CN110207640B - 一种单裂隙微米级隙宽测量结构及其安装方法、测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单裂隙微米级隙宽测量结构及其安装方法、测量方法，该测量方法包括如下步骤：先测量连接部底部与岩石试样之间的胶套层因受力的变形量：然后测量岩石孔隙压缩导致的垂直方向的变化量：最后注水孔外接高精度恒流恒压泵，用恒流模式将围压腔注满水并排尽空气，关闭出水孔，用恒压模式加载一定围压，并记录该位移杆测出的位移，继而可以得到，在某种围压条件下的裂隙隙宽变化量。该测量结构精度高，可靠性强，测量准确，该测量结构的安装方法的安装精度高，有助于提高测量精度；该测量方法可以精确测量出标定后的某种围压条件下的裂隙隙宽变化量。
Description
技术领域
本发明涉及裂隙介质水动力学领域，尤其涉及一种单裂隙微米级隙宽测量结构及其安装方法、测量方法。
背景技术
裂隙介质水动力学主要研究地下水在裂隙介质中运动规律，究其实质最终可以归结为三个方面的问题：其一是介质，其二是水，其三是水与介质的相互关系，而介质研究的核心是其透水性，苏联学者早在1951年就通过平行板裂隙渗流试验证明了立方定律的成立，表明裂隙过流流量和隙宽的三次方成正比，如下式，
可见，隙宽的微小变化会导致裂隙透水性能的改变，学者为了方便研究，通过试验测得某种水力工况下的流量Q和压力降反算得到裂隙隙宽b，此时的隙宽称为水力隙宽，这种方法极大方便了裂隙渗流规律的研究，但后来越来越多工程现场及实验室试验表明，裂隙表面的几何特征复杂导致立方定律并不完全成立，并且流量Q和压力降/>逐渐偏离了线性关系，这样导致“以末求本”的方法不再合适，所以在试验过程中实时测量裂隙机械隙宽的变化成为该领域的研究难点，目前常用的一种方法是通过环向引伸计来测量，虽然精度可以达到微米级，但存在较大误差，原因为：①环向引伸计测量的是一个圆柱型试样加围压后周长的变化量，并不是裂隙隙宽在垂直平面方向的变化量，②环向引伸计放置在胶套外部，由于胶套较厚且弹性变形较大，引伸计测量值偏差较大，并无太多参考意义。为了解决单裂隙渗流过程中裂隙试样微米级隙宽的实时测量，发明了配套的测量结构和测量方法。
发明内容
本发明旨在解决上述现有技术存在的问题之一，本发明的一个目的在于提出一种单裂隙微米级隙宽测量结构，该测量结构精度高，可靠性强，测量准确。
根据本发明第一方面的一种单裂隙微米级隙宽测量结构，包括：筒体，其内部限定出两端端敞开的筒腔，且其上设置注水孔和所述出水孔；胶套，其置于所述筒腔内，且与所述筒腔的内壁之间共同形成围压腔，所述注水孔与所述出水孔分别与所述围压腔相连通；锥度套，其分别设于所述筒体的敞开端，且所述锥度套支撑在所述胶套内并与所述筒体的两端进行密封连接，使得所述围压腔的两端密封；带有岩石裂缝的裂隙试样，其置于所述胶套内，且所述裂缝处于水平位置；测量结构，为两个，分别对称设置于所述筒体的两侧，使得其分别与所述裂缝相垂直，且每个测量结构包括：焊接接头、位移杆、盖帽组件、齿轮、角度传感器和数据采集与处理模块，其中，所述焊接接头固定连在所述筒体上，其内部限定出容纳腔，所述容纳腔与所述围压腔相连通，且所述容纳腔的中轴线与水平位置垂直设置；所述位移杆可活动地插接至所述容纳腔内，且其第一连接端与所述胶套相连接，其第二连接端伸出所述筒体并形成有齿条；所述盖帽组件连接在所述焊接接头上以密封所述容纳腔，且所述位移杆适于穿过所述盖帽组件；所述齿轮与所述齿条相配合；所述角度传感器用于采集所述齿轮所转动的角度信号；所述数据采集与处理模块与所述角度传感器电连接，用于接收所述角度信号，并将所述角度信号转化成位移信号。
在该技术方案中，由注入孔相围压腔内注入介质，介质逐渐充满围压腔，当围压腔内的空气完全排除后，封堵出水孔并继续向围压腔内注入恒压介质；胶套在介质作用下发生向其中心轴线方向运动趋势的变形，从而在裂隙试样的周围产生稳定的围压，挤压裂隙试样的裂缝使裂隙试样发生收缩变形，从而带动与胶套相连的位移杆向下移动，位移杆第二连接端的齿条同步向下运动，带动与之相啮合的齿轮转动，由角度传感器测量齿轮所转动的角度信号，并由与之相连接的数据采集与处理模块接收角度信号并将其转化成位移信号，得到位移杆的位移量；该测量结构通过稳定的机械结构将直线运动转化成角位移，并将角度位移经过放大处理得到准确直线位移量，而且该结构精度高，可靠性强，测量准确。
另外，根据本发明的单裂隙微米级隙宽测量结构，还可以具有如下技术特征：
进一步地，所述盖帽组件包括：上接头，所述上接头设于所述焊接接头的上端，且其内部限定出上下贯通的第一连通腔；接管压帽，所述接管压帽连接于所述上接头的上端，且其内部限定出上下贯通的第二连通腔，所述第一连通腔、所述第二连通腔和所述筒腔同轴设置，所述位移杆由下至上依次贯穿所述第一连通腔和所述第二连通腔；和外压帽，其套设于所述上接头上，且与所述焊接接头相连接以将所述上接头固定在所述焊接接头上。
进一步地，所述位移杆与所述第一连通腔之间设置密封组件。
优选地，所述密封组件包括由下至上依次布置的聚酰亚胺垫圈、四氟垫圈和聚酰亚胺垫圈。
优选地，所述胶套包括橡胶部分的胶套本体和金属部分的连接部，所述位移杆与所述连接部之间通过螺纹连接。
优选地，所述胶套通过嵌件注塑成型。
优选地，还包括定位销，所述橡胶本体上设有第一定位孔，所述裂隙试样上设有与所述第一定位孔相对应的第二定位孔，所述定位销依次穿过所述第一定位孔和所述第二定位孔，且所述第一定位孔，所述第二定位孔均与水平设置的裂缝垂直设置。
优选地，还包括滚链式环向引申计，其套设于所述胶套上，且至少套设在与所述裂隙试样相对重合的位置。
本发明的第二个目的在于提出一种具有上述单裂隙微米级隙宽测量结构的安装方法。
根据本发明第二方面的一种单裂隙微米级隙宽测量结构的安装方法，包括如下步骤：
S1：取裂隙试样，在裂隙试样中间位置安装300um厚度的紫铜片，将两部分岩心试样重新拼合在一起，并使用高温结构胶将两侧裂缝封堵，待胶体凝固后将其磨平，并使用水平仪检查裂隙试样两端的裂缝是否能保持水平，若能，则进行下一步骤，否则重新取样；
S2：将胶套套设在裂隙试样的外周壁，将滚链式环向引申计套设在胶套与裂隙试样重合的部分上，且裂隙试样的裂缝与胶套的连接部的中轴线相垂直；
S3：通过定位销将裂隙试样和胶套进行固定，使得裂隙试样与胶套相对位置固定；
S4：在筒体敞开端的其中一端先安装一个锥度套，将上述步骤S3中固定胶套和滚链式环向引申计的裂隙试样由另一敞开端安装在筒体的筒腔内，且胶套的一端套设在锥度套上，并使得胶套上的连接部正对所述焊接接头的容纳腔，然后在另一敞开端安装另一个锥度套，且胶套的另一端套设在该锥度套上，以使围压腔两侧在锥度套的作用下被密封；
S5：在焊接接头上安装第二密封圈，将上接头设于焊接接头上，并使用外压帽将上接头与焊接接头进行连接，将位移杆沿着上接头、焊接接头***围压腔内，使其第一连接端与胶套的连接部进行螺纹连接，沿着其第二连接端套设密封组件并安装在上接头内，然后将接管压帽套设在位移杆上且与上接头进行螺纹连接；
S6：安装齿轮，使得齿轮与位移杆上端的齿条相啮合，并安装角度传感器使其能够精确检测齿轮中心轴线转动的角度，最后将角度传感器与数据采集与处理模块进行电连接。
本发明的第三个目的在于提出一种具有上述单裂隙微米级隙宽测量结构的测量方法。
根据本发明第三方面的一种单裂隙微米级隙宽测量结构的测量方法，包括如下步骤：
S10：测量连接部(21)底部与岩石试样之间的胶套(2)层因受力的变形量l3：用刚体假岩心(特征为无裂隙无孔隙变形为零)替换裂隙试样(4)试验，记录位移杆(52)数据，得到不同围压工况下的连接部(21)与岩心之间胶套(2)层变形量和l3为：
l3＝l3上+l3下
其中，l3上为上面测量结构测量的不同围压工况下的连接部(21)与岩心之间胶套(2)层变形量；l3下为下面测量结构测量不同围压工况下的连接部(21)与岩心之间胶套(2)层变形量；
S20：测量岩石孔隙压缩导致的垂直方向的变化量l2：用刚体假岩心替换裂隙试样(4)试验，包括如下步骤：
S201：用刚体假岩心(特征为无裂隙无孔隙变形为零)替换裂隙试样试验，记录环向引伸计数据，得到不同围压下胶套(2)因围压加载而受力的变形量l21；
S202：同裂隙试样(4)同批次完整试样(特征为无裂隙)代替裂隙试样(4)试验，记录环向引伸计数据，得到不同围压工况下胶套(2)变形和岩石孔隙压缩变形之后l22；
S203：测量岩石孔隙压缩导致的垂直方向的变化量l2：假设裂隙试样(4)在加载围压前的半径为r1，裂隙试样(4)在加载围压后的半径为r2，则结合步骤S201和步骤S202可知岩石孔隙压缩导致的垂直方向的变化量l2为：
即：
其中，l2上为上面测量结构测量的不同围压工况下的岩石孔隙压缩导致的垂直方向的变化量；l2下为下面测量结构测量的不同围压工况下的岩石孔隙压缩导致的垂直方向的变化量；
S30：注水孔(11)外接高精度恒流恒压泵，用恒流模式将围压腔(A)注满水并排尽空气，关闭出水孔(12)，用恒压模式加载一定围压，并记录该位移杆(52)测出的位移l，继而可以得到，在某种围压条件下的裂隙隙宽变化量l1为：
其中，l上为上测量结构中的位移杆(52)测出的位移；l下为下测量结构中的位移杆(52)测出的位移。
根据本发明的一种单裂隙微米级隙宽测量结构及其安装方法、测量方法具有如下有益效果：该测量结构利用机械结构的稳定性将直线位移的微小变化转化成角位移，并通过数据处理转化成精确的位移量，这种测量结构可靠性高；该测量结构通过胶套内设置连接部，紧贴裂隙试样的外壁，使胶套变形对裂隙隙宽测量的影响降到最低；通过该测量结构的安装方法可以将所述测量结构精确安装，有助于提高测量的精确性；该测量方法可以精确测量出标定后的某种围压条件下的裂隙隙宽变化量。
附图说明
图1为根据本发明的单裂隙微米级隙宽测量结构示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为裂隙试样加压前后的示意图。
图中：筒体1；注水孔11；出水孔12；胶套2；连接部21；定位销22；锥度套3；第一密封圈31；裂隙试样4；裂缝41；测量结构5；焊接接头51；容纳腔511；位移杆52；第一连接端521；第二连接端522；齿条5221；盖帽组件53；上接头531；第一连通腔5311；接管压帽532；第二连通腔5321；外压帽533；齿轮54；角度传感器55；数据采集与处理模块56；密封组件57；聚酰亚胺垫圈571；四氟垫圈572；第二密封圈58；滚链式环向引申计6；围压腔A；输流孔7。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参考附图提供以下描述，以助于对权利要求所限定的本发明的各种实施例的全面理解。其包含各种特定的细节以助于该理解，但这些细节应当被视为仅是示范性的。相应地，本领域普通技术人员将认识到，在不背离由随附的权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以对本文所描述的各种实施例做出变化和改进。此外，为了清楚和简洁起见，可能省略对熟知的功能和构造的描述。
尽管可能使用例如“第1”、“第2”、“第一”和“第二”的表述来描述本发明的各个元件，但它们并未意于限定相对应的元件。例如，上述表述并未旨在限定相对应元件的顺序或重要性。上述表述用于将一个部件和另一个部件区分开。
文中提到的“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
除非另有限定，本文中所使用的全部术语(包含技术术语与科学术语)具有与本申请所属的技术领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。还应理解的是，术语(比如常用词典中限定的那些术语)，应解释为具有与相关领域和本说明书的上下文中一致的含义，并且不应以理想化或过于形式化的意义来解释，除非在本文中明确地这样限定。
根据本发明第一方面的一种单裂隙微米级隙宽测量结构，如图1、图2所示，包括：筒体1、胶套2、锥度套3、裂隙试样4和测量结构5。
筒体1，其内部限定出两端敞开的筒腔，且其上设置注水孔11和所述出水孔12；例如，在本发明中筒体1的两端均敞开，这样可以便于在筒体1内安装其他结构部件(如下文所述的胶套2、带有岩石裂缝41的缝隙试样)。
胶套2，其置于所述筒腔内，且与所述筒腔的内壁之间共同形成围压腔A，所述注水孔11与所述出水孔12分别与所述围压腔A相连通；具体的，胶套2为橡胶材料，能耐温280℃，耐压60MPa，设置胶套2可以与筒腔的内壁之间形成密封的围压腔A，而在该筒腔上设置注水孔11和出水孔12，可以由注水孔11内向围压腔A内注入介质，例如油液、水质等；而设置出水孔12可以便于将围压腔A内的空气排出，待将围压腔A内的空气排完，即介质充满围压腔A内，封堵出水孔12，继续向围压腔A内加压注入介质，由于胶套2本身具有伸缩性，在介质压力作用下使得胶套2具有向其中心轴线处变形的趋势，这样可以对位于胶套2内的裂隙试样4加压，形成围压环境。需要指出的是，为了便于提供稳定的围压环境，注水孔11外接恒压恒流泵。
锥度套3，其分别设于所述筒体1的敞开端，且所述锥度套3支撑在所述胶套2内并与所述筒体1的两端进行密封连接，使得所述围压腔A的两端密封；具体地，锥度套3整体呈锥形结构，且其最小处的外径尺寸不小于所述胶套2的内径尺寸，这样可以使锥度套3起到支撑的作用；而且为了提高锥度套3与筒体1之间连接的密封性，在锥度套3与筒腔之间设置第一密封圈31，锥度套3与筒腔之间可以通过螺纹进行连接。
带有岩石裂缝41的裂隙试样4，其置于所述胶套2内，且所述裂缝41处于水平位置；具体地，在本发明中，裂隙试样4为砂岩试样，尺寸为φ50*100mm，中部预制人为设计几何特征的裂隙面，裂隙面的初始隙宽由“***法”设定，比如，裂隙面两端***厚度300um的铜片，即裂隙的初始隙宽为300um，在制作裂隙试样4时，将两部分重新拼合一起并用高温结构胶将两侧裂隙封堵，待胶体凝固后将其磨平。
测量结构5，为两个，分别对称设置于所述筒体1的两侧，且每个测量结构5包括：焊接接头51、位移杆52、盖帽组件53、齿轮54、角度传感器55和数据采集与处理模块56，其中，
所述焊接接头51固定连在所述筒体1上，其内部限定出容纳腔511，所述容纳腔511与所述围压腔A相连通，且所述容纳腔511的中轴线与水平位置垂直设置；具体地，焊接接头51可以通过焊接的方式固定连接在桶体上，而将容纳腔511设置与水平位置垂直设置是为了使位于其中的位移杆52能够在裂隙试样4发生变形时更加精确地测量裂隙试样的变形量。
所述位移杆52可活动地插接至所述容纳腔511内，且其第一连接端521与所述胶套2相连接，其第二连接端522伸出所述筒体1并形成有齿条5221；换句话说，位移杆52可活动地设置在容纳腔511内可以随着裂隙试样4的变形而上下垂直移动，即将通过位移杆52来测量裂隙试样4在围压作用下的变形量；容纳腔511对位移杆52起到导向作用；而将其第一连接端521与胶套2进行连接，这样可以更加准确的测量裂隙试样4的变形量。
所述盖帽组件53连接在所述焊接接头51上以密封所述容纳腔511，且所述位移杆52适于穿过所述盖帽组件53；具体地，位移杆52可活动地穿过所述盖帽组件53，通过盖帽组件53连接在焊接接头51上，可以对位移杆52起到导向的作用，使位移杆52能够始终保持与水平位置向垂直，值得说明的是，位移杆52穿过所述盖帽组件53并可沿着垂直于水平位置的方向上下移动。
所述齿轮54与所述齿条5221相配合，具体地，齿轮54可以通过齿轮支架(图中未示出)进行支撑，这样当裂隙试样4在围压作用下发生变形时，位移杆52随着裂隙试样4的变形而上下移动，在本发明中，主要是通过围压压缩裂隙试样4，从而使裂隙试样4发生收缩，从而位移杆52向下移动，从而位于位移杆52的第二连接端522的齿条5221向下移动，从而带动与之相啮合的齿轮54发生转动；需要指出的是，由于裂隙试样4在围压作用下形变量较小，故而需要高精度的齿条5221和齿轮54。
所述角度传感器55用于采集所述齿轮54所转动的角度信号；也就是说，将角度传感器55安装在齿轮54的一侧，在位移杆52向下移动时，带动齿轮54发生转动，由角度传感器55采集齿轮54所转动的角度信号，设置角度传感器55可以对将直线运动的位移杆52的位移量转化成角度量，并由角度传感器55进行采集。
所述数据采集与处理模块56与所述角度传感器55电连接，用于接收所述角度信号，并将所述角度信号转化成位移信号，换言之，数据采集与处理模块56对角度信号进行处理且转换成便于读取的位移信号，即位移杆52的位移。数据采集与处理模块56包括信号解码器，其与所述角度传感器55的接口相连，用于接收所述角度信号，并对所述角度信号进行放大处理，并将放大后的角度信号源转换成数字信号，以及对所述数字信号进行滤波处理；据采集与处理模块6还包括：处理单元和显示单元，所述处理单元用于根据滤波处理后的数字信号获取位移杆52的位移数据；所述显示单元用于显示所述位移数据；更加具体的，所述信号解码器包括：放大电路，用于对所述角度信号进行放大；模数转换器，用于将所述放大后的角度信号转换为数字信号；滤波电路，用于对所述数字信号进行滤波处理。
需要指出的是，设置两侧测量结构5，可以分别测量裂隙试样4两侧的变形量，两侧的变形量总和即为裂隙试样4隙宽的总变形量。
可以理解的是，由注入孔相围压腔A内注入介质，介质逐渐充满围压腔A，当围压腔A内的空气完全排除后，封堵出水孔12并继续向围压腔A内注入恒压介质；胶套2在介质作用下发生向其中心轴线方向运动趋势的变形，从而在裂隙试样4的周围产生稳定的围压，挤压裂隙试样4的裂缝41使裂隙试样4发生收缩变形，从而带动与胶套2相连的位移杆52向下移动，位移杆52第二连接端522的齿条5221同步向下运动，带动与之相啮合的齿轮54转动，由角度传感器55测量齿轮54所转动的角度信号，并由与之相连接的数据采集与处理模块56接收角度信号并将其转化成位移信号，得到位移杆52的位移量；该测量结构5通过稳定的机械结构将直线运动转化成角位移，并将角度位移经过放大处理得到准确直线位移量，而且该结构精度高，可靠性强，测量准确。
在本发明的一个实施例中，所述盖帽组件53包括：上接头531，所述上接头531设于所述焊接接头51的上端，且其内部限定出上下贯通的第一连通腔5311；接管压帽532，所述接管压帽532连接于所述上接头531的上端，且其内部限定出上下贯通的第二连通腔5321，所述第一连通腔5311、所述第二连通腔5321和所述筒腔同轴设置，所述位移杆52由下至上依次贯穿所述第一连通腔5311和所述第二连通腔5321；和外压帽533，其套设于所述上接头531上，且与所述焊接接头51相连接以将所述上接头531固定在所述焊接接头51上；具体地，焊接接头51的上端设一至环状第一凸台，上接接头的下端设置一环状第二凸台，且在焊接接头51的上端面上设置一安装槽，用于安装第二密封圈58，在上接头531与焊接接头51相连接时，以密封上接头531与焊接接头51之间的缝隙；而外压帽533上设有套孔，将套孔套设在上接头531的外壁上，且其套孔的上端臂与第二凸台相抵止，外压帽533与焊接接头51之间通过螺纹进行连接，在第一凸台的外周壁上设置外螺纹，在套孔内设置与所述外螺纹相配合的内螺纹；而设置接管压帽532是对位移杆52在第一连通腔5311进行进一步的导向和密封作用。
在本发明的另一个实施中，盖帽组件53包括：上接头531，所述上接头531连接于所述焊接接头51的上端，且其内部限定出上下贯通的第一连通腔5311；接管压帽532，所述接管压帽532连接于所述上接头531的上端，且其内部限定出上下贯通的第二连通腔5321，所述第一连通腔5311、所述第二连通腔5321和所述筒腔同轴设置，所述位移杆52由下至上依次贯穿所述第一连通腔5311和所述第二连通腔5321；例如，上接头531与所述焊接接头51之间可以通过螺纹进行连接，更加具体的，在焊接接头51上设有连接螺纹孔，且在连接螺纹孔底面上设置安装槽，用于安装焊接接头51与上接头531之间的第二密封圈58；当然本发明并不限制于此，螺纹孔亦可以设置在上接头531上，焊接接头51的上端的第一凸台的周壁上设置与螺纹孔相配合的外螺纹。
进一步地，所述位移杆52与所述第一连通腔5311之间设置密封组件57。通过设置密封组件57可以防止围压腔A内的介质进入第一连通腔5311并排出测量结构5，而影响测量结构5的测量精确性；优选地，所述密封组件57包括由下至上依次布置的聚酰亚胺垫圈571、四氟垫圈572和聚酰亚胺垫圈571，可以理解的是，聚酰亚胺垫圈571的材质较硬，四氟垫圈572材质较软，而这种“硬-软-硬”的布置方式，在接管压帽532连接至上接头531的第二连通腔5321时，由于第一连通腔5311下端设置一凸台，可以对最下端的聚酰亚胺垫圈571起到止抵的作用，上端接管压帽532挤压该密封组件57，使得位移中间位置的四氟垫圈572变形而起到密封效果，这样可以避免介质外泄，使测量结构5更加可靠。需要说明的是，围压使得胶套2及其连接部21向其中心轴线移动，带动位移杆52与之同步运动，此时围压是远大于位移杆52和密封组件57之间的摩擦力的，不会对变形位移量的测量产生影响。
优选地，所述胶套2包括橡胶部分的胶套2本体和金属部分的连接部21，所述位移杆52与所述连接部21之间通过螺纹连接；具体地，连接部21与裂隙试样4接触的一端的端面为与胶套2内壁弧度相一致的金属片，连接部21的另一端设置螺纹孔，且螺纹孔不贯穿胶套2，其与位移杆52的第一连接端521进行螺纹连接，这样可以便于位移杆52与胶套2进行连接，同时也保证位移杆52与胶套2连接的可靠性。优选地，所述胶套2通过嵌件注塑成型。
优选地，还包括定位销22，所述橡胶本体上设有第一定位孔，所述裂隙试样4上设有与所述第一定位孔相对应的第二定位孔，所述定位销22依次穿过所述第一定位孔和所述第二定位孔，且所述第一定位孔，所述第二定位孔均与水平设置的裂缝41垂直设置，值得说明的是，在向围压腔A内注入介质时，由于介质具有压力，可以将定位销22紧贴固定在第一定位孔内，而介质不会发生泄漏。
为了精确测量裂隙隙宽的变化，还包括滚链式环向引申计6，其套设于所述胶套2上，且至少套设在与所述裂隙试样4相对重合的位置。
本发明的第二个目的在于提出一种具有上述单裂隙微米级隙宽测量结构5的安装方法。
根据本发明第二方面的一种单裂隙微米级隙宽测量结构5的安装方法，包括如下步骤：
S1：取裂隙试样4，在裂隙试样4中间位置安装300um厚度的紫铜片，将两部分岩心试样重新拼合在一起，并使用高温结构胶将两侧裂缝41封堵，待胶体凝固后将其磨平，并使用水平仪检查裂隙试样4两端的裂缝41是否能保持水平，若能，则进行下一步骤，否则重新取样；具体地，裂隙试样4由两个岩心试验组成，且在两个岩心试验中心形成水平裂缝41，在每个岩心试样的中心轴线上均设置与水平裂缝41相垂直的第二定位孔。
S2：将胶套2套设在裂隙试样4的外周壁，将滚链式环向引申计6套设在胶套(2)与裂隙试样4重合的部分上，且裂隙试样4的裂缝41与胶套2的连接部21的中轴线相垂直；也就是说，胶套2上的连接部21设置在胶套本体的外周壁上，在套设胶套2时，将裂隙试样4旋转至使其裂缝41与连接部21相垂直的位置，由于本发明有两个测量结构5，故而胶套2上对称设置一对连接部21。
S3：通过定位销22将裂隙试样4和胶套2进行固定，使得裂隙试样4与胶套2相对位置固定；具体地，位于胶套2上且与连接部21在同一切面上设置第一定位孔，且当连接部21与裂缝41相垂直时，第一定位孔与第二定位孔相对应，定位销22依次经过第一定位孔和第二定位孔，实现裂隙试样4与胶套2的固定；值得说明的是，第一定位孔与连接部21所在的同一切面是指沿着胶套2的长度方向且位于胶套2的中心轴线上的切面。
S4：在筒体1敞开端的其中一端先安装一个锥度套3，将上述步骤S3中固定胶套2和滚链式环向引申计6的裂隙试样4由另一敞开端安装在筒体1的筒腔内，且胶套2的一端套设在锥度套3上，并使得胶套2上的连接部21正对所述焊接接头51的容纳腔511，然后在另一敞开端安装另一个锥度套3，且胶套2的另一端套设在该锥度套3上，以使围压腔A两侧在锥度套3的作用下被密封；需要说明的是，为了便于做后续的渗流试验和传热试验，在锥度套3上设置输流孔7，如图1所示，而且为了便于研究不同尺寸的裂隙试样4，在两个锥度套管3和裂隙试样4之间均各设置一假岩心(图中未示出)，假岩心的具体安装步骤与相应的锥度套3相对应，这里不再赘述。
S5：在焊接接头51上安装第二密封圈58，将上接头531设于焊接接头51上，并使用外压帽533将上接头531与焊接接头51进行连接，将位移杆52沿着上接头531、焊接接头51***围压腔A内，使其第一连接端521与胶套2的连接部21进行螺纹连接，沿着其第二连接端522套设密封组件57并安装在上接头531内，然后将接管压帽532套设在位移杆52上且与上接头531进行螺纹连接；
S6：安装齿轮54，使得齿轮54与位移杆52上端的齿条5221相啮合，并安装角度传感器55使其能够精确检测齿轮54中心轴线转动的角度，最后将角度传感器55与数据采集与处理模块56进行电连接。具体地，数据采集与处理模块56包括信号解码器，其与所述角度传感器55的接口相连，用于接收所述角度信号，并对所述角度信号进行放大处理，并将放大后的角度信号源转换成数字信号，以及对所述数字信号进行滤波处理；据采集与处理模块6还包括：处理单元和显示单元，所述处理单元用于根据滤波处理后的数字信号获取位移杆52的位移数据；所述显示单元用于显示所述位移数据；更加具体的，所述信号解码器包括：放大电路，用于对所述角度信号进行放大；模数转换器，用于将所述放大后的角度信号转换为数字信号；滤波电路，用于对所述数字信号进行滤波处理。
本发明的第三个目的在于提出一种具有上述单裂隙微米级隙宽测量结构5的测量方法。
根据本发明第三方面的一种单裂隙微米级隙宽测量结构5的测量方法，包括如下步骤：
S10：测量连接部(21)底部与岩石试样之间的胶套(2)层因受力的变形量l3：用刚体假岩心(特征为无裂隙无孔隙变形为零)替换裂隙试样(4)试验，记录位移杆(52)数据，得到不同围压工况下的连接部(21)与岩心之间胶套(2)层变形量和l3为：
l3＝l3上+l3下
其中，l3上为上面测量结构测量的不同围压工况下的连接部(21)与岩心之间胶套(2)层变形量；l3下为下面测量结构测量不同围压工况下的连接部(21)与岩心之间胶套(2)层变形量；
S20：测量岩石孔隙压缩导致的垂直方向的变化量l2：用刚体假岩心替换裂隙试样(4)试验，包括如下步骤：
S201：用刚体假岩心(特征为无裂缝无孔隙变形为零)替换裂隙试样(4)试验，记录环向引伸计数据，得到不同围压下胶套(2)因围压加载而受力的变形量l21；
S202：与裂隙试样(4)同批次完整试样(特征为无裂缝)代替裂隙试样(4)试验，记录环向引伸计数据，得到不同围压工况下胶套(2)变形和岩石孔隙压缩变形之后l22；在本发明中该步骤中所述的同批次完整试样是指与裂隙试验(4)均为的标准岩心，且孔隙率相同或相近的岩心。
S203：测量岩石孔隙压缩导致的垂直方向的变化量l2：如图3所示，假设裂隙试样(4)在加载围压前B1的半径为r1，裂隙试样(4)在加载围压后B2的半径为r2，则结合步骤S201和步骤S202可知岩石孔隙压缩导致的垂直方向的变化量l2为：
即：
其中，l2上为上面测量结构测量的不同围压工况下的岩石孔隙压缩导致的垂直方向的变化量；l2下为下面测量结构测量的不同围压工况下的岩石孔隙压缩导致的垂直方向的变化量；
S30：注水孔(11)外接高精度恒流恒压泵，用恒流模式将围压腔(A)注满水并排尽空气，关闭出水孔(12)，用恒压模式加载一定围压，并记录该位移杆(52)测出的位移l，继而可以得到，在某种围压条件下的裂隙隙宽变化量l1为：
其中，l上为上测量结构中的位移杆(52)测出的位移；l下为下测量结构中的位移杆(52)测出的位移。
需要说的是，经误差分析：加载围压后，位移杆52测出的位移l包括三部分，①裂隙隙宽的变化量l1，②岩石孔隙压缩导致的垂直方向的变化量l2，③嵌件底部与岩石试样之间的胶套2层因受力的变形量l3，所以本发明涉及单裂隙渗流过程中裂隙试样4微米级隙宽变化的测量方法应该综合考虑②和③带来的误差。
需要特别说明的是，该实验关注的是每个围压工况下的裂隙隙宽对渗流的影响，围压、隙宽、各位移量存在一一对应的关系。
通过对该测量装置的测量方法的优化，可以精确测量出标定后的某种围压条件下的裂隙隙宽变化量。
以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。
本领域技术人员可以理解的是，上文中描述的本发明的多个实施例中的各个特征可以相应地省去、添加或者以任意方式组合。并且，本领域技术人员能够想到的简单变换方式以及对现有技术做出适应性和功能性的结构变换的方案，都属于本发明的保护范围。
虽然已经参考各种实施例示出和描述了本发明，但本领域技术人员应当理解的是，可以在其中做出形式和细节上的各种改变，而不背离由随附的权利要求所限定的本发明的范围。
Claims (10)
1.一种单裂隙微米级隙宽测量结构，其特征在于，包括：
筒体(1)，其内部限定出两端敞开的筒腔，且其上设置注水孔(11)和出水孔(12)；
胶套(2)，其置于所述筒腔内，且与所述筒腔的内壁之间共同形成围压腔(A)，所述注水孔(11)与所述出水孔(12)分别与所述围压腔(A)相连通；
锥度套(3)，其分别设于所述筒体(1)的敞开端，且所述锥度套(3)支撑在所述胶套(2)内并与所述筒体(1)的两端进行密封连接，使得所述围压腔(A)的两端密封；
带有岩石裂缝(41)的裂隙试样(4)，其置于所述胶套(2)内，且所述裂缝(41)处于水平位置；
测量结构(5)，为两个，分别对称设置于所述筒体(1)的两侧，使得其分别与所述裂缝(41)相垂直；且每个测量结构(5)包括：焊接接头(51)、位移杆(52)、盖帽组件(53)、齿轮(54)、角度传感器(55)和数据采集与处理模块(56)，其中，
所述焊接接头(51)固定连在所述筒体(1)上，其内部限定出容纳腔(511)，所述容纳腔(511)与所述围压腔(A)相连通，且所述容纳腔(511)的中轴线与水平位置垂直设置；
所述位移杆(52)可活动地插接至所述容纳腔(511)内，且其第一连接端(521)与所述胶套(2)相连接，其第二连接端(522)伸出所述筒体(1)并形成有齿条(5221)；
所述盖帽组件(53)连接在所述焊接接头(51)上以密封所述容纳腔(511)，且所述位移杆(52)适于穿过所述盖帽组件(53)；
所述齿轮(54)与所述齿条(5221)相啮合；
所述角度传感器(55)用于采集所述齿轮(54)所转动的角度信号；
所述数据采集与处理模块(56)与所述角度传感器(55)电连接，用于接收所述角度信号，并将所述角度信号转化成位移信号。
2.根据权利要求1所述的单裂隙微米级隙宽测量结构，其特征在于，所述盖帽组件(53)包括：
上接头(531)，所述上接头(531)设于所述焊接接头(51)的上端，且其内部限定出上下贯通的第一连通腔(5311)；
接管压帽(532)，所述接管压帽(532)连接于所述上接头(531)的上端，且其内部限定出上下贯通的第二连通腔(5321)，所述第一连通腔(5311)、所述第二连通腔(5321)和所述筒腔同轴设置，所述位移杆(52)由下至上依次贯穿所述第一连通腔(5311)和所述第二连通腔(5321)；
外压帽(533)，其套设于所述上接头(531)上，且与所述焊接接头(51)相连接以将所述上接头(531)固定在所述焊接接头(51)上。
3.根据权利要求2所述的单裂隙微米级隙宽测量结构，其特征在于，所述位移杆(52)与所述第一连通腔(5311)之间设置密封组件(57)。
4.根据权利要求3所述的单裂隙微米级隙宽测量结构，其特征在于，所述密封组件(57)包括由下至上依次套设布置的聚酰亚胺垫圈(571)、四氟垫圈(572)和聚酰亚胺垫圈(571)。
5.根据权利要求1所述的单裂隙微米级隙宽测量结构，其特征在于，所述胶套(2)包括橡胶部分的胶套(2)本体和金属部分的连接部(21)，所述位移杆(52)与所述连接部(21)之间通过螺纹连接。
6.根据权利要求5所述的单裂隙微米级隙宽测量结构，其特征在于，所述胶套(2)通过嵌件注塑成型。
7.根据权利要求5所述的单裂隙微米级隙宽测量结构，其特征在于，还包括定位销(22)，所述橡胶本体上设有第一定位孔，所述裂隙试样(4)上设有与所述第一定位孔相对应的第二定位孔，所述定位销(22)依次穿过所述第一定位孔和所述第二定位孔，且所述第一定位孔，所述第二定位孔均与水平设置的裂缝(41)垂直设置。
8.根据权利要求1所述的单裂隙微米级隙宽测量结构，其特征在于，还包括滚链式环向引申计(6)，其套设于所述胶套(2)上，且至少套设在与所述裂隙试样(4)相对重合的位置。
9.一种如权利要求1至权利要求8中任意一项所述的单裂隙微米级隙宽测量结构的安装方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：取裂隙试样(4)，在裂隙试样(4)中间位置安装300um厚度的紫铜片，将两部分岩心试样重新拼合在一起，并使用高温结构胶将两侧裂缝(41)封堵，待胶体凝固后将其磨平，并使用水平仪检查裂隙试样(4)两端的裂缝(41)是否能保持水平，若能，则进行下一步骤，否则重新取样；
S2：将胶套(2)套设在裂隙试样(4)的外周壁，将滚链式环向引申计(6)套设在胶套(2)与裂隙试样(4)重合的部分上，且裂隙试样(4)的裂缝(41)与胶套(2)的连接部(21)的中轴线相垂直；
S3：通过定位销(22)将裂隙试样(4)和胶套(2)进行固定，使得裂隙试样(4)与胶套(2)相对位置固定；
S4：在筒体(1)敞开端的其中一端先安装一个锥度套(3)，将上述步骤S3中固定胶套(2)和滚链式环向引申计(6)的裂隙试样(4)由另一敞开端安装在筒体(1)的筒腔内，且胶套(2)的一端套设在锥度套(3)上，并使得胶套(2)上的连接部(21)正对所述焊接接头(51)的容纳腔(511)，然后在另一敞开端安装另一个锥度套(3)，且胶套(2)的另一端套设在该锥度套(3)上，以使围压腔(A)两侧在锥度套(3)的作用下被密封；
S5：在焊接接头(51)上安装第二密封圈(58)，将上接头(531)设于焊接接头(51)上，并使用外压帽(533)将上接头(531)与焊接接头(51)进行连接，将位移杆(52)沿着上接头(531)、焊接接头(51)***围压腔(A)内，使其第一连接端(521)与胶套(2)的连接部(21)进行螺纹连接，沿着其第二连接端(522)套设密封组件(57)并安装在上接头(531)内，然后将接管压帽(532)套设在位移杆(52)上且与上接头(531)进行螺纹连接；
S6：安装齿轮(54)，使得齿轮(54)与位移杆(52)上端的齿条(5221)相啮合，并安装角度传感器(55)使其能够精确检测齿轮(54)中心轴线转动的角度，最后将角度传感器(55)与数据采集与处理模块(56)进行电连接。
10.一种如权利要求1至权利要求8中任意一项所述的单裂隙微米级隙宽测量结构的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10：测量连接部(21)底部与岩石试样之间的胶套(2)层因受力的变形量l3：用刚体假岩心(特征为无裂隙无孔隙变形为零)替换裂隙试样(4)试验，记录位移杆(52)数据，得到不同围压工况下的连接部(21)与岩心之间胶套(2)层变形量和l3为：
l3＝l3上+l3下
其中，l3上为上面测量结构测量的不同围压工况下的连接部(21)与岩心之间胶套(2)层变形量；l3下为下面测量结构测量不同围压工况下的连接部(21)与岩心之间胶套(2)层变形量；
S20：测量岩石孔隙压缩导致的垂直方向的变化量l2：用刚体假岩心替换裂隙试样(4)试验，包括如下步骤：
S201：用刚体假岩心(特征为无裂隙无孔隙变形为零)替换裂隙试样(4)试验，记录环向引伸计数据，得到不同围压下胶套(2)因围压加载而受力的变形量l21；
S202：与裂隙试样(4)同批次完整试样(特征为无裂隙)代替裂隙试样(4)试验，记录环向引伸计数据，得到不同围压工况下胶套(2)变形和岩石孔隙压缩变形之后l22；
S203：测量岩石孔隙压缩导致的垂直方向的变化量l2：假设裂隙试样(4)在加载围压前的半径为r1，裂隙试样(4)在加载围压后的半径为r2，则结合步骤S201和步骤S202可知岩石孔隙压缩导致的垂直方向的变化量l2为：
即：
其中，l2上为上面测量结构测量的不同围压工况下的岩石孔隙压缩导致的垂直方向的变化量；l2下为下面测量结构测量的不同围压工况下的岩石孔隙压缩导致的垂直方向的变化量；
S30：注水孔(11)外接高精度恒流恒压泵，用恒流模式将围压腔(A)注满水并排尽空气，关闭出水孔(12)，用恒压模式加载一定围压，并记录该位移杆(52)测出的位移l，继而可以得到，在某种围压条件下的裂隙隙宽变化量l1为：
其中，l上为上测量结构中的位移杆(52)测出的位移；l下为下测量结构中的位移杆(52)测出的位移。
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