【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于土木工程，尤其涉及一种压实膨润土水力劈裂可视化试验装置及方法。
技术介绍
1、面向国家“碳达峰、碳中和”的战略目标需求，推进能源改革、实现绿色低碳转型发展是关键。核能因其清洁低碳、稳定高效的优势，已成为世界发达经济体最大的能源选项。我国作为核能使用大国，连续多年在建核电机组及装机容量保持世界第一。然而，核能的快速发展将不可避免地导致高放射性废物(简称“高放废物”)急剧增加，如何有效、安全处置这些高放废物已成为限制核工业可持续发展的关键科学问题。
2、目前，国际上普遍采用深地质掩埋来实现高放废物的永久处置，即：将高放废物置于地表以下约250至1000米的矿洞或隧道中，借助围岩天然屏障、工程屏障、金属罐构成的多重屏障系统，实现高放废物与生物圈的有效隔离。其中压实膨润土因高膨胀性、低渗透性、强核素吸附性等特点，被视为建造工程屏障的首选材料。然而，考虑到深部地质环境的主要特征之一是高水压，当地下水快速入渗至膨润土工程屏障时，由于膨润土的低渗透性将导致水流无法通过，进而产生水压的聚集。一旦聚集水压达到特定量级，膨润土工程屏障会发生水力劈裂破坏，形成的劈裂缝将为核素的迁移提供优势渗流通道，劣化膨润土工程屏障阻滞能力。此外，衰变热或地热能诱发的高温环境，以及持续产生的气体驱动孔隙水迁移，同样会导致膨润土工程屏障内部水压升高。基于此，开展压实膨润土水力劈裂特性研究，对于处置库内工程屏障的设计及长期性能评估十分重要。
3、以往关于压实膨润土水力劈裂特性的研究，主要关注突破特征参数的演化规律，如突破压力、突破体
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种压实膨润土水力劈裂可视化试验装置，其特征在于，包括数字化测量组件、控制器、试验组件、光源观察箱和相机观测单元，试验组件包括底座、刚性环、透明顶盖、中心开孔试样、导管和透水石；
2、刚性环设于底座和透明顶盖之间并支撑透明顶盖，中心开孔试样设于刚性环内部，透水石设于中心开孔试样的中部通孔处，导管一端接通通孔，另一端连接控制器，控制器信号连接数字化测量组件用于控制向通孔处的加压和注水速率，数字化测量组件用于记录监测注水压力和注水体积数据；
3、光源观察箱罩设于试验组件的外周，用于提供充足的照明，相机观测单元设于光源观察箱的顶部，用于捕捉水力劈裂全过程特征图像。
4、进一步地，底座内部设有注水孔，注水孔的两端连通外界与通孔，导管插入注水孔与通孔连通。
5、进一步地，底座上表面于注水孔处向内凹设有沉孔，并形成有台阶面，透水石插设于通孔内部，且透水石底端插入沉孔内，当透水石的底部与台阶面抵接时，透水石的上表面与中心开孔试样的上表面齐平。
6、进一步地，刚性环与透明盖板、底座之间皆设有o形密封圈；透水石顶部设有圆形密封圈。
7、进一步地，透明顶盖由聚甲基丙烯酸甲酯制成，设有排气孔，排气孔用于实验过程中气体的排出；
8、透明顶盖通过螺栓与底座可拆卸固定。
9、进一步地，观察箱为led标准光源观察箱，其顶部内壁固定有多个可调节led光源，多个可调节led光源照射试验组件设置；
10、相机观测组件具体为高分辨率相机，高分辨率相机布设于所led标准光源观察箱顶部内壁的中部，高分辨率相机朝向试验组件设置。
11、进一步地，控制器为gds标准压力/体积控制器，gds标准压力/体积控制器根据试验设计压力路径，通过gdslab软件中advanced loading模块，选择恒定压力、恒定流速，或恒定加压速率方式注水，压力控制范围为0-16mpa，精度为1kpa。
12、进一步地，数字化测量组件通过gdslab软件的dataacquisition模块，实时记录注水压力、注水体积数据，数字化测量组件通过dataacquisition模块自动设置数据采集间隔时间，最小间隔为1s。
13、一种压实膨润土水力劈裂可视化试验方法，使用实膨润土水力劈裂可视化试验装置进行试验，其特征在于，包括以下步骤：
14、s1：膨润土粉末吸力控制；
15、s2：压制中心开孔试样；
16、s3：管道及底座排气；
17、s4：安装压实膨润土水力劈裂可视化试验装置；
18、s5：进行水利劈裂实验；
19、s6：结束实验，并对观测结果进行分析。
20、进一步地，s1具体为：基于气相平衡法，将膨润土粉末密封于盛有特定饱和盐溶液的干燥皿，当粉末总质量趋近于不再改变时，认定目标吸力已达到，采用烘干法测量粉末的平衡含水率；
21、s2具体为：首先根据试样的目标尺寸计算压制特定干密度、特定含水率条件下所需要的膨润土粉末质量，称量相应质量的膨润土粉末并将其倒入特制的压样装置，然后采用万能压力机，根据位移控制法，以0.5mm/min的下降速率压制试样，当目标位移达到后，静置1h避免样品回弹，最后拆卸压样装置，得到被压制于刚性环中的中心开孔试样；
22、s3具体为：gds标准压力/体积控制器通过导管以10kpa恒定低压向注水孔内注水，当底座中心注水孔有连续水流出现时，则导管及底座内气体被完全排出，停止注水；
23、s4具体为：首先将包含中心开孔试样的刚性环放置于底座中心，然后将透水石完全推入中心开孔试样的沉孔，并放置圆形密封圈，避免水流沿透水石顶部漫出，最后将透明顶盖置于刚性环顶部，拧紧螺栓，确保装置密封性；
24、s5具体为：打开led灯，启用advanced loading模块、dataacquisition模块和高分辨率相机的录像模块记录水力劈裂动态全过程，开始水力劈裂试验；
25、s6具体为：当dataacquisition模块记录的注水压力曲线出现急剧下降，或注水体积曲线出现急剧升高，则水力劈裂已发生，相应的临界注水压力和注水体积即为突破压力和突破体积，随即结束实验，对高分辨率相机观测结果进行分析。
26、与现有技术相比，本专利技术的有益效果主要体现在：
27、1、本专利技术公开了一种压实膨润土水力劈裂可视化试验装置及方法，该装置可以在实时监测注水体积和注水体积的同时，捕捉裂缝萌生和扩展动态全过程。
28、2、本专利技术可为分析压实膨润土水力劈裂的微观力学机制，进而指导处置库工程屏障的设计及建造提供理论指导。
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1.一种压实膨润土水力劈裂可视化试验装置，其特征在于，包括数字化测量组件、控制器、试验组件、光源观察箱和相机观测单元，所述试验组件包括底座、刚性环、透明顶盖、中心开孔试样、导管和透水石；
2.根据权利要求1所述的压实膨润土水力劈裂可视化试验装置，其特征在于，所述底座内部设有注水孔，所述注水孔的两端连通外界与通孔，所述导管插入所述注水孔与所述通孔连通。
3.根据权利要求1所述的压实膨润土水力劈裂可视化试验装置，其特征在于，所述底座上表面于所述注水孔处向内凹设有沉孔，并形成有台阶面，所述透水石插设于通孔内部，且所述透水石底端插入所述沉孔内，当所述透水石的底部与所述台阶面抵接时，透水石的上表面与中心开孔试样的上表面齐平。
4.根据权利要求1所述的压实膨润土水力劈裂可视化试验装置，其特征在于，所述刚性环与透明盖板、底座之间皆设有O形密封圈；所述透水石顶部设有圆形密封圈。
5.根据权利要求1所述的压实膨润土水力劈裂可视化试验装置，其特征在于，所述透明顶盖由聚甲基丙烯酸甲酯制成，设有排气孔，所述排气孔用于实验过程中气体的排出；
6.
7.根据权利要求1所述的压实膨润土水力劈裂可视化试验装置，其特征在于，所述控制器为GDS标准压力/体积控制器，所述GDS标准压力/体积控制器根据试验设计压力路径，通过GDSLAB软件中Advanced Loading模块，选择恒定压力、恒定流速，或恒定加压速率方式注水，压力控制范围为0-16MPa，精度为1kPa。
8.根据权利要求1所述的压实膨润土水力劈裂可视化试验装置，其特征在于，所述数字化测量组件通过GDSLAB软件的DataAcquisition模块，实时记录注水压力、注水体积数据，所述数字化测量组件通过DataAcquisition模块自动设置数据采集间隔时间，最小间隔为1s。
9.一种压实膨润土水力劈裂可视化试验方法，使用权利要求1-8任意一项所述的压实膨润土水力劈裂可视化试验装置进行试验，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的压实膨润土水力劈裂可视化试验方法，其特征在于，所述S1具体为：基于气相平衡法，将膨润土粉末密封于盛有特定饱和盐溶液的干燥皿，当粉末总质量趋近于不再改变时，认定目标吸力已达到，采用烘干法测量粉末的平衡含水率；
...【技术特征摘要】
1.一种压实膨润土水力劈裂可视化试验装置，其特征在于，包括数字化测量组件、控制器、试验组件、光源观察箱和相机观测单元，所述试验组件包括底座、刚性环、透明顶盖、中心开孔试样、导管和透水石；
2.根据权利要求1所述的压实膨润土水力劈裂可视化试验装置，其特征在于，所述底座内部设有注水孔，所述注水孔的两端连通外界与通孔，所述导管插入所述注水孔与所述通孔连通。
3.根据权利要求1所述的压实膨润土水力劈裂可视化试验装置，其特征在于，所述底座上表面于所述注水孔处向内凹设有沉孔，并形成有台阶面，所述透水石插设于通孔内部，且所述透水石底端插入所述沉孔内，当所述透水石的底部与所述台阶面抵接时，透水石的上表面与中心开孔试样的上表面齐平。
4.根据权利要求1所述的压实膨润土水力劈裂可视化试验装置，其特征在于，所述刚性环与透明盖板、底座之间皆设有o形密封圈；所述透水石顶部设有圆形密封圈。
5.根据权利要求1所述的压实膨润土水力劈裂可视化试验装置，其特征在于，所述透明顶盖由聚甲基丙烯酸甲酯制成，设有排气孔，所述排气孔用于实验过程中气体的排出；
6.根据权利要求1所述的压实膨润土水力劈裂可视化试验装置，其特征在于，所述观察箱为led标准光源观察箱，其顶部...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈永贵，李昆鹏，胡添乐，叶为民，王琼，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：
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