CN116539813B - 一种壁面粗糙可调的裂隙介质微生物矿化封堵模型装置 - Google Patents
一种壁面粗糙可调的裂隙介质微生物矿化封堵模型装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种壁面粗糙可调的裂隙介质微生物矿化封堵模型装置。其中，封堵模型包括由多个裂隙块相互贴合构成的裂隙板，每个所述裂隙块的周侧均设有疏水层；还包括调整机构，调整机构包括安装板和均匀布置在安装板上的多个升降机构,多个所述裂隙块一一连接在多个所述升降机构上。封堵装置采用上述封堵模型。本发明结构简单、使用方便了，根据实验所需，通过调整不同位置处裂隙块的高度即可得到不同粗糙、起伏的裂隙面，方便探究不同粗糙、起伏的裂隙面对实验数据的影响。
Description
技术领域
本发明涉及微生物矿化封堵技术领域，尤其涉及一种壁面粗糙可调的裂隙介质微生物矿化封堵模型装置。
背景技术
微生物矿化技术利用微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）原理实现岩土介质防渗加固，是近几年发展起来的一种新型岩土体生态防渗加固方法。相比于传统水泥胶结防渗加固，微生物矿化技术可减小对生态环境的影响，具有适用范围广、施工扰动小、灌浆压力低以及环境友好等优势。
目前基于微生物矿化技术的研究成果与应用案例，多集中在土体等多孔介质的加固改性方面，而在岩体等裂隙介质防渗密封领域的工程应用相对较少，特别是室内裂隙防渗模拟实验中所用的封堵模型还常存以下缺陷：
1、封堵模型的结构过于简单，裂隙壁面的粗糙程度和起伏形式固定，难以根据多变的实验目的高效便捷的调整壁面的粗糙程度与起伏形式，无法客观复刻真实裂隙起伏多变的壁面特征，导致室内模拟结果的客观可信度较低；
2、实验过程中因待测样品的裂隙壁面粗糙程度与起伏形式固定不变，每次实验仅能测评一类特定粗糙程度或起伏形式的裂隙壁面对微生物矿化封堵功效的影响，若需考察多种壁面粗糙程度或起伏形式对裂隙介质防渗封堵的影响，必须大批量制备待测样品，造成实验成本高昂、测试周期漫长，因此局限性较大。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种壁面粗糙可调的裂隙介质微生物矿化封堵模型装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
公开一种壁面粗糙可调的裂隙介质微生物矿化封堵模型，包括由多个裂隙块相互贴合构成的裂隙板，还包括调整机构，调整机构包括安装板和均匀布置在安装板上的多个升降机构,多个裂隙块一一连接在多个升降机构上，通过升降机构即可改变裂隙块的位置即可获得不同粗糙、起伏的裂隙面。
优选的，每个裂隙块的周侧均设有疏水层，两个疏水层贴合后形成防水，避免相邻两块裂隙块之间的缝隙出现渗水。
优选的，升降机构具有升降轴，升降轴靠近裂隙块的一端具有定位板，且裂隙块的底部可覆盖住定位板，定位板和裂隙块上均开设有多组相互配合的螺纹孔，相互配合的螺纹孔之间通过螺丝连接，实现裂隙块在升降机构上可拆卸，同时裂隙块在安装到升降机构的过程中，利用相互配合的螺纹孔还可对裂隙块的安装位置进行定位。
还公开一种壁面粗糙可调的裂隙介质微生物矿化封堵装置，包括上述的封堵模型，还包括透明的底板和顶板，底板的底部可拆卸的连接在安装板用于安装升降机构的一面，底板沿竖直方向开设有两端贯通的装配槽，多个升降机构均处于装配槽内，裂隙板的周侧与装配槽的槽壁贴合，装配槽的槽壁也设有疏水层，底板的顶部在靠近装配槽两侧的部位均开设有蓄水槽，蓄水槽具有供微生物浆液通过的通孔，蓄水槽与装配槽之间共用一侧壁，且侧壁的高度小于蓄水槽的槽深，顶板可拆卸的安装在底板的顶部，且与裂隙板的之间具有间隙。
优选的，底板上还开设有贯通蓄水槽的掏槽孔，掏槽孔上可拆卸的安装有封堵件。
优选的，顶板与底板之间通过螺栓可拆卸连接，在顶板与底板接触的部位设有橡胶垫圈，顶板具有用于安装橡胶垫圈的垫圈槽。
还包括注浆机构，注浆机构包括注浆管、压力表、蠕动泵和记录装置，记录装置架设在顶板的正上方，两个通孔中一个为注浆孔，另一个为出口，注浆管的排液端接通注浆孔，蠕动泵设于注浆管上，压力表设于注浆管位于蠕动泵到排液端的部位。
基于上述一种壁面粗糙可调的裂隙介质微生物矿化封堵模型装置，还提供一种碳酸钙厚度数据的获取方法，具体步骤如下：
步骤1：通过3D激光扫描获取装配有裂隙板的底板在沉淀碳酸钙前后的三维坐标数据，其中，沉淀有碳酸钙的底板在扫描前需要自然风干，自然风干后在表面涂抹显影剂；
步骤2：将所获得的三维坐标数据导入Polyworks软件生成底板在沉淀碳酸钙前后的模型一和模型二，并分别建立模型一和模型二的三维坐标，根据三维坐标调整模型一和模型二的位置，使模型一和模型二中的封堵模型完全重合，多余的部分则为碳酸钙；
步骤3：对多余的部分进行求高度偏差，得到碳酸钙的分布云图，其中，求高度偏差即求模型一和模型二对应X、Y轴都相同的某点的Z轴距离。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明所公开的封堵模型可根据实验所需，通过调整不同位置处裂隙块高度即可得到不同粗糙、起伏的裂隙面，方便探究不同粗糙、起伏的裂隙面对实验数据的影响；
2、利用设置的透明底板和顶板，在进行封堵岩石裂隙的实验过程中，整个注浆过程可视化，同时可在不干扰实验的情况下，直观的观察到封堵模型裂隙内碳酸钙沉淀的情况；
3、设置的蓄水槽，使得微生物浆液以流层状态流经裂隙面，整个过程微生物浆液的流动路径平滑规则，微生物浆液中的方解石则会尽可能的覆盖在所流动区域，进而保证实验结果的准确性；
4、利用设置的橡胶垫圈，在进行封堵岩石裂隙的实验过程中，可防止溶液渗出模型，同时还可探究张开度对实验数据的影响。
附图说明
图1是本发明的封堵模型的结构示意图；
图2是本发明的模拟装置的侧视图；
图3是本发明的模拟装置的剖视图；
图4是本发明的底板的俯视图；
图5是本发明中具有确定JRC值的Barton曲线的示意图；
图6是本发明的裂隙板的制造流程图；
图7是本发明中碳酸钙厚度数据的获取流程图。
附图标识：1、裂隙板，11、裂隙块，2、疏水层，3、调整机构，31、安装板，32、升降机构，321、升降轴，322、定位板，4、底板，41、装配槽，42、蓄水槽，43、通孔，44、掏槽孔，5、顶板，6、橡胶垫圈，7、注浆机构，71、注浆管，72、压力表，73、蠕动泵，74、记录装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例公开一种壁面粗糙可调的裂隙介质微生物矿化封堵模型，其裂隙面的粗糙、起伏度可调整，具体的，如图1-2所示，该封堵模型包括由多个裂隙块11相互贴合构成的裂隙板1，裂隙板1的表面即为裂隙面，还包括调整机构3，调整机构3包括安装板31和均匀布置在安装板31上的多个升降机构32,多个裂隙块11一一连接在多个升降机构32上，实施时，通过升降机构32改变裂隙块11的位置即可改变裂隙板1上裂隙面的粗糙、起伏度，在实际使用过程中可根据实验所需获得不同粗糙、起伏度的裂隙面。
优选的，在进行模拟微生物矿化封堵实验室时，为了避免相邻两个裂隙块11之间的缝隙出现渗水，每个裂隙块11的周侧均设有疏水层2，相邻两个裂隙块11之间的疏水层2贴合后形成防水，进而避免裂隙面出现渗水的情况。
作为上述实施例的优选方案，裂隙块11在升降机构32上为了实现可拆卸安装，升降机构32具有升降轴321，升降轴321靠近裂隙块11的一端具有定位板322，且裂隙块11的底部可覆盖住定位板322，定位板322和裂隙块11上均开设有多组相互配合的螺纹孔，相互配合的螺纹孔之间通过螺丝连接，其中，定位板322和裂隙块11上的螺纹孔相互配合还可以起到对裂隙块11安装位置定位的作用。
上述裂隙板1采用ABS材料通过3D打印制成，如图5所示，裂隙板1的制造方法包括如下步骤：
步骤1：将具有确定JRC裂隙值的Barton曲线在高分辨率条件下提取像素点信息；
步骤2：将提取的像素点信息转换成数字矩阵并导入三维制图软件，在三维制图软件内将曲线补充成为一个封闭图形，并将封闭图形拉升为长方体；
步骤3：通过3D打印机将裂隙块11打印出来，放入调整机构3，裂隙块自动拼接成所需的裂隙板1。
本实施例中的裂隙板1利用3D打印技术制备，所制备的裂隙板1上的裂隙面精度极高为0.01mm，使得封堵岩石裂隙的实验数据更加客观可信，同时还可快速、批量制作不同JRC裂隙的裂隙板1。
实施例2
本实施例公开一种用于微生物注浆循环的模拟装置，如图2-4所示，包括上述封堵模型，还包括透明的底板4和顶板5，具体的，底板4的底部可拆卸的连接在安装板31用于安装升降机构32的一面，底板4沿竖直方向开设有两端贯通的装配槽41，多个所述升降机构22均处于装配槽41内，其中，装配槽41的大小及形状与裂隙板1的大小及形状相同，裂隙板1的周侧与装配槽41的槽壁贴合，底板4的顶部在靠近装配槽41两侧的部位均开设有蓄水槽42，蓄水槽42具有供微生物浆液通过的通孔43，顶板5可拆卸的安装在底板4的顶部，且与裂隙板1的之间具有间隙，上述两个通孔43中，一个作为注浆孔，一个作为排液口，底板4和顶板5连接后，顶板5与裂隙板1之间的间隙与两个蓄水槽42共同构成流动池，其中，蓄水槽42与装配槽41之间共用一侧壁，且侧壁的高度小于蓄水槽42的槽深，在顶板5连接到底板4后保证蓄水槽42内的液体可以进入顶板5与裂隙板1之间的间隙。
在进行模拟微生物矿化封堵实验室前，根据实验需求调整裂隙板1的裂隙面，在进行模拟微生物矿化封堵实验室时，将微生物浆液从注浆孔注入流动池，再从排液口排出，此过程中，微生物浆液先进入蓄水槽42后再流经裂隙板1的裂隙面，蓄水槽42可以使得微生物浆液以流层状态流经裂隙面，使得微生物浆液的流动路径平滑规则，微生物浆液中的方解石（碳酸钙）则会尽可能的覆盖在所流动区域，保证实验结果的准确性，整个实验过程利用底板4和顶板5的透明性，可以在不干扰实验的情况下，直观的观察到碳酸钙在封堵模型上的沉淀的情况。
作为上述实施例的优选方案，如图3-4所示，蓄水槽42的槽壁也设有疏水层2，蓄水槽42上的疏水层2与裂隙板1上的疏水层2贴合也形成防水，避免封堵模型与蓄水槽42之间的缝隙出现渗水情况。
作为上述实施例的优选方案，底板4和顶板5均采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制成，聚甲基丙烯酸甲酯是一种高分子聚合物，具有高透明度，低价格。
作为上述实施例的优选方案，疏水层2具有弹性，采用的是专利CN201310162892.0所公开的疏水材料制成。
实施例3
在实施例2的基础上，如图2所示，蓄水槽42作为微生物浆液的缓冲地带会沉淀堆积碳酸钙，考虑到沉淀堆积的碳酸钙会影响微生物浆液的正常运移，为此在底板4上还开设贯通蓄水槽42的掏槽孔44，掏槽孔44上可拆卸的安装有封堵件，通过设置的掏槽孔44实现对蓄水槽42内沉淀堆积的碳酸钙清理，在清理蓄水槽42内沉淀堆积的碳酸钙时，首先封堵流动池的注浆孔和排液口，防止流动池内部的微生物浆液在非循环过程中流出，再开掏槽孔44对蓄水槽42内沉淀堆积的碳酸钙进行清理，清除完毕后需用注射器从掏槽孔44向内注入蒸馏水以填充被清除那部分碳酸钙的空间，最后通过封堵件再次封堵掏槽孔44即可，具体的，封堵件可以是橡胶塞。
实施例4
在实施例2或3的基础上，如图2-3所示，在顶板5与底板4接触的部位设有橡胶垫圈6，具体的，顶板5上设有用于安装橡胶垫圈6的垫圈槽，顶板5与底板4之间通过螺栓可拆卸连接；
上述橡胶垫圈6的作用具有如下两个：
1、用以控制流动池的张开度，可进行张开度对微生物矿化封堵实验的影响探究，具体的，顶板5与底板4用螺栓连接在一起，位于顶板5与底板4之间的橡胶垫圈6被压缩进而使得流动池达到一定的张开度，通过松紧螺栓即可改变橡胶垫圈6被压缩的强度，进而可调整流动池的张开度；
2、流动池中的微生物浆液在运移过程中为了防止从顶板5与底板4之间的部位渗出。
本实施例所公开的模拟装置，在进行封堵岩石裂隙的实验过程中，可根据实验需要控制模拟装置的张开度，进而可探究张开度对微生物矿化封堵实验数据的影响。
实施例5
在实施例4的基础上，如图6所示，还包括注浆机构，注浆机构包括注浆管71、压力表72、蠕动泵73和记录装置74，记录装置74架设在顶板5的正上方，两个所述通孔43中一个为注浆孔，另一个为出口，注浆管71的排液端接通注浆孔，蠕动泵73设于注浆管71上，压力表72设于注浆管71位于蠕动泵73到排液端的部位，上述的记录装置74用于记录注浆全流程，上述的压力表72用于测量流动池内部压力，实施时，微生物浆液由注浆管71注入流动池内，微生物浆液注入流动池的动力由蠕动泵73提供，具体的，注浆口处的流量是固定的，当流动池出现封堵后，为了排除相同的体积的溶液即泵入多排出多少，封堵区域附近溶液流速会增加，若封堵区域多，排出的溶液体积小于泵入的，则流动池内部压力增加，所以可以通过测量流动池内部压力变相测量裂隙内碳酸钙封堵情况；
压力表72的测量原理为：出液口排液量降低，裂隙内部压力增大，蠕动泵73为了泵入设定流量的溶液，则会增大泵入压力，该压力与流动池内部压力相同，所以可在注浆口处外接压力表72测量泵入压力以得到裂隙内部压力。
本实施例中还提供一种基于上注浆机构的微生物浆液的注浆方法，采用重复细菌注射策略。实施时，恒定蠕动泵73的流速，在注浆前，先用蠕动泵73向流动池内泵入蒸馏水，使其饱和，然后将OD600=0.25的菌液泵入流动池中对裂隙板1的裂隙面进行封堵，具体的，由于在进行封堵岩石裂隙的实验过程中需要在方解石沉淀系统中具有高可用性的钙离子和碳酸盐离子，所以分别向流动池内泵入1MCaCl2和尿素溶液，具体的，每天重复向流动池内泵入1MCaCl2和尿素溶液五次，每次20mL，持续六天，每天泵入溶液结束后需要封闭流动池保持无流动状态，以给予时间让流动池内部物质充分反应和加强碳酸钙沉淀稳定性。
实验过程中要保证流动池中时刻有溶液运行，每天实验开始之前和循环注浆完成之后利用压力表72测量流动池内部压力差，除注浆和测量流动池内部压力差外其余时间流动池内没有液体流动。
实施例6
在实施例2-5的基础上，公开一种碳酸钙厚度数据的获取方法，如图7所示，步骤如下：
步骤1：通过3D激光扫描获取裂隙板1在沉淀碳酸钙前后的三维坐标数据，其中装配有裂隙板1的底板4在扫描前需要自然风干，自然风干后在表面涂抹显影剂；
步骤2：将所获得的三维坐标数据导入Polyworks软件生成裂隙板1在沉淀碳酸钙前后的模型一和模型二，并分别建立模型一和模型二的三维坐标，根据三维坐标调整模型一和模型二的位置，使模型一和模型二中的裂隙完全重合，多余的部分则为碳酸钙；
步骤3：对多余的部分进行求高度偏差，得到碳酸钙的分布云图，其中，求高度偏差即求模型一和模型二对应X、Y轴都相同的某点的Z轴距离。
步骤1中，3D激光扫描的工作原理为通过观察投影到底板4表面上的激光线来完成表面采集，其中，激光线的可见度受颜色和材料类型影响，具体的，反射率高的部件易产生镜面效应，导致难以读取部件上的激光线。考虑到底板4采用透明材料制成，因此在进行激光扫描时，底板4无碳酸钙沉淀部分不能作为反射，同时底板4无碳酸钙沉淀部分会干扰激光采集，因此在整个底板4的表面喷涂显影剂，喷涂部位包括沉淀有碳酸钙的裂隙板1表面。
本实施例采用3D激光扫描与Polyworks软件相结合来构建配有封堵模型的裂隙板1在沉淀碳酸钙前后的模型，利用求高度偏差的方法计算出碳酸钙厚度，最后获得精度高的碳酸钙厚度数据。
当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种壁面粗糙可调的裂隙介质微生物矿化封堵模型装置，其特征在于，封堵模型包括由多个裂隙块（11）相互贴合构成的裂隙板（1），每个所述裂隙块（11）的周侧均设有疏水层（2）；
还包括调整机构（3），调整机构（3）包括安装板（31）和均匀布置在安装板（31）上的多个升降机构（32）,多个所述裂隙块（11）一一连接在多个所述升降机构（32）上；
包括该封堵模型的装置还包括透明的底板（4）和顶板（5），底板（4）的底部可拆卸的连接在安装板（31）用于安装升降机构（32）的一面，底板（4）沿竖直方向开设有两端贯通的装配槽（41），多个所述升降机构（32）均处于装配槽（41）内，裂隙板（1）的周侧与装配槽（41）的槽壁贴合，装配槽（41）的槽壁也设有疏水层（2），底板（4）的顶部在靠近装配槽（41）两侧的部位均开设有蓄水槽（42），蓄水槽（42）具有供微生物浆液通过的通孔（43），蓄水槽（42）与装配槽（41）之间共用一侧壁，且侧壁的高度小于蓄水槽（42）的槽深，顶板（5）可拆卸的安装在底板（4）的顶部，且与裂隙板（1）的之间具有间隙；
顶板（5）与底板（4）之间通过螺栓可拆卸连接，在顶板（5）与底板（4）接触的部位设有橡胶垫圈（6），顶板（5）具有用于安装橡胶垫圈（6）的垫圈槽。
2.根据权利要求1所述的一种壁面粗糙可调的裂隙介质微生物矿化封堵模型装置，其特征在于，升降机构（32）具有升降轴（321），升降轴（321）靠近裂隙块（11）的一端具有定位板（322），且裂隙块（11）的底部可覆盖住定位板（322），定位板（322）和裂隙块（11）上均开设有多组相互配合的螺纹孔，相互配合的螺纹孔之间通过螺丝连接。
3.根据权利要求1所述的一种壁面粗糙可调的裂隙介质微生物矿化封堵模型装置，其特征在于，底板（4）上还开设有贯通蓄水槽（42）的掏槽孔（44），掏槽孔（44）上可拆卸的安装有封堵件。
4.根据权利要求1或3任一项所述的一种壁面粗糙可调的裂隙介质微生物矿化封堵模型装置，其特征在于，还包括注浆机构（7），注浆机构（7）包括注浆管（71）、压力表（72）、蠕动泵（73）和记录装置（74），记录装置（74）架设在顶板（5）的正上方，两个所述通孔（43）中一个为注浆孔，另一个为出口，注浆管（71）的排液端接通注浆孔，蠕动泵（73）设于注浆管（71）上，压力表（72）设于注浆管（71）位于蠕动泵（73）到排液端的部位。
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