本發(fā)明涉及巖體裂隙介質(zhì)滲流實(shí)驗(yàn)，特別是涉及一種裂隙模型、裂隙介質(zhì)非飽和滲流實(shí)驗(yàn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、巖石裂隙介質(zhì)中的非飽和滲流研究在地質(zhì)工程、環(huán)境科學(xué)和水資源管理等領(lǐng)域具有重要意義。巖石裂隙介質(zhì)是指具有裂隙網(wǎng)絡(luò)的巖石，其中水流的行為不僅受基質(zhì)孔隙的影響，還受到裂隙的強(qiáng)烈控制。非飽和滲流則是指在巖石介質(zhì)中存在氣相和水相的情況，即部分孔隙中充滿空氣，部分孔隙中充滿水。在地下水資源管理方面，了解巖石裂隙介質(zhì)中的非飽和滲流行為有助于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地下水的運(yùn)動(dòng)和分布，從而優(yōu)化水資源的利用和保護(hù)。在環(huán)境科學(xué)中，裂隙介質(zhì)非飽和滲流研究對(duì)污染物的遷移和擴(kuò)散過(guò)程有著關(guān)鍵影響。通過(guò)建立和優(yōu)化模型，可以預(yù)測(cè)污染物在地下環(huán)境中的遷移路徑和速率，為污染治理和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。在地質(zhì)工程領(lǐng)域，如隧道建設(shè)、礦山開(kāi)采和地?zé)衢_(kāi)發(fā)等，了解非飽和滲流特性可以有效預(yù)防和控制地下水對(duì)工程的影響，確保工程安全和穩(wěn)定性。例如，在隧道建設(shè)中，通過(guò)掌握巖石裂隙中的滲流規(guī)律，可以設(shè)計(jì)合理的排水系統(tǒng)，減少施工過(guò)程中的涌水風(fēng)險(xiǎn)。

2、然而，受制于巖體的不透明的特性，傳統(tǒng)的裂隙介質(zhì)非飽和滲流實(shí)驗(yàn)局限于獲取裂隙基本物性參數(shù)如粗糙度，滲透率，相對(duì)滲透率等，無(wú)法捕捉非飽和流動(dòng)過(guò)程。由于天然裂隙往往存在一定的傾角，因此非飽和滲流會(huì)顯著受到重力影響，已有研究表明重力的存在使得流動(dòng)行為出現(xiàn)雪崩流(被毛細(xì)力捕獲在裂隙中的水流突然下滲的流動(dòng)行為)，脈動(dòng)流(裂隙中累積的水突然下滲后再累積的循環(huán)流動(dòng)行為)。且在非飽和滲流過(guò)程中，由于粘滯力、重力、毛細(xì)力的共同作用，往往會(huì)使水-氣界面呈現(xiàn)出復(fù)雜的幾何特征，形成手指狀的圖案(粘性指進(jìn))，這一流動(dòng)結(jié)構(gòu)的形成使得滲流出現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢(shì)流動(dòng)通道，對(duì)于高度發(fā)育的裂隙巖體而言，優(yōu)勢(shì)流動(dòng)通道的存在則會(huì)顯著減少地表水滲漏到深部地層的時(shí)間，造成地下水分布情況，污染物遷移路徑的誤判。

3、目前，關(guān)于裂隙介質(zhì)非飽和滲流機(jī)理研究的對(duì)象僅局限于較為簡(jiǎn)單的幾何結(jié)構(gòu)，如平行板結(jié)構(gòu)，少有考慮裂隙真實(shí)幾何形貌，缺乏重力作用下的流動(dòng)行為認(rèn)識(shí)，相關(guān)的試驗(yàn)工作亟待開(kāi)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種裂隙模型、裂隙介質(zhì)非飽和滲流實(shí)驗(yàn)裝置及方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，通過(guò)變更裂隙模型傾角，配合圖像采集模塊，實(shí)現(xiàn)了重力作用下的巖體裂隙非飽和滲流可視化觀測(cè)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、本發(fā)明提供一種裂隙模型，包括：

4、裂隙面，所述裂隙面采用透明環(huán)氧樹(shù)脂制成，兩個(gè)所述裂隙面平行貼合連接，且兩個(gè)所述裂隙面之間形成裂隙空間；

5、封閉層，位于所述裂隙面兩側(cè)，用于將兩個(gè)所述裂隙面兩側(cè)固定密封連接；

6、進(jìn)口腔體，固定設(shè)置于兩個(gè)所述裂隙面一端，所述進(jìn)口腔體一端與所述裂隙空間連通，另一端開(kāi)設(shè)有流體進(jìn)口；

7、出口腔體，固定設(shè)置于兩個(gè)所述裂隙面另一端，所述出口腔體一端與所述裂隙空間連通，另一端開(kāi)設(shè)有流體出口。

8、可選的，所述封閉層為采用膠水制成的膠粘層，所述膠粘層將兩個(gè)所述裂隙面的側(cè)邊固定密封連接，且所述膠粘層一端將所述進(jìn)口腔體固定密封粘結(jié)于所述裂隙面一端，所述膠粘層另一端將所述出口腔體固定密封粘結(jié)于所述裂隙面另一端。

9、可選的，還包括安裝板，所述安裝板為亞克力板，所述進(jìn)口腔體、裂隙面和出口腔體被固定夾持于兩個(gè)所述安裝板之間，兩個(gè)所述安裝板的側(cè)邊處開(kāi)設(shè)有同軸的螺紋孔，所述螺紋孔內(nèi)穿設(shè)有螺栓。

10、本發(fā)明還提供一種裂隙介質(zhì)非飽和滲流實(shí)驗(yàn)裝置，包括：

11、底座，水平固定于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上；

12、裂隙模型固定板，其上表面用于固定如上所述的裂隙模型，所述裂隙模型固定板與所述底座之間的夾角能夠調(diào)節(jié)；

13、儲(chǔ)液瓶，設(shè)置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，其通過(guò)帶閥門的管路與所述流體進(jìn)口連通，能夠經(jīng)進(jìn)口腔體向裂隙空間注入液體；

14、液體收集瓶，設(shè)置于電子天平上，其通過(guò)管路與所述流體出口連通，所述電子天平外接有電腦；

15、圖像采集模塊，設(shè)置于所述裂隙模型固定板上方，與所述裂隙模型固定板之間的距離能夠調(diào)節(jié)，且所述圖像采集模塊軸線始終與所述裂隙模型固定板的表面垂直，所述圖像采集模塊與所述電腦通過(guò)線路連接。

16、可選的，所述裂隙模型固定板下表面固定設(shè)有l(wèi)ed光源。

17、可選的，所述底座上固定設(shè)有豎直布置且向底座內(nèi)側(cè)彎曲的弧形導(dǎo)軌，所述裂隙模型固定板一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸與所述底座遠(yuǎn)離弧形導(dǎo)軌的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述裂隙模型固定板另一端滑動(dòng)連接于所述弧形導(dǎo)軌上，所述裂隙模型固定板遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸的一端設(shè)有緊固螺栓，所述緊固螺栓能夠?qū)⑺隽严赌Ｐ凸潭ò宓亩瞬抗潭ㄓ谒龌⌒螌?dǎo)軌上。

18、可選的，所述圖像采集模塊包括垂直固定于所述裂隙模型固定板上表面的連接桿，所述連接桿上設(shè)有相機(jī)固定滑塊，所述相機(jī)固定滑塊末端固定設(shè)有相機(jī)，所述相機(jī)與所述電腦通過(guò)線路連接；所述相機(jī)固定滑塊在所述連接桿上的位置能夠調(diào)節(jié)。

19、可選的，所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)上設(shè)有升降架，所述升降架上滑動(dòng)設(shè)有升降平臺(tái)，所述儲(chǔ)液瓶設(shè)置于所述升降平臺(tái)上。

20、可選的，所述儲(chǔ)液瓶為馬氏瓶，所述馬氏瓶側(cè)壁設(shè)有刻度線，所述馬氏瓶能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定的水位。

21、本發(fā)明還提供一種裂隙介質(zhì)非飽和滲流實(shí)驗(yàn)方法，包括如下步驟：

22、s1，制備透明環(huán)氧樹(shù)脂材質(zhì)的裂隙面；

23、s2，制作裂隙模型，將s1中制備得到的裂隙面組合在一起，側(cè)面用膠水粘連以實(shí)現(xiàn)封水，同時(shí)利用膠水將進(jìn)口腔體粘貼在裂隙面前端，將出口腔體粘貼在裂隙面后端；待固化24h后，將粘接好的裂隙面置放于兩塊亞克力板中央，擰緊螺栓后，將粘接好的裂隙面夾緊；

24、s3，模型固定，利用螺栓將裂隙模型固定在裂隙模型固定板上，調(diào)整裂隙模型固定板的傾角，擰緊緊固螺栓后，將裂隙模型固定板固定在弧形導(dǎo)軌上，從而完成裂隙模型固定；

25、s4，管路連接，擰緊閥門，向馬氏瓶中注入水后放置于升降架上，調(diào)整升降架至設(shè)定高度，將裂隙模型的流體進(jìn)口通過(guò)管路和閥門與馬氏瓶連接，將裂隙模型流體出口通過(guò)另一管路與收集瓶連接，并將收集瓶置于電子天平上；

26、s5，成像質(zhì)量調(diào)整，連接電腦和相機(jī)，打開(kāi)led光源，調(diào)整相機(jī)固定滑塊，以調(diào)整相機(jī)與裂隙模型之間的工作距離，待成像清晰后完成成像質(zhì)量調(diào)整過(guò)程；

27、s6，進(jìn)行重力作用下的裂隙介質(zhì)非飽和滲流可視化實(shí)驗(yàn)，打開(kāi)電子天平以記錄質(zhì)量流量，然后打開(kāi)相機(jī)以實(shí)時(shí)記錄非飽和滲流過(guò)程，確保電子天平和相機(jī)正常記錄后，打開(kāi)閥門，流體將會(huì)從馬氏瓶中流出，經(jīng)過(guò)裂隙模型后流入到收集瓶中，待到液體流動(dòng)穩(wěn)定后，關(guān)閉閥門，關(guān)閉相機(jī)和電子天平，實(shí)驗(yàn)完成。

28、本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)取得了以下技術(shù)效果：

29、本發(fā)明采用了透明裂隙模型作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在確保裂隙幾何結(jié)構(gòu)能夠反應(yīng)巖體裂隙幾何形貌的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變裂隙傾角，實(shí)現(xiàn)了重力作用下的裂隙介質(zhì)非飽和滲流的可視化觀測(cè)。相比于傳統(tǒng)的巖芯實(shí)驗(yàn)，本發(fā)明可以通過(guò)變更裂隙傾角來(lái)考慮重力對(duì)非飽和滲流的流動(dòng)行為影響。且傳統(tǒng)巖芯實(shí)驗(yàn)采用ct、x射線來(lái)觀測(cè)裂隙內(nèi)的流動(dòng)行為，其掃描時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備成本高，無(wú)法實(shí)時(shí)觀測(cè)非飽和滲流過(guò)程，而本實(shí)驗(yàn)方法采用的透明裂隙可以通過(guò)相機(jī)實(shí)時(shí)觀測(cè)滲流過(guò)程，其具有采集幀率高，設(shè)備成本低，可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。