一种用于可视化实验的变开度可拆卸裂隙装置
阅读说明：本技术 一种用于可视化实验的变开度可拆卸裂隙装置 (Variable-opening detachable fracture device for visual experiment ) 是由 徐文杰 胡英涛 詹良通 李金龙 陈云敏 于 2021-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于可视化实验的变开度可拆卸裂隙装置,该装置包括可视化控制单元、变开度控制单元、边界控制及数据监测单元、粗糙度模拟单元等；可视化控制单元包括透明的裂隙上盘；变开度控制单元包含边界密封组件、变开度组件和不透明的裂隙下盘；边界控制及数据监测单元包括出入流组件、缓冲腔组件等。本发明装置用于实现裂隙开度大小的精确控制、裂隙边界的有效密封和实验过程中裂隙内部可视物理参量的变化,通过缓冲腔组件实现出入水流重分布,通过数据监测组件监测不同剖面位置的水压力或电阻率变化,通过粗糙度模拟单元模拟不同特征的裂隙粗糙度。该装置制作简单易行、重复性好、强度大、精度高,所得裂隙的平均开度值准确可靠。(The invention discloses a variable-opening detachable fracture device for a visual experiment, which comprises a visual control unit, a variable-opening control unit, a boundary control and data monitoring unit, a roughness simulation unit and the like; the visual control unit comprises a transparent fracture upper disc; the variable-opening control unit comprises a boundary sealing assembly, a variable-opening assembly and an opaque crack lower disc; the boundary control and data monitoring unit comprises an inflow and outflow component, a buffer cavity component and the like. The device is used for realizing accurate control of the opening degree of the crack, effective sealing of the crack boundary and change of visible physical parameters in the crack in the experimental process, realizing redistribution of water flow in and out through the buffer cavity assembly, monitoring water pressure or resistivity change of different section positions through the data monitoring assembly, and simulating the roughness of the crack with different characteristics through the roughness simulation unit. The device has the advantages of simple and easy manufacture, good repeatability, high strength, high precision and accurate and reliable average opening value of the obtained cracks.)
技术领域
本发明属于裂隙岩体试验领域，尤其涉及一种用于可视化实验的变开度可拆卸裂隙装置。
背景技术
近年来，随着二氧化碳地质封存、大型水利水电工程、地下水资源开发与管理及高放废物地质处置等重大地下工程的开工建设，裂隙岩体中的渗流破坏、污染物泄露等灾害成为工程和理论界重点关注的重要问题。单裂隙作为研究离散裂隙网络岩体的基础，其平均裂隙开度、裂隙粗糙度对岩石裂隙中的渗流和溶质运移机制具有重要影响，因此，研究单裂隙变开度和粗糙度对裂隙岩体中流体流动和溶质迁移过程的影响对提高核废料处置、地下污染物治理等大型地下工程的安全稳定运行具有重要意义。对于上述重大工程问题，一般具有埋深大、地应力条件复杂和水压力大等特点，如何方便准确的改变裂隙开度大小、裂隙粗糙度，以及如何保证裂隙模型在高应力、高水压力作用下模型边界的密封性能及模型强度，目前未得到深入的研究。再者，采用真实裂隙材料难以实现渗流或污染物迁移过程的可视化，关于岩石裂隙可视化的研究则较为少见。
在已经公开技术中，一种可改变裂隙开度的高温裂隙渗流模拟装置(申请号201711423221.X)，其改变裂隙开度的方法是在岩块、岩块之间的裂隙，裂隙之间边缘均匀放置陶瓷支撑球；一种用于可视化实验的变开度粗糙裂隙及其制作方法(申请号201910238486.5)，通过在裂隙上下盘两侧止水挡板间放置不同厚度的刚性垫片来改变裂隙的平均开度；一种可定量调整岩石粗糙裂隙开度的装置及其使用方法(申请号201911396537.3)，通过两个夹持装置分别夹持裂隙试样上下盘，并通过电动升降平台来调整得到不同的裂隙开度。上述三种方法虽然能改变裂隙的开度，但存在模型强度不够而产生不可避免的破损，无法保证裂隙各处都增大相同的距离，调整裂隙开度复杂、操作不便，难以实现实时监测裂隙内部物理参量变化(如水压力)，难以保证高水压力作用下边界密封性能等不足，且在实验设计中应用比较困难。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于可视化实验的变开度可拆卸裂隙装置。该装置能够利用刚性垫片的高强度、密封条的弹性和自密封性特点，结合铝板或有机玻璃等材料的可设计性和可制造性，实现裂隙开度大小的精确控制、裂隙边界的有效密封，实现实验过程中裂隙内部可视物理参量的变化，以及实时监测实验过程中裂隙内部不同剖面位置的水压力或电阻率变化，大大提高了裂隙模型实验的可重复性和实验结果测试精确性。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种用于可视化实验的变开度可拆卸裂隙装置，包括可视化控制单元、变开度控制单元、边界控制及数据监测单元、粗糙度模拟单元、模型底座及裂隙空间；
所述可视化控制单元包括透明的裂隙上盘和固定模板，用于观察实验过程中裂隙内部物理参量的变化；
所述变开度控制单元包含边界密封组件、变开度组件和不透明的裂隙下盘；
所述边界控制及数据监测单元包括出入流组件、缓冲腔组件和数据监测组件；
所述粗糙度模拟单元包括一定形状、厚度的刚性垫圈；
所述裂隙上盘下表面设置有一定深度的闭环凹槽；所述闭环凹槽的闭环范围大于所述缓冲腔组件和所述裂隙空间所围合的区域；
所述边界密封组件包括一定直径的密封条和一定粘结强度的密封胶，所述闭环凹槽填充所述密封条后，在闭环接口处用所述密封胶进行粘结，形成具有一定弹性的闭环边界，所述闭环边界的闭环范围是实现裂隙密封的关键；
所述变开度组件包括一定厚度的刚性垫片，用于调整、控制裂隙开度的大小；
所述裂隙上盘周边一圈设置有一定尺寸的直通孔，所述固定模板周边一圈设置有一定尺寸的螺栓沉槽，所述裂隙下盘周边一圈设置有一定尺寸的螺纹孔，所述刚性垫片周边一圈设置有一定尺寸的开孔，所述螺纹孔与所述开孔、所述直通孔、所述螺栓沉槽的孔位一一对应，通过螺栓将所述裂隙下盘、所述刚性垫片、所述裂隙上盘和所述固定模板连接，利用螺栓拧紧、密封条自密封特性和刚性垫片的高强度特点，构造成裂隙空间，可实现裂隙空间的密封，避免开展渗流或污染物迁移实验过程中发生液体泄漏；所述裂隙空间的开度大小可通过更换不同厚度的刚性垫片进行调整，实现变开度控制；
所述固定模板中间掏空，与所述裂隙上盘组合，实现所述裂隙空间的可视化。
进一步地，所述裂隙上盘的材料可以选自有机玻璃；所述固定模板的材料可以选自不锈钢、铝材或有机玻璃，优选为铝材；所述裂隙下盘的材料可以选自不锈钢或铝材，优选为铝材。
进一步地，所述闭环凹槽的截面形状可以是倒三角形、四边形或半圆形，优选为半圆形。
进一步地，所述密封条可以是密封橡胶条、密封硅胶条等弹性和自密封性能较好的材料，优选为密封硅胶条；所述密封胶可以是粘结性能较好的硅胶，优选为模具硅橡胶。
进一步地，所述裂隙上盘下表面两端设置有一定规格尺寸的缓冲槽，所述缓冲槽的截面形状为四边形。
进一步地，所述裂隙下盘上表面两端设置有一定规格尺寸的缓冲槽，两端分别设置有若干贯通的出入流口，用于连接出入流组件，所述裂隙下盘沿长度方向还设置有若干贯通的传感器连接口，用于连接数据监测组件。
进一步地，所述出入流组件可通过更换不同大小的连接接头，与所述出入流口连接，实现与外界出入流装置组合，开展实验。
进一步地，所述数据监测组件包括孔隙水压力传感器、高密度电阻率探头等传感器，可用于监测实验过程中不同剖面位置的水压力或电阻率的变化。
进一步地，所述缓冲腔组件包括缓冲腔和水流缓冲组件，用于实现水流重分布，使水流均匀地流入与流出裂隙模型；所述缓冲腔由裂隙上盘的缓冲槽和裂隙下盘的缓冲槽共同组成，所述缓冲腔包括入流缓冲腔和出流缓冲腔；所述水流缓冲组件可以是海绵等多孔材料。
进一步地，所述刚性垫圈的形状可以是圆形、四边形或三角形，通过在裂隙内部不同位置设置不同数量的所述刚性垫圈，模拟裂隙通道的粗糙度。
进一步地，所述模型底座与所述固定模板、所述裂隙下盘通过螺栓连接，可实现裂隙模型的竖直摆放或水平摆放。
本发明具有的有益效果是：
1.本发明可实现实验过程的可视化，为观察污染物迁移过程创造了条件。
2.本发明利用高强度刚性垫片控制裂隙开度大小，所得裂隙的平均开度值准确可靠。
3.本发明拆卸和组装方便，可快速调整得到任意裂隙开度的裂隙模型。
4.本发明利用密封条的弹性和自密封性特点，可高效实现裂隙模型边界的密封性能。
5.本发明整体强度高、安全可靠，可结合超重力离心模拟技术，在超重力环境下开展相关实验。
6.本发明制作简单易行、重复性好、强度大、精度高，易于安装，费用低。
7.本发明对于研究裂隙岩体中流体渗流和溶质迁移过程的研究工作有重要意义。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于可视化实验的变开度可拆卸裂隙装置的立体图；
图2是本发明实施例提供的用于可视化实验的变开度可拆卸裂隙装置的正视图；
图3是本发明实施例提供的用于可视化实验的变开度可拆卸裂隙装置的左视图；
图4是本发明实施例提供的用于可视化实验的变开度可拆卸裂隙装置的后视图；
图5是本发明实施例提供的用于可视化实验的变开度可拆卸裂隙装置的俯视图；
图中：粗糙度模拟单元I、模型底座II、裂隙空间III、裂隙上盘1、闭环凹槽1-1、直通孔1-2、缓冲槽1-3、固定模板2、螺栓沉槽2-1、裂隙下盘3、裂隙下盘螺纹孔3-1、出入流口3-2、传感器连接口3-3、缓冲槽3-4、密封条4、刚性垫片5-1、刚性垫片开孔5-2、缓冲腔6-1、水流缓冲组件6-2。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。
如图1-5所示，本实施例提出的一种用于可视化实验的变开度可拆卸裂隙装置，包括可视化控制单元、变开度控制单元、边界控制及数据监测单元、粗糙度模拟单元I、模型底座II及裂隙空间III；可视化控制单元包括透明的裂隙上盘1和固定模板2，用于观察实验过程中裂隙内部物理参量的变化；变开度控制单元包含边界密封组件、变开度组件和不透明的裂隙下盘3；边界控制及数据监测单元包括出入流组件、缓冲腔组件和数据监测组件；粗糙度模拟单元I包括一定形状、厚度的刚性垫圈。
透明的裂隙上盘1下表面设置有一定深度的闭环凹槽1-1，用于放置所述密封条4；闭环凹槽1-1的闭环范围大于缓冲腔组件和裂隙空间III所围合的区域。
边界密封组件包括一定直径的密封条4和一定粘结强度的密封胶，闭环凹槽1-1填充密封条4后，在闭环接口处用密封胶进行粘结，可形成具有一定弹性的闭环边界，闭环边界的闭环范围是实现裂隙密封的关键。
变开度组件包括一定厚度的刚性垫片5-1，用于调整、控制裂隙开度的大小。
透明的裂隙上盘1周边一圈设置有一定尺寸的直通孔1-2，固定模板2周边一圈设置有一定尺寸的螺栓沉槽2-1，不透明的裂隙下盘3周边一圈设置有一定尺寸的螺纹孔3-1，刚性垫片5-1周边一圈设置有一定尺寸的开孔5-2，螺纹孔3-1与开孔5-2、直通孔1-2、螺栓沉槽2-1的孔位一一对应，通过螺栓将所述裂隙下盘3、所述刚性垫片5-1、所述裂隙上盘1和所述固定模板2连接，利用螺栓拧紧、密封条自密封特性和刚性垫片的高强度特点，构造成裂隙空间III，可实现裂隙空间III的密封，避免开展渗流或污染物迁移实验过程中发生液体泄漏；裂隙空间III的开度大小可通过更换不同厚度的刚性垫片5-1进行调整，实现变开度控制。
固定模板2中间掏空，与透明的裂隙上盘1组合，实现裂隙空间III的可视化。
裂隙上盘1的材料可以选自有机玻璃；所述固定模板2的材料可以选自不锈钢、铝材或有机玻璃，优选为铝材；所述裂隙下盘3的材料可以选自不锈钢或铝材，优选为铝材。
闭环凹槽1-1的截面形状可以是倒三角形、四边形或半圆形，优选为半圆形。
密封条4可以是密封橡胶条、密封硅胶条等弹性和自密封性能较好的材料，优选为密封硅胶条；密封胶可以是粘结性能较好的硅胶，优选为模具硅橡胶。
透明的裂隙上盘1下表面两端设置有一定规格尺寸的缓冲槽1-3，缓冲槽1-3的截面形状为四边形。
不透明的裂隙下盘3上表面两端设置有一定规格尺寸的缓冲槽3-4，两端分别设置有4个贯通的出入流口3-2，用于连接出入流组件，不透明的裂隙下盘5沿长度方向还设置有至少5个贯通的传感器连接口3-3，用于连接数据监测组件。
出入流组件可通过更换不同大小的连接接头，与出入流口3-2连接，实现与外界出入流装置组合，开展实验。
数据监测组件包括孔隙水压力传感器、高密度电阻率探头等传感器，可用于监测实验过程中不同剖面位置的水压力或电阻率的变化。
缓冲腔组件包括缓冲腔6-1和水流缓冲组件6-2，用于实现水流重分布，使水流均匀地流入与流出裂隙模型；缓冲腔6-1由裂隙上盘的缓冲槽1-3和裂隙下盘的缓冲槽3-4共同组成，缓冲腔6-1包括入流缓冲腔和出流缓冲腔；水流缓冲组件6-2可以是海绵等多孔材料。
刚性垫圈的形状可以是圆形、四边形或三角形，通过在裂隙内部不同位置设置不同数量的刚性垫圈，模拟裂隙通道的粗糙度。
模型底座II与固定模板2、不透明的裂隙下盘3通过螺栓连接，可实现裂隙模型的竖直摆放或水平摆放。
本发明装置工作过程如下：
首先，将裂隙下盘的上表面朝上水平放置在操作平台上，按一定排列顺序，在裂隙下盘的上表面放置具有圆形截面的刚性垫圈，模拟裂隙通道的粗糙度；其次，在裂隙下盘的上表面放置一定厚度的刚性垫片，模拟裂隙开度大小；然后，将裂隙上盘的下表面朝上水平放置在操作平台上，将一定直径的密封条填充在裂隙上盘的环形凹槽中，并在闭环接口处用高强度密封胶进行粘结连接，形成具有一定弹性的闭环边界，再将海绵填充在由裂隙上盘的缓冲槽中；随后，将裂隙上盘翻转，使裂隙上盘的直通孔与裂隙下盘的螺纹孔一一对应并贴合，使海绵突出部分填充在裂隙下盘的缓冲槽中，形成完整的缓冲腔，从而保证试验过程中水流重分布，使水流均匀地流入与流出裂隙模型；之后，将固定模板水平放置在裂隙上盘上表面，并用螺杆依次穿过固定模板的螺栓沉槽、裂隙上盘的直通孔、刚性垫片的直通孔和裂隙下盘的螺纹孔进行螺栓拧紧连接，利用密封条自密封特性和刚性垫片的高强度特点，构造成裂隙空间并实现裂隙空间的密封，从而避免开展渗流或污染物迁移实验过程中发生液体泄漏；最后，将模型底座与固定模板、裂隙下盘通过螺栓连接，并将组装完整的裂隙模型竖直摆放，同时利用连接接头将水位控制系统分别与位于裂隙下盘的出入流口连接，控制裂隙模型两端的水位，将孔隙水压力传感器与裂隙下盘的传感器连接口连接，用于实时监测试验过程中裂隙内部的孔压变化。连接完毕后，开启水位控制系统开展裂隙渗流试验，并通过透明的裂隙上盘观测裂隙内部的渗流过程。
本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。