CN108333093A - 一种应力作用下三维裂隙网络岩体两相介质渗流试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应力作用下三维裂隙网络岩体两相介质渗流试验装置，包括试验平台、液气加载装置、液气分离收集装置，试验平台的边缘设有固定边界和移动加载边界，移动加载边界与三维裂隙岩石试样贴合的一侧面设有若干小孔，其另一侧面与液气加载装置连接，固定边界与三维裂隙岩石试样贴合的一侧面设有条形孔，其另一侧面与液气分离收集装置连接，三维裂隙岩石试样的上方设有高强透明玻璃，高强透明玻璃、限位框架、试验平台形成密封空间，高强透明玻璃上方设有3D照相机。本发明具有操作简便、成本低廉、可视化、精确度高等特点，在裂隙岩体多相介质渗流试验研究中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩石力学试验装置，特别是涉及三维裂隙网络岩体气-液两相介质渗流物理模型试验领域，具体的是一种应力作用下三维裂隙网络岩体两相介质渗流试验装置。
背景技术
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液体和气体介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。在裂隙岩体中流体的运移基本只沿着其中的不连续面进行，因此开展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CN201310311071.9和CN201310310013.4的发明专利公开了一种裂隙岩体热-水-力三场耦合大尺度模型试验装置及方法，主要用于模拟热力环境下水在裂隙岩体中的渗流问题，而且裂隙均为光滑平直裂隙。
申请号为CN201210382250.7的发明专利公开了一种用于模拟孔隙-裂隙双重介质渗流水力特性的试验***，该试验***主要用于模拟水在孔隙-裂隙双重介质中的渗流过程。
申请号为CN200620070099.3的实用新型专利公开了一种间隙可调的岩石径向裂隙渗流试验装置，该装置主要用于研究水在岩石不同开度平行裂隙中的渗流。
论文《气液二相流体裂缝渗流规律的模拟实验研究》中介绍了一种用于气液两相流体在裂隙岩石中渗流研究的实验装置，但该装置不能对裂隙岩石进行加载，且假设裂隙是光滑平行板模型，从而无法模拟粗糙岩石裂隙所处的真实应力状态。
对于天然裂隙岩体，其内部流体渗流过程中一般液体和气体两种介质同时存在，而且裂隙岩体一般处于一定的原岩应力或扰动应力状态之中。目前已有专利和论文一般都是针对单一介质进行研究，并且大部分是针对液体这种介质从而忽视了气体介质在其中的影响；另一方面，天然裂隙岩体所处的应力状态一般是各向不等压状态，已有专利和论文公布的装置很少能够模拟这种应力状态。
发明内容
本发明为了研究裂隙岩体中气-液两相介质的渗流规律，模拟液体和气体两种介质同时在三维裂隙网络中的渗流过程，并模拟裂隙岩体所处的真实应力状态，针对现有技术的不足设计了一种应力作用下三维裂隙网络岩体两相介质渗流试验装置。
本发明为实现以上目的，采用如下方案：一种应力作用下三维裂隙网络岩体两相介质渗流试验装置，包括试验平台、液气加载装置、液气分离收集装置，所述试验平台的边缘设有固定边界和可分离的移动加载边界，所述固定边界和移动加载边界组成用于固定三维裂隙岩石试样的限位框架，所述移动加载边界与所述三维裂隙岩石试样贴合的一侧面设有若干小孔，其另一侧面与所述液气加载装置连接，使所述液气加载装置与所述小孔连通，所述固定边界与所述三维裂隙岩石试样贴合的一侧面设有条形孔，其另一侧面与所述液气分离收集装置连接，使所述液气分离收集装置与所述条形孔连通，所述三维裂隙岩石试样的上方设有高强透明玻璃，所述高强透明玻璃、限位框架、试验平台形成密封空间，所述高强透明玻璃上方设有3D照相机。
进一步的，所述液气加载装置包括恒压水箱和高压气瓶，所述恒压水箱与所述高压气瓶通过三通连接至所述移动加载边界。
进一步的，所述液气分离收集装置包括液体收集装置和气体收集装置，所述液体收集装置设有用于称重的电子秤，所述电子秤与一计算机连接，所述计算机记录液体质量的变化数据。
进一步的，所述固定边界的数量为2条，形成L型结构，所述移动加载边界的数量为2条，形成倒L型结构，所述固定边界和移动加载边界组成一矩形框架。
进一步的，所述移动加载边界均独立的连接有压力加载设备。
进一步的，所述压力加载设备为千斤顶或油缸。
进一步的，所述移动加载边界包括若干独立的流体加载单元，所述加载单元均连接有阀门并汇聚至所述液气加载装置。
本发明和现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明实现了液体和气体两相介质同时在裂隙岩体中进行渗流，并且可以分别控制液体和气体的入渗压力。在两相介质通过裂隙岩体后又能够将液体和气体相分离，分别测量并记录两者的渗出量。
(2)本发明设计的移动加载边界可以同时进行应力加载和流体加载，同时加载单元的设计可以实现应力加载时减小应力集中、流体加载时流体压力分布更加均匀。移动加载边界也可以对裂隙岩体进行两个水平方向不同压力加载，模拟真实岩体所处的应力状态。
(3)本发明通过在固定边界和移动加载边界连接的管路上设有阀门，可以通过阀门的开关控制两相介质流入和流出裂隙岩体的边界位置和裂隙数目，从而实现控制两相介质的不同渗流路径。
(4)本发明通过在试样上方放置高强透明玻璃，流体中添加可用相机拍摄到的追踪粒子，并采用3D照相数据采集***透过高强透明玻璃实时监测流体流动，同时可以实时观测气液驱替、捕捉裂隙尖端扩展以及应力和流体压力作用下裂隙开度变化情况实现裂隙网络渗流过程的可视化。
本装置具有操作简便、成本低廉、可视化、精确度高等特点，在裂隙岩体多相介质渗流试验研究中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明移动加载边界结构示意图；
图3为本发明流体加载单元侧面示意图；
图4为本发明固定边界立体图；
图5为本发明固定边界侧视图；
图6为本发明整体结构示意图二。
具体实施方式
结合图1至图6，一种应力作用下三维裂隙网络岩体两相介质渗流试验装置，包括试验平台1、液气加载装置、液气分离收集装置，所述试验平台1的边缘设有固定边界3和可分离的移动加载边界4，所述固定边界3和移动加载边界4组成用于固定三维裂隙岩石试样2的限位框架，所述移动加载边界4与所述三维裂隙岩石试样2贴合的一侧面设有若干小孔，其另一侧面与所述液气加载装置连接，使所述液气加载装置与所述小孔连通，所述固定边界3与所述三维裂隙岩石试样2贴合的一侧面设有条形孔31(如图4和图5)，其另一侧面与所述液气分离收集装置连接，使所述液气分离收集装置与所述条形孔31连通，这种设计既可以使岩石试样中的渗流介质通过微小缝隙流出试验装置，又不会对岩石试样边界的应力状态产生明显的影响。所述三维裂隙岩石试样2的上方设有高强透明玻璃11，所述高强透明玻璃11、限位框架、试验平台1形成密封空间，所述高强透明玻璃11上方设有3D照相机10。三维裂隙岩石试样2渗透过程通过在试验装置上方一定距离设置3D照相数据采集***实时监测流体流动，同时可以实时观测气液驱替、捕捉裂隙尖端扩展以及应力和流体压力作用下裂隙开度变化情况实现裂隙网络渗流过程的可视化。由于试样表面具有裂隙，在流体内添加追踪剂，试样表面喷散斑，相机就可以采集流体流动图像，并上传至计算机***内以供分析。3D相机为本领域实验室内常用设备，亦可采用普通数字相机。
进一步的，所述液气加载装置包括恒压水箱52和高压气瓶6，恒压水箱52还连接有空气压缩机51，通过空气压缩机51对储存在恒压水箱52中的液体进行加压。所述恒压水箱52与所述高压气瓶6通过三通连接至所述移动加载边界4。气体储存在高压气瓶6中，通过控制高压气瓶6的阀门释放气体介质，恒压水箱52和高压气瓶6的出口设置精密压力表8，根据精密压力表8的读数分别控制液体和气体的压力以及两相介质混合物的压力。
进一步的，所述液气分离收集装置包括液体收集装置71和气体收集装置72，所述液体收集装置71设有用于称重的电子秤74，所述电子秤74与一计算机73连接，所述计算机73记录液体质量的变化数据。
进一步的，所述固定边界3的数量为2条，形成L型结构，所述移动加载边界4的数量为2条，形成倒L型结构，所述固定边界3和移动加载边界4组成一矩形框架。所述移动加载边界4均独立的连接有压力加载设备。加载过程中通过对三维裂隙岩石试样2某一边界加载，可以对两个移动加载边界4分别进行控制，从而实现对三维裂隙岩石试样2进行两个水平方向不同压力加载。压力加载设备可采用千斤顶或油缸。
进一步的，如图2和图3，所述移动加载边界4包括若干独立的流体加载单元41，所述流体加载单元41均连接有阀门9并汇聚至所述液气加载装置。流体加载单元41具有较大刚度且内部为中空结构，其与岩石试样相接触的一侧表面开有密集的小孔，相对一侧与阀门9相连接。气-液两相介质的混合物通过阀门9进入流体加载单元41内部，之后通过密集小孔进入裂隙岩体。可以通过阀门9的开关控制两相介质流入和流出裂隙岩体的边界位置和裂隙数目，从而实现控制两相介质的不同渗流路径。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种应力作用下三维裂隙网络岩体两相介质渗流试验装置，包括试验平台、液气加载装置、液气分离收集装置，其特征在于：所述试验平台的边缘设有固定边界和可分离的移动加载边界，所述固定边界和移动加载边界组成用于固定三维裂隙岩石试样的限位框架，所述移动加载边界与所述三维裂隙岩石试样贴合的一侧面设有若干小孔，其另一侧面与所述液气加载装置连接，使所述液气加载装置与所述小孔连通，所述固定边界与所述三维裂隙岩石试样贴合的一侧面设有条形孔，其另一侧面与所述液气分离收集装置连接，使所述液气分离收集装置与所述条形孔连通，所述三维裂隙岩石试样的上方设有高强透明玻璃，所述高强透明玻璃、限位框架、试验平台形成密封空间，所述高强透明玻璃上方设有3D照相机。
2.如权利要求1所述的一种应力作用下三维裂隙网络岩体两相介质渗流试验装置，其特征在于：所述液气加载装置包括恒压水箱和高压气瓶，所述恒压水箱与所述高压气瓶通过三通连接至所述移动加载边界。
3.如权利要求1所述的一种应力作用下三维裂隙网络岩体两相介质渗流试验装置，其特征在于：所述液气分离收集装置包括液体收集装置和气体收集装置，所述液体收集装置设有用于称重的电子秤，所述电子秤与一计算机连接，所述计算机记录液体质量的变化数据。
4.如权利要求1所述的一种应力作用下三维裂隙网络岩体两相介质渗流试验装置，其特征在于：所述固定边界的数量为2条，形成L型结构，所述移动加载边界的数量为2条，形成倒L型结构，所述固定边界和移动加载边界组成一矩形框架。
5.如权利要求4所述的一种应力作用下三维裂隙网络岩体两相介质渗流试验装置，其特征在于：所述移动加载边界均独立的连接有压力加载设备。
6.如权利要求5所述的一种应力作用下三维裂隙网络岩体两相介质渗流试验装置，其特征在于：所述压力加载设备为千斤顶或油缸。
7.如权利要求1所述的一种应力作用下三维裂隙网络岩体两相介质渗流试验装置，其特征在于：所述移动加载边界包括若干独立的流体加载单元，所述加载单元均连接有阀门并汇聚至所述液气加载装置。
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