参照野外岩体试样的取样地区实际地下水离子组成配制而成，分为SGW1型和SGW2型：SGW1型为不含吸附剂Se(IV)和示踪剂Br-的合成地下水；SGW2型为含吸附剂Se(IV)和示踪剂Br-的合成地下水。
6.根据权利要求1所述的用于探究X型裂隙网中核素传质规律的三维模拟装置，其特征在于：所述的荷载加载器(22)为油压千斤顶或液压机。
7.权利要求1所述的用于探究X型裂隙网中核素传质规律的三维模拟装置的三维模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)、交叉裂隙岩体供水初始平衡：
按照岩体取样地区地下水离子成分配制合成地下水溶液以供选择，此处按中国西北某地区某钻孔580m深处的地下水离子成分为准；实验开始前先测定合成地下水溶液的各离子初始浓度及pH，启动蠕动泵(3)，在蠕动泵(3)的驱动下将地下水溶液泵入整个试验箱装置，导入前在进水口(4)和出水口(9)上配套一组温度传感器(19)，流出液最终被自动分数收集器(15)定时收集；设置蠕动泵(3)初始流速为0.1ml/h，整个过程流速非常缓慢，目的是为了排空交叉裂隙中的气泡，定时观察自动分数收集器(15)收集的流出液及监测取样管(6)采集的流出液的流量、各离子浓度、pH是否稳定，若通过观察各处的流出液的流量输出稳定且pH值及各离子浓度均与进水导管(2)处的初始测定结果保持基本一致，表明整个岩体裂隙网络系统供水达到初始平衡状态；
2)、吸附剂及示踪剂的选择与注入：
根据实验需求，示踪剂选择Br-离子，初始浓度设置为200mg/L；吸附剂选择核素Se(IV)，浓度设置为10mg/L；两者的初始浓度设定均按照高出天然地下水溶液该元素浓度100倍的标准给出；配制两种合成地下水溶液SGW1和SGW2；待步骤1)达到平衡后，将步骤1)中通入的合成地下水溶液SGW1替换成SGW2，该过程持续到自动分数收集器(15)收集到的样品中吸附剂Se的浓度达到进水导管(2)中初始Se浓度的90％以上为止，停止实验；
3)、观测、记录和测定实验数据：
当交叉裂隙岩体供水达到平衡时，便开始正式进行观测和记录实验数据工作，整个过程都要实时观察并记录进水口(4)、出水口(9)及各监测取样管(6)处的温度传感器(19)、流量计数器(18)的实验数据以及加载系统上的荷载传感器(16)的实验数据；整个实验过程中也会定时采用注射器从取样口(8)中收集0.5ml的样品，自动分数收集器(15)定时自动收集5ml流出液后自动转到下一个试管，最终收集的样品均进行Se和Br的浓度的测定；由于步骤2)中合成地下水溶液SGW1和SGW2替换的时间依据出水口(9)流出液中流出的Br和Se的测定浓度而言，故需实时监测两者浓度；整个试验过程中收集的样品上的核素Se的浓度由ICP-OES仪测定；Br的浓度由阴离子色谱仪测定；通过观察出水口(9)流出液中Se和Br的C/C0-t的穿透曲线，可直观观测到Se在交叉裂隙岩体中的吸附迁移变化规律；通过对比观察交叉裂隙点附近监测取样管(6)的3号点位、2号点位、4号点位、7号点位及8号点位中的Se的C/C0-t的穿透曲线可探索核素Se在裂隙网络交叉点处溶质的渗流传质规律；若单独观察一条裂隙上的监测取样管(6)的1号点位～5号点位或6号点位～9号点位处Se的C/C0-t的穿透曲线，可探索随着距离的增加，核素Se在岩体裂隙中的吸附系数的尺度效应问题。
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