專利名稱：一種用于模擬孔隙-裂隙雙重介質(zhì)滲流水力特性的試驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明特別涉及一種用于模擬孔隙-裂隙雙重介質(zhì)滲流水力特性的試驗系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在實際工程中，特別是我國西南喀斯特地貌地區(qū)，普遍存在形成裂隙的巖體滲透系數(shù)較大，不能簡單的作不透水處理的情況。以往的試驗研究，由于模型材料、制作方法、量測技術(shù)等限制，只能分別針對裂隙介質(zhì)獨立進(jìn)行試驗研究。這些試驗系統(tǒng)的共同缺陷是將裂隙面做不透水面處理，沒有對形成裂隙的孔隙介質(zhì)進(jìn)行合理的模擬，忽略了孔隙介質(zhì)和裂隙介質(zhì)之間的水交換。因而，只能模擬基質(zhì)滲透性較差的裂隙巖體，無法模擬基質(zhì)滲透性較好，裂隙介質(zhì)和孔隙介質(zhì)存在大量水交換的裂隙巖體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有裂隙滲流試驗系統(tǒng)的缺陷，開發(fā)制作一種可以模擬孔隙介質(zhì)滲透性較好的雙重介質(zhì)滲流水力特性試驗系統(tǒng)，可以適用于孔隙-裂隙雙重介質(zhì)滲流水力特性試驗研究。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種用于模擬孔隙-裂隙雙重介質(zhì)滲流水力特性的試驗系統(tǒng)，包括介質(zhì)實驗?zāi)K、水循環(huán)控制模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于
所述的介質(zhì)試驗?zāi)K包括箱體以及設(shè)置在箱體中部內(nèi)的孔隙介質(zhì)，在孔隙介質(zhì)與箱體內(nèi)壁之間形成有一間距可調(diào)的裂隙介質(zhì)，在所述箱體內(nèi)孔隙介質(zhì)的兩端分別設(shè)置有孔隙介質(zhì)進(jìn)水水箱和孔隙介質(zhì)出水水箱，在所述箱體內(nèi)裂隙介質(zhì)的兩端分別設(shè)置有裂隙介質(zhì)進(jìn)水水箱和裂隙介質(zhì)出水水箱；
所述的水循環(huán)控制模塊包括供水系統(tǒng)和回水系統(tǒng)，所述的供水系統(tǒng)的出水口分別連接所述的孔隙介質(zhì)進(jìn)水水箱和裂隙介質(zhì)進(jìn)水水箱；所述的回水系統(tǒng)的進(jìn)水口分別連接所述的孔隙介質(zhì)出水水箱和裂隙介質(zhì)出水水箱；
所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括溫度傳感器、流量計以及壓力傳感器，在所述的孔隙介質(zhì)進(jìn)水水箱、孔隙介質(zhì)出水水箱、裂隙介質(zhì)進(jìn)水水箱以及裂隙介質(zhì)出水水箱均設(shè)置有溫度傳感器；在所述的孔隙介質(zhì)、裂隙介質(zhì)、孔隙介質(zhì)進(jìn)水水箱、孔隙介質(zhì)出水水箱、裂隙介質(zhì)進(jìn)水水箱以及裂隙介質(zhì)出水水箱內(nèi)均設(shè)置有所述的壓力傳感器；在所述的孔隙介質(zhì)出水水箱和裂隙介質(zhì)出水水箱的出水口分別設(shè)置有所述的流量計。所述的孔隙介質(zhì)采用石英砂多孔混凝土。所述的箱體包括試驗臺以及四個有機玻璃板側(cè)壁，與裂隙介質(zhì)相連的有機玻璃板側(cè)壁可滑動的設(shè)置在試驗臺上。與裂隙介質(zhì)相連的有機玻璃板側(cè)壁下設(shè)置有一底座，在底座上設(shè)置有滑槽。在所述的孔隙介質(zhì)、裂隙介質(zhì)、孔隙介質(zhì)進(jìn)水水箱、孔隙介質(zhì)出水水箱、裂隙介質(zhì)進(jìn)水水箱以及裂隙介質(zhì)出水水箱內(nèi)均設(shè)置有測壓管，所述的壓力傳感器設(shè)置在測壓管一端。所述的孔隙介質(zhì)內(nèi)的測壓管垂直布置，所述的裂隙介質(zhì)內(nèi)的測壓管水平布置。本發(fā)明試驗系統(tǒng)對孔隙-裂隙雙重介質(zhì)滲流進(jìn)行模擬，對水交換及滲流場信息進(jìn)行全自動實時采集。I)介質(zhì)試驗?zāi)K的制作。根據(jù)研究需要，自行配比石英砂多孔混凝土模擬孔隙介質(zhì)；石英砂多孔混凝土與有機玻璃板拼合模擬裂隙介質(zhì)；孔隙介質(zhì)和裂隙介質(zhì)有各自獨立的進(jìn)出水水箱；不透水邊界采用摻入有機硅防水劑的素混凝土模擬；采用硅膠和塑料條加熱粘合對周邊縫進(jìn)行止水處理。2)水循環(huán)控制模塊的制作。試驗用水采用自循環(huán)形式，水流的循環(huán)系統(tǒng)由供水系統(tǒng)、回水系統(tǒng)組成。供水系統(tǒng)包括蓄水池、水泵、供水平水箱及輸水管道；蓄水池采用設(shè)置 消能堰的硬塑料水槽；水泵采用較大揚程的自吸泵；供水平水箱采用由進(jìn)水平水倉和回水倉組成的硬塑料水箱；輸水管道采用加鋼絲的塑料螺紋管。回水系統(tǒng)由回水平水箱及輸水管道組成；回水平水箱采用由進(jìn)水平水倉和回水倉組成的硬塑料水箱；輸水管道采用加鋼絲的塑料螺紋管。3)數(shù)據(jù)采集模塊的制作。數(shù)據(jù)采集模塊包括試驗水壓量測系統(tǒng)、進(jìn)出水流量量測系統(tǒng)、水溫量測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)輸出記錄系統(tǒng)組成。水壓量測系統(tǒng)采用自行研制的多相壓力采集傳輸裝置和壓力傳感器采集水壓數(shù)據(jù)；進(jìn)出水流量量測系統(tǒng)采用流量計采集流量數(shù)據(jù)；水溫量測系統(tǒng)采用溫度傳感器采集水溫數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)輸出記錄系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集儀、24V直流電源、電子計算機以及相應(yīng)的軟件組成。本發(fā)明的優(yōu)點
I)本發(fā)明系統(tǒng)將孔隙介質(zhì)和裂隙介質(zhì)同時布置在箱體內(nèi)，并同時測量兩介質(zhì)內(nèi)的壓力、流量等數(shù)據(jù)，可以實時的采集水流在兩介質(zhì)之間的相互滲透性能，改變了傳統(tǒng)裂隙滲流試驗系統(tǒng)忽略孔隙介質(zhì)滲透性、無法得到雙重介質(zhì)水交換信息等缺陷，試驗系統(tǒng)與實際情況更加吻合。2)具有孔隙介質(zhì)滲透系數(shù)、裂隙寬度和壓力梯度可調(diào)節(jié)的特點，可進(jìn)行不同條件下的雙重介質(zhì)滲流水力特性試驗。3)試驗獲得的水壓信息和流量信息可進(jìn)行全自動實時采集，并整理保存。


圖I介質(zhì)試驗?zāi)K示意 圖2水循環(huán)控制系統(tǒng)不意 圖3數(shù)據(jù)采集模塊示意 圖4有機玻璃板側(cè)壁結(jié)構(gòu)示意 圖5圖4底座結(jié)構(gòu) 圖6介質(zhì)試驗?zāi)K進(jìn)水總水箱示意 圖7是圖6的側(cè)視 圖8進(jìn)水平水箱結(jié)構(gòu) 圖9蓄水池結(jié)構(gòu) 圖10回水平水箱結(jié)構(gòu)圖；圖11多相壓力采集傳輸裝置結(jié)構(gòu)圖。其中1、箱體、2、孔隙介質(zhì)，3、裂隙介質(zhì)，4、孔隙介質(zhì)進(jìn)水水箱，5、孔隙介質(zhì)出水水箱，6、裂隙介質(zhì)進(jìn)水水箱，7、裂隙介質(zhì)出水水箱，8、進(jìn)水總水箱，9、出水總水箱，10、測壓管，
11、測壓排氣孔，12、鉚釘，13、有機玻璃板側(cè)壁，14、底座，15、滑槽，16、試驗臺，17、硬塑料隔板，18、孔隙介質(zhì)進(jìn)流開關(guān)，19、孔隙介質(zhì)排水開關(guān)，20、裂隙介質(zhì)進(jìn)流開關(guān)，21、裂隙介質(zhì)排水開關(guān)，22、供水系統(tǒng)，23、回水系統(tǒng)，24、進(jìn)水平水箱，25、回水平水箱，26、蓄水池，27、消能堰，28、水泵，29、介質(zhì)試驗?zāi)K，30、進(jìn)水平水倉，31、進(jìn)水回水倉，32、出水孔，33、進(jìn)水孔，34、溢水孔，35、回水進(jìn)水倉，36、回水回水倉，37、進(jìn)水控制閥門，38、多接口測壓管，39、可調(diào)水平支架，40、水平校準(zhǔn)儀，41、壓力傳感器，42、電流信號傳輸線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細(xì)說明 1)介質(zhì)試驗?zāi)K的制作如圖I所示，介質(zhì)試驗?zāi)K直接澆注在試驗臺16上，澆注前，在竹膠板模具底部填注一層3cm厚的摻入有機硅防水劑的素混凝土，以模擬孔隙介質(zhì)的不透水底邊界。在澆筑多孔混凝土?xí)r，預(yù)埋入不銹鋼測壓管10，以量測水壓。裂隙介質(zhì)采用光滑的有機玻璃板側(cè)壁13和多孔混凝土拼合而成。有機玻璃板側(cè)壁13尺寸為長X寬X高=1700mmX 300mmX 500mm。有機玻璃板側(cè)壁13底部有50mm寬的底座14，底座14設(shè)置滑槽15，以便于對裂隙寬度的調(diào)節(jié)。通過鉚釘12將有機玻璃板側(cè)壁13固定在試驗臺16上。通過滑槽15可以改變裂隙的隙寬，具體見圖4和圖5。底座14與試驗臺16之間涂有玻璃膠，用于止水。在多孔混凝土拆模后進(jìn)行多孔混凝土與有機玻璃板的裂隙拼合。孔隙介質(zhì)及裂隙介質(zhì)兩端分別設(shè)置兩個水箱，即孔隙介質(zhì)進(jìn)水水箱4、孔隙介質(zhì)出水水箱5，裂隙介質(zhì)進(jìn)水水箱6以及裂隙介質(zhì)出水水箱7，以便于獨立量測試驗中孔隙介質(zhì)和裂隙介質(zhì)的進(jìn)出水水量。各自通過螺旋開關(guān)控制孔隙介質(zhì)和裂隙介質(zhì)的進(jìn)出水，進(jìn)水?dāng)嗝娣謩e與裂隙介質(zhì)進(jìn)水面、孔隙介質(zhì)進(jìn)水面大小相同。進(jìn)水總水箱8和出水總水箱9邊壁采用磚砌結(jié)構(gòu)，內(nèi)層涂抹防水涂料，中間采用硬塑料板分割成三個獨立的水箱，頂部采用2cm厚有機玻璃作為水箱蓋，鉆設(shè)膨脹螺絲使其固定在磚砌邊壁上。周圍縫隙用塑料條加熱后密封，外涂硅膠進(jìn)行止水。外接硬塑料管，方便與上游供水系統(tǒng)22以及下游回水系統(tǒng)23連接。水箱蓋上鉆設(shè)兩個測壓孔，用來監(jiān)測進(jìn)水水箱和出水水箱的水壓，測壓孔同時可作為排氣孔。各水箱底部留有帶開關(guān)的排水口，在試驗完成后作排水使用。裂隙寬度由厚度均勻的不銹鋼墊片夾在混凝土與有機玻璃板間控制。將墊片加工為兩塊1200mmXammX30mm的條形鋼板介質(zhì)(a為墊片的寬度，可根據(jù)不同隙寬需要，放入不同標(biāo)準(zhǔn)厚度的墊片)，在裂隙的頂部和底部各放一條使隙寬標(biāo)準(zhǔn)化，通過改變鋼條的厚度和移動有機玻璃板底部的滑槽來改變隙寬，同時不影響裂隙中水流的流態(tài)。為了模擬孔隙介質(zhì)不透水的邊界條件，防止漏水，多孔混凝土頂部、底部和一側(cè)以及裂隙介質(zhì)的頂部和底部都采用有機硅防水涂料以及摻入防水劑的水泥進(jìn)行四層涂抹。為防止在高壓水頭作用下有機玻璃板在垂直水流方向發(fā)生膨脹變形，在沿垂直水流方向用六對標(biāo)準(zhǔn)角鋼將孔隙介質(zhì)、不銹鋼墊片和有機玻璃板三者夾緊。上游進(jìn)水水箱和下游出水水箱的蓋板和有機玻璃板間涂抹玻璃膠，并用螺紋鋼夾夾緊，防止水箱蓋板變形引起的水量泄漏，
2)水循環(huán)控制模塊的制作如圖2所示，其中箭頭方向為水流方向。試驗用水采用自循環(huán)形式，水流的循環(huán)系統(tǒng)由供水系統(tǒng)22、回水系統(tǒng)23組成。供水系統(tǒng)包括蓄水池26、水泵28、進(jìn)水平水箱24及輸水管道。其主要任務(wù)是保證試驗用水連續(xù)循環(huán)。由水泵從·蓄水池中抽水并輸送到具有一定高度的進(jìn)水平水箱，利用進(jìn)水平水箱保持恒定的水頭和穩(wěn)定的水流，再由進(jìn)水平水箱通過輸水管配水，為介質(zhì)試驗?zāi)K供水。進(jìn)水平水箱為硬塑水箱，容積120L,由進(jìn)水平水倉30和進(jìn)水回水倉31組成。水流首先通過水泵由蓄水池進(jìn)入進(jìn)水平水倉，當(dāng)進(jìn)水平水倉水位高于擋板頂時，多余的水由進(jìn)水回水倉排出，以確保進(jìn)水平水倉以恒定的水頭供水。進(jìn)水回水倉暫時容納從進(jìn)水平水倉排出的水。進(jìn)水平水倉的水通過供水管道向上游水箱供水，中間通過三向開關(guān)分別控制上游孔隙介質(zhì)進(jìn)水水箱和上游裂隙介質(zhì)進(jìn)水水箱的開關(guān)情況。水泵為揚程IOm的自吸泵，流量為8m3/h。水泵的吸水管、平水箱的進(jìn)水管、供水管道和溢流管道采用鋼絲硬塑料管以保證高水頭作用下的強度要求。蓄水池容積lm3，中間設(shè)置消能堰，對上游進(jìn)水回水倉和下游回水回水倉排出的水進(jìn)行消能，確保抽入進(jìn)水平水箱的水沒有氣泡。經(jīng)介質(zhì)試驗?zāi)K使用后的水經(jīng)回水平水箱返回至下游平水箱中?；厮剿淙莘e30L，也分為回水進(jìn)水倉和回水回水倉，與供水平水箱不同的是用硬塑料板分割成三個獨立的進(jìn)水倉和回水倉，分別連接下游孔隙介質(zhì)出水水箱和下游裂隙介質(zhì)出水水箱。這樣可以直觀的觀察到下游水箱的出水情況。由回水回水倉排出的水進(jìn)入蓄水池中，供水泵抽取循環(huán)使用。3)數(shù)據(jù)采集模塊的制作如圖3所示，試驗過程中裂隙介質(zhì)和孔隙介質(zhì)的水壓需要變化，因此上游進(jìn)水平水箱固定在距離試驗室地面4m的高處，以提供試驗足夠的水壓力。通過控制開關(guān)，調(diào)節(jié)進(jìn)水流量?；厮剿涔潭ㄔ诰嚯x試驗室地面I. 5m的位置，以方便觀察出流情況。試驗水壓的測量采用壓力傳感器。在有機玻璃蓋板上開設(shè)帶圓角的測壓孔，孔徑為6_，孔軸線與蓋板面垂直，孔口加工完善無毛刺和凹凸不平情況。測壓孔通過硅膠管與壓力傳感器連接。共設(shè)置十五個壓力傳感器，分別監(jiān)測上游進(jìn)水水箱和下游出水水箱的水壓情況以及孔隙介質(zhì)內(nèi)的水壓情況。為了節(jié)省壓力傳感器的使用數(shù)量，故研制了多相壓力傳輸裝置，如圖11所示，通過金屬螺旋閥控制開啟/閉合硅膠管，使一個壓力傳感器可以量測9個測壓管的數(shù)值(共制作六路和九路壓力采集傳輸裝置各一個)。采用固定水頭對壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，得出壓力傳感器測值與真值之間的標(biāo)定曲線，通過曲線將測值轉(zhuǎn)化為真值。壓力傳感器采用HM-20-1-A1-F1-W2型壓力傳感器。測壓管采用高強度不銹鋼管，在澆筑多孔混凝土(孔隙介質(zhì))時預(yù)埋入多孔混凝土中。測量孔隙介質(zhì)水壓的測壓管和測量裂隙介質(zhì)水壓的測壓管在同一水平面上。采用LDG15—體式電磁流量計測讀上下游流量，并用秒表和量杯對電磁流量計進(jìn)行標(biāo)定，得出流量計測值和真值之間的標(biāo)定曲線，通過曲線將測值轉(zhuǎn)化為真值。電磁流量計可以通過液晶表盤直接進(jìn)行流量讀數(shù)，也可以與數(shù)據(jù)采集輸出系統(tǒng)相連。水溫的采集采用溫度傳感器，放入水槽中，通過接線連接到數(shù)據(jù)采集模塊中，通過計算機對水溫進(jìn)行實時的觀測和采集。數(shù)據(jù)采集輸出系統(tǒng)采用24V直流電源輸出24V穩(wěn)定的直流電提供水壓傳感器所需的工作電源；水壓傳感器可以將水的壓力值和流量值轉(zhuǎn)化為Γ20πιΑ電流信號；數(shù)據(jù)采集儀采集水壓傳感器和流量計輸出的電流信號，最多可以同時采集16路，電路信號并輸出到計算機；計算機通過專業(yè)的軟件實時顯示和記錄試驗數(shù)據(jù)。4)試驗系統(tǒng)的操作在各模塊連接完成后，打開水泵，將水由蓄水池抽送至進(jìn)水平水箱。有壓水流通過塑料管道流入雙重介質(zhì)試驗?zāi)K，在排氣孔排氣后，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)進(jìn)出水水壓，進(jìn)行試驗。由數(shù)據(jù)采集模塊采集試驗數(shù)據(jù)，據(jù)此研究雙重介質(zhì)滲流場水 力特性。
權(quán)利要求
1.一種用于模擬孔隙-裂隙雙重介質(zhì)滲流水力特性的試驗系統(tǒng)，包括介質(zhì)實驗?zāi)K、水循環(huán)控制模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于 所述的介質(zhì)試驗?zāi)K包括箱體以及設(shè)置在箱體中部內(nèi)的孔隙介質(zhì)，在孔隙介質(zhì)與箱體內(nèi)壁之間形成有一間距可調(diào)的裂隙介質(zhì)，在所述箱體內(nèi)孔隙介質(zhì)的兩端分別設(shè)置有孔隙介質(zhì)進(jìn)水水箱和孔隙介質(zhì)出水水箱，在所述箱體內(nèi)裂隙介質(zhì)的兩端分別設(shè)置有裂隙介質(zhì)進(jìn)水水箱和裂隙介質(zhì)出水水箱； 所述的水循環(huán)控制模塊包括供水系統(tǒng)和回水系統(tǒng)，所述的供水系統(tǒng)的出水口分別連接所述的孔隙介質(zhì)進(jìn)水水箱和裂隙介質(zhì)進(jìn)水水箱；所述的回水系統(tǒng)的進(jìn)水口分別連接所述的孔隙介質(zhì)出水水箱和裂隙介質(zhì)出水水箱； 所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括溫度傳感器、流量計以及壓力傳感器，在所述的孔隙介質(zhì)進(jìn)水水箱、孔隙介質(zhì)出水水箱、裂隙介質(zhì)進(jìn)水水箱以及裂隙介質(zhì)出水水箱均設(shè)置有所述溫度傳感器；在所述的孔隙介質(zhì)、裂隙介質(zhì)、孔隙介質(zhì)進(jìn)水水箱、孔隙介質(zhì)出水水箱、裂隙介質(zhì)進(jìn)水水箱以及裂隙介質(zhì)出水水箱內(nèi)均設(shè)置有所述的壓力傳感器；在所述的孔隙介質(zhì)出水水箱和裂隙介質(zhì)出水水箱的出水口分別設(shè)置有所述的流量計。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的試驗系統(tǒng)，其特征在于所述的孔隙介質(zhì)采用石英砂多孔混凝土。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的試驗系統(tǒng)，其特征在于所述的箱體包括試驗臺以及四個有機玻璃板側(cè)壁，與裂隙介質(zhì)相連的有機玻璃板側(cè)壁可滑動的設(shè)置在試驗臺上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的試驗系統(tǒng)，其特征在于與裂隙介質(zhì)相連的有機玻璃板側(cè)壁下設(shè)置有一底座，在底座上設(shè)置有滑槽。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的試驗系統(tǒng)，其特征在于在所述的孔隙介質(zhì)、裂隙介質(zhì)、孔隙介質(zhì)進(jìn)水水箱、孔隙介質(zhì)出水水箱、裂隙介質(zhì)進(jìn)水水箱以及裂隙介質(zhì)出水水箱內(nèi)均設(shè)置有測壓管，所述的壓力傳感器設(shè)置在測壓管內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的試驗系統(tǒng)，其特征在于所述的孔隙介質(zhì)內(nèi)的測壓管垂直布置，所述的裂隙介質(zhì)內(nèi)的測壓管水平布置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于模擬孔隙-裂隙雙重介質(zhì)滲流水力特性的試驗系統(tǒng)，包括介質(zhì)實驗?zāi)K、水循環(huán)控制模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊，介質(zhì)試驗?zāi)K包括箱體以及設(shè)置在箱體中部內(nèi)的孔隙介質(zhì)，在孔隙介質(zhì)與箱體內(nèi)壁之間形成有一間距可調(diào)的裂隙介質(zhì)，在箱體內(nèi)孔隙介質(zhì)的兩端分別設(shè)置有孔隙介質(zhì)進(jìn)水水箱和孔隙介質(zhì)出水水箱，在箱體內(nèi)裂隙介質(zhì)的兩端分別設(shè)置有裂隙介質(zhì)進(jìn)水水箱和裂隙介質(zhì)出水水箱；水循環(huán)控制模塊包括供水系統(tǒng)和回水系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集模塊包括溫度傳感器、流量計以及壓力傳感器。本發(fā)明實驗系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)裂隙滲流試驗系統(tǒng)忽略孔隙介質(zhì)滲透性、無法得到雙重介質(zhì)水交換信息等缺陷，試驗系統(tǒng)與實際情況更加吻合。
文檔編號G01N33/24GK102890147SQ201210382250
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月10日
發(fā)明者李琛亮, 沈振中, 趙堅, 徐力群, 郭玉嶸, 楊旭東 申請人:河海大學(xué)