一种模拟交叉裂隙渗流的可视化试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种模拟交叉裂隙渗流的可视化试验装置及方法，包括一个交叉裂隙模具和观察交叉裂隙渗流的试验装置。所述的交叉裂隙模具内部为T字形交叉的裂隙结构，所述试验装置包括固定装置、流量控制装置和数据采集装置。该试验装置利用了光透射原理，实现了透明交叉裂隙渗流过程的定量化观测研究，同时在机械结构上实现了相机、光源与裂隙模具间的相对位置的灵活调整，实现了对交叉裂隙渗流过程的三维实时观测。

A Visual Testing Device and Method for Simulating Cross Fracture Seepage

The invention discloses a visual experimental device and method for simulating cross-fissure seepage flow, including a cross-fissure die and an experimental device for observing cross-fissure seepage flow. The inner part of the cross-crack die is a T-shaped cross-crack structure. The test device comprises a fixing device, a flow control device and a data acquisition device. Using the principle of light transmission, the experimental device realizes the quantitative observation and study of the seepage process of transparent cross-fissures, and realizes the flexible adjustment of the relative position between the camera, light source and the fissure mould in the mechanical structure, thus realizing the three-dimensional real-time observation of the seepage process of cross-fissures.

【技术实现步骤摘要】
一种模拟交叉裂隙渗流的可视化试验装置及方法
本专利技术涉及裂隙渗流模型试验的装置及方法，具体涉及一种模拟交叉裂隙渗流的可视化试验装置及方法。
技术介绍
地下渗流是岩土工程领域的重要前沿基础科学问题，其与诸多领域的国家重大工程安全有着紧密的联系，如水利工程中地基渗漏问题，石油工程中地下油库存储安全问题，二氧化碳地质封存问题，污染物在地下介质中的迁移问题等。因此，研究岩体渗流对工程安全评估与危害防治，地下水污染评价和修复等方面的问题有着重要的意义。岩体由完整的块状岩石和复杂结构面组成。岩石作为一种相对致密的多孔介质，其本身通常具有强度高、渗透性低等特点；而结构面是岩石与岩石之间的接触面，其具有相对较大的开度，可为岩体渗流提供易于流动的通道，因而裂隙作为控制岩体渗流的主要结构，对地下渗流的规律起着主导性的作用。由于普遍位于覆盖层之下，岩体渗流研究缺乏有效的原位、实时观测手段。目前，针对裂隙渗流的研究多依赖野外染色示踪渗流试验，最后通过现场开挖确定相应的渗流特性，由于无法观测到试验过程中渗流的具体过程，其性质上类似于黑箱模型，十分不利于科学研究和工程活动。目前，国内外对裂隙渗流的研究多集中于野外宏观尺度方面，而在细观机理方面研究较少；而针对机理的研究则多集中于单一裂隙，对于交叉裂隙的研究较少。因此急需一种试验方法和装置以实现对交叉裂隙渗流的实时观测分析。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于，克服现有技术的不足，提供一套模拟交叉裂隙渗流的可视化试验装置及方法，该装置采用光透射原理实现了裂隙渗流过程的可视化、定量化观测，同时兼具有三维多角度的实时观测功能、不同重力梯度下的试验功能；此外该设备结构简单，成本低廉，可扩展性强。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种模拟交叉裂隙渗流的可视化试验装置，其特征在于：包括基准平板、支撑板、底座、透明裂隙模具、水平相机、垂直相机、固定架、供液系统和控制主机，所述基准平板通过转轴安装在两个支撑板顶部，两个支撑板固定在底座上，基准平板前侧面设有与其平行的平板光源，所述固定架固定连接在基准平板上，所述透明裂隙模具通过夹板固定后安装在平板光源前侧的固定架上，固定架远离转轴处设有支撑在底座上的支撑调节杆，当基准平板处于竖直位置时，所述透明裂隙模具也处于竖直姿态且与基准平板所在平面垂直；所述水平相机和垂直相机也安装在固定架上，其中水平相机用于对透明裂隙模具顶部的水平裂隙面拍摄，所述垂直相机用于对与平板光源相对一侧的透明裂隙模具侧边的垂直裂隙面拍摄，水平相机和垂直相机通过数据线与控制主机相连，所述供液系统通过管道与透明裂隙模具的液体出入口分别相连，通过控制主机控制供液系统的供液量进行裂隙渗流可视化试验。作为改进，所述固定架由水平方向的支杆和竖直方向的支杆组成，支杆与支杆之间通过杆夹相连。作为改进，所述杆夹采用金属制成，杆夹本体上设有多个供支杆穿过的安装孔，安装孔在一侧裂开分成两半，两半安装孔之间通过螺栓紧固，支杆穿过安装孔后，拧紧螺栓即可保持支杆与杆夹本体相对固定。作为改进，所述支撑调节杆为可调节高度的伸缩杆，其包括固定块和设于固定块上的调节螺栓，固定块固定安装在固定架底部，调节螺栓通过竖直方向的螺孔安装在固定块上，拧动调节螺栓即可调整其底部伸出高度，与转轴一起配合即可调整基准平板的倾斜角度。作为改进，所述供液系统为注射泵、储液槽和废液回收槽，所述注射泵通过管道与储液槽及透明裂隙模具顶部的液体入口相连，透明裂隙模具底部的液体出口通过管道与废液回收槽相连。作为改进，所述管道采用聚四氟乙烯材料制成，注射泵、储液槽和透明裂隙模具顶部的液体入口之间通过三通阀控制液体流向。作为改进，所述透明裂隙模具为采用透明方块玻璃拼接而成的单边T字型交叉裂隙，透明裂隙模具顶部设有通过玻璃胶连接的入口边界接头，所述入口边界接头上设有与透明裂隙模具顶部裂隙连通的入口孔，入口孔顶部设有用于连接供液管道的螺孔，透明裂隙模具底部设有通过玻璃胶连接的出口边界接头，所述出口边界接头上设有与透明裂隙模具底部裂隙连通的出口孔，出口孔底部设有用于连接排液管道的螺孔。作为改进，所述透明裂隙模具的透明方块玻璃之间的裂隙内设有间隙片，通过间隙片控制裂隙开度，所述间隙片通过光固化胶粘结于裂隙边缘处。一种模拟交叉裂隙渗流的可视化试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、安装调整好平板光源、透明裂隙模具、垂直相机以及水平相机的相对位置，调整好垂直相机和水平相机焦距、曝光强度；步骤2、利用染色流体进行裂隙面渗流试验；步骤3、通过垂直相机和水平相机以预设的拍摄速率连续采集裂隙面渗流过程的图像，利用Matlab图像处理函数对图像进行去背景、二值化和滤波处理，并统计渗透过程中液体的几何特征；步骤4、利用实际尺寸与照片像素尺寸的比例还原裂隙面内液面的真实尺寸，计算公式如下：上式中，D为液面真实尺寸，D'为液面像素尺寸，S为标定点实际距离，S'为标定点像素距离。作为优选，步骤3中，对图像进行去背景、二值化和滤波处理，并统计渗透过程中液体的几何特征具体步骤如下：步骤a：选取一张液体还未进入裂隙面的图像作为初始图像P1；步骤b：依次将采集到的试验过程的图像减去初始图像P1，得到去除背景的图像P2；步骤c：将图像P2二值化得到图像P3，使得液体存在部分为白色，其余部分为黑色，通过Matlab程序获取竖直裂隙面和水平裂隙面的液面形态随时间变化的数据。采用上述结构，本专利技术能带来一下技术效果：本专利技术通过通孔和转轴连接直角板和支撑板，实现了基准平板自由转动，从而实现任意重力梯度下的入渗试验模拟；连接于支杆上相机、模具、平板光源通过支杆和杆夹相连可实现相对位置的精确调整；旋转臂的拼接实现了对水平裂隙任意角度的观测；精密注射泵的使用实现了不同渗流流速的精确调节；支杆和杆夹构成的框架结构牢固的固定了试验装置的相对位置保证了试验结果的精确性；通过编写基于Matlab的数据采集程序可自动采集数据。本专利技术可模拟交叉裂隙中水气相互驱替，水、污染物相互驱替等不同渗透过程，同时可捕捉整个裂隙渗流过程中流体流动特征，并且实现了无人值守式自动采集且操作简便，适用于岩土工程中长时间对非饱和入渗的研究。附图说明图1为本专利技术可视化试验装置三维立体图正面；图2为本专利技术可视化试验装置三维立体图背面；图3为透明裂隙模具立体图；图4为透明裂隙模具的入口边界接头示意图；图5为透明裂隙模具的出口边界接头示意图；图6为本专利技术可视化试验装置的管道连接示意图。其中有：1-支撑板，2-直角板，3-基准平板，4-杆夹，5-支杆，6-平板光源，7-夹板，8-透明裂隙模具，9-垂直相机，10-水平相机，11-支撑调节杆，12-旋转臂，13-注射管道，14-注射泵，15-数据线，16-控制主机，C、D、E-三通阀，F-入口，G-出口，17-入口边界接头，18-出口边界接头19-底座，20-T字型交叉裂隙。具体实施方式下面结合说明书附图和实施例对本专利技术作进一步说明。本专利技术所要解决的技术问题是提供结构简单、成本低廉、实用性和可扩展性强的交叉裂隙渗流可视化试验装置，不仅实现裂隙渗流过程的可视化、定量化观测，同时兼具有三维多角度的实时观测功能和不同重力梯度下的试验功能。本专利技术的模拟交叉裂隙渗流的可视化试验装置，包括基准本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟交叉裂隙渗流的可视化试验装置，其特征在于：包括基准平板、支撑板、底座、透明裂隙模具、水平相机、垂直相机、固定架、供液系统和控制主机，所述基准平板通过转轴安装在两个支撑板顶部，两个支撑板固定在底座上，基准平板前侧面设有与其平行的平板光源，所述固定架固定连接在基准平板上，所述透明裂隙模具通过夹板固定后安装在平板光源前侧的固定架上，固定架远离转轴处设有支撑在底座上的支撑调节杆，当基准平板处于竖直位置时，所述透明裂隙模具也处于竖直姿态且与基准平板所在平面垂直；所述水平相机和垂直相机也安装在固定架上，其中水平相机用于对透明裂隙模具顶部水平裂隙面拍摄，所述垂直相机用于对与平板光源相对一侧的透明裂隙模具侧边的垂直裂隙面拍摄，水平相机和垂直相机通过数据线与控制主机相连，所述供液系统通过管道与透明裂隙模具的液体出入口分别相连，通过控制主机控制供液系统的供液量进行裂隙渗流可视化试验。

【技术特征摘要】
1.一种模拟交叉裂隙渗流的可视化试验装置，其特征在于：包括基准平板、支撑板、底座、透明裂隙模具、水平相机、垂直相机、固定架、供液系统和控制主机，所述基准平板通过转轴安装在两个支撑板顶部，两个支撑板固定在底座上，基准平板前侧面设有与其平行的平板光源，所述固定架固定连接在基准平板上，所述透明裂隙模具通过夹板固定后安装在平板光源前侧的固定架上，固定架远离转轴处设有支撑在底座上的支撑调节杆，当基准平板处于竖直位置时，所述透明裂隙模具也处于竖直姿态且与基准平板所在平面垂直；所述水平相机和垂直相机也安装在固定架上，其中水平相机用于对透明裂隙模具顶部水平裂隙面拍摄，所述垂直相机用于对与平板光源相对一侧的透明裂隙模具侧边的垂直裂隙面拍摄，水平相机和垂直相机通过数据线与控制主机相连，所述供液系统通过管道与透明裂隙模具的液体出入口分别相连，通过控制主机控制供液系统的供液量进行裂隙渗流可视化试验。2.如权利要求1所述的可视化试验装置，其特征在于：所述固定架由水平方向的支杆和竖直方向的支杆组成，支杆与支杆之间通过杆夹相连。3.如权利要求2所述的可视化试验装置，其特征在于：所述杆夹采用金属制成，杆夹本体上设有多个供支杆穿过的安装孔，安装孔在一侧裂开分成两半，两半安装孔之间通过螺栓紧固，支杆穿过安装孔后，拧紧螺栓即可保持支杆与杆夹本体相对固定。4.如权利要求1所述的可视化试验装置，其特征在于：所述支撑调节杆为可调节高度的伸缩杆，其包括固定块和设于固定块上的调节螺栓，固定块固定安装在固定架底部，调节螺栓通过竖直方向的螺孔安装在固定块上，拧动调节螺栓即可调整其底部伸出高度，与转轴一起配合即可调整基准平板的倾斜角度。5.如权利要求1所述的可视化试验装置，其特征在于：所述供液系统为注射泵、储液槽和废液回收槽，所述注射泵通过管道与储液槽及透明裂隙模具顶部的液体入口相连，透明裂隙模具底部的液体出口通过管道与废液回收槽相连。6.如权利要求5所述的可视化试验装置，其特征在于：所述管道采...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志兵，薛松，郑小康，陈益峰，赵先进，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42