CN116625863A - 研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置及方法，涉及模拟岩体注浆设备技术领域，包括：观测模型，观测模型包括两个透明板，两个透明板的一面上均设有多个爆破颗粒，爆破颗粒内设有荧光溶液，两个透明板上的爆破颗粒之间形成注浆通道；观测台，观测模型放置于观测台上；监测模块，监测模块用于监测爆破颗粒爆裂后流出的荧光溶液；注浆模块，注浆模块能够与注浆通道的进浆口相连通，注浆模块用于向注浆通道进行注浆；收集模块，收集模块能够与注浆通道的出浆口相连通；控制模块，监测模块和注浆模块均与控制模块电连接。本发明可以清楚地观测浆液的冲刷对裂隙表面形貌的影响，得到裂隙表面形貌对浆液渗流特性的影响。

Description

研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置及方法

技术领域

本发明涉及模拟岩体注浆设备技术领域，特别是涉及一种研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置及方法。

背景技术

天然岩体经过漫长的地质作用，内部发育有大量的裂隙，具有较强的渗透性，是地下水流动的主要运输通道。地下水的活动是威胁施工安全、造成工程病害的重要因素。工程实践证明，注浆是一种广泛应用的修复裂隙岩体、防止水渗入、提高围岩稳定性的重要手段。

浆液在岩体裂隙或孔隙中流动，因岩体结构具有不同的裂隙和孔隙分布特征，导致其中浆液渗流的方式和途径不同，从而产生不同的注浆效果。一般来说，由于地质作用和环境作用，自然界中岩体的结构面和岩石断裂的表面是粗糙的。对于实际注浆工程来说，裂隙表面不均匀特性(粗糙度)引起的沟道效应影响着浆体的渗透过程。然而，注浆工程具有极强的隐蔽性，而天然裂隙表面粗糙起伏，几何形貌千差万别，凸起物的成分十分复杂，因此亟需高精度的室内模型试验研究进行可视化研究。

天然岩体中的裂隙面在长期风化作用下，其表面往往存在风化层，这些风化层具有强度低、易变形的特点。在实际注浆工程中，由于注浆作用的影响，浆液通过裂隙表面的风化层，改变裂隙的表面形貌，反过来又能够改变浆液的渗流特性。

然而，在注浆实验过程中，浆液对裂隙表面形貌的影响以及表面形貌对浆液流动的影响难以进行观测。

因此，亟需开发一种研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置及方法，用于解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置及方法，用于解决上述现有技术中存在的技术问题，能够同时观测出浆液对裂隙表面形貌的影响以及表面形貌对浆液流动的影响。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置，包括：

观测模型，所述观测模型包括两个透明板，两个所述透明板的一面上均设有多个爆破颗粒，所述爆破颗粒内设有荧光溶液，两个所述透明板上的所述爆破颗粒之间形成注浆通道；

观测台，所述观测模型放置于所述观测台上；

监测模块，所述监测模块用于监测所述爆破颗粒爆裂后流出的荧光溶液；

注浆模块，所述注浆模块能够与所述注浆通道的进浆口相连通，所述注浆模块用于向所述注浆通道进行注浆；

收集模块，所述收集模块能够与所述注浆通道的出浆口相连通；

控制模块，所述监测模块和所述注浆模块均与所述控制模块电连接。

优选的，所述透明板为光学玻璃；

所述爆破颗粒的外壳是由海藻酸钠与氯化钙混合而成。

优选的，所述监测模块包括摄像机和压力传感器，所述摄像机设置于所述观测模型的上方，所述压力传感器设有两个，两个所述压力传感器分别设置于所述注浆通道的进浆口和出浆口处。

优选的，所述注浆模块包括转换活塞，所述转换活塞内的活塞主体的两侧分别为注水腔和注浆腔，所述注水腔连接有注水管路，所述注水管路上设有柱塞泵，所述注浆腔连接有注浆管路，所述注浆管路上设有电控阀。

优选的，所述收集模块包括废液收集管路，所述废液收集管路一端能与所述出浆口相连通，所述废液收集管路的另一端连接有废液收集容器。

优选的，所述控制模块包括计算机和显示器。

优选的，所述观测模型的所述进浆口和所述出浆口处分别固定有一个连接块，每个所述连接块上均设有一个注浆槽和一个连接口，两个所述连接口能够分别与所述注浆模块和所述收集模块相连通，两个所述注浆槽能够分别与所述进浆口和所述出浆口相连通。

优选的，所述观测模型的两侧分别固定有一个密封板。

优选的，所述观测模型通过固定框架固定于所述观测台上。

本发明还公开了一种基于上述的研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置的测试方法，包括以下步骤：

S1、制备非牛顿流体浆液；

S2、制作爆破颗粒；

S3、制作观测模型，通过三维激光扫描仪提取真实岩体裂隙的粗糙表面，利用MATLAB软件提取裂隙表面的点云数据，在透明板上均匀堆积爆破颗粒，爆破颗粒间用胶结物粘结，待固化后，用表面雕刻技术，根据表面点云数据雕刻出裂隙的表面形状，清洗由于雕刻导致颗粒破裂流出的荧光溶液；

S4、进行测试，将注浆模块中的浆液注入到观测模型中，随着浆液进入到观测模型中的注浆通道后，浆液会对爆破颗粒进行冲刷从而导致爆破颗粒破裂，致使爆破颗粒中的荧光溶液流出，并利用监测模块对其进行监测并将数据传输给控制模块中，从观测模型中流出的浆液进入到收集模块中进行收集。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明利用观测模型可以准确的模拟真实岩体裂隙的粗糙表面，从而模拟浆液对其影响。利用摄像机可以清楚的观测浆液的冲刷对岩体裂隙的影响，并且将相关的数据传输给控制模块进行后续的分析。

附图说明

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施例研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置中观测模型未破损的结构示意图；

图3为本发明实施例研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置中观测模型破损的结构示意图；

图中：1-观测模型；101-透明板；102-爆破颗粒；2-观测台；3-监测模块；301-摄像机；4-注浆模块；401-柱塞泵；402-转换活塞；5-收集模块；501-收集管路；502-废液收集容器；6-控制模块；601-计算机；602-显示器；7-脉动激光器。

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。

本发明的目的是提供一种研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置及方法，用于解决上述现有技术中存在的技术问题，能够同时观测出浆液对裂隙表面形貌的影响以及表面形貌对浆液流动的影响。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一、

如图1-图3所示，本实施例提供了一种研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置，包括：

观测模型1，观测模型1包括两个矩形的透明板101，两个透明板101的一面上均设有多个爆破颗粒102，爆破颗粒102内设有荧光溶液，本实施例中的荧光溶液选用水溶性荧光绿色素混合的荧光溶液，两个透明板101上的爆破颗粒102之间形成注浆通道，具体的，在实际使用时，两个透明板101上下分布，位于上方的透明板101的下表面和位于下方的透明板101的上表面设有爆破颗粒102，并且上下两侧的多个爆破颗粒102之间形成注浆通道；

观测台2，观测模型1放置于观测台2上；

监测模块3，监测模块3用于监测爆破颗粒102爆裂后流出的荧光溶液；

注浆模块4，注浆模块4能够与注浆通道的进浆口相连通，注浆模块4用于向注浆通道进行注浆；

收集模块5，收集模块5能够与注浆通道的出浆口相连通；

控制模块6，监测模块3和注浆模块4均与控制模块6电连接，利用控制模块6可以对各个模块进行远程控制。

在实际使用时，将两个透明板101上下放置，使得两个透明板101上的爆破颗粒102之间形成注浆通道。然后利用注浆模块4向注浆通道内进行注浆工作，当浆液的冲刷使爆破颗粒102破裂后，爆破颗粒102内的荧光溶液流出。而监测模块3可以清楚的观察处监测模块3的位置，并且将相关的数据传输给控制模块6中，进行统计以及分析。

于本实施例中，透明板101为光学玻璃，透明板101的形状为矩形即可。

爆破颗粒102的外壳是由海藻酸钠与氯化钙混合而成，混合的海藻酸钠与氯化钙形成爆破颗粒102表面的胶凝膜。爆破颗粒102表面胶凝膜具有一定的抗剪切性，只有在大于其抗剪强度时，其表层才会被破坏，内部含有荧光绿色素的荧光溶液才会释放。胶凝膜的抗剪强度可由海藻酸钠与氯化钙的含量来控制，用于模拟在裂隙中具有不同风化层度的表层岩石(比如硬岩的强度就会大一些，软矿物的强度就会小一些)。

凝胶膜的制作过程：海藻酸钠与氯化钙按1:1配置，取适量荧光绿色素溶液，加入浓度为3％的海藻酸钠水溶液中，在磁力搅拌器上以160r/min转速搅拌均匀，在搅拌下所得混悬液用注射器以每小时20ml的速度滴加到氯化钙水溶液中，氯化钙浓度从0.5％到2％，设置四个浓度梯度，使其具有不同的抗剪强度。加毕，继续搅拌5min过滤，水洗得到水凝胶，室温下自然干燥得到干凝胶。

于本实施例中，监测模块3包括摄像机301和压力传感器，其中，摄像机301设置于观测模型1的上方，当爆破颗粒102破碎时，可以通过摄像机301从上至下的拍摄流出的荧光溶液。压力传感器设有两个，两个压力传感器分别设置于注浆通道的进浆口和出浆口处，当注浆通道内的爆破颗粒102发生破裂之后，导致浆液渗流特性的变化，利用压力传感器可以监测由于爆破颗粒102破裂导致的浆液压力的变化。

于本实施例中，注浆模块4包括转换活塞402，转换活塞402内的活塞主体的两侧分别为注水腔和注浆腔，活塞主体在转换活塞402内左右滑动，从而改变注水腔和注浆腔的内部容积。其中，注水腔连接有注水管路，注水管路远离注水腔的一端连接有水源，水源可以为盛水容器，注水管路上设有柱塞泵401，利用柱塞泵401可以准确、定量的向注水腔中注水。注浆腔连接有注浆管路，注浆管路远离注浆腔的一端能够与注浆通道的进浆口连通，注浆管路上设有电控阀，电控阀与控制模块6电连接，此外，注浆腔还可以连接一个浆液补充管路，从而能向注浆腔内补充浆液。当需要向注浆通道内进行注浆工作时，利用控制模块6控制柱塞泵401运行，柱塞泵401向注水腔中泵入水，从而推动活塞主体，将注浆腔内等体积的浆液推入到注浆通道的进浆口处。

于本实施例中，收集模块5包括废液收集管路501，废液收集管路501一端能与出浆口相连通，废液收集管路501的另一端连接有废液收集容器502，从注浆通道的出浆口流出的浆液会通过废液收集管路501流入到废液收集容器502中，并在后期统一处理。

于本实施例中，控制模块6包括计算机601(PC)和显示器602，利用计算机601(PC)和显示器602可以实时监测各个控制元件的相关参数，便于对其进行观察以及远程控制。

于本实施例中，观测模型1的进浆口和出浆口处分别固定有一个连接块，连接块为一矩形的块状结构，并且每个连接块上均设有一个注浆槽和一个连接口，注浆槽为一个矩形槽，矩形槽的槽底或槽侧壁上能够用于设置连接口。两个连接口能够分别与注浆模块4和收集模块5相连通，具体的，两个连接口能够分别与注浆管路和废液收集管路501相连接。两个注浆槽分别扣在进浆口和出浆口处，以使两个注浆槽能够分别与进浆口和出浆口相连通。

在实际使用时，来自注浆管路的浆液会向靠近进浆口处的连接块上的连接口流入，并且充满其内部的注浆槽。随着注浆槽内的浆液不断增多，靠近进浆口处的连接块内的注浆槽中的浆液就会通过进浆口流入到注浆通道内。

与之相同的，当注浆通道内的浆液排出时，会先充满靠近出浆口的连接块上的注浆槽，然后再从注浆槽流入到连接口处，最后再从连接口通过废液收集管路501流入到废液收集容器502中。

于本实施例中，观测模型1的两侧分别固定有一个密封板，两个密封板分别固定于观测模型1没有设置进浆口和出浆口的两侧，也就是注浆通道的两侧，以此来防止浆液从注浆通道的两侧流出。

于本实施例中，观测模型1通过固定框架固定于观测台2上。

对于固定框架的具体结构，固定框架为Z形结构，包括两个横板和一个竖板，两个横板分别固定于竖板的上下两端且分别位于竖板的两侧。当安装时，将位于上方的横板压在位于上方的透明板101的上方，而竖板则会与观测模型1的侧壁相抵(竖板不会影响进浆口和出浆口的正常流通)，位于下方的横板则可以通过螺栓或螺钉固定于观测台2上即可。以此来固定住观测模型1，防止其在注浆过程中发生剧烈晃动。

于本实施例，还包括脉冲激光器，通过发射激光，可以更好地观测荧光溶液的运移特征，实现定量评价。荧光溶液在激光照射下高亮显影，通过摄像机301的捕捉，实现对破裂区域以及荧光溶液随浆液流动过程的追踪和评价。

实施例二、

本实施例提供了一种基于实施例一中的研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置的方法，具体为测试方法，包括以下步骤：

S1、制备非牛顿流体浆液：

实际注浆所用浆液其本质上来说是一种非牛顿流体，因此本实施例采用聚丙烯酸钠水溶液制备试验所需非牛顿流体。聚丙烯酸钠是一种水溶性高分子化合物，溶于水中可形成粘稠的透明溶液。将纯净水和聚丙烯酸钠粉末按照99.8:0.2、99.6:0.4、99.4:0.6、99.1:0.9的比例配备不同浓度的水溶液，模拟具有不同黏度的浆液。纯净水和聚丙烯酸钠粉末不同的配比，所配备出来的水溶液的黏度也会有所不同，本领域技术人员可以根据实际需要调整二者的配比。

S2、制作细小爆破颗粒102：

细小的爆破颗粒102的表层由海藻酸钠与氯化钙混合制成，其内部含有与水溶性荧光绿色素混合的荧光溶液。爆破颗粒102表面胶凝膜(胶凝膜即海藻酸钠与氯化钙的混合层)具有一定的抗剪切性，只有在大于其抗剪强度时，其表层才会被破坏，内部含有荧光绿色素的溶液才会释放。胶凝膜的抗剪强度可由海藻酸钠与氯化钙的含量来控制，用以模拟具有不同强度的表面风化层(比如硬岩的强度就会大一些，软矿物的强度就会小一些)。

S3、制作观测模型1：

通过三维激光扫描仪提取真实岩体裂隙的粗糙表面，利用MATLAB软件提取裂隙表面的点云数据，在透明板101上均匀堆积细小爆破颗粒102，爆破颗粒102间用胶结物(此处的胶结物与S2中的胶凝膜的成分相同)粘结，待固化后，用表面雕刻技术，根据表面点云数据利用雕刻机在爆破颗粒102上雕刻出裂隙的表面形状，清洗由于雕刻导致爆破颗粒102破裂流出的荧光溶液；

S4、进行测试：

将注浆模块4中的浆液注入到观测模型1中，具体的，利用柱塞泵401将水源处的水泵入到注水腔中，注水腔内的水推动活塞主体向注浆腔移动，从而将注浆腔内的浆液推出。浆液通过注浆管路注入到靠近进浆口处的连接块上的连接口处，并且充满其内部的注浆槽。随着注浆槽内的浆液不断增多，靠近进浆口处的连接块内的注浆槽中的浆液就会通过进浆口流入到注浆通道内。

随着浆液进入到观测模型1中的注浆通道后，浆液会对爆破颗粒102进行冲刷从而导致爆破颗粒102破裂，致使爆破颗粒102中的荧光溶液流出，并利用监测模块3对其进行监测并将数据传输给控制模块6中，从而对其进行统一观测以及处理。

最后从观测模型1中流出的浆液进入到收集模块5中进行收集，具体的，浆液会先充满靠近出浆口的连接块上的注浆槽，然后再从注浆槽流入到连接口处，最后再从连接口通过废液收集管路501流入到废液收集容器502中。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置，其特征在于，包括：

观测模型，所述观测模型包括两个透明板，两个所述透明板的一面上均设有多个爆破颗粒，所述爆破颗粒内设有荧光溶液，两个所述透明板上的所述爆破颗粒之间形成注浆通道；

观测台，所述观测模型放置于所述观测台上；

监测模块，所述监测模块用于监测所述爆破颗粒爆裂后流出的荧光溶液；

注浆模块，所述注浆模块能够与所述注浆通道的进浆口相连通，所述注浆模块用于向所述注浆通道进行注浆；

收集模块，所述收集模块能够与所述注浆通道的出浆口相连通；

控制模块，所述监测模块和所述注浆模块均与所述控制模块电连接。

2.根据权利要求1所述的研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置，其特征在于：所述透明板为光学玻璃；

所述爆破颗粒的外壳是由海藻酸钠与氯化钙混合而成。

3.根据权利要求1所述的研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置，其特征在于：所述监测模块包括摄像机和压力传感器，所述摄像机设置于所述观测模型的上方，所述压力传感器设有两个，两个所述压力传感器分别设置于所述注浆通道的进浆口和出浆口处。

4.根据权利要求1所述的研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置，其特征在于：所述注浆模块包括转换活塞，所述转换活塞内的活塞主体的两侧分别为注水腔和注浆腔，所述注水腔连接有注水管路，所述注水管路上设有柱塞泵，所述注浆腔连接有注浆管路，所述注浆管路上设有电控阀。

5.根据权利要求1所述的研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置，其特征在于：所述收集模块包括废液收集管路，所述废液收集管路一端能与所述出浆口相连通，所述废液收集管路的另一端连接有废液收集容器。

6.根据权利要求1所述的研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置，其特征在于：所述控制模块包括计算机和显示器。

7.根据权利要求1所述的研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置，其特征在于：所述观测模型的所述进浆口和所述出浆口处分别固定有一个连接块，每个所述连接块上均设有一个注浆槽和一个连接口，两个所述连接口能够分别与所述注浆模块和所述收集模块相连通，两个所述注浆槽能够分别与所述进浆口和所述出浆口相连通。

8.根据权利要求1所述的研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置，其特征在于：所述观测模型的两侧分别固定有一个密封板。

9.根据权利要求1所述的研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置，其特征在于：所述观测模型通过固定框架固定于所述观测台上。

10.一种基于权利要求1-9中任意一项所述的研究注浆与裂隙形貌交互影响的可视化测试装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、制备非牛顿流体浆液；

S2、制作爆破颗粒；

S3、制作观测模型，通过三维激光扫描仪提取真实岩体裂隙的粗糙表面，利用MATLAB软件提取裂隙表面的点云数据，在透明板上均匀堆积爆破颗粒，爆破颗粒间用胶结物粘结，待固化后，用表面雕刻技术，根据表面点云数据雕刻出裂隙的表面形状，清洗由于雕刻导致颗粒破裂流出的荧光溶液；

S4、进行测试，将注浆模块中的浆液注入到观测模型中，随着浆液进入到观测模型中的注浆通道后，浆液会对爆破颗粒进行冲刷从而导致爆破颗粒破裂，致使爆破颗粒中的荧光溶液流出，并利用监测模块对其进行监测并将数据传输给控制模块中，从观测模型中流出的浆液进入到收集模块中进行收集。