可变倾角裂隙网格岩体动水注浆试验系统及试验方法

本发明涉及裂隙岩体注浆加固测试，尤其涉及一种可变倾角裂隙网格岩体动水注浆试验系统及试验方法。

背景技术：

1、注浆作为常用的隧道突涌水治理手段，已被广泛应用于工程实践，但是与注浆材料、技术、设备的快速发展形成鲜明对比的是注浆理论的发展相对落后，特别是对于地下水发育地段的动水注浆工程，技术难度更大，常规无水条件下的注浆理论不适用于动水条件下的注浆设计。物理模型试验是研究裂隙岩体动水注浆扩散规律及封堵机制的重要手段，通过设计合适的模型相似比，在室内实现动水注浆缩尺模型试验，可得到与工程现场相匹配的结果。

2、近年来，已有部分学者利用平板模型装置开展动水注浆模型试验，通过改变上、下平板的间距模拟裂隙宽度，通过调节平板的角度模拟裂隙倾角，获得了一些成果，对于完善动水注浆理论具有一定的意义。早期的动水注浆模型试验采用有机玻璃材料搭建试验平台，研究成果大多基于光滑、平直、等开度的平板裂隙模型，未考虑裂隙产状(如粗糙度、倾角和开度等)对浆液流动扩散的影响。后来，学者们对平板模型装置进行改进，可实现倾斜粗糙裂隙中的动水注浆模型试验。然而，以上模型试验装置均采用有机玻璃板进行拼接来模拟裂隙界面，忽略了注浆过程中水流、浆液与真实岩体裂隙面间的相互作用。另一方面，现有的动水注浆模型试验装置均难以留存足够尺寸的注浆固结体，无法对注浆固结体开展后续的力学性能测试和评价。

3、基于以上原因，需要设计一种新的动水注浆模型试验装置，来模拟真实裂隙岩体的动水注浆扩散和封堵过程，而且注浆后的固结体可取芯、切割制成标准试样，用于后续力学性能测试和评价。本发明针对动水注浆试验的需求进行设计，为研究动水注浆提供新的试验技术和方法。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，在本发明的第一方面，提供了一种模拟程度高、适用性强的可变倾角裂隙网格岩体动水注浆试验系统；

2、所述可变倾角裂隙网格岩体动水注浆试验系统包括试验平台、岩体模拟系统、倾角控制系统、动水注入系统、浆液注入系统以及数据采集系统；

3、所述试验平台包括主框架1；所述岩体模拟系统包括厚度可调的裂隙网络岩体模型2；所述倾角控制系统包括液压千斤顶4；所述浆液注入系统包括气体泵送装置、浆液输送管路和浆液储罐43；所述动水注入系统包括液体泵送装置、动水输送管路和水箱51；所述数据采集系统包括渗流压力及流量传感器26和数据采集设备27；

4、所述裂隙网络岩体模型2的一端和主框架1的上部横梁连接，液压千斤顶4的两端分别和裂隙网络岩体模型2、主框架1的下部横梁连接，主框架1、裂隙网络岩体模型2、液压千斤顶4彼此间采用旋转式活动装置连接；工作时，通过液压千斤顶4的伸缩改变其两端连接处的距离，使裂隙网络岩体模型2围绕其与主框架1上部横梁的连接处在垂直方向上做圆周运动，从而改变裂隙网络岩体模型2和主框架1间的倾角；

5、所述浆液储罐43、水箱51设置于主框架1的一侧，浆液储罐43通过浆液输送管路分别和气体泵送装置、裂隙网络岩体模型2连通，通过气体泵送装置向浆液储罐43泵送气体，使罐中液浆输送至裂隙网络岩体模型2而实现注浆；液体泵送装置则通过动水输送管路分别和水箱51、裂隙网络岩体模型2连通，水箱51中的水通过液体泵送装置泵送至裂隙网络岩体模型2，进而完成注水；

6、所述渗流压力及流量传感器26设置于裂隙网络岩体模型2并通过通信线路和数据采集设备27连接，用于监控裂隙网络岩体模型2的渗流压力及流量。

7、优选的，所述可变倾角裂隙网格岩体动水注浆试验系统还包括废液回收系统，废液回收系统包括废液收集桶3、将裂隙网络岩体模型2与废液收集桶3连通的废液回收管路7，裂隙网络岩体模型2中的废液经由废液回收管路流入废液收集桶3。

8、优选的，所述气体泵送装置包括空气泵41、稳压器42，所述浆液输送管路包括注浆管44、注气管45；稳压器42、浆液储罐43与裂隙网络岩体模型2之间依次由注气管45、注浆管44连通；工作时，气体首先由空气泵41泵入稳压器42，随后经注气管45输送至浆液储罐43，在气压作用下驱使浆液由注浆管44输送至裂隙网络岩体模型2。

9、进一步优选的，所述注气管45设有与计算机控制系统连接的气体流量计46、气体调压阀47，可以根据使用需求更便捷精确地调节注气管45内的气压和气体流量。

10、优选的，所述液体泵送装置为注水泵53，所述动水输送管路包括抽水管52、注水管54；水箱51、注水泵53与裂隙网络岩体模型2之间依次由抽水管52、注水管54连通；工作时，水箱51中的液体经抽水管52抽入注水泵53，并由注水管54泵入裂隙网络岩体模型2。

11、进一步优选的，所述注水管54设有与计算机控制系统连接的液体流量计55、液体调压阀56，可以根据使用需求更便捷精确地调节注水管54内的液压和液体流量。

12、优选的，所述浆液储罐43顶部设有漏斗48，用于浆液的装填；浆液储罐43内部安装有搅拌器49，通过其旋转保证浆液具有良好的易性和可注性。

13、优选的，所述裂隙网络岩体模型2包括试验盒、位于试验盒中间层的砂浆体21以及砂浆体21内预制的裂隙网络结构模型20。

14、进一步优选的，所述试验盒由前侧板31、后侧板32、左侧板33、右侧板34、底层板35、上层板36围制而成；所述底层板35、上层板36设有双头螺母丝杆25，通过双头螺母丝杆25固定密封底层板35、上层板36并控制其间距来调节裂隙网络岩体模型2的厚度。

15、更进一步的，所述前侧板31、后侧板32、左侧板33、右侧板34分别与底层板35、上层板36的连接处设有密封条37，双头螺母丝杆25与板接触处设有密封垫圈，用于提高试验盒的密封性。

16、更进一步的，所述底层板35设有注水口22、注浆口23、出液口24，并依次和注水管54、注浆管44、废液回收管路7相连，其形制与对应管路适配，使管路中的内容物输送顺畅。

17、更进一步的，所述底层板35设有接入渗流压力及流量传感器26的传感器接口，渗流压力及流量传感器26可根据需求通过接口进行延伸，从而更便捷地实时监测试验过程中不同位置处的渗流压力及量等参数演变情况。

18、更进一步的，所述裂隙网络岩体模型2的一端和主框架1的上部横梁通过上部横梁双耳环构件5连接；所述液压千斤顶4的一端和裂隙网络岩体模型2的底层板35通过底层板双耳环构件6连接，其另一端和主框架1的下部横梁通过下部横梁双耳环构件8连接。

19、优选的，所述主框架1的立柱底部设有高度可调的地脚螺栓8，便于调节主框架1的水平高度。

20、优选的，所述倾角控制系统的倾角控制范围为0～60°。

21、优选的，所述渗流压力及流量传感器26对渗流压力的测试范围为0～10mpa，对流量的测试范围为0～0.6m3/h，两种参数的测试精度均不低于0.1％。

22、优选的，所述裂隙网络结构模型20由低强度光敏树脂材料3d打印制作而成；用于根据研究需求定制具有不同裂隙深度、不同宽度、不同粗糙度及不同几何分布的裂隙网络结构模型。

23、优选的，所述砂浆体的原料包括水泥、砂子及水，砂浆体按照一定原料配合比浇筑而成，通过调节砂浆体的配合比得到与工程现场围岩岩性相近的室内注浆介质。

24、优选的，所述底层板35由钢材制成，所述上层板36由有机玻璃制成。

25、在本发明的第二方面，提供了一种基于本发明第一方面的可变倾角裂隙网格岩体动水注浆试验系统的动水注浆试验方法，包括裂隙网络岩体模型的构建和动水注浆测试分析，步骤如下：

26、(1)裂隙网络岩体模型的构建：

27、根据工程现场围岩结构面形貌，建立数字高程模型，调节参数获得三维形貌模型；采用3d打印工艺，基于三维形貌模型制得裂隙模型并将其按需求组合，制得裂隙网络结构模具；

28、根据工程现场围岩岩性条件，配制与围岩性质相近的砂浆；将裂隙网络结构模具安设至预设位置并浇筑砂浆，待砂浆即将凝结成型时取出裂隙网络结构模具，随后固化形成砂浆体及其内部预制的裂隙网络结构模型，得到裂隙网络岩体模型；

29、(2)动水注浆测试分析：

30、将水流注入裂隙网络结构模型并达到稳定流动状态；随后将浆液逐渐注入裂隙网络结构模型，通过数据采集系统监测分析不同试验条件下的参数对动水注浆扩散规律及封堵机制的影响。

31、优选的，所述步骤(1)中，三维形貌模型的生成流程如下：对工程现场围岩结构面进行三维扫描，获得表面形貌模型，引入随机分形数字高程模型生成方法，采用菱形-正方形算法迭代生成一系列具有不同形貌特征的分形粗糙表面数字高程模型；采用三维盒维数法计算随机构建的分形高程模型的分形维数，并对模型的视倾角进行统计；分别以分形维数及视倾角统计分布标准差作为表征粗糙三维形貌特征的参数，调节随机参数获得不同粗糙度的三维形貌模型。

32、基于本发明第一方面、第二方面提供的可变倾角裂隙网格岩体动水注浆试验系统的主要结构和试验方法，本发明的设计思路和运作流程如下：

33、本发明对工程现场围岩结构面进行三维扫描，获得表面形貌模型，引入随机分形数字高程模型生成方法，采用菱形-正方形算法迭代生成一系列具有不同形貌特征的分形粗糙表面数字高程模型；采用三维盒维数法计算随机构建的分形高程模型的分形维数，并对模型的视倾角进行统计；分别以分形维数及视倾角统计分布标准差作为表征粗糙三维形貌特征的参数，调节随机参数获得不同粗糙度的三维形貌模型；基于低强度光敏树脂3d打印技术制作具有不同粗糙度及不同厚度的粗糙裂隙模型，将粗糙裂隙按一定的角度进行交叉组合，最终形成裂隙网络结构模具；

34、裂隙网络结构模具制备完成后，接着进行试验盒的组装，将前侧板31、后侧板32、左侧板33、右侧板34按顺序安装至底层板35，侧板和底层版连接处垫放密封条，确保试验盒底部及四周密封良好；

35、根据工程现场围岩岩性条件，研配与围岩性质相近的砂浆配合比，将裂隙网络结构模具安设至试验盒中，按照该配合比制备砂浆并在试验盒中进行浇筑，待砂浆即将凝结成型时取出裂隙网络结构模具，随后固化形成含内部预制裂隙网络结构模的砂浆体，得到裂隙网络岩体模型；

36、将渗流压力及流量传感器26通过底层板35上设置的传感器接口延伸至裂隙中，并用通信电缆与数据采集设备27连接；随后将上层板36盖到裂隙网络岩体模型上部，拧紧双头螺母丝杆25，每根丝杆上均设有密封垫圈，确保裂隙网络岩体模型密封良好；

37、按照一定比例配制适宜于动水条件下的浆液材料，通过漏斗48装填至浆液储罐43中，打开浆液储罐43内的搅拌器49，保证浆液具有良好的易性和可注性；剩余组件则按照本发明第一方面的试验系统结构完成组装。

38、测试时，通过液压千斤顶4的伸缩控制裂隙网络岩体模型2的升降，使其与主框架1的倾角达到预定角度；启动注水泵53，设置一定的动水流量，水箱51中的水通过抽水管52、注水管54依次流经注水泵53、注水口22，最后流入裂隙网络岩体模型2的裂隙网络中，并等待水流在裂隙网络内达到稳定流动状态；

39、启动空气泵41，设置一定的注浆压力，空气泵入稳压器42后，首先通过注气管45通入浆液储罐43，罐中浆液在气压作用下经注浆管44输送至注浆口22，然后流入裂隙网络岩体模型2的裂隙网络，渗流压力及流量传感器26将参数输送并记录于数据采集设备27，从而可观察数据采集系统监测的渗流压力和流量变化情况；

40、当出液口24的流速明显下降甚至无流体溢出时，视为动水注浆试验结束，关闭动水注入系统和浆液注入系统，清洗裂隙网络结构模型20内残留的浆液即可结束试验；

41、当需要测试不同的试验条件时，重复上述步骤，即可分析不同动水流量、不同注浆压力、不同裂隙网络性状(深度、宽度、粗糙度、倾角及分布)等参数对动水注浆扩散规律及封堵机制的影响。

42、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

43、本发明提供了一种可变倾角裂隙网格岩体动水注浆试验系统，对裂隙网格岩体动水注浆模拟程度高、适用性强，有利于力学性能测试和评价。

44、本发明提供了一种可变倾角裂隙网格岩体动水注浆试验方法，该方法的裂隙网络岩体模型是根据现场真实结构面的形貌特性制成的具有不同裂隙产状(宽度、深度、粗糙度及分布)的裂隙网络结构；同时试验方法中参数便于调节，可实现多工况下裂隙岩体动水注浆试验研究。