CN105866000A - 一种单一裂缝岩石渗流试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种单一裂缝岩石渗流试验装置及方法，属于岩石渗流试验室测量设备技术领域，本发明通过扫描得到真实的岩石裂缝表面的三维形貌，基于3D打印技术实现试件所含单一裂缝的真实性，使试验所得数据更精准、更科学、更真实；本发明设计一种可拆卸式试件装载密封腔体，将试件与密封腔体的接触面用环氧树脂胶粘合，保证了试件周围的密封性，使水只从试件的裂缝中渗透，保证测量裂缝渗流试验的准确性、真实性；通过拆卸替换装载了不同裂缝张开宽度试件的密封装置实现试验中试件裂缝的可调性；本发明由于设计的密封装置具有抗压的特点，所以本装置的可施加水压范围有较大提升，能够准确得到在不同水压下裂缝渗流的渗透特性变化趋势。
Description
技术领域
本发明属于岩石渗流试验室测量设备技术领域，具体涉及一种单一裂缝岩石渗流试验装置及方法。
背景技术
对于存在裂缝的岩体，当裂缝中存在水的时候，水的压力会导致岩体逐渐失稳破坏；在宏观尺度上，渗流场的存在和改变是导致裂隙岩体工程失稳，甚至导致大规模地质灾害的重要原因之一；因此研究裂缝对岩体工程的影响就需要了解裂缝岩石的渗透特性；
目前大部分的单一裂缝岩石渗透特性的研究都是基于立方定理的，而立方定理的适用条件是裂缝上下表面基本平行且粗糙度很小；故以往的试验多采用不锈钢板或有机玻璃人工制备单一裂缝进行研究；且多数研究的试验过程中利用夹具夹住试件，通过改变裂缝内垫片的厚度来改变裂缝的张开宽度，这一过程难免导致垫片和裂缝之间水的渗透；且压力不可调控，或利用水位高度差调整压力调整幅度较小，不能真实的模拟天然裂缝岩体渗流过程；
现如今，众多研究表明，裂缝表面的粗糙度是影响裂缝的渗透特性一大因素，因此对真实的岩石裂缝进行研究才能正确的评价裂缝岩石的渗透特性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种单一裂缝岩石渗流试验装置及方法，以达到提高测量裂缝渗流试验的准确性和真实性，实现试验中试件裂缝的可调性，提升可施加水压范围的目的。
一种单一裂缝岩石渗流试验装置，该装置包括水箱、变频自吸式增压泵、贮水箱、数显水压表、可拆卸式试件装载密封腔体、集水器和四脚架，其中，水箱通过导管连接变频自吸式增压泵，变频自吸式增压泵通过导管连接贮水箱，贮水箱设置于四脚架上端并贮水箱下端通过导管连接可拆卸式试件装载密封腔体，所述的集水器放置于可拆卸式试件装载密封腔体下端；所述的数显水压表设置于贮水箱的上端；
所述的可拆卸式试件装载密封腔体内部与试件密闭连接，且可拆卸式试件装载密封腔体下端设置有出水口；
所述的试件为：通过三维扫描仪扫描单一裂缝岩石三维数据并通过3D打印机打印获得多个具有相同裂缝表面、不同裂缝张开宽度的试件。
所述的可拆卸式试件装载密封腔体，包括主体和上盖，主体与上盖通过螺纹连接。
所述的贮水箱，其与可拆卸式试件装载密封腔体之间的导管设置有阀门；贮水箱与变频自吸式增压泵之间的导管设置有稳压阀；贮水箱还设置有出水管，出水管设置有阀门。
所述的可拆卸式试件装载密封腔体内部与试件密闭连接，具体为：采用环氧树脂胶进行密闭连接。
采用单一裂缝岩石渗流试验装置进行的试验方法，包括以下步骤：
步骤1、准备工作，具体如下：
步骤1-1、将天然岩石加工成圆柱形试件，采用三点抗弯方法将圆柱形试件沿直径压裂形成两个半圆柱形试件；
步骤1-2、采用三维扫描仪扫描半圆柱形试件的断裂面表面形貌的三维数据，根据三维数据构建裂缝表面的三维模型；
步骤1-3、将裂缝表面的三维模型导入3D打印机中，通过改变两个裂缝表面三维模型间的距离控制裂缝的张开宽度，获得多个具有相同裂缝表面、不同裂缝张开宽度的圆柱形试件；
步骤2、打开贮水箱的出水管阀门，关闭贮水箱下端导管的阀门；
步骤3、将试件密封放置于可拆卸式试件装载密封腔体内部，将可拆卸式试件装载密封腔体安装于贮水箱下端导管的一端；
步骤4、采用变频自吸式增压泵将水箱中的水进行增压，通过导管将增压后的水输送到贮水箱中，并通过稳压阀对试验用水进行稳压；
步骤5、待贮水箱装满水后关闭贮水箱的出水管阀门，并根据数显水压表显示的水压值，调节变频自吸式增压泵和稳压阀进而对水压进行调节；
步骤6、打开贮水箱下端导管的阀门，通过集水器记录试验规定的测试时间内的渗透流量；
步骤7、拆卸替换可拆卸式试件装载密封腔体，对其他裂缝张开宽度的试件进行试验；
步骤8、对采集的数据进行整理，获得不同裂缝张开宽度的单一裂缝岩石在渗流过程中的渗透特性。
本发明优点：
1、本发明通过扫描得到真实的岩石裂缝表面的三维形貌，基于3D打印技术实现试验试件所含单一裂缝的真实性，使试验所得数据更精准、更科学、更真实；
2、本发明设计一种可拆卸式试件装载密封腔体，将试件与密封腔体的接触面用环氧树脂胶粘合，从根本上保证了试件周围的密封性，使水只从试件的裂缝中渗透，保证了测量裂缝渗流试验的准确性、真实性；
3、本发明通过拆卸替换装载了不同裂缝张开宽度试件的密封装置实现试验中试件裂缝的可调性；
4、本发明由于设计的密封装置具有抗压的特点，所以本装置的可施加水压范围有较大提升，能够准确得到在不同水压下裂缝渗流的渗透特性变化趋势；
本发明通过以上优点能够更加真实的反映出裂缝的渗透特性。
附图说明
图1为本发明一种实施例的单一裂缝岩石渗流试验装置结构示意图；
图2为本发明一种实施例的可拆卸式试件装载密封腔体与试件位置关系示意图；
图3为本发明一种实施例的可拆卸式试件装载密封腔体结构示意图；
图4为本发明一种实施例的单一裂缝岩石渗流试验方法流程图；
图5为本发明一种实施例的具有相同裂缝表面、不同裂缝张开宽度试件示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。
本发明实施例中，如图1所示，单一裂缝岩石渗流试验装置包括水箱1、变频自吸式增压泵3、贮水箱6、数显水压表7、可拆卸式试件装载密封腔体11、集水器14和四脚架12，其中，水箱1通过导管2连接变频自吸式增压泵3，变频自吸式增压泵3通过导管4连接贮水箱6，贮水箱6设置于四脚架12上端并贮水箱6下端通过导管15连接可拆卸式试件装载密封腔体11，所述的集水器14放置于可拆卸式试件装载密封腔体11下端；所述的数显水压表7设置于贮水箱6的上端；贮水箱6与可拆卸式试件装载密封腔体11之间的导管设置有球形阀10；贮水箱6与变频自吸式增压泵3之间的导管设置有稳压阀5；贮水箱6还设置有出水管9，出水管9设置有球形阀8。
本发明实施例中，所述的试件为：通过三维扫描仪扫描单一裂缝岩石三维数据并通过3D打印机打印获得多个具有相同裂缝表面、不同裂缝张开宽度的试件。
本发明实施例中，三维扫描仪采用PS50三维非接触式表面轮廓仪，3D打印机采用ObjetConnex350三维打印机，四脚架12采用钢制成，贮水箱6采用不锈钢制成，集水器14带有刻度，试验用水可采用去离子水或蒸馏水；
本发明实施例中，如图2所示，可拆卸式试件装载密封腔体11内部与试件13通过环氧树脂胶密闭连接，保证了水流只从预制裂缝中渗透；且可拆卸式试件装载密封腔体下端设置有出水口；
本发明实施例中，如图3所示，可拆卸式试件装载密封腔体11，包括主体112和上盖111，主体112与上盖111通过螺纹连接。
采用单一裂缝岩石渗流试验装置进行的试验方法，方法流程图如图4所示，包括以下步骤：
步骤1、准备工作，具体如下：
步骤1-1、将天然岩石加工成圆柱形试件，采用三点抗弯方法将圆柱形试件沿直径压裂形成两个半圆柱形试件；
本发明实施例中，将天然岩石加工成直径40mm、高度15mm的圆柱形试件，然后通过三点抗弯方法将圆柱形试件沿直径压裂形成两个半圆柱形试件；
步骤1-2、采用三维扫描仪扫描半圆柱形试件的断裂面表面形貌的三维数据，根据三维数据构建裂缝表面的三维模型；
本发明实施例中，利用激光共聚焦显微镜扫描半圆柱形试件的断裂面表面形貌的三维数据，具体扫描尺寸视试验要求而定；将数据通过MATLAB和COMSOL软件进行处理构建真实裂缝表面的三维模型；
步骤1-3、将裂缝表面的三维模型导入3D打印机中，通过改变两个裂缝表面三维模型间的距离控制裂缝的张开宽度，获得多个具有相同裂缝表面、不同裂缝张开宽度的圆柱形试件；
本发明实施例中，如图5所示，将裂缝表面的三维模型导入3D打印机中通过改变两个裂缝表面三维模型间的距离控制裂缝的张开宽度，具体张开宽度视试验要求而定，从而制成多个具有相同裂缝表面、不同裂缝张开宽度的圆柱形试件，试件的直径是40mm、高度是15mm；本实施例中取张开宽度为40μm的试件进行试验；
步骤2、打开贮水箱的出水管阀门，关闭贮水箱下端导管的阀门；
本发明实施例中，将渗流装置按照图1所示组装，阀门8为打开状态，阀门10为关闭状态；
步骤3、将试件密封放置于可拆卸式试件装载密封腔体内部，将可拆卸式试件装载密封腔体安装于贮水箱下端导管的一端；
本发明实施例中，将试件13装载到圆管形密封腔体11里，装置的内径为40mm，使试件13正好套入密封腔体11内，然后用环氧树脂胶将试件与密封腔体的接触面粘合，从根本上保证了试件13周围的密封性，使水只从试件13的裂缝中渗透；密封腔体11可从渗流装置中拆卸下来，便于进行其他裂缝张开宽度的试验；将装载有试件13的密封腔体11装到贮水箱6下方接有阀门10的出水管上；
步骤4、采用变频自吸式增压泵将水箱中的水进行增压，通过导管将增压后的水输送到贮水箱中，并通过稳压阀对试验用水进行稳压；
本发明实施例中，利用变频自吸式增压泵3通过导管2将水箱1中的水进行增压，通过导管4将增压后的水输送到贮水箱6中，导管4中装有稳压阀5对试验用水进行稳压；
步骤5、待贮水箱6装满水后关闭阀门8，贮水箱6上方装有数显水压表显示此时水压，通过变频自吸式增压泵3和稳压阀5对水压进行调节；
步骤6、打开贮水箱下端导管的阀门10，通过集水器14记录试验规定的测试时间内的渗透流量；
步骤7、拆卸替换可拆卸式试件装载密封腔体11，对其他裂缝张开宽度的试件进行试验；
步骤8、对采集的数据进行整理，获得不同裂缝张开宽度的单一裂缝岩石在渗流过程中的渗透特性。
Claims (5)
1.一种单一裂缝岩石渗流试验装置，其特征在于，该装置包括水箱、变频自吸式增压泵、贮水箱、数显水压表、可拆卸式试件装载密封腔体、集水器和四脚架，其中，水箱通过导管连接变频自吸式增压泵，变频自吸式增压泵通过导管连接贮水箱，贮水箱设置于四脚架上端并贮水箱下端通过导管连接可拆卸式试件装载密封腔体，所述的集水器放置于可拆卸式试件装载密封腔体下端；所述的数显水压表设置于贮水箱的上端；
所述的可拆卸式试件装载密封腔体内部与试件密闭连接，且可拆卸式试件装载密封腔体下端设置有出水口；
所述的试件为：通过三维扫描仪扫描单一裂缝岩石三维数据并通过3D打印机打印获得多个具有相同裂缝表面、不同裂缝张开宽度的试件。
2.根据权利要求1所述的单一裂缝岩石渗流试验装置，其特征在于，所述的可拆卸式试件装载密封腔体，包括主体和上盖，主体与上盖通过螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的单一裂缝岩石渗流试验装置，其特征在于，所述的贮水箱，其与可拆卸式试件装载密封腔体之间的导管设置有阀门；贮水箱与变频自吸式增压泵之间的导管设置有稳压阀；贮水箱还设置有出水管，出水管设置有阀门。
4.根据权利要求1所述的单一裂缝岩石渗流试验装置，其特征在于，所述的可拆卸式试件装载密封腔体内部与试件密闭连接，具体为：采用环氧树脂胶进行密闭连接。
5.采用权利要求1所述的单一裂缝岩石渗流试验装置进行的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、准备工作，具体如下：
步骤1-1、将天然岩石加工成圆柱形试件，采用三点抗弯方法将圆柱形试件沿直径压裂形成两个半圆柱形试件；
步骤1-2、采用三维扫描仪扫描半圆柱形试件的断裂面表面形貌的三维数据，根据三维数据构建裂缝表面的三维模型；
步骤1-3、将裂缝表面的三维模型导入3D打印机中，通过改变两个裂缝表面三维模型间的距离控制裂缝的张开宽度，获得多个具有相同裂缝表面、不同裂缝张开宽度的圆柱形试件；
步骤2、打开贮水箱的出水管阀门，关闭贮水箱下端导管的阀门；
步骤3、将试件密封放置于可拆卸式试件装载密封腔体内部，将可拆卸式试件装载密封腔体安装于贮水箱下端导管的一端；
步骤4、采用变频自吸式增压泵将水箱中的水进行增压，通过导管将增压后的水输送到贮水箱中，并通过稳压阀对试验用水进行稳压；
步骤5、待贮水箱装满水后关闭贮水箱的出水管阀门，并根据数显水压表显示的水压值，调节变频自吸式增压泵和稳压阀进而对水压进行调节；
步骤6、打开贮水箱下端导管的阀门，通过集水器记录试验规定的测试时间内的渗透流量；
步骤7、拆卸替换可拆卸式试件装载密封腔体，对其他裂缝张开宽度的试件进行试验；
步骤8、对采集的数据进行整理，获得不同裂缝张开宽度的单一裂缝岩石在渗流过程中的渗透特性。
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