承压动水条件下高聚物裂隙注浆模型试验装置及试验方法与流程

本发明涉及地下基础设施安全防护领域，尤其涉及一种承压动水条件下高聚物裂隙注浆模型试验装置及试验方法。

背景技术：

受恶劣地质条件的影响，渗漏、突涌水等灾害始终是隧道施工和矿井生产过程中无法回避的技术难题。近年来，随着我国交通基础设施建设的快速发展和矿业开采加速向深部地层推进，因隧道开挖和矿井采掘导致的突涌水事故不胜枚举，造成了十分惨重的损失。不仅如此，由于隧道施工和矿井开采所引起的隧址区（采空区）水土资源破坏、生活用水枯竭、地面塌陷等生态灾难事件也屡屡出现，带来了恶劣的社会影响和严重的经济损失。发展高效、可靠的水害防治技术对于保障岩体工程施工和矿业开采安全、保护生态环境具有迫切而现实的意义。

注浆作为岩体工程水害防治的主要手段长期受到人们的重视，研发水害防治新材料、新技术和新理论一直是国内外专家学者关注的重要课题。近年来，具有自膨胀特性的双组分聚氨酯高聚物注浆材料（简称高聚物）及其高压注射技术在国际上发展十分迅速，应用日趋广泛。与普通注浆材料相比，高聚物具有反应快、膨胀率高、防水抗渗、安全环保、耐久性好等特点，已成为综合性能较优的注浆材料，在地下工程水害防治领域显示出广阔的应用前景。

岩体工程水害防治高聚物注浆方法的原理是通过向岩体裂隙（孔隙）中注射双组分高聚物材料，利用高聚物材料发生化学反应后体积迅速膨胀并固化的特性，实现填充空隙、封堵渗漏通道、防治水害的目的。

裂隙是构成岩体中导水通道的基本形式，是产生突涌水灾害的基础条件之一，深入了解浆液在岩体裂隙中的扩散规律对于注浆设计和施工具有重要指导意义。与非膨胀性浆材主要依赖于注浆压力驱动的扩散机制不同，高聚物浆液被注射到岩体裂隙中之后，主要依靠浆液自身膨胀产生的二次加压作用推动浆液运动。由于高聚物材料的膨胀扩散性能与环境压力、裂隙开度（裂缝缝隙厚度）、注浆量、反应时间及周围介质的约束能力等因素有关，因此与水泥基及其他非膨胀性浆材相比，高聚物材料的注浆机理更加复杂。

目前国内外在高聚物注浆的配套设备、施工工艺等方面已取得重大进展，然而由于高聚物材料的特殊性，使得其注浆理论研究相对滞后，特别是对动水条件下高聚物浆液在岩体裂隙中的扩散规律尚缺乏深入认识，使得注浆方案设计和施工主要依赖于操作人员的经验，理论研究的滞后已成为当前制约高聚物注浆技术发展的瓶颈。

模型试验能够直观反映浆液扩散行为，是研究裂隙注浆扩散机理的重要途径之一。不少学者结合工程实践，开展了动水注浆模型试验研究。现有技术中有提供动水环境的大型平行板试验台（4m×2m），对比分析了静、动水条件下水泥基浆液在平面裂隙中的扩散规律；也有动水单裂隙注浆模型试验系统，能够提供长1m、宽0.5m的裂隙，用该装置对比测试了改性脲醛树脂动、静水条件下的扩散特征；也有利用透明有机玻璃板裂隙（1.2m×0.25m）测试了动水条件下改性脲醛树脂浆液的封堵能力；还有一种可变倾角平面裂隙注浆模型试验系统，分析了裂隙倾角、水流速度对浆液扩散行为的影响。

但是现有技术中的平板裂隙动水注浆模型试验装置，其排水端通常采用自由出流边界，出口压力恒定为0或接近于0，供水端通过改变水箱位置高度调节水压力，这种方式所能提供的压力和压差调节范围小，环境水压力低，通常为0或接近于0，另外其裂隙壁面通常采用透明玻璃板或有机玻璃板，因缺少附加支撑结构，而玻璃板或有机玻璃板自身强度和承受能力较低，因此无法模拟大水深高水压环境，此外在实际注浆环境中，尤其是大水深条件下，排水端的水压力通常并不为0，而是随着水深的增大逐渐增加，因此现有试验装置所提供的承压动水环境与大多数工程环境下的真实情况并不相符，由于高聚物注浆材料的膨胀扩散特性与水压力密切相关，因此现有平板裂隙动水注浆试验装置不适用于测试具有自膨胀特性的高聚物注浆材料。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种承压动水条件下高聚物裂隙注浆模型试验装置及试验方法，能够调整不同动水压力环境，为测试承压动水条件下高聚物裂隙注浆扩散特性提供了一种较完备的手段，所得测试结果可以为地下工程水害防治高聚物注浆参数设计提供依据。

本发明的目的是以下述方式实现的：一种承压动水条件下高聚物裂隙注浆模型试验装置，包括可视化裂隙试验台、可以调节供水压力的稳压供水系统、可以调节排水压力的稳压排水系统、监测系统和高聚物注浆系统；可视化裂隙试验台包括依次设置的透明板、密封垫圈和钢板，透明板、密封垫圈和钢板之间围成密封的裂隙；可以调节供水压力的稳压供水系统、可以调节排水压力的稳压排水系统分别与可视化裂隙试验台的裂隙连接，监测系统包括压力传感器和摄像头，压力传感器分散布置在钢板上，摄像头透过透明板监测裂隙内浆液扩散情况；高聚物注浆系统包括高聚物注浆机、注浆管，高聚物注浆机通过注浆管可视化裂隙试验台相连接。

裂隙连接有进水管，进水管上设有进水阀。

可以调节供水压力的稳压供水系统包括供水承压容器、供水系统空气压缩机、空气调压阀、供水阀、供水系统排气阀、供水系统输气管和供水管，供水系统排气阀与供水承压容器连接，供水系统空气压缩机通过供水系统输气管连接供水承压容器，供水系统输气管上设有空气调压阀，供水承压容器通过供水管与所述可视化裂隙试验台的裂隙连通，供水管上设有供水阀；

可以调节排水压力的稳压排水系统包括排水承压容器、排水系统空气压缩机、气压安全阀、排水阀、排水系统排气阀、排水系统输气管和排水管，排水系统排气阀、气压安全阀分别与排水承压容器连接，排水系统空气压缩机通过排水系统输气管与排水承压容器连接，排水承压容器通过排水管与可视化裂隙试验台的裂隙连通，排水管上设有排水阀；

监测系统还包括压力数据采集仪、视频采集卡和计算机，压力传感器和摄像头分别经压力数据采集仪和视频采集卡连接到计算机。

供水承压容器内设有一高度小于供水承压容器内部净高的隔板ⅰ，隔板ⅰ将供水承压容器在隔板ⅰ高度范围内的空间分割为供水舱和储水舱，隔板ⅰ与供水承压容器的侧壁和底板分别密封连接；

排水承压容器内设有一高度小于排水承压容器内部净高的隔板ⅱ，隔板ⅱ将排水承压容器在隔板ⅱ高度范围内的空间分为集水舱和排水舱，隔板ⅱ与排水承压容器的侧壁和底板分别密封连接。

供水承压容器内设有水泵，水泵一端连接供水舱，另一端连接储水舱，用于在试验过程中从所述储水舱中抽水向所述供水舱中补充。

供水管与供水承压容器的供水舱相连通，供水管与供水承压容器的接头位于与供水舱相对应的供水承压容器的底板区域上；

排水管与排水承压容器的排水舱相连通，排水管与排水承压容器的接头位于与排水舱相对应的排水承压容器底板区域上。

供水承压容器上端安设供水系统排气阀和输气管接头，供水系统输气管通过输气管接头与供水承压容器连接；

排水承压容器上端安设气压安全阀、排水系统排气阀和输气管接头，排水系统输气管通过输气管接头连接排水承压容器。

远离密封垫圈的透明板的一侧设置有钢格栅盖板。

注浆管上设有单向阀。

一种承压动水条件下高聚物裂隙注浆模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

（1）安装可视化裂隙试验台，连接好可视化裂隙试验台与注浆系统、可以调节供水压力的稳压供水系统、可以调节排水压力的稳压排水系统、监测系统相连接的管路和线路；

（2）对可视化裂隙试验台的裂隙、可以调节供水压力的稳压供水系统、可以调节排水压力的稳压排水系统进行冲水、排气；

（3）然后，设定可以调节供水压力的稳压供水系统的供水压力、可以调节排水压力的稳压排水系统的排水压力，可以调节供水压力的稳压供水系统对可视化裂隙试验台的裂隙进行稳压进水，同时可以调节排水压力的稳压排水系统对可视化裂隙试验台的裂隙进行稳压排水；开启高聚物注浆机，向可视化裂隙试验台的裂隙内注入高聚物浆液，监测系统同步采集浆液扩散过程中的压力和视频数据；

（4）浆液固化后，可以调节供水压力的稳压供水系统、可以调节排水压力的稳压排水系统对可视化裂隙试验台的裂隙进行进水、排水。

本发明的有益效果为：

（1）能够灵活、准确地调整供水端水压力和排水端水压力，为模拟不同水深、不同压力差的承压动水环境创造了条件；

（2）注浆试验过程中供水承压容器内的供水舱和排水承压容器的排水舱始终处于满水状态，水位保持不变，从而保证两舱内位置水头恒定，与气压稳定元件共同发挥作用，确保试验过程供水端和排水端动水压力的稳定；

（3）通过调整供水稳压系统和排水稳压系统之间的压力差，可以产生不同的水流速度；

（4）裂隙试验台的透明板外部安设格栅钢板并通过高强螺栓整体固定，具有较高承压能力，为设置高水压力环境提供了安全保障，从而实现高水压条件下的可视化观测；

（5）通过调整裂隙密封垫圈的厚度，可模拟不同裂隙开度或裂缝厚度；

（6）为测试动水条件下自膨胀高聚物浆液在岩体裂隙中的扩散行为提供了一套较为完备的试验装置。

附图说明

图1为本发明试验装置的结构示意图；

图2为排水承压容器的结构示意图；

图3为供水承压容器的的结构示意图；

图4为裂隙试验台的结构分解示意图；

图5为格栅钢板的立体图；

图6为图5中格栅钢板的a-a剖面图；

图7为图5中格栅钢板的b-b剖面图；

图8为图5中格栅钢板的c-c剖面图；

图9为图5中格栅钢板的d-d剖面图；

图10为供水管道、排水管道的位置示意图；

图11为图10供水管道、排水管道位置的e-e剖面图。

其中：1-钢格栅盖板；2-透明板；3-密封垫圈；4-钢板；5-供水承压容器；6-供水系统空气压缩机；7-空气调压阀；8-供水阀；9-供水系统排气阀；10-供水系统输气管；11-供水管；12-排水承压容器；13-排水系统空气压缩机；14-气压安全阀；15-排水阀；16-排水系统排气阀；17-排水系统输气管；18-排水管；19-压力传感器；20-数码摄像头；21-压力数据采集仪；22-视频采集卡；23-计算机；24-高聚物注浆机；25-注浆管；26-单向阀；27-螺栓孔；28-高强螺栓；29-进水阀；30-隔板ⅰ；31-供水舱；32-储水舱；33-电动抽水泵；34-供水管接头；35-裂隙；36-供水承压容器输气管接头；37-隔板ⅱ；38-集水舱；39-排水舱；40-排水管接头；41-排水承压容器输气管接头；42-进水管；43-抽水管；44供水管支管；45排水管支管。

具体实施方式

如图1-图11所示，一种承压动水条件下高聚物裂隙注浆模型试验装置，包括可视化裂隙试验台、可以调节供水压力的稳压供水系统、可以调节排水压力的稳压排水系统、监测系统和高聚物注浆系统；可视化裂隙试验台包括依次设置的透明板2、密封垫圈3和钢板4，透明板2、密封垫圈3和钢板4之间围成密封的裂隙35；可以调节供水压力的稳压供水系统、可以调节排水压力的稳压排水系统分别与可视化裂隙试验台的裂隙35连接，监测系统包括压力传感器19和摄像头20，压力传感器19分散布置在钢板4上，摄像头20透过透明板2监测裂隙35内浆液扩散情况；高聚物注浆系统包括高聚物注浆机24、注浆管25，高聚物注浆机24通过注浆管25可视化裂隙试验台相连接。

注浆管25上可以设置流量计，通过流量计记录注浆量。

压力传感器19分散布置在钢板4上，用于监测注浆过程中流场压力分布及变化信息；摄像头20透过透明板2监测裂隙35内浆液扩散情况，记录浆液扩散过程中的形态、范围、面积信息。而且裂隙试验台可以通过调节密封垫圈3的厚度，可以调整裂隙开度。另外可以调节供水压力的稳压供水系统可以调节稳压供水的压力，可以调节排水压力的稳压排水系统可以调节稳压排水的压力，从而可以开展不同供排水压力、供排水压力差、裂隙开度及注浆量组合下的注浆试验，根据视频图像确定不同条件下高聚物浆液在裂隙中的扩散形态、扩散范围、扩散面积，从而判断高聚物浆液在相应条件下的扩散性能。

裂隙35连接有进水管42，进水管42上设有进水阀29，进水管42通过连接在钢板4上连通裂隙35。

可以调节供水压力的稳压供水系统包括供水承压容器5、供水系统空气压缩机6、空气调压阀7、供水阀8、供水系统排气阀9、供水系统输气管10和供水管11，供水系统排气阀9与供水承压容器5连接，供水系统空气压缩机6通过供水系统输气管10连接供水承压容器5，供水系统输气管10上设有空气调压阀7，供水承压容器5通过供水管11与所述可视化裂隙试验台的裂隙连通，供水管11上设有供水阀8；供水系统空气压缩机6通过供水系统输气管10向供水承压容器5内加压，通过调节空气调压阀7的输出压力，可以调整供水承压容器5内的气压值，从而改变裂隙试验台的供水端水压力值。

可以调节排水压力的稳压排水系统包括排水承压容器12、排水系统空气压缩机13、气压安全阀14、排水阀15、排水系统排气阀16、排水系统输气管17和排水管18，排水系统排气阀16、气压安全阀14分别与排水承压容器12连接，排水系统空气压缩机13通过排水系统输气管17与排水承压容器12连接，排水承压容器12通过排水管18与可视化裂隙试验台的裂隙连通，排水管18上设有排水阀15；排水系统空气压缩机13通过排水系统输气管10向承压容器12内加压，通过调节气压安全阀14的开启压力，可以调整排水承压容器12内的气压值，从而改变裂隙平台内的排水端水压力值。

空气调压阀7的作用是把流经调压阀的高压气体调节为低压气体流出，不仅起稳压作用，而且起到流通通道的作用；气压安全阀14起稳压作用，当容器内气体压力高于其压力设定值时自动排气泄压。

监测系统还包括压力数据采集仪21、视频采集卡22和计算机23，压力传感器19和摄像头20分别经压力数据采集仪21和视频采集卡22连接到计算机23。

压力传感器19与压力数据采集仪21之间无线连接或者通过压力传感器19的数据线连接；摄像头20和视频采集卡22之间无线连接或者通过摄像头20的数据线连接。压力数据采集仪21和视频采集卡22与计算机23之间通过无线连接或者通过连接线连接。

供水承压容器5内设有一高度小于供水承压容器内部净高的隔板ⅰ30，隔板ⅰ30将供水承压容器5在隔板ⅰ30高度范围内的空间分割为供水舱31和储水舱32，隔板ⅰ30与供水承压容器5的侧壁和底板分别密封连接，如隔板ⅰ30与供水承压容器5的侧壁和底板可以为一体成型或者焊接；

排水承压容器12内设有一高度小于排水承压容器内部净高的隔板ⅱ37，隔板ⅱ37将排水承压容器12在隔板ⅱ37高度范围内的空间分为集水舱38和排水舱39，隔板ⅱ37与排水承压容器12的侧壁和底板分别密封连接，如隔板ⅱ37与排水承压容器12的侧壁和底板可以为一体成型或者焊接。

供水承压容器5内设有水泵33，水泵33一端连接供水舱31，另一端连接储水舱32，用于在试验过程中从储水舱32中抽水向供水舱31中补充，以保证供水舱31中始终处于满水状态，从而便于供水水压保持恒定。

供水管11与供水承压容器5的供水舱31相连通，供水管11与供水承压容器5的接头位于与供水舱31相对应的供水承压容器5的底板区域上；

排水管18与排水承压容器12的排水舱39相连通，排水管18与排水承压容器12的接头位于与排水舱39相对应的排水承压容器12底板区域上。

供水承压容器5上端安设供水系统排气阀9和输气管接头36，供水系统输气管10通过输气管接头36与供水承压容器5连接；

排水承压容器12上端安设气压安全阀14、排水系统排气阀16和输气管接头41，排水系统输气管17通过输气管接头41连接排水承压容器12。

远离密封垫圈的透明板2的一侧设置有钢格栅盖板1。裂隙试验台的钢格栅盖板1的四周边缘格栅孔均焊接封孔板对钢格栅盖板1的四周边缘格栅孔封孔，并在封孔板上预设螺栓孔27，在钢板4上的对应位置处也预设螺栓孔27。封孔板的材质最好为钢材。

如图1、图4所示，组成裂隙试验台的钢格栅盖板1、透明板2、密封垫圈3和下部钢板4按照从上往下的顺序叠放，利用穿过钢格栅盖板和钢板四周预留螺栓孔27的高强螺栓28连接并固定；下部钢板连接进水阀29。摄像头设置在钢格栅盖板1上方，摄像头透过透明板2监测浆液的扩散情况。

此时进水管、进水阀29通过连接可视化裂隙试验台底部的钢板与裂隙连接，方便在试验准备阶段向试验装置内充水，水由低到高流入，排出裂隙内气体，充满整个裂隙空间，然后分别进入承压排水容器和承压供水容器。进水管、进水阀29最好也位于可视化裂隙试验台的下方或侧方，使进水管、进水阀29不会阻挡通过透明板观察浆液扩散过程。

供水管11通过连接裂隙35的进水口接口从而与裂隙35的一端连通，排水管18通过连接裂隙35的出水口接口从而与裂隙35的另一端连通，这样在既有条件下可以使裂隙进水口与出水口之间的距离最大化，从而形成一个较长的水流空间。

裂隙的进水口接口位于透明板的一端，裂隙的出水口接口位于透明板的另一端。

裂隙35的进水口接口位于透明板2短边一端，裂隙35的出水口接口位于透明板短边另一端。

供水管11通过多个均匀分布的供水管支管44与裂隙35一端连通，每个供水管支管44连接有一个裂隙进水口接口，裂隙进水口接口均匀分布；排水管18通过多个均匀分布的排水管支管45与裂隙35另一端连通，每个排水管支管45连接有一个裂隙出水口接口，裂隙出水口接口均匀分布。使裂隙内部的水压较为均匀、稳定。

供水管11与裂隙进水口接口之间密封连接、排水管与裂隙进水口接口之间密封连接，防止泄压，调压费力。

透明板2可以为透明有机玻璃板或透明玻璃板，摄像头可以为数码摄像头。

注浆管25上设有单向阀26，注浆管25与裂隙试验台的裂隙35的接口位于钢板4中央。

一种承压动水条件下高聚物裂隙注浆模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

（1）安装可视化裂隙试验台，连接好可视化裂隙试验台与注浆系统、可以调节供水压力的稳压供水系统、可以调节排水压力的稳压排水系统、监测系统相连接的管路和线路；

（2）对可视化裂隙试验台的裂隙、可以调节供水压力的稳压供水系统、可以调节排水压力的稳压排水系统进行冲水、排气；具体可以包括如下步骤，

（a）将裂隙试验台底部的进水阀29与外接水源管42相连，打开排水阀15和排水承压容器12的排气阀16，使供水阀8处于关闭状态，打开进水阀29，向试验台裂隙内注水，水充满裂隙后沿排水管18进入排水承压容器12，当排水承压容器12的排水舱39被水充满并溢出后，关闭排水阀15和排水承压容器12的排气阀16；

先关闭排水阀15和排水承压容器12的排气阀16，目的避免水继续流入排水承压容器12，关闭排水阀15后，虽然进水阀29在开着，但此时裂隙内已处于满水状态，水不再流入，接着再打开供水阀8和供水承压容器5的排气阀9后，水将沿供水管11进入供水承压容器5。

（b）打开供水阀8和供水承压容器5的排气阀9，水流沿供水管11进入供水承压容器5，当供水承压容器5的供水舱31被水充满后溢出流入储水舱32，当储水舱32内水位到达隔板ⅰ30顶端时，关闭供水阀8、进水阀29以及供水承压容器5的排气阀9；通过在储水舱32内设置液位计来判断储水舱32内水位到达隔板ⅰ30顶端，并且最好液位计连接有plc，然后plc连接供水阀8、进水阀29以及供水承压容器5的排气阀9，实现联动控制，当然人工手动操作也可。

（3）然后，设定可以调节供水压力的稳压供水系统的供水压力、可以调节排水压力的稳压排水系统的排水压力，可以调节供水压力的稳压供水系统对可视化裂隙试验台的裂隙进行稳压进水，同时可以调节排水压力的稳压排水系统对可视化裂隙试验台的裂隙进行稳压排水；开启高聚物注浆机24，向可视化裂隙试验台的裂隙35内注入高聚物浆液，监测系统同步采集浆液扩散过程中的压力和视频数据；具体可以包括如下步骤，

（a）将排水稳压系统的气压安全阀14开启压力调至设定的排水压力值，打开排水稳压系统的排水系统空气压缩机13向排水承压容器12加压，使排水系统空气压缩机13输出的气体压力高于气压安全阀14的设定压力，当排水承压容器12内气压值超过气压安全阀14的设定压力时，气压安全阀14开始排气泄压，直到排水承压容器12内气压降至气压安全阀14的设定压力，同时关闭稳压排水系统空气压缩机13；气压安全阀泄压至设定压力时会自动关闭，气压安全阀泄压时会发出声音，听到泄压声音后就可关闭排水系统空气压缩机13。

（b）将供水稳压系统的空气调压阀7工作压力调至设定的供水压力值，打开供水稳压系统的供水系统空气压缩机6向供水承压容器5加压，使供水系统空气压缩机6输出气体压力高于空气调压阀7的设定压力，空气压缩机6输出的气体经空气调压阀7调压后进入供水承压容器5，直至供水承压容器5内压力达到空气调压阀7的设定值；空气调压阀7的作用是空气压缩机6输出的高压气体流经调压阀后调节为低压气体输入供水承压容器5内，初始阶段供水承压容器5内的压力较低，随着输入气体量的不断累积，供水承压容器5内的压力逐渐增大，当压力增大到空气调压阀7的设定压力时，空气调压阀7自动切断，当供水承压容器5内的压力低于空气调压阀7的设定压力时，空气调压阀7自动接通供气加压，整个过程自动进行。

（c）启动供水承压容器内的水泵33，通过抽水管43从储水舱32向供水舱31抽水；

（d）打开供水阀8和排水阀15，此时在供水稳压系统和排水稳压系统间压力差作用下，裂隙中水开始流动，形成动水环境，然后开启高聚物注浆机24，向裂隙试验台内注入一定量高聚物浆液，利用监测系统同步采集浆液扩散过程中的压力和视频数据；

（4）浆液固化后，停止可以调节供水压力的稳压供水系统、可以调节排水压力的稳压排水系统对可视化裂隙试验台的裂隙进行进水、排水；具体可以为浆液固化后，关闭供水阀8和排水阀15，关闭可以调节供水压力的稳压供水系统的供水系统空气压缩机6和电动抽水泵33，拆卸裂隙试验台并清理后。

对供水承压容器5、排水承压容器12设定不同的压力用于调整水压力环境以及两者间不同压力差，压力差会影响水流速度，调整压力差可以调整水流速度，采用不同厚度的裂隙密封垫圈3和不同的注浆量，重复上述步骤（1）—（4），开展不同供排水压力、供排水压力差、裂隙开度及注浆量组合下的注浆试验，根据视频数据确定不同条件下高聚物浆液在裂隙中的扩散形态、扩散范围即扩散面积，从而判断高聚物浆液在相应条件下的扩散性能。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。