一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统及其试验方法技术方案

本发明专利技术公开了一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统及其试验方法，系统包括水源装置、注射泵、可夹持式流入流出容器、裂隙网络渗流装置、CCD照像系统、渗出水称重系统和水压力采集系统。本发明专利技术可以对任意形式的粗糙裂隙网络渗流过程进行模拟，同时可以对任意粗糙裂隙的力学开度进行定量化，并且对裂隙网络中水的渗流过程实现了可视化研究。本发明专利技术系统具有结构简单、适用性强、经济节约等特点，尤其对于粗糙裂隙力学开度的定量化与裂隙网络渗流过程的可视化研究具有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及粗糙裂隙渗流物理模型试验领域，特别是一种针对粗糙裂隙力学开度的粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统及其试验方法。
技术介绍
天然岩体中存在大量不连续面/裂隙，这些不连续面的存在为岩体中水或其他有害物质的运移提供了通道。对于大坝及边坡工程，承压地下水以渗透压力或水头压力的方式在不连续面中的渗流是导致边坡工程失稳的一个重要原因；对于地下石油储库及核电站基础等，石油或核物质等有害污染物易通过岩体中不连续面产生运移和扩散，从而对周边环境产生极大的污染。另外在致密岩体中，比如花岗岩和沉积岩，流体的运移基本只沿着其中的不连续面进行，因此展开流体在致密岩体裂隙中渗流规律及机理的研究对于边坡工程稳定性及地下(储藏)工程的安全评估都具有重要的意义。申请号为CN201310657945.6的专利技术专利介绍了一种有自由面裂隙网络渗流试验装置，该装置在刻画板上刻出裂缝模拟裂隙网络，将裂隙网络模型的一个侧面与上游水箱相连接并通过上游水箱向裂隙中注水。由于裂隙非常微小，而将含裂隙网络模型刻画板的整个侧面与水箱连接对于侧面不存在裂隙的位置来讲是不必要的，增大上游水箱与裂隙模型的接触面积无疑会使接触范围内渗水的位置增加，从而增大了防水渗漏的难度。申请号为CN201210562580.4的专利技术专利和申请号为CN201410588213.0的专利技术专利分别介绍了采用真实岩石或混凝土试块进行裂隙渗流模拟的装置和方法，两种装置都是将真实试样或混凝土试块放置于一个容器中，通过从容器外接入水管向试样的裂隙中注水并产生渗流。但外部水源并不是直接接入试样的裂隙中，而是经过试样与容器内壁的交界面然后才能渗流，外部水源在经过试样与容器内壁的过程中不可避免的会沿着二者交界面向四周扩散，必定会造成水压力与水流量的衰减与消散，从而造成试验结果产生很大误差。《岩土力学》2015年第6期题为《交叉裂隙水力学开度的计算及非线性水力特性研究》中作者刘日成等介绍了一种用于交叉裂隙水力学开度计算的试验方法，但文中没有涉及对粗糙裂隙表面形状及力学开度进行定量化的研究，也没有涉及渗流过程可视化的研究。上述现有技术中所涉及的装置在将外部水源引入裂隙端部的过程中都存在一定缺陷，因而如何实现将外部水源的水直接过渡到裂隙中是一个关键问题；而且现有技术中针对粗糙裂隙缺少定量化的研究方法；此外现有技术中都没有针对粗糙裂隙渗流过程可视化方面的研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统及其试验方法，以实现水在粗糙裂隙网络中渗流的模拟，实现将外部水源的水直接过渡到粗糙裂隙中，避免扩散。本专利技术进一步的目的在于提供一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统及其试验方法，其能够实现对任意粗糙裂隙几何形状的定量化，测得粗糙裂隙的表面形状及力学开度。本专利技术更进一步的目的在于提供一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统及其试验方法，其对于粗糙裂隙中水的渗流实现渗流过程的可视化模拟，为粗糙裂隙网络渗流可视化方面的研究提供基础。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统，包括水源装置、注射泵、可夹持式流入流出容器和裂隙网络渗流装置；所述注射泵，其进水端通过导水管连通所述水源装置，所述进水端设有第一阀门，所述注射泵的出水端通过导水管连通至所述可夹持式流入流出容器，所述出水端设有第二阀门；所述可夹持式流入流出容器，包括基体和用于将所述基体连接至所述裂隙网络渗流装置的夹持部，所述基体上设有液体流通的输入/输出通道；所述输入/输出通道一端与所述裂隙网络渗流装置连接，另一端与所述注射泵的出水端的导水管连接，且所述输入/输出通道和所述注射泵的出水端之间设有第三阀门；所述裂隙网络渗流装置，包括压紧模型的两块相同的第一玻璃板和一块具有至少两个裂隙的裂隙网络的第二玻璃板，所述第二玻璃板位于所述两块第一玻璃板之间，且所述第一玻璃板与所述两块第二玻璃板相互接触的四周边缘位置密封；其中，所述第二玻璃板的边缘至少两个部分凸出于所述两块第一玻璃板，形成至少两个凸出部；所述夹持部的形状与所述凸出部相适应，以将所述可夹持式流入流出容器夹紧在所述裂隙网络渗流装置的凸出部，使所述输入/输出通道与所述裂隙网络中的一个裂隙连通，且所述夹持部与所述凸出部相接触的边缘位置密封。进一步的，还包括CCD照像系统，该系统包括：一个CCD相机，位于所述裂隙网络渗流装置上方，用于对所述裂隙网络渗流装置拍照获取所述裂隙网络的图像；其中所述图像为当裂隙中注入带有颜色的染液且充满整个裂隙网络时的图像；第一计算机，与所述CCD相机连接，用于对所述裂隙网络的图像进行处理，获得裂隙表面形状坐标数据和不同位置的裂隙力学开度。更进一步的，还包括渗出水称重系统，包括：容器，用于收集所述裂隙网络渗流装置中的裂隙渗出水；电子称，所述容器放置其上，用于称重所述容器中渗出水的重量数据；第二计算机，与所述电子称连接，用于记录所述重量数据。更进一步的，该系统还包括水压力采集系统，包括：微型渗压计，嵌设于所述可夹持式流入流出容器的基体上，用于检测所述输入/输出通道内流通的液体的压力；数据采集仪，与所述微型渗压计连接，用于采集所述压力；第三计算机，与所述数据采集仪连接，用于记录所述压力。可选的，所述水源装置与所述注射泵之间还设有过滤装置，用于滤去进入所述裂隙网络的水源中的杂质，防止在裂隙渗流过程中杂质堵塞裂隙。可选的，所述第二玻璃板中的裂隙沿着第二玻璃板的厚度方向是完全贯通的，所述裂隙网络为预定形状的裂隙网络或者是通过对所述第二玻璃板施加物理打击而自然形成的裂隙网络。在一个实施例中，所述裂隙网络渗流装置上的所述凸出部有四个，其中每两个凸出部作为一组构成输入端和输出端；两组的输入端分别连接一个所述可夹持式流入流出容器；两组的输出端分别连接一个第二可夹持式流入流出容器；其中，每个所述第二可夹持式流入流出容器与所述可夹持式流入流出容器结构相同，其基体上的输入/输出通道一端与所述裂隙网络渗流装置的输出端连接，另一端连接弯折导水管，所述弯折导水管上设有第四阀门且末端位于所述容器上方；对应的，所述容器有两个，分别收集所述裂隙网络渗流装置中两组的输出端流出的裂隙渗出水；每个容器下均设置一个电子称，每个电子称均连接至所述第二计算机。进一步的，所述可夹持式流入流出容器的夹持部呈矩形凹槽状结构，所述第二玻璃板的凸出部伸入所述凹槽后边缘位置密封。本专利技术还提供一种利用上述的粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统进行试验的方法，包括以下试验步骤：1)利用所述第一阀门、第二阀门、第三阀门和注射泵的配合向所述裂隙网络中注入红色染液直至充满裂隙网络，利用所述CCD相机沿着整个裂隙网络表面进行拍照，获取所述裂隙网络的图像，所述第一计算机对所述裂隙网络的图像进行处理，获得裂隙表面形状坐标数据和不同位置的裂隙力学开度；2)将水源换为纯净水，打开第一阀门将纯净水存储在注射泵中，然后打开第二阀门和第三阀门，关闭第一阀门将纯净水注入所述裂隙网络渗流装置上的裂隙中，其中所述注射泵以固定流量或固定水压力向裂隙中注水，通过所述水压力采集系统进行采集和监测水压力，同时所述渗出水称重系统工作，进行数据采集；3)当所述纯净水渗流稳定后将水源替换为红色染本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统，其特征在于，包括水源装置、注射泵、可夹持式流入流出容器和裂隙网络渗流装置；所述注射泵，其进水端通过导水管连通所述水源装置，所述进水端设有第一阀门，所述注射泵的出水端通过导水管连通至所述可夹持式流入流出容器，所述出水端设有第二阀门；所述可夹持式流入流出容器，包括基体和用于将所述基体连接至所述裂隙网络渗流装置的夹持部，所述基体上设有液体流通的输入/输出通道；所述输入/输出通道一端与所述裂隙网络渗流装置连接，另一端与所述注射泵的出水端的导水管连接，且所述输入/输出通道和所述注射泵的出水端之间设有第三阀门；所述裂隙网络渗流装置，包括压紧模型的两块相同的第一玻璃板和一块具有至少两个裂隙的裂隙网络的第二玻璃板，所述第二玻璃板位于所述两块第一玻璃板之间，且所述第一玻璃板与所述两块第二玻璃板相互接触的四周边缘位置密封；其中，所述第二玻璃板的边缘至少两个部分凸出于所述两块第一玻璃板，形成至少两个凸出部；所述夹持部的形状与所述凸出部相适应，以将所述可夹持式流入流出容器夹紧在所述裂隙网络渗流装置的凸出部，使所述输入/输出通道与所述裂隙网络中的一个裂隙连通，且所述夹持部与所述凸出部相接触的边缘位置密封。...

【技术特征摘要】
1.一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统，其特征在于，包括水源装置、注射泵、可夹持式流入流出容器和裂隙网络渗流装置；所述注射泵，其进水端通过导水管连通所述水源装置，所述进水端设有第一阀门，所述注射泵的出水端通过导水管连通至所述可夹持式流入流出容器，所述出水端设有第二阀门；所述可夹持式流入流出容器，包括基体和用于将所述基体连接至所述裂隙网络渗流装置的夹持部，所述基体上设有液体流通的输入/输出通道；所述输入/输出通道一端与所述裂隙网络渗流装置连接，另一端与所述注射泵的出水端的导水管连接，且所述输入/输出通道和所述注射泵的出水端之间设有第三阀门；所述裂隙网络渗流装置，包括压紧模型的两块相同的第一玻璃板和一块具有至少两个裂隙的裂隙网络的第二玻璃板，所述第二玻璃板位于所述两块第一玻璃板之间，且所述第一玻璃板与所述两块第二玻璃板相互接触的四周边缘位置密封；其中，所述第二玻璃板的边缘至少两个部分凸出于所述两块第一玻璃板，形成至少两个凸出部；所述夹持部的形状与所述凸出部相适应，以将所述可夹持式流入流出容器夹紧在所述裂隙网络渗流装置的凸出部，使所述输入/输出通道与所述裂隙网络中的一个裂隙连通，且所述夹持部与所述凸出部相接触的边缘位置密封。2.根据权利要求1所述的粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统，其特征在于，还包括CCD照像系统，该系统包括：一个CCD相机，位于所述裂隙网络渗流装置上方，用于对所述裂隙网络渗流装置拍照获取所述裂隙网络的图像；其中所述图像为当裂隙中注入带有颜色的染液且充满整个裂隙网络时的图像；第一计算机，与所述CCD相机连接，用于对所述裂隙网络的图像进行处理，获得裂隙表面形状坐标数据和不同位置的裂隙力学开度。3.根据权利要求2所述的粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统，其特征在于，还包括渗出水称重系统，包括：容器，用于收集所述裂隙网络渗流装置中的裂隙渗出水；电子称，所述容器放置其上，用于称重所述容器中渗出水的重量数据；第二计算机，与所述电子称连接，用于记录所述重量数据。4.根据权利要求3所述的粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统，其特征在于，该系统还包括水压力采集系统，包括：微型渗压计，嵌设于所述可夹持式流入流出容器的基体上，用于检测所述输入/输出通道内流通的液体的压力；数据采集仪，与所述微型渗压计连接，用于采集所述压力；第三计算机，与所述数据采集仪连接，用于记录所述压力。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘日成，蔚立元，蒋宇静，吴兴杰，张涛，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32