一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统及其试验方法
【专利摘要】本发明公开了一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统及其试验方法，系统包括水源装置、注射泵、可夹持式流入流出容器、裂隙网络渗流装置、CCD照像系统、渗出水称重系统和水压力采集系统。本发明可以对任意形式的粗糙裂隙网络渗流过程进行模拟，同时可以对任意粗糙裂隙的力学开度进行定量化，并且对裂隙网络中水的渗流过程实现了可视化研究。本发明系统具有结构简单、适用性强、经济节约等特点，尤其对于粗糙裂隙力学开度的定量化与裂隙网络渗流过程的可视化研究具有重要的意义。
【专利说明】
一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统及其试验方法
技术领域
[0001]本发明涉及粗糙裂隙渗流物理模型试验领域，特别是一种针对粗糙裂隙力学开度的粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统及其试验方法。
【背景技术】
[0002]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水或其他有害物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。另外在致密岩体中，比如花岗岩和沉积岩，流体的运移基本只沿着其中的不连续面进行，因此展开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。
[0003]申请号为CN201310657945.6的发明专利介绍了一种有自由面裂隙网络渗流试验装置，该装置在刻画板上刻出裂缝模拟裂隙网络，将裂隙网络模型的一个侧面与上游水箱相连接并通过上游水箱向裂隙中注水。由于裂隙非常微小，而将含裂隙网络模型刻画板的整个侧面与水箱连接对于侧面不存在裂隙的位置来讲是不必要的，增大上游水箱与裂隙模型的接触面积无疑会使接触范围内渗水的位置增加，从而增大了防水渗漏的难度。
[0004]申请号为CN201210562580.4的发明专利和申请号为CN201410588213.0的发明专利分别介绍了采用真实岩石或混凝土试块进行裂隙渗流模拟的装置和方法，两种装置都是将真实试样或混凝土试块放置于一个容器中，通过从容器外接入水管向试样的裂隙中注水并产生渗流。但外部水源并不是直接接入试样的裂隙中，而是经过试样与容器内壁的交界面然后才能渗流，外部水源在经过试样与容器内壁的过程中不可避免的会沿着二者交界面向四周扩散，必定会造成水压力与水流量的衰减与消散，从而造成试验结果产生很大误差。
[0005]《岩土力学》2015年第6期题为《交叉裂隙水力学开度的计算及非线性水力特性研究》中作者刘日成等介绍了一种用于交叉裂隙水力学开度计算的试验方法，但文中没有涉及对粗糙裂隙表面形状及力学开度进行定量化的研究，也没有涉及渗流过程可视化的研究。
[0006]上述现有技术中所涉及的装置在将外部水源引入裂隙端部的过程中都存在一定缺陷，因而如何实现将外部水源的水直接过渡到裂隙中是一个关键问题;而且现有技术中针对粗糙裂隙缺少定量化的研究方法;此外现有技术中都没有针对粗糙裂隙渗流过程可视化方面的研究。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统及其试验方法，以实现水在粗糙裂隙网络中渗流的模拟，实现将外部水源的水直接过渡到粗糙裂隙中，避免扩散。
[0008]本发明进一步的目的在于提供一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统及其试验方法，其能够实现对任意粗糙裂隙几何形状的定量化，测得粗糙裂隙的表面形状及力学开度。
[0009]本发明更进一步的目的在于提供一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统及其试验方法，其对于粗糙裂隙中水的渗流实现渗流过程的可视化模拟，为粗糙裂隙网络渗流可视化方面的研究提供基础。
[0010]为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为:
[0011]一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统，包括水源装置、注射栗、可夹持式流入流出容器和裂隙网络渗流装置；
[0012]所述注射栗，其进水端通过导水管连通所述水源装置，所述进水端设有第一阀门，所述注射栗的出水端通过导水管连通至所述可夹持式流入流出容器，所述出水端设有第二阀门；
[0013]所述可夹持式流入流出容器，包括基体和用于将所述基体连接至所述裂隙网络渗流装置的夹持部，所述基体上设有液体流通的输入/输出通道;所述输入/输出通道一端与所述裂隙网络渗流装置连接，另一端与所述注射栗的出水端的导水管连接，且所述输入/输出通道和所述注射栗的出水端之间设有第三阀门；
[0014]所述裂隙网络渗流装置，包括压紧模型的两块相同的第一玻璃板和一块具有至少两个裂隙的裂隙网络的第二玻璃板，所述第二玻璃板位于所述两块第一玻璃板之间，且所述第一玻璃板与所述两块第二玻璃板相互接触的四周边缘位置密封;其中，所述第二玻璃板的边缘至少两个部分凸出于所述两块第一玻璃板，形成至少两个凸出部；
[0015]所述夹持部的形状与所述凸出部相适应，以将所述可夹持式流入流出容器夹紧在所述裂隙网络渗流装置的凸出部，使所述输入/输出通道与所述裂隙网络中的一个裂隙连通，且所述夹持部与所述凸出部相接触的边缘位置密封。
[0016]进一步的，还包括C⑶照像系统，该系统包括:
[0017]—个CCD相机，位于所述裂隙网络渗流装置上方，用于对所述裂隙网络渗流装置拍照获取所述裂隙网络的图像;其中所述图像为当裂隙中注入带有颜色的染液且充满整个裂隙网络时的图像；
[0018]第一计算机，与所述CCD相机连接，用于对所述裂隙网络的图像进行处理，获得裂隙表面形状坐标数据和不同位置的裂隙力学开度。
[0019]更进一步的，还包括渗出水称重系统，包括:
[0020]容器，用于收集所述裂隙网络渗流装置中的裂隙渗出水；
[0021]电子称，所述容器放置其上，用于称重所述容器中渗出水的重量数据；
[0022]第二计算机，与所述电子称连接，用于记录所述重量数据。
[0023]更进一步的，该系统还包括水压力采集系统，包括:
[0024]微型渗压计，嵌设于所述可夹持式流入流出容器的基体上，用于检测所述输入/输出通道内流通的液体的压力；
[0025]数据采集仪，与所述微型渗压计连接，用于采集所述压力；
[0026]第三计算机，与所述数据采集仪连接，用于记录所述压力。
[0027]可选的，所述水源装置与所述注射栗之间还设有过滤装置，用于滤去进入所述裂隙网络的水源中的杂质，防止在裂隙渗流过程中杂质堵塞裂隙。
[0028]可选的，所述第二玻璃板中的裂隙沿着第二玻璃板的厚度方向是完全贯通的，所述裂隙网络为预定形状的裂隙网络或者是通过对所述第二玻璃板施加物理打击而自然形成的裂隙网络。
[0029]在一个实施例中，所述裂隙网络渗流装置上的所述凸出部有四个，其中每两个凸出部作为一组构成输入端和输出端；
[0030]两组的输入端分别连接一个所述可夹持式流入流出容器;两组的输出端分别连接一个第二可夹持式流入流出容器；
[0031]其中，每个所述第二可夹持式流入流出容器与所述可夹持式流入流出容器结构相同，其基体上的输入/输出通道一端与所述裂隙网络渗流装置的输出端连接，另一端连接弯折导水管，所述弯折导水管上设有第四阀门且末端位于所述容器上方；
[0032]对应的，所述容器有两个，分别收集所述裂隙网络渗流装置中两组的输出端流出的裂隙渗出水;每个容器下均设置一个电子称，每个电子称均连接至所述第二计算机。
[0033]进一步的，所述可夹持式流入流出容器的夹持部呈矩形凹槽状结构，所述第二玻璃板的凸出部伸入所述凹槽后边缘位置密封。
[0034]本发明还提供一种利用上述的粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统进行试验的方法，包括以下试验步骤:
[0035]I)利用所述第一阀门、第二阀门、第三阀门和注射栗的配合向所述裂隙网络中注入红色染液直至充满裂隙网络，利用所述CCD相机沿着整个裂隙网络表面进行拍照，获取所述裂隙网络的图像，所述第一计算机对所述裂隙网络的图像进行处理，获得裂隙表面形状坐标数据和不同位置的裂隙力学开度；
[0036]2)将水源换为纯净水，打开第一阀门将纯净水存储在注射栗中，然后打开第二阀门和第三阀门，关闭第一阀门将纯净水注入所述裂隙网络渗流装置上的裂隙中，其中所述注射栗以固定流量或固定水压力向裂隙中注水，通过所述水压力采集系统进行采集和监测水压力，同时所述渗出水称重系统工作，进行数据采集；
[0037]3)当所述纯净水渗流稳定后将水源替换为红色染液并注入所述裂隙网络渗流装置上的裂隙中，同时打开所述CCD相机对整个裂隙网络进行拍照，通过获得的照片分析记录红色染液在裂隙网络中的渗流过程和/或规律特征。
[0038]相比于现有技术，本发明至少具有以下有益效果:
[0039]该系统通过设置所述可夹持式流入流出容器和裂隙网络渗流装置，接触位置四周密封，实现水在粗糙裂隙网络中渗流的模拟，实现将外部水源的水直接过渡到粗糙裂隙中，避免扩散。
[0040]通过CCD相机拍照后分析处理，其能够实现对任意粗糙裂隙几何形状的定量化，测得粗糙裂隙的表面形状及力学开度。
[0041]裂隙网络渗流装置由玻璃板构成，可容易获取较为清晰照片，其对于粗糙裂隙中水的渗流实现渗流过程的可视化模拟，为粗糙裂隙网络渗流可视化方面的研究提供基础。
【附图说明】
[0042]图1为模拟致密岩体裂隙网络渗流试验系统示意图；
[0043]图2为可夹持式流入流出容器示意图；
[0044]图3为裂隙网络渗流装置示意图。
【具体实施方式】
[0045]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0046]本发明实施例提供一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统，包括水源装置、注射栗、可夹持式流入流出容器和裂隙网络渗流装置。所述注射栗，其进水端通过导水管连通所述水源装置，所述进水端设有第一阀门，所述注射栗的出水端通过导水管连通至所述可夹持式流入流出容器，所述出水端设有第二阀门；所述可夹持式流入流出容器，包括基体和用于将所述基体连接至所述裂隙网络渗流装置的夹持部，所述基体上设有液体流通的输入/输出通道;所述输入/输出通道一端与所述裂隙网络渗流装置连接，另一端与所述注射栗的出水端的导水管连接，且所述输入/输出通道和所述注射栗的出水端之间设有第三阀门；所述裂隙网络渗流装置，包括压紧设置的两块相同的第一玻璃板和一块具有至少两个裂隙的裂隙网络的第二玻璃板，所述第二玻璃板位于所述两块第一玻璃板之间，且所述第一玻璃板与所述两块第二玻璃板相互接触的四周边缘位置密封。其中，所述第二玻璃板的边缘至少两个部分凸出于所述两块第一玻璃板，形成至少两个凸出部，本实施例中为整体凸出，即矩形体的第二玻璃板长度或宽度大于两块第一玻璃板;所述夹持部的形状与所述凸出部相适应，以将所述可夹持式流入流出容器夹紧在所述裂隙网络渗流装置的凸出部，使所述输入/输出通道与所述裂隙网络中的一个裂隙连通，且所述夹持部与所述凸出部相接触的边缘位置密封。本实施例中所述可夹持式流入流出容器的夹持部呈矩形凹槽状结构，所述第二玻璃板的凸出部伸入所述凹槽后边缘位置密封。
[0047]示例性的，所述裂隙网络渗流装置上的所述凸出部有四个，其中每两个凸出部作为一组构成输入端和输出端;两组的输入端分别连接一个所述可夹持式流入流出容器;两组的输出端分别连接一个第二可夹持式流入流出容器;每个所述第二可夹持式流入流出容器与所述可夹持式流入流出容器结构相同，仅为安装位置不同，其基体上的输入/输出通道一端与所述裂隙网络渗流装置的输出端连接，另一端连接弯折导水管，所述弯折导水管上设有第四阀门且末端位于容器上方;所述容器有两个，分别收集所述裂隙网络渗流装置中两组的输出端流出的裂隙渗出水;每个容器下均设置一个电子称，每个电子称均连接至第二计算机。
[0048]CXD照像系统包括一个CCD相机，位于所述裂隙网络渗流装置上方，用于对所述裂隙网络渗流装置拍照获取所述裂隙网络的图像;其中所述图像为当裂隙中注入带有颜色的染液且充满整个裂隙网络时的图像;第一计算机与所述CCD相机连接，用于对所述裂隙网络的图像进行处理，获得裂隙表面形状坐标数据和不同位置的裂隙力学开度。
[0049]渗出水称重系统，包括容器、电子称和第二计算机。所述容器，用于收集所述裂隙网络渗流装置中的裂隙渗出水;所述电子称，所述容器放置其上，用于称重所述容器中渗出水的重量数据;所述第二计算机，与所述电子称连接，用于记录所述重量数据。
[0050]更进一步的，该系统还包括水压力采集系统，包括微型渗压计、数据采集仪和第三计算机。所述微型渗压计，嵌设于所述可夹持式流入流出容器的基体上，用于检测所述输入/输出通道内流通的液体的压力;所述数据采集仪，与所述微型渗压计连接，用于采集所述压力;所述第三计算机，与所述数据采集仪连接，用于记录所述压力。
[0051]可选的，所述水源装置与所述注射栗之间还设有过滤装置，用于滤去进入所述裂隙网络的水源中的杂质，防止在裂隙渗流过程中杂质堵塞裂隙。
[0052]可选的，所述第二玻璃板中的裂隙沿着第二玻璃板的厚度方向是完全贯通的，所述裂隙网络为预定形状的裂隙网络或者是通过对所述第二玻璃板施加物理打击而自然形成的裂隙网络。
[0053]工作原理:
[0054]I)利用所述第一阀门、第二阀门、第三阀门和注射栗的配合向所述裂隙网络中注入红色染液直至充满裂隙网络，利用所述CCD相机沿着整个裂隙网络表面进行拍照，获取所述裂隙网络的图像，所述第一计算机对所述裂隙网络的图像进行处理，获得裂隙表面形状坐标数据和不同位置的裂隙力学开度；
[0055]2)将水源换为纯净水，打开第一阀门将纯净水存储在注射栗中，然后打开第二阀门和第三阀门，关闭第一阀门将纯净水注入所述裂隙网络渗流装置上的裂隙中，其中所述注射栗以固定流量或固定水压力向裂隙中注水，通过所述水压力采集系统进行采集和监测水压力，同时所述渗出水称重系统工作，进行数据采集；
[0056]3)当所述纯净水渗流稳定后将水源替换为红色染液并注入所述裂隙网络渗流装置上的裂隙中，同时打开所述CCD相机对整个裂隙网络进行拍照，通过获得的照片分析记录红色染液在裂隙网络中的渗流过程和/或规律特征。
[0057]相比于现有技术，本发明至少具有以下有益效果:
[0058]该系统通过设置所述可夹持式流入流出容器和裂隙网络渗流装置，接触位置四周密封，实现水在粗糙裂隙网络中渗流的模拟，实现将外部水源的水直接过渡到粗糙裂隙中，避免扩散。
[0059]通过CCD相机拍照后分析处理，其能够实现对任意粗糙裂隙几何形状的定量化，测得粗糙裂隙的表面形状及力学开度。
[0060]裂隙网络渗流装置由玻璃板构成，可容易获取较为清晰照片，其对于粗糙裂隙中水的渗流实现渗流过程的可视化模拟，为粗糙裂隙网络渗流可视化方面的研究提供基础。[0061 ]下面结合一个具体示例说明本发明。
[0062]参看图1-3，该示例示出的粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统，包括水源装置
1、过滤装置(图未示)、导水管3、注射栗5、可夹持式流入/流出容器6、裂隙网络渗流模块7、CCD照像系统8、渗出水称重系统9和水压力采集系统10，其中注射栗5在靠近水源一侧和靠近裂隙一侧各有一个阀门4，可夹持式流入/出容器6上有阀门11并嵌有微型渗压计18，裂隙网络渗流模块7包括两块高强玻璃板12和一块含裂隙网络的玻璃板13，CCD照像系统8包括一个高精度CCD相机14和计算机15，渗出水称重系统9包括用于收集裂隙渗出水的容器16、电子称17和记录数据的计算机15，水压力采集系统10包括微型渗压计18、数据采集仪19和计算机15。
[0063]如图2所示可夹持式流入/流出容器是一个特制夹子，包括基体和夹持部，整体为中空结构，构成矩形凹槽状，外部除夹子口部外其余部分密封良好，利用夹子口部夹紧含裂隙网络玻璃板13(即第二玻璃板)上裂隙端部的位置，在与之相对的一端通过预留孔外接弯折导水管，其可以实现水流从水源经由可夹持式流入/流出容器6而流入裂隙。通过控制导水管3上的阀门11可以控制可夹持式流入/流出容器6中是否有水源流入/流出裂隙;通过微型渗压计18可以监测到可夹持式流入/流出容器6内部水源的水压力。
[0064]如图3所示，裂隙网络渗流模块7(即裂隙网络渗流装置)由两块相同的高强玻璃板12 (即第一玻璃板)和一块含裂隙网络的玻璃板13 (即第二玻璃板)组成，本实施例中均为矩形体，含裂隙网络的玻璃板13的尺寸(长度和/或宽度)略大于高强玻璃板12，两块高强玻璃板12分别放在含裂隙网络的玻璃板13的两边，三块玻璃板中心对齐后压紧并在三块玻璃板四周相互接触的位置涂抹密封胶密封，可以实现在渗流过程中水只在裂隙内部产生运动。利用可夹持式流入/流出容器6在裂隙端部夹紧含裂隙网络的玻璃板13，并在可夹持式流入/流出容器6和含裂隙网络的玻璃板13相接触的部位涂抹密封胶，保证水流流经可夹持式流入/流出容器6时不会发生渗漏。
[0065]所述含裂隙网络的玻璃板13是一块普通玻璃板，玻璃板中的裂隙沿着厚度方向是完全贯通的，裂隙网络的形状、长度等参数根据试验研究的需要可以任意选取，裂隙网络既可以是通过玻璃刀等刻画出的具有特定形状的裂隙网络，也可以是通过对玻璃板施加物理打击而自然形成的裂隙网络。
[0066]上述系统的试验方法如下，包括以下步骤:
[0067]步骤I，将带有特定裂隙网络的含裂隙网络的玻璃板13和两块高强玻璃板12粘合为裂隙网络渗流模块7并与注射栗5、可夹持式流入/流出容器6相连接。
[0068]步骤2，利用注射栗5向裂隙网络中注入红色染液直至充满裂隙网络，利用高精度CCD相机沿着整个裂隙网络表面进行拍照，将得到的照片导入计算机，通过MATLAB进行图像处理，通过边缘检测提取注有红色染液的外轮廓得到裂隙的表面形状，再利用MATLAB提取每条裂隙两个表面的坐标，通过计算垂直于裂隙走向方向的坐标差值得到裂隙的力学开度。
[0069]步骤3，根据试验中裂隙渗流的入/出水口数目和位置将多个阀门11调整为打开/关闭状态。将水源换为纯净水，打开注射栗5水源侧的阀门4将水存储在注射栗5中，然后打开裂隙侧阀门11关闭水源侧阀门4将水注入裂隙中，可以通过注射栗5以固定流量注水也可以通过调节水栗以固定水压力向裂隙中注水，水压力通过微型渗压计18即水压力采集系统10进行采集和监测，同时调整渗出水称重系统9到采集数据状态。
[0070]步骤4，为了观察裂隙网络中液体的渗流过程和特征，纯净水渗流稳定后将水源替换为红色染液并注入裂隙中，同时打开高精度CCD相机14对整个裂隙网络进行拍照，通过获得的照片分析红色染液在裂隙网络中的渗流过程及规律特征。
[0071]具体的，为了对粗糙裂隙进行定量化，向裂隙中注入带有颜色的染液(例如红色)并充满整个裂隙网络，利用高精度CCD相机沿着整个裂隙网络表面进行拍照，将得到的照片导入计算机，通过MATLAB进行图像处理，由于裂隙内注有红色染液，其RGB的数值和周围玻璃块体的RGB数值不一致，设定不同的RGB区间进行检测，通过边缘检测提取注有红色染液的外轮廓，即得到了裂隙的粗糙表面形状。再利用MATLAB提取每条裂隙两个表面的坐标，其在垂直于裂隙走向方向的坐标差值即裂隙的力学开度，因此可以快速提取裂隙表面形状坐标数据和快速计算不同位置的裂隙力学开度。此处为现有成熟技术，不再赘述。
[0072]为了实现渗流过程的可视化，一方面通过玻璃板(12、13)这种透明介质制作裂隙网络渗流模块7，另一方面先利用纯净水作为水源注入裂隙网络达到渗流稳定后再将水源换成带有一定颜色的染液(例如红色)，同时利用高精度CCD相机14按照一定的频率对裂隙网络的表面进行拍照，通过对得到的照片进行图像处理可以实现裂隙网络渗流过程的可视化研究。
[0073]通过控制输入端输出端的可夹持式流入/流出容器6上阀门11打开或关闭的状态可以调整裂隙网络入/出水口的数目和位置，从而可以实现对多种渗流情况进行模拟，比如单口入水单口出水或双口入水单口出水等。
[0074]可夹持式流入/流出容器6是一个特制夹子，夹子内部为中空结构，外部除夹子口部外其余接触部分密封良好，利用夹子口部夹紧含裂隙网络的玻璃板13上裂隙端部的位置。为了减少需要进行防水的范围，可夹持式流入/流出容器6夹持的范围仅为裂隙附近很小的一段位置，而外部水源进入可夹持式流入/流出容器6后紧接着就会流入预制的裂隙中而没有其他部分的过渡。为保证水流裂隙端部进入裂隙过程中不发生渗漏，在可夹持式流入/流出容器6的口部(即夹持部)夹紧含裂隙网络的玻璃板13后要在两者相接触的位置涂抹密封胶。为了确保可夹持式流入/流出容器6 口部与含裂隙网络的玻璃板13之间完全贴合，可根据需要在二者之间加垫适当大小的具有弹性的物质，如橡胶等。
[0075]为了防止含裂隙网络的玻璃板13凸出高强玻璃板12的边缘部分(即凸出部)上的裂隙中流入密封胶，可以预先在这些部位粘贴透明胶带作为保护。含裂隙网络的玻璃板13是一块普通玻璃板，玻璃板中的裂隙沿着厚度方向是完全贯通的，裂隙网络的形状、长度、夹角等参数根据试验研究的需要是可以任意选取的。裂隙网络既可以是通过玻璃刀等刻画出的具有特定形状的裂隙，也可以是通过对玻璃板施加物理打击而自然形成的裂隙网络。
[0076]为了对粗糙裂隙进行定量化，向裂隙中注入带有颜色的染液(例如红色)并充满整个裂隙网络，利用高精度CCD相机沿着整个裂隙网络表面进行拍照，将得到的照片导入计算机，通过MATLAB进行图像处理，通过边缘检测提取注有红色染液的外轮廓得到裂隙的表面形状，再利用MATLAB提取每条裂隙两个表面的坐标，通过计算垂直于裂隙走向方向的坐标差值得到裂隙的力学开度。
[0077]本发明还提供一种利用上述的粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统进行试验的方法，包括以下试验步骤:
[0078]I)利用所述第一阀门、第二阀门、第三阀门和注射栗的配合向所述裂隙网络中注入红色染液直至充满裂隙网络，利用所述CCD相机沿着整个裂隙网络表面进行拍照，获取所述裂隙网络的图像，所述第一计算机对所述裂隙网络的图像进行处理，获得裂隙表面形状坐标数据和不同位置的裂隙力学开度；
[0079]2)将水源换为纯净水，打开第一阀门将纯净水存储在注射栗中，然后打开第二阀门和第三阀门，关闭第一阀门将纯净水注入所述裂隙网络渗流装置上的裂隙中，其中所述注射栗以固定流量或固定水压力向裂隙中注水，通过所述水压力采集系统进行采集和监测水压力，同时所述渗出水称重系统工作，进行数据采集；
[0080]3)当所述纯净水渗流稳定后将水源替换为红色染液并注入所述裂隙网络渗流装置上的裂隙中，同时打开所述CCD相机对整个裂隙网络进行拍照，通过获得的照片分析记录红色染液在裂隙网络中的渗流过程和/或规律特征。
[0081]本发明通过设置所述可夹持式流入流出容器和裂隙网络渗流装置，接触位置四周密封，实现水在粗糙裂隙网络中渗流的模拟，实现将外部水源的水直接过渡到粗糙裂隙中，避免扩散。通过CCD相机拍照后分析处理，其能够实现对任意粗糙裂隙几何形状的定量化，测得粗糙裂隙的表面形状及力学开度。裂隙网络渗流装置由玻璃板构成，可容易获取较为清晰照片，其对于粗糙裂隙中水的渗流实现渗流过程的可视化模拟，为粗糙裂隙网络渗流可视化方面的研究提供基础。
[0082]本发明提供的一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统及其试验方法，相比现有技术，具有以下有益效果:
[0083]1、试验系统可以对裂隙网络进行模拟，而不仅限于单一裂隙；对于裂隙网络的制作方法简单，成本低廉，裂隙网络的形式多样，可以满足多种试验目的。
[0084]2、通过可夹持式流入/流出容器6既实现了水源从外部向裂隙内的渗流，又能够减小需要进行密封的边界的范围，而且实现了外部水源不需其他装置过渡直接流入预制裂隙中；裂隙网络渗流模块7则实现了水只在裂隙网络内部进行渗流，另外通过可夹持式流入/流出容器6和裂隙网络渗流模块7很好地实现了渗流试验中对水的密封问题。
[0085]3、通过高精度CXD相机14对粗糙裂隙表面图像的采集并利用MATLAB软件进行图像处理，通过边缘检测方法得到裂隙不同位置的开度，实现对任意粗糙裂隙几何形状的定量化。
[0086]4、通过向裂隙网络中注入带有颜色的染液，同时利用高精度CCD相机14以一定频率对裂隙网络表面进行连续摄像，通过对获得的一系列照片进行对比分析实现了水在粗糙裂隙网络中渗流过程及规律的可视化研究。
[0087]5、通过控制多个可夹持式流入/流出容器6上阀门11打开或关闭的状态可以调整裂隙网络入/出水口的数目和位置，从而可以实现不同出水口与入水口之间的多种组合，比如单口入水单口出水或双口入水单口出水等。
[0088]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。
【主权项】
1.一种粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统，其特征在于，包括水源装置、注射栗、可夹持式流入流出容器和裂隙网络渗流装置； 所述注射栗，其进水端通过导水管连通所述水源装置，所述进水端设有第一阀门，所述注射栗的出水端通过导水管连通至所述可夹持式流入流出容器，所述出水端设有第二阀门； 所述可夹持式流入流出容器，包括基体和用于将所述基体连接至所述裂隙网络渗流装置的夹持部，所述基体上设有液体流通的输入/输出通道;所述输入/输出通道一端与所述裂隙网络渗流装置连接，另一端与所述注射栗的出水端的导水管连接，且所述输入/输出通道和所述注射栗的出水端之间设有第三阀门； 所述裂隙网络渗流装置，包括压紧模型的两块相同的第一玻璃板和一块具有至少两个裂隙的裂隙网络的第二玻璃板，所述第二玻璃板位于所述两块第一玻璃板之间，且所述第一玻璃板与所述两块第二玻璃板相互接触的四周边缘位置密封;其中，所述第二玻璃板的边缘至少两个部分凸出于所述两块第一玻璃板，形成至少两个凸出部； 所述夹持部的形状与所述凸出部相适应，以将所述可夹持式流入流出容器夹紧在所述裂隙网络渗流装置的凸出部，使所述输入/输出通道与所述裂隙网络中的一个裂隙连通，且所述夹持部与所述凸出部相接触的边缘位置密封。2.根据权利要求1所述的粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统，其特征在于，还包括C⑶照像系统，该系统包括: 一个CCD相机，位于所述裂隙网络渗流装置上方，用于对所述裂隙网络渗流装置拍照获取所述裂隙网络的图像;其中所述图像为当裂隙中注入带有颜色的染液且充满整个裂隙网络时的图像； 第一计算机，与所述CCD相机连接，用于对所述裂隙网络的图像进行处理，获得裂隙表面形状坐标数据和不同位置的裂隙力学开度。3.根据权利要求2所述的粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统，其特征在于，还包括渗出水称重系统，包括: 容器，用于收集所述裂隙网络渗流装置中的裂隙渗出水； 电子称，所述容器放置其上，用于称重所述容器中渗出水的重量数据； 第二计算机，与所述电子称连接，用于记录所述重量数据。4.根据权利要求3所述的粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统，其特征在于，该系统还包括水压力采集系统，包括: 微型渗压计，嵌设于所述可夹持式流入流出容器的基体上，用于检测所述输入/输出通道内流通的液体的压力； 数据采集仪，与所述微型渗压计连接，用于采集所述压力； 第三计算机，与所述数据采集仪连接，用于记录所述压力。5.根据权利要求1-4任一项所述的粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统，其特征在于，所述水源装置与所述注射栗之间还设有过滤装置，用于滤去进入所述裂隙网络的水源中的杂质。6.根据权利要求5所述的粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统，其特征在于，所述第二玻璃板中的裂隙沿着第二玻璃板的厚度方向是完全贯通的，所述裂隙网络为预定形状的裂隙网络或者是通过对所述第二玻璃板施加物理打击而自然形成的裂隙网络。7.根据权利要求4所述的粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统，其特征在于，所述裂隙网络渗流装置上的所述凸出部有四个，其中每两个凸出部作为一组构成输入端和输出端； 两组的输入端分别连接一个所述可夹持式流入流出容器;两组的输出端分别连接一个第二可夹持式流入流出容器； 其中，每个所述第二可夹持式流入流出容器与所述可夹持式流入流出容器结构相同，其基体上的输入/输出通道一端与所述裂隙网络渗流装置的输出端连接，另一端连接弯折导水管，所述弯折导水管上设有第四阀门且末端位于所述容器上方； 对应的，所述容器有两个，分别收集所述裂隙网络渗流装置中两组的输出端流出的裂隙渗出水;每个容器下均设置一个电子称，每个电子称均连接至所述第二计算机。8.根据权利要求7所述的粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统，其特征在于，所述可夹持式流入流出容器的夹持部呈矩形凹槽状结构，所述第二玻璃板的凸出部伸入所述凹槽后边缘位置密封。9.一种利用权利要求8所述的粗糙裂隙网络渗流定量可视化模拟系统进行试验的方法，其特征在于，包括以下试验步骤: 1)利用所述第一阀门、第二阀门、第三阀门和注射栗的配合向所述裂隙网络中注入红色染液直至充满裂隙网络，利用所述CCD相机沿着整个裂隙网络表面进行拍照，获取所述裂隙网络的图像，所述第一计算机对所述裂隙网络的图像进行处理，获得裂隙表面形状坐标数据和不同位置的裂隙力学开度； 2)将水源换为纯净水，打开第一阀门将纯净水存储在注射栗中，然后打开第二阀门和第三阀门，关闭第一阀门将纯净水注入所述裂隙网络渗流装置上的裂隙中，其中所述注射栗以固定流量或固定水压力向裂隙中注水，通过所述水压力采集系统进行采集和监测水压力，同时所述渗出水称重系统工作，进行数据采集； 3)当所述纯净水渗流稳定后将水源替换为红色染液并注入所述裂隙网络渗流装置上的裂隙中，同时打开所述CCD相机对整个裂隙网络进行拍照，通过获得的照片分析记录红色染液在裂隙网络中的渗流过程和/或规律特征。
【文档编号】G01N15/08GK106092856SQ201610574998
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】刘日成, 蔚立元, 蒋宇静, 吴兴杰, 张涛
【申请人】中国矿业大学