一种柱状节理岩体渗流试验装置及制作方法与流程

本发明涉及柱状节理岩体渗流试验装置及制作方法，属于岩体力学、渗流力学、化学与界面力学等多学科的交叉领域。

背景技术：

柱状节理岩体作为一种特殊结构性的岩体，除了具有非连续性、均质性、非线性特征外，还具有强烈的几何各向异性和强界面透水性之特点。柱状节理岩体力学性质复杂，却缺乏实际适用的本构关系及参数分析方法，已成为水电工程主要的岩石力学问题之一，因此对断续柱状节理岩体进行各向异性、非线性渗流特征研究具有重大的理论与实际价值。

柱状节理岩体不同于层状、裂隙节理岩体，因此它们各自的渗流特征也不近相同，关于柱状节理岩体渗流特征当下研究很少。

岩石力学试验主要包括现场试验与室内试验，原位试验受环境因素影响大且经济性较差，国内学者基于室内模型试验对柱状节理岩体力学行为开展了一系列有益研究，但针对柱状节理各向异性、非线性特性的室内模型试验较少。

在室内采用相似材料研究岩体水力学行为时，应基于相似原理制作与原型相似的材料，常用模拟岩石材料主要有石膏类材料、松香油酒精类材料、水泥砂浆材料、树脂类透明岩石材料等。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种柱状节理岩体渗流试验装置及制作方法，可实现柱状节理渗流路径、流量、孔隙水压与水力耦合行为可视化、动态化、宏细观研究，可为柱状节理岩体地区坝基工程、边坡工程与引水隧洞工程等领域各向异性渗流行为研究提供可靠的方法支撑。

技术方案：为实现上述目的，本发明的柱状节理岩体渗流试验装置，包括壳体，在壳体的两端分别设有进水装置和出水装置，在进水装置和出水装置之间放置有试件，所述进水装置和出水装置与试件之间分别设有圆砾层，所述进水装置与高压供水系统连接，所述壳体为透明材质制作，所述壳体外设有自动拍照系统和同位素追踪系统，在试样内布设有微型传感器，微型传感器与孔隙水压力数据采集系统连接；所述高压供水系统通过进水装置向试件中供水，高压供水系统所供的水中放入了含染色剂的同位素化学试液，自动拍照系统、同位素追踪系统和孔隙水压力数据采集系统同时与控制器连接。

作为优选，所述试样的原料包含水泥、砂、水和消泡液，各组分的质量比为水泥：砂：水：消泡液＝2：1：0.8：0.04。

一种上述的柱状节理岩体渗流试验装置的制作方法，包括以下步骤：

(1)试样制作：

a、模具制作：制作四周侧板、两块隔板、底座，四周侧板与隔板高度为105mm，由于底板刻槽可使侧板和隔板可插入底座内5mm，利用四周侧板和底座组成一个整体，在底座上安装两个隔板，分隔为三个腔体，拼接完成的模具在长边两侧通过四个长螺栓固定形成一个统一整体；

b、在三个腔体中分别插入纵横交错的钢板，制备四棱柱、五棱柱与六棱柱，形成柱状节理网络；

c、按质量比为水泥：砂：水：消泡液＝2：1：0.8：0.04均匀振捣拌合后浇铸到三个腔体中，采用微型振捣棒对单柱浇注体进行振捣，浇铸完成后常温常湿度养护；

d、浇铸后试件养护8小时将高硬度不锈钢板组成的柱状节理网络拔出；

e、按质量比为细砂：石膏：白水泥：水＝2：1：0.5：(1～1.5)均匀振捣拌合后灌注到柱状节理网络中，根据不同的节理充填程度，确定所需灌入柱状节理网络的材料质量，并在柱状节理网络中埋设微型传感器，养护24小时候后拆模形成单柱为四棱柱、或五棱柱或六棱柱中的一种或几种形状组合的立方体试样，拆模后养护28天用于渗流试验；

(2)将试件放入到壳体内，在试件的两端放置圆砾层，在壳体上盖上透明的盖板，在壳体的两端放置进水装置和出水装置，进水装置与高压供水系统连接；

(3)在壳体的周围布置自动拍照系统和同位素追踪系统；

(4)高压供水系统实现0～1MPa梯度水压供给，自动拍照系统实现0.1～1s间隔拍照功能，同位素追踪系统实现全行程、全覆盖同位素示踪。

作为优选，所述步骤(4)中，试验初始阶段，高压供水系统提供低于100kPa低压纯净水，在渗透水压的作用下节理充填物会慢慢失去粘结强度而从出水口流失。

作为优选，所述步骤(4)中，当出水口流出物逐渐变清至流量稳定时，将染色剂与同位素掺入到纯净水中。

作为优选，所述步骤(a)中，四周侧板和隔板上设有刻槽，刻槽深度为5mm

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)该方法简单可靠、经济效益高。克服了原位试验受环境影响大、经济性差的弊端，室内模型试验可做操作性强、可重复性高，试验结果离散性较小，因此更加可靠；

(2)该方法结合了最新的图像处理、同位素示踪与元器件尺寸优化等技术，可实现柱状节理渗流路径、流量、孔隙水压与水力耦合行为可视化、动态化、宏细观研究；

(3)该方法弥补了国内外关于柱状节理岩体各向异性、非线性渗流特征研究的不足，且该方法可验证各种相似岩石材料与充填节理材料、单柱形状与尺寸、界面粗糙度等对渗流特征的影响，系统性强；

(4)该方法可为柱状节理岩体地区坝基工程、边坡工程与引水隧洞工程等领域各向异性渗流行为研究提供可靠的方法支撑。

附图说明

图1为本发明的三维示意图。

图2为本发明的内部结构示意图。

图3为制备试件的模具示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图3所示，本发明的柱状节理岩体渗流试验装置，包括壳体7，在壳体7的两端分别设有进水装置2和出水装置5，在进水装置2和出水装置5之间放置有试件4，所述试样的原料包含水泥、砂、水和消泡液，各组分的质量比为水泥：砂：水：消泡液＝2：1：0.8：0.04，所述进水装置2和出水装置5与试件4之间分别设有圆砾层3，所述进水装置2与高压供水系统16连接，所述出水装置5与流量计量系统连接，所述壳体7为透明材质制作，所述壳体7外设有自动拍照系统和同位素追踪系统15，在试样内布设有微型传感器，微型传感器与孔隙水压力数据采集系统16连接；所述高压供水系统16通过进水装置2向试件4中供水，高压供水系统16所供的水中放入了含染色剂的同位素化学试液，自动拍照系统、同位素追踪系统15和孔隙水压力数据采集系统16同时与控制器连接。

一种上述的柱状节理岩体渗流试验装置的制作方法，包括以下步骤：

(1)试样制作：

a、模具制作：制作四周侧板8、10、两块隔板9、底座11，各个板的厚度为3cm，四周侧板与隔板9高度为105mm，由于底板刻槽可使侧板和隔板9可插入底座内5mm，由于底板刻槽可使侧板、隔板9可插入底座内5mm，在底座上安装两个隔板9，分隔为三个腔体，拼接完成的模具在长边两侧通过四个长螺栓13固定形成一个统一整体；

b、在三个腔体中分别插入纵横交错的厚度为1.5mm高硬度不锈钢板，制备单柱边长为2cm的四棱柱、五棱柱与六棱柱，形成柱状节理网络12；

c、按质量比为水泥：砂：水：消泡液＝2：1：0.8：0.04均匀振捣拌合后浇铸到三个腔体中，分别制备单柱边长为2cm四棱柱、五棱柱与六棱柱等的类柱状节理岩体立方型试件4，采用微型振捣棒对单柱浇注体进行振捣，浇铸完成后常温常湿度养护；

d、浇铸后试件4养护8小时将高硬度不锈钢板组成的柱状节理网络12拔出；

e、按质量比为细砂：石膏：白水泥：水＝2：1：0.5：(1～1.5)均匀振捣拌合后灌注到柱状节理网络12中，根据不同的节理充填程度，确定所需灌入柱状节理网络12的材料质。并在柱状节理网络12中埋设微型传感器，养护24小时候拆模形成单柱边长为2cm的四棱柱、或五棱柱或六棱柱等中的一种或几种形状组合的立方体试样。例如该立方体试样的尺寸为100×100×100mm³，拆模后养护28天用于试验；

(2)将试件4放入到壳体7内，在试件4的两端放置7.5～10mm圆砾层3，在壳体7上盖上透明的盖板，在壳体7的两端放置进水装置2和出水装置5，进水装置2与高压供水系统16连接；

(3)在壳体7的周围布置自动拍照系统和同位素追踪系统15；

(4)高压供水系统16实现0～1MPa梯度水压供给，自动拍照系统实现0.1～1s间隔拍照功能，同位素追踪系统15实现全行程、全覆盖同位素示踪。

在本发明中，所述步骤(4)中，高压供水系统16首先低压供纯净水，当流量稳定后增大压强供染色的同位素化学试液，与此同时各系统分别时时量测渗流路径、流量、孔隙水压力等试验数据等，其中：1)试验初始阶段，高压供水系统16提供低于100kPa低压纯净水，在渗透水压的作用下节理充填物会慢慢失去粘结强度而从出水口6流失，出水口6上连接有流量计量系统18；2)当出水口6流出物逐渐变清至流量稳定时，将染色剂与同位素掺入到纯净水中，按设计方案梯度增大供水压力且此时提供的为染色同位素化学试液。通过自动拍照系统可得到染色试液的流动路径，不同时间的数字图像可从宏观角度反映渗流路径的变化，结合数字图像处理技术可提取细微观量化数据，反映侧限条件下的各向异性渗流行为。试验过程中时时测定放射性同位素的位置和量化指标，可分析柱状节理网络的最优渗流路径，研究重力因素对流动过程的影响，放射性同位素的堆积可反映节理面粗糙度对渗流的影响。

在本发明中，孔隙水压力的量测数据可分析孔隙水压力与时间、渗流路径长度等变化关系，研究侧限条件下的各向异性渗流行为。流量计量系统的实测数据可分析不同柱体形状单位时间渗流量的差异，结合其他系统可实现柱状节理渗流路径、流量、孔隙水压与水力耦合行为可视化、动态化、宏细观研究。自主设计的试验制备模具可通过改变钢板厚度与间距，制备不同边长的状体与不同宽度的节理。自主设计的试验制备模具可通过改变浇铸材料研究岩体材料对节理渗流规律的影响，其中浇铸材料可为水泥-河砂不同配比材料、石膏-河砂-水不同配比材料、不饱和聚酯树脂-氧化钾乙酮-环烷酸钴不同配比透明岩石材料等。自主设计的试验制备模具可通过改变节理充填物研究节理充填材料对节理渗流规律的影响，其中充填材料可为胶水-细砂材料、石膏-河砂-水不同配比材料等。微型传感器的埋设数量和位置应根据试样尺寸与节理宽度综合判定。流量计量系统应包含充填介质流失物称量系统，用于综合判定流量稳定时间。与可视化试验系统相连接的各系统采用电脑终端自动控制，高压供水系统16可实现0～1MPa梯度水压供给，自动拍照系统可实现0.1～1s间隔拍照功能，同位素追踪系统15可实现全行程、全覆盖同位素示踪，孔隙水压力数据采集系统16可实现实时数据采集与分析。可视化渗流试验系统采用密闭型透明盖板，进、出水口与微型传感器导线出口采用专用密封圈封闭。

本发明的数据分析与理论依据包括：

1)通过自动拍照系统可得到染色试液的流动路径，不同时间的数字图像可从宏观角度反映渗流路径的变化，结合数字图像处理技术可提取细微观量化数据，反映侧限条件下的各向异性渗流行为；

2)试验过程中时时测定放射性同位素的位置和量化指标，可分析柱状节理网络的最优渗流路径，研究重力因素对流动过程的影响，放射性同位素的堆积可反映节理面粗糙度对渗流的影响；

3)孔隙水压力的量测数据可分析孔隙水压力与时间、渗流路径长度等变化关系，研究侧限条件下的各向异性渗流行为；

4)流量计量系统的实测数据可分析不同柱体形状单位时间渗流量的差异，结合其他系统可实现柱状节理渗流路径、流量、孔隙水压与水力耦合行为可视化、动态化、宏细观研究。

本发明的优势和注意事项包括：1)自主设计的试验制备模具可通过改变钢板厚度与间距，制备不同边长的状体与不同宽度的节理；2)自主设计的试验制备模具可通过改变浇铸材料研究岩体材料对节理渗流规律的影响，其中浇铸材料可为水泥-河砂不同配比材料、石膏-河砂-水不同配比材料、不饱和聚酯树脂-氧化钾乙酮-环烷酸钴不同配比透明岩石材料等；3)自主设计的试验制备模具可通过改变节理充填物研究节理充填材料对节理渗流规律的影响，其中充填材料可为胶水-细砂材料、石膏-河砂-水不同配比材料等；4)微型传感器的埋设数量和位置应根据试样尺寸与节理宽度综合判定；5)流量计量系统应包含充填介质流失物称量系统，用于综合判定流量稳定时间。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。