岩体裂隙网络渗透系数方向性测试及可视化系统的制作方法

本发明涉及网络裂隙介质物理模型试验领域，特别是一种针对岩体中裂隙网络沿不同方向渗透系数的测试系统，以及沿不同方向渗流过程的可视化研究方法。

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水或其他有害物质的运移提供了通道，裂隙岩体的渗流特性在岩体工程中发挥着越来越重要的作用。岩体工程中的裂隙一般呈网状，水或有害物质在其中产生渗流的过程中，一般沿不同方向的渗透系数及渗流的过程都是不同的。因此展开流体在岩体裂隙网络中渗透系数的各向异性及沿不同方向渗流过程的可视化研究，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CN201210275148.7的发明专利从理论分析的角度提出了一种基于单孔水流波动方程确定各向异性介质渗透参数的方法，该方法利用裂隙介质水动力学和振荡试验原理，能构得到各向异性岩体介质的渗透系数张量。

申请号为CN201610064275.0的发明专利提出了一种研究不同倾角裂隙岩体的渗透率与其自身孔隙率之间关系的方法，该专利利用类岩石相似材料制作不同倾角的类岩石试样，通过对不同倾角的试样施加围压改变试样孔隙率并对其渗透率进行测试，通过不断改变围压，研究不同倾角试样的渗透率对孔隙率变化的敏感程度。

申请号为CN201610065036.7的发明专利研究了裂隙岩体中裂隙倾角的不同导致的渗透率的变化，该专利以数学分析方法确定裂隙岩体不同方向的渗透率变化率，并对渗透率与倾角的变化率进行标准化处理，得到不同倾角单位倾角变化引起的单位渗透率的变化量。

上述现有技术中对于岩体中水力特性的研究，大多研究的是不同工况下岩体渗透率的大小，或者是岩体渗透率与其他物理参数(比如裂隙倾角和孔隙率)之间的关系。然而作为表征岩体水力特征的渗透系数，沿着裂隙岩体中的不同方向裂隙渗透系数具有很大的差异，表现出明显的方向性，在岩体裂隙网络渗流的过程中对不同方向渗透系数进行研究目前还鲜有报道。

技术实现要素：

发明目的：针对上述现有技术，提出一种岩体裂隙网络渗透系数方向性测试及可视化系统，可以针对致密岩体裂隙网络中沿不同方向裂隙的渗透系数进行定量测试，同时还可以针对裂隙网络中流体沿不同方向裂隙的渗流过程进行可视化研究。

技术方案：岩体裂隙网络渗透系数方向性测试及可视化系统，其特征在于：包括三维云台、水源、注射泵、裂隙网络模块、夹持式流入/出接口、渗出水称重系统、渗流可视化系统；其中，所述裂隙网络模块包括上下层玻璃板以及位于中间层的含裂隙网络的玻璃板，所述上下层玻璃板以及含裂隙网络的玻璃板均为正n边形，n为偶数，含裂隙网络的玻璃板的边长大于等于所述上下层玻璃板的边长；所述上层玻璃板的下表面四周和下层玻璃板的上表面四周设有密封胶；

所述裂隙网络模块水平置于所述三维云台上，所述裂隙网络模块的每条边上均连接有夹持式流入/出接口，每个夹持式流入/出接口均包裹住所述裂隙网络模块的一侧边，所述夹持式流入/出接口与裂隙网络模块接触的边缘均设有密封胶；所述裂隙网络模块的相对两条侧边上，一个夹持式流入/出接口通过导水管连接注射泵后连接水源，另一个夹持式流入/出接口通过导水管连接渗出水称重系统；所述渗流可视化系统设置于所述裂隙网络模块的正上方。

进一步，所述夹持式流入/出接口内设有正对导水管连接口的溢流板。

进一步，所述渗出水称重系统包括收集容器、电子称和计算机，收集容器用于收集裂隙网络模块中渗流出的水，收集容器置于电子称上，计算机和电子称相连用于实时称量并记录渗出水的质量。

进一步，所述导水管连接所述水源端设有过滤装置。

进一步，包括如下实验步骤：

1)首先制作裂隙网络玻璃板，然后组装裂隙网络模块并连接整个试验系统；

2)利用三维云台将裂隙网络模块调整至完全水平，并利用真空泵抽出裂隙网络模块中的空气；

3)选定裂隙网络模块上一个方向，打开该方向相对两条边连接的夹持式流入/出接口上的开关，并打注射泵向裂隙网络模块中注入渗流水，待渗出水流量稳定后，通过渗出水称重系统采集单位时间内所测裂隙方向渗出水的质量；

4)根据所测裂隙方向单位时间内渗出水的质量计算出裂隙网络沿这一裂隙方向的渗透系数；

5)将水源换为有色染液，通过渗流可视化系统观测并计算单位时间内有色染液在裂隙网络模块中沿不同裂隙方向的流动距离；

6)更换裂隙网络模块的其他方向，重复步骤3)至步骤5)。

进一步，所述步骤1)中，裂隙网络玻璃板是在玻璃板上用水刀切割或玻璃刀刻画或物理打击制备得到裂隙网络。

有益效果：1、本发明首次公开了针对裂隙岩体渗透系数方向性研究的定量测试系统，填补了以往的技术空白。

2、本发明中的裂隙网络模块很好地解决了渗流试验中水流的渗漏问题；同时裂隙网络模块中的含裂隙网络玻璃板制作方便，成本低廉。

3、含裂隙网络玻璃板很好地适应了研究的多样性问题，其中的裂隙生成方法具有多样性，既可以是根据研究需要进行自定义的、可以是根据工程现场的图像提取的、也可以是通过随机的方法自动生成的，相应的裂隙的各项参数也是可以根据研究的需要改变的，比如裂隙的角度、迹长、开度、粗糙度及分布位置等，可以针对不同的试验目的制作相应的含裂隙网络玻璃板即可，试验系统的其余部分均可重复使用，增强了测试系统的适用范围。

4、夹持式流入/出接口内设有溢流板，有效提高试验精度；夹持式流入/出接口与裂隙网络模块连接紧密并涂有密封胶，防止渗流试验中水流渗漏。

5、利用高精度CCD相机和计算机组成的可视化系统具有拍摄速度快，图像精度高，成像清晰的特点，为试验现象记录及试验过程对比提供了新的技术手段。

附图说明

图1为裂隙网络渗流各向异性测试及可视化系统结构示意图；

图2为裂隙网络模块；

图3(a)为可夹持式流入/出接口整体结构示意图，图3(b)为可夹持式流入/出接口内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，岩体裂隙网络渗透系数方向性测试及可视化系统包括三维云台1、水源2、注射泵4、裂隙网络模块5、夹持式流入/出接口6、渗出水称重系统7、渗流可视化系统11。

如图2所示，裂隙网络模块5包括上下层玻璃板14，16以及位于中间层的含裂隙网络的玻璃板15，上下层玻璃板14，16分别从上下两侧夹紧含裂隙网络的玻璃板15。上下层玻璃板14，16以及含裂隙网络的玻璃板15均为正n边形，n为偶数，含裂隙网络的玻璃板15的边长等于或略大于上下层玻璃板14，16的边长。上层玻璃板14的下表面四周和下层玻璃板16的上表面四周设有密封胶，三层玻璃水平叠放并正对设置，密封胶实现裂隙网络模块的整体防水，即当岩块很致密，时，网络裂隙模型认为岩块本身不透水。本实施例中上下层玻璃板14，16以及含裂隙网络的玻璃板15均为正6边形。

裂隙网络模块5水平置于三维云台1上，裂隙网络模块5的每条边上均连接有一个夹持式流入/出接口6，每个夹持式流入/出接口6均包裹住裂隙网络模块5的一侧边，夹持式流入/出接口6与裂隙网络模块5接触的边缘均设有密封胶。当含裂隙网络的玻璃板15的边长略大于上下层玻璃板14，16的边长时，能够更方便的利用夹持式流入/出接口6夹紧含裂隙网络玻璃板15边缘凸出的部分，其能够达到更好的密封效果。

裂隙网络模块5的相对两条侧边上，一个夹持式流入/出接口6通过导水管19连接注射泵4后连接水源2，另一个夹持式流入/出接口6通过导水管19连接渗出水称重系统7，导水管19连接水源2端设有过滤装置3，过滤装置3的作用是对水源中的杂质进行过滤，防止杂质进入裂隙网络后将裂隙堵塞。渗流可视化系统11设置于裂隙网络模块5的正上方。

渗出水称重系统7包括收集容器8、电子称9和计算机10，收集容器8用于收集裂隙网络模块5中渗流出的水，收集容器8置于电子称9上，计算机10和电子称9相连用于实时称量并记录渗出水的质量。

如图3(a)和夹子内部为中空结构，外部除夹子口部外其余部分密封良好，在与口部相对的一侧通过预留孔外接导水管19，可以实现水流从水源经由夹持式流入/出接口6而流入/出裂隙。如图3(b)所示，夹持式流入/出接口6内设有正对导水管19连接口的溢流板18，当流入夹持式流入/出接口6内的水达到一定量后溢过溢流板流入裂隙，溢流板对水流具有缓冲作用，能够保证不同裂隙口处的水压力相同。

基于上述岩体裂隙网络渗透系数方向性测试及可视化系统，包括如下实验步骤：

1)首先制作裂隙网络玻璃板15，即制作试验所需的含裂隙网络的六边形玻璃板和两块六边形玻璃板，然后组装裂隙网络模块5并连接整个试验系统。其中，裂隙网络玻璃板15是在玻璃板上用水刀切割或玻璃刀刻画或物理打击制备得到裂隙网络，裂隙网络沿其厚度方向是完全贯通的，用来模拟岩体中的裂隙网络。裂隙网络是根据研究需要进行自定义的、可以是根据工程现场的图像提取的、也可以是通过随机的方法自动生成的。相应的裂隙的各项参数也可以根据研究的需要而改变，比如裂隙的倾角、迹长、开度、粗糙度及分布位置等。

2)利用三维云台1将裂隙网络模块5调整至完全水平，从而排除水流重力对试验结果的影响；并利用真空泵抽出裂隙网络模块5中的空气，防止水在裂隙网络中渗流的过程中产生气泡影响试验结果；

3)选定裂隙网络模块5上一个方向，打开该方向相对两条边连接的夹持式流入/出接口6上的开关17，并打注射泵4向裂隙网络模块5中注入渗流水。在夹持式流入/出接口6中，当从注射泵4供给的水量达到一定量后流过溢流板，流入裂隙，能够保证同一入口处裂隙的水压力相同。待相对的夹持式流入/出接口6渗出水流量稳定后，通过渗出水称重系统7采集单位时间内所测裂隙方向渗出水的质量。

4)一定时间后关闭注射泵，根据所测裂隙方向单位时间内渗出水的质量计算出裂隙网络沿这一裂隙方向的渗透系数；

5)将水源2换为有色染液，再次打开注射泵4及相同的可夹持式流入/出容器向裂隙网络模块中注入有色染液，通过渗流可视化系统11观测并计算单位时间内有色染液在裂隙网络模块5中沿不同裂隙方向的流动距离。渗流可视化系统11包括高精度CCD相机12和计算机13，通过高精度CCD相机12按照一定的频率对裂隙网络模块5的表面进行拍照，通过对得到的照片进行图像处理可以计算一定时间间隔内水流在裂隙内的流动距离，流动距离越大，则表明该方向裂隙的渗透系数越大。利用该方法，可实现对流体在岩体裂隙网络中沿不同裂隙流动过程的渗透系数各向异性的直观观测，实现裂隙网络渗流过程各向异性可视化研究。有色染液的浓度应要能顺畅的从裂隙网络通过，本实施例选取0.5g/L的红色染液。

6)更换裂隙网络模块5的其他方向，重复步骤3)至步骤5)。

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。