技術(shù)領域

本發(fā)明涉及一種滲流試驗裝置，特別是涉及一種粗糙交叉裂隙滲流試驗裝置及方法，屬于土木工程技術(shù)領域。

背景技術(shù)：

近年來，隨著能源開采、核廢料處理、水利工程以及地下空間的利用等大型工程的大量興建，巖石裂隙滲流問題引起廣泛關(guān)注。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人類對地下空間的需求越來越多，但在開挖及運營過程中，突水突泥等災害時常發(fā)生，裂隙介質(zhì)滲流問題仍亟待解決。

裂隙大量存在于天然巖體中，嚴重地影響著巖體的滲流特性，裂隙巖體中孔隙的尺寸和連通程度一般都遠小于巖體中裂隙，而且裂隙的水力傳導系數(shù)遠大于完整巖石中孔隙的水力傳導系數(shù)，因此裂隙是巖體中流體運動的主要通道，且裂隙巖體中存在的裂隙亦嚴重影響著巖體的滲透特性。因此，研究巖體中裂隙的滲流性質(zhì)，對于查明裂隙巖體的水力特性具有十分重要的意義。目前，國內(nèi)外對裂隙介質(zhì)的研究還比較少，仍處于理論和試驗探索階段，沒有統(tǒng)一的準則來描述流體在粗糙裂隙中的滲流規(guī)律。如果通過試驗來模擬流體在粗糙巖體裂隙的運動，則將為研究流體在巖體裂隙中的滲流運動規(guī)律提供強有力的支持。

目前，對巖石裂隙滲流的研究主要集中在單一裂隙，對于交叉裂隙的研究較少尤其試驗研究更少。分析原因，主要是試驗條件要求較為苛刻，無法獲得合適的交叉裂隙模型，難以控制流體的流速和裂隙隙寬的大小等。因此，無法獲得交叉裂隙的滲流機制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型的粗糙交叉裂隙滲流試驗裝置，特別適用于研究裂隙在不同流速，不同裂隙結(jié)構(gòu)下的滲流運動。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種粗糙交叉裂隙滲流試驗裝置，包括一個交叉裂隙模型，所述的交叉裂隙模型的內(nèi)部為十字交叉的裂隙結(jié)構(gòu)，所述的裂隙結(jié)構(gòu)的兩側(cè)均設有疏水區(qū)和聚水區(qū)，每個所述的疏水區(qū)各自與一個入水口相連通，每個所述的聚水區(qū)各自與出水口相連通，且位于交叉裂隙模型同一側(cè)的入水口和出水口與同一個水箱相連，形成一套循環(huán)回路；兩套循環(huán)回路實現(xiàn)了流體一進多出、多進一出，多進多出的裂隙滲流；且在所述的裂隙結(jié)構(gòu)上還設有用于與裂隙結(jié)構(gòu)連通的測壓孔，所述的測壓孔內(nèi)設有測量流體壓力的水壓傳感器。

進一步的，兩個所述的水箱為封閉水箱，均包括進水管和出水管，兩個所述的進水管各自與其對應的交叉裂隙模型的入水口相連，兩個所述的出水管各自與其對應的裂隙結(jié)構(gòu)的出水口相連，在兩個所述的出水管上設有電子流量計、流量調(diào)節(jié)閥，在兩個所述的進水管上設有為出水管提供不同壓力的增壓泵。

進一步的，所述的交叉裂隙模型采用PLA材料通過3D打印技術(shù)制作而成，為一整體模型；所述的入水口與所述的疏水區(qū)相連接，將進入的圓柱形水流疏導分散進入所述的裂隙結(jié)構(gòu)。所述的出水口與所述的聚水區(qū)相連接，將從裂隙結(jié)構(gòu)中流出的流體匯集進入出水口。

進一步的，所述的裂隙結(jié)構(gòu)可根據(jù)JRC數(shù)值設置不同波長和波幅的正弦曲面、光滑曲面或咬合矩形曲面。

進一步的，所述的裂隙結(jié)構(gòu)可根據(jù)實驗要求調(diào)整裂隙分支之間的夾角以及各裂隙分支的隙寬。

進一步的，所述的水壓傳感器的安裝位置包括交叉裂隙模型中疏水區(qū)末端、裂隙結(jié)構(gòu)交叉點、各分支裂隙以及聚水區(qū)末端，各個位置的水壓傳感器與一個顯示器相連。各個水壓傳感器安裝在交叉裂隙模型的一側(cè)，與裂隙結(jié)構(gòu)連通，采集流體通過時產(chǎn)生的壓力信息；所述的顯示器，用于采集并顯示試驗過程中的水壓的實時變化，流量大小等信息，最終生成數(shù)據(jù)文件。

進一步的，所述的出水管通過出水螺栓與裂隙模型的出水口相連，依次連接電子流量計、流量調(diào)節(jié)閥和水箱，其末端通過螺栓與水箱進水口相連。

進一步的，所述的水箱、進水管、增壓泵、出水管、電子流量計、流量調(diào)節(jié)閥共兩組，與裂隙模型相連形成兩套循環(huán)回路。

進一步的，所述的裂隙模型須水平放置，測壓孔方向垂直向下，各部分裝置通過試驗臺固定在一起，形成整體結(jié)構(gòu)。

利用所述的粗糙交叉裂隙滲流試驗裝置的試驗方法，如下：

步驟1、制作交叉裂隙模型：

步驟2、連接各個裝置：用進水管和出水管，將水箱、增壓泵、交叉裂隙模型、電子流量計和流量調(diào)節(jié)閥連接起來；

步驟4、安裝檢測系統(tǒng)：將壓力傳感器安裝于交叉裂隙模型測壓孔內(nèi)，并與顯示器進行連接，調(diào)節(jié)好相關(guān)線路和電源；

步驟5、檢測整個裝置的密封性；

步驟6、進行流體一進多出、多進一出或多進多出的裂隙滲流試驗；

步驟7、重復試驗步驟2～6的操作，將所有粗糙交叉裂隙模型進行試驗；

步驟8、所有試驗完成后，卸下粗糙交叉裂隙模型和所有連接件，放空水箱、增壓泵和電子流量計及所有回路中的水，整理好所有試驗用具以備以后再用。

進一步的，步驟5中檢測整個裝置密封性的方法，如下；

在兩個水箱內(nèi)注滿水，檢查各螺栓和接頭處是否固定緊密，打開增壓泵電源開關(guān)，將從小到大調(diào)節(jié)增壓泵水壓值，觀測整個試驗裝置是否漏水，若不滿足則需要再次旋緊或置換螺栓和接頭；觀測打印的交叉裂隙模型是否滲水，若滲水則需要改變模型參數(shù)重新打印。

進一步的，步驟6的試驗方法如下：

a.“兩進兩出”試驗方法：將兩套進水管分別連接交叉裂隙模型的兩個進水口，將兩個出水口與出水管連接，形成兩套循環(huán)水路，實現(xiàn)“兩進兩出”；試驗中，調(diào)節(jié)兩個增壓泵提供的壓力大小，獲得不同雷諾數(shù)下的流動狀態(tài)，記錄水壓傳感器水壓曲線和流量曲線，保存數(shù)據(jù)；

b. “兩進一出”試驗方法：將兩套進水管分別連接交叉裂隙模型的兩個進水口，將兩個出水口與出水管連接，形成兩套循環(huán)水路，將其中一個與出水管相連的流量調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉,實現(xiàn)“兩進一出”；試驗中，調(diào)節(jié)兩個增壓泵提供的壓力大小，獲得不同雷諾數(shù)下的流動狀態(tài)，記錄水壓傳感器水壓曲線和流量曲線，保存數(shù)據(jù)；

c. “一進兩出”試驗方法：將一套進水管連接交叉裂隙模型的一個進水口，另一個進水口連接封閉螺栓，完全封閉；將兩個出水口與出水管連接，實現(xiàn)“一進兩出”；試驗中，調(diào)節(jié)增壓泵提供的壓力大小，獲得不同雷諾數(shù)下的流動狀態(tài)，記錄水壓傳感器水壓曲線和流量曲線，保存數(shù)據(jù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的具有的有益效果是：

1、通過依次相連的水箱、進水管、增壓泵、交叉裂隙模型、出水管、流量調(diào)節(jié)閥和電子流量計的設置，不僅實現(xiàn)真實準確的反映粗糙巖體交叉裂隙滲流過程，而且可通過設計不同的裂隙結(jié)構(gòu)，采用3D打印技術(shù)打印交叉裂隙模型，實現(xiàn)裂隙隙寬調(diào)節(jié)，粗糙度可控，裂隙交叉角度可調(diào)的目的，便于進行交叉裂隙滲流的研究。

2、試驗裝置中有兩套循環(huán)水路，可以實現(xiàn)水流一進多出、多進一出，多進多出的試驗方案，并且可以任意調(diào)節(jié)進水壓力大小，可以模擬多種粗糙裂隙滲流情況。

3、所述增壓泵有兩組，一組量程為0.5MPa，一組量程為0.9MPa，可以提供持續(xù)穩(wěn)定的較低與較高壓力，以獲得流體在小雷諾數(shù)和大雷諾數(shù)下的流動狀態(tài)，便于得到流體在不同狀態(tài)下的雷諾數(shù)分布范圍。

4、試驗模型為采用PLA材料通過3D打印技術(shù)而成的整體結(jié)構(gòu)，強度大，可承受較大水壓；通過在交叉裂隙模型的進水口和出水口分別安裝入水螺栓和出水螺栓，且進水口和出水口分別開設有引水用的疏水區(qū)和聚水區(qū)，可以引導水流流入裂隙和流出裂隙 ；兩個螺栓均墊有密封墊圈，增強密封性能，可解決傳統(tǒng)試驗中密封效果不好的問題，保障試驗順利進行。

5、在試驗過程中水流通過交通過整個試驗裝置循環(huán)回路，可以實現(xiàn)水流循環(huán)效果，實現(xiàn)試驗長時間運作的目的，解決因水量不足導致試驗時間較短而產(chǎn)生較大誤差的缺點。

6、試驗裝置在壓力測量方面，安裝精密的水壓傳感器來測量流體流過裂隙結(jié)構(gòu)時的水壓，可獲得精確穩(wěn)定的壓力值，提高試驗的精度，以此來計算獲得流體流過裂隙時的壓力和水力梯度。

7、由于需要進行小雷諾數(shù)和大雷諾數(shù)下的裂隙滲流試驗，當進行大雷諾數(shù)下裂隙滲流試驗時，試驗過程中流體壓力降較大，水流速度較快，無法通過量筒測量流速，而在交叉裂隙模型出水口安裝電子流量計，實時采集出水口流量的大小，簡單、準確而高效。

8、試驗裝置中，進水管和出水管采用不銹鋼金屬編制軟管，既確保不會發(fā)生水壓致裂，又能夠自由彎曲，保證試驗安全有效。

9、在裂隙模型出口處安裝流量調(diào)節(jié)閥，可以調(diào)節(jié)流量與壓力大小，與增壓泵組合可以獲得試驗要求流量和壓力值。

上述內(nèi)容僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了更清楚的了解本發(fā)明的技術(shù)手段，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種粗糙交叉裂隙滲流試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明一種粗糙交叉裂隙滲流試驗裝置的結(jié)構(gòu)簡圖。

圖3為本發(fā)明一種粗糙交叉裂隙滲流試驗裝置中交叉裂隙模型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1水箱、2進水管、3增壓泵、4交叉裂隙模型、5水壓傳感器、6顯示器、7出水管、8電子流量計、9流量調(diào)節(jié)閥。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、制作容易、安全可靠、實用性強的粗糙交叉裂隙滲流試驗裝置，不僅實現(xiàn)準確便捷地反映水在巖體粗糙交叉裂隙中的滲流過程，而且用水循環(huán)、經(jīng)濟高效，更重要的是裂隙進水情況可調(diào)，可以實現(xiàn)一進多出、多進一出，多進多出的實驗方案，并且可以任意調(diào)節(jié)進水壓力大小以及裂隙結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的粗糙交叉裂隙滲流試驗裝置，包括一個交叉裂隙模型，交叉裂隙模型的內(nèi)部為十字交叉的裂隙結(jié)構(gòu)，裂隙結(jié)構(gòu)的兩側(cè)均設有疏水區(qū)和聚水區(qū)，每個所述的疏水區(qū)各自與一個入水口相連通，每個所述的聚水區(qū)各自與出水口相連通，且位于交叉裂隙模型同一側(cè)的入水口和出水口與同一個水箱相連，形成一套循環(huán)回路；兩套循環(huán)回路實現(xiàn)了流體一進多出、多進一出，多進多出的裂隙滲流；且在所述的裂隙結(jié)構(gòu)上還設有用于與裂隙結(jié)構(gòu)連通的測壓孔，所述的測壓孔內(nèi)設有測量流體壓力的水壓傳感器；具體如圖1、圖2 所示，如下：

其包括水箱1、進水管2、增壓泵3、交叉裂隙模型4、傳感器5、顯示器6、出水管7、電子流量計8和流量調(diào)節(jié)閥9，所述水箱、進水管、增壓泵、出水管、電子流量計和流量調(diào)節(jié)閥共兩套；

兩個水箱為封閉水箱，包括進水管、出水管和液位顯示計，兩個所述的出水管各自與其對應的交叉裂隙模型的入水口相連，兩個所述的進水管各自與其對應的裂隙結(jié)構(gòu)的出水口相連，在兩個所述的進水管上設有電子流量計、流量調(diào)節(jié)閥，在兩個所述的出水管上設有為出水管提供不同壓力的增壓泵；一組增壓泵的量程為0.5MPa，另一組量程為0.9MPa，可以持續(xù)穩(wěn)定地提供較低和較高壓力。

進水管2的始端與水箱1下部的出水口相連，然后連接所述的增壓泵3，進水管2的末端通過進水螺栓與交叉裂隙模型4的進水口41相連，出水管7的始端通過出水螺栓與交叉裂隙模型4的出水口46相連，然后連接所述的流量調(diào)節(jié)閥9，再與所述的電子流量計8相連，出水管7的末端與水箱1上部的進水口相連。所述的電子流量計用于測量交叉裂隙模型出水口的流量，共有兩組，一組量程為0.47m3/h，一組量程為1.2m3/h。整個試驗裝置形成一個循環(huán)回路。

交叉裂隙模型采用PLA材料通過3D打印技術(shù)制作而成，為一整體模型，包括進水口、疏水區(qū)、裂隙結(jié)構(gòu)、測壓孔、聚水區(qū)以及出水口；進水口與疏水區(qū)相連接，將進入的圓柱形水流疏導分散進入所述的裂隙結(jié)構(gòu)。出水口與所述的聚水區(qū)相連接，將從裂隙結(jié)構(gòu)中流出的流體匯集進入出水口。流體通過進水口41進入交疏水區(qū)42，將圓柱形水流分散為穩(wěn)定的流體進入裂隙結(jié)構(gòu)44，然后通過聚水區(qū)45匯集進入出水口46，流出交叉裂隙模型。

測壓孔由兩部分組成，底部是直徑2mm，高2mm的圓柱孔，與裂隙結(jié)構(gòu)面連接，頂部為直徑6mm，高20mm的圓柱孔，用于安裝水壓傳感器。

所述的裂隙結(jié)構(gòu)，可根據(jù)JRC數(shù)值設置不同波長和波幅的正弦曲面，光滑曲面，咬合矩形曲面等不同裂隙結(jié)構(gòu)。

所述的裂隙結(jié)構(gòu)為交叉裂隙，可根據(jù)實驗要求設計裂隙分支之間的夾角以及各裂隙分支的隙寬。

壓力監(jiān)測系統(tǒng)包括水壓傳感器5與顯示器6兩部分，水壓傳感器5安裝在交叉裂隙模型的一側(cè)，與裂隙結(jié)構(gòu)連通，采集流體通過時產(chǎn)生的壓力信息；所述的顯示器5，用于采集并顯示試驗過程中的水壓的實時變化，流量大小等信息，最終生成數(shù)據(jù)文件。

水壓傳感器5與交叉裂隙模型4通過螺紋相連，水壓傳感器5自帶螺紋，交叉裂隙模型4上的測壓孔43通過攻絲工藝制作出配套內(nèi)螺紋，并安裝密封墊密封。所述的水壓傳感器5分布于如圖2所示位置。

如圖2所示，所述的水壓傳感器5等間隔分布有四處，依次為交叉裂隙模型4中疏水區(qū)42末端、裂隙結(jié)構(gòu)44交叉點、裂隙結(jié)構(gòu)44各分支裂隙以及聚水區(qū)45末端。

所述的水箱、進水管、增壓泵、出水管、電子流量計、流量調(diào)節(jié)閥共兩組，與裂隙模型相連形成兩套循環(huán)回路。

本發(fā)明進一步設置為：裂隙模型須水平放置，測壓孔方向垂直向下，各部分裝置通過試驗臺固定在一起，形成整體結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明進一步設置為：交叉裂隙模型測壓孔通過攻絲工藝產(chǎn)生安裝水壓傳感器的配套內(nèi)螺紋，并安裝密封墊圈。

本發(fā)明進一步設置為：交叉裂隙模型進水口與出水口通過攻絲工藝產(chǎn)生安裝進水管和出水管螺栓的配套內(nèi)螺紋，并墊有密封墊圈。

本發(fā)明進一步設置為：交叉裂隙模型測壓孔采用錐管螺紋，進水口和出水口采用管螺紋。

本發(fā)明進一步設置為：水壓傳感器分布于交叉裂隙模型中疏水區(qū)末端、裂隙結(jié)構(gòu)交叉點、各分支裂隙以及聚水區(qū)末端。

本發(fā)明進一步設置為：進水管和出水管采用不銹鋼管金屬編制軟管。

本發(fā)明進一步設置為：流量調(diào)節(jié)閥位于裂隙模型和電子流量計之間。

本發(fā)明提供的一種粗糙交叉裂隙滲流試驗裝置的操作過程為：

步驟1、制作交叉裂隙模型：實驗開始前，設計模型相關(guān)參數(shù)，主要包括裂隙長度、裂隙隙寬、裂隙面粗糙度以及交叉角度等，采用SolidWorks繪圖軟件繪制裂隙模型，采用3D打印技術(shù)制作不同參數(shù)的模型，因試驗過程中水壓高達0.5MPa，在打印時密實度選取100%；

步驟2、制作內(nèi)螺紋：根據(jù)水壓傳感器和進水出水螺栓的螺紋參數(shù)，采用絲錐進行攻絲，制作交叉裂隙模型測壓孔以及進水口和出水口內(nèi)螺紋；

步驟3、連接各個裝置：用進水管和出水管，將水箱、增壓泵、交叉裂隙模型、電子流量計和流量調(diào)節(jié)閥連接起來，接頭處安裝相應規(guī)格的密封墊；

步驟4、安裝檢測系統(tǒng)：將壓力傳感器安裝于交叉裂隙模型測壓孔內(nèi)，并與顯示器進行連接，調(diào)節(jié)好相關(guān)線路和電源；

步驟5、密封性檢查：在水箱內(nèi)注滿水，檢查各螺栓和接頭處是否固定緊密，打開增壓泵電源開關(guān)，將從小到大調(diào)節(jié)增壓泵水壓值，觀測整個試驗裝置是否漏水，若不滿足則需要再次旋緊或置換螺栓和接頭；觀測打印的交叉裂隙模型是否滲水，若滲水則需要改變模型參數(shù)重新打??；

步驟6、實驗操作：

a.“兩進兩出”試驗方案：將兩套進水管分別連接交叉裂隙模型的兩個進水口，將兩個出水口與出水管連接，形成兩套循環(huán)水路，實現(xiàn)“兩進兩出”；試驗中，調(diào)節(jié)兩個增壓泵提供的壓力大小，獲得不同雷諾數(shù)下的流動狀態(tài)，記錄水壓傳感器水壓曲線和流量曲線，保存數(shù)據(jù)；

b. “兩進一出”試驗方案：將兩套進水管分別連接交叉裂隙模型的兩個進水口，將兩個出水口與出水管連接，形成兩套循環(huán)水路，將其中一個與出水管相連的流量調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉,實現(xiàn)“兩進一出”；試驗中，調(diào)節(jié)兩個增壓泵提供的壓力大小，獲得不同雷諾數(shù)下的流動狀態(tài)，記錄水壓傳感器水壓曲線和流量曲線，保存數(shù)據(jù)；

c. “一進兩出”試驗方案：將一套進水管連接交叉裂隙模型的一個進水口，另一個進水口連接封閉螺栓，完全封閉；將兩個出水口與出水管連接，實現(xiàn)“一進兩出”；試驗中，調(diào)節(jié)增壓泵提供的壓力大小，獲得不同雷諾數(shù)下的流動狀態(tài)，記錄水壓傳感器水壓曲線和流量曲線，保存數(shù)據(jù)；

步驟7、重復試驗步驟2～6的操作，將所有粗糙交叉裂隙模型進行試驗；

步驟8、所有試驗完成后，卸下粗糙交叉裂隙模型和所有連接件，放空水箱、增壓泵和電子流量計及所有回路中的水，整理好所有試驗用具以備以后再用；

上述試驗過程中，合理的設置兩套回路的使用狀況，可解決流體一進多出、多進一出，多進多出的裂隙滲流問題；事先預設交叉裂隙模型參數(shù)，通過3D打印技術(shù)制作交叉裂隙模型，可獲得精確的裂隙結(jié)構(gòu)；水流由增壓泵獲得不同壓力水頭，水流通過裂隙后最終流入水箱，實現(xiàn)水流循環(huán)效果；在交叉裂隙模型上安裝精密的水壓傳感器測量水流動時的壓力，可解決裂隙水流壓力測量問題；在試驗裝置接口處均用螺栓進行連接，并墊有密封墊，可解決密封的問題。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術(shù)人員應該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎上，本領域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。