本實用新型涉及一種模擬巖石裂隙內(nèi)的水巖相互作用的實驗裝置，具體的說是一種能夠模擬出巖石裂隙內(nèi)不同流態(tài)下的地下水和巖石之間相互作用效果的實驗裝置，本實用新型屬于地下水科學(xué)與工程等技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，隨著對地下空間如核廢料處理洞室、石油和天然氣的地下儲存洞穴等的開發(fā)和利用，發(fā)生在巖石裂隙內(nèi)的水巖相互作用引起了人們廣泛的關(guān)注。在這些地下巖石工程中，巖石處在復(fù)雜的水化學(xué)條件下，將發(fā)生極其復(fù)雜的水巖相互作用。在水巖相互作用的進(jìn)行過程中，巖石會被腐蝕溶解，其溶蝕物質(zhì)被水溶液帶走或被吸附沉淀，從而使得巖石結(jié)構(gòu)面、巖石的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生很大的變化。這些變化主要發(fā)生在巖石裂隙中，它會導(dǎo)致巖石的性質(zhì)發(fā)生重大改變，最終對這些地下巖石工程的安全產(chǎn)生重要影響。

目前階段在對巖石裂隙水巖相互作用的研究中，研究主要集中水巖相互作用對裂隙巖石的力學(xué)性能和滲透特性的研究上。通過將裂隙巖石置于不同的水化學(xué)溶液中，以此來研究水巖相互作用對裂隙巖石的表面細(xì)觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響以及對巖石滲流特性的影響。一般情況下，實驗周期較長，可控變量少，無法實現(xiàn)在不同的流態(tài)如在紊流狀態(tài)下對巖石裂隙內(nèi)的水巖相互作用的研究。

相對于之前的研究，該實驗裝置能模擬出不同流態(tài)下的水溶液和裂隙巖石之間的水巖相互作用的進(jìn)行情況，通過調(diào)節(jié)水泵獲得可控水壓和流速，使水溶液以所需流態(tài)和裂隙巖石發(fā)生反應(yīng)。其可控變量多，可以研究在不同的水壓、流速、隙寬、水溶液初始狀態(tài)等因素下巖石裂隙內(nèi)水巖相互作用的進(jìn)行情況，且結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷，能大大縮短實驗周期，具有廣泛的適用性。故其在實際工程和科學(xué)研究中均有很大的用處。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的主要目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能模擬出巖石裂隙內(nèi)處于不同流態(tài)的地下水和巖石之間相互作用的實驗裝置。

本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、高效實用的模擬巖石裂隙內(nèi)的水巖相互作用的實驗裝置。它能通過調(diào)節(jié)水泵獲得可控水壓和流速，在短期內(nèi)模擬出巖石裂隙內(nèi)處于紊流或?qū)恿鳡顟B(tài)下的地下水和巖石之間相互作用的進(jìn)行情況。

本實用新型解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種模擬巖石裂隙中的水巖相互作用實驗裝置，包括水箱；所述的水箱通過供水管與巖石裂隙水巖相互作用模擬器的進(jìn)水口相連，所述的巖石裂隙水巖相互作用模擬器的出水口通過回水管連回水箱，形成一個水循環(huán)裝置；所述的巖石裂隙水巖相互作用模擬器包括由巖石試樣拼接而成的巖石裂隙面，在所述的巖石試樣的前后設(shè)有與巖石裂隙面連通的分水區(qū)和聚水區(qū)；且在所述的分水區(qū)與目標(biāo)巖石試樣之間、在所述的聚水區(qū)與目標(biāo)巖石試樣之間均設(shè)有水壓傳感器、溫度傳感器，所述的水壓傳感器和溫度傳感器與數(shù)據(jù)處理裝置相連，用于采集顯示實驗進(jìn)行中水壓和溫度實時變化情況。

進(jìn)一步的，所述的分水區(qū)、聚水區(qū)均由上下各1塊嵌入在有空心位置的不銹鋼板上對應(yīng)槽位的有機玻璃板形成，即上下玻璃板之間形成的縫隙為分水區(qū)和聚水區(qū)。

進(jìn)一步的，所述的巖石裂隙面由上下各3塊嵌入在有空心位置的不銹鋼板上對應(yīng)槽位的巖石試樣拼接而成，巖石試樣由通用巖芯加工制成。

進(jìn)一步的，所述的水壓傳感器、溫度傳感器插接在所述的有空心位置的不銹鋼板內(nèi)。

進(jìn)一步的，所述的巖石裂隙水巖相互作用模擬器的裂隙由邊緣完整里面空心的硅膠墊模擬而成，通過改變硅膠墊的厚度可改變隙寬。

進(jìn)一步的，所述的目標(biāo)巖石試樣和有機玻璃板的外側(cè)均由密封板密封。

進(jìn)一步的，所述的水箱為封閉水箱，包括回水口、供水口、出氣口和取水閥門；其中，回水口和出氣口位于水箱頂部，供水口和取水閥門位于水箱底部。

進(jìn)一步的，在所述的供水管上設(shè)有水泵和流量計；其中，所述的水泵為高壓泵，通過調(diào)節(jié)水泵可使水溶液獲得一定的水壓和流速，使其處于紊流或?qū)恿鳡顟B(tài)。

模擬巖石裂隙中水巖相互作用的實驗裝置進(jìn)行實驗的方法，如下：

通過調(diào)節(jié)水泵使水箱中的水溶液獲得可控水壓和流速，使其流入巖石裂隙水巖相互作用模擬器；在巖石裂隙水巖相互作用模擬器中，水溶液首先流經(jīng)分水區(qū)均勻的分散到裂隙中，然后流經(jīng)水壓傳感器和溫度傳感器，以監(jiān)測出進(jìn)入巖石裂隙面前水溶液的水壓和溫度大小，然后水流流經(jīng)巖石裂隙面與巖石發(fā)生相互作用，反應(yīng)完后流出，測出水流的水壓和溫度大小，隨后流經(jīng)聚水區(qū)匯集到一起后再流出巖石裂隙水巖相互作用模擬器，然后通過回水管流回水箱形成水循環(huán)，最終實現(xiàn)動態(tài)條件下對巖石裂隙中的水巖相互作用實驗?zāi)M。

所述的方法中，每隔一段時間采集與巖石試樣反應(yīng)后的水溶液，開展目標(biāo)指標(biāo)分析測試，同時每隔一段時間取出其中一塊巖石試樣進(jìn)行電鏡掃描實驗，研究巖石裂隙中的水巖相互作用對巖石表面的腐蝕情況；最終實現(xiàn)動態(tài)條件下巖石裂隙中的水巖相互作用的模擬。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的具有的有益效果如下：

1.所述的巖石裂隙面由多塊巖石試樣拼接組成，巖石試樣加工方便，可由通用巖芯加工而成；此外，在實驗進(jìn)行過程中，需要每隔一段時間取出其中一塊巖石試樣進(jìn)行電鏡掃描實驗，此時可在其位置補充一新的巖石試樣，這樣不會耽誤實驗的進(jìn)度，同時因為巖石試樣的表面積不大也不會對實驗精度產(chǎn)生不利的影響，故能有效的縮短實驗周期。

2.巖石裂隙水巖相互作用模擬器的結(jié)構(gòu)設(shè)計可使處于紊流下的水溶液和裂隙巖石發(fā)生反應(yīng)，克服了之前只能在靜止或者層流狀態(tài)下進(jìn)行實驗的局限性，可實現(xiàn)不同流態(tài)下對巖石裂隙內(nèi)的水巖相互作用的模擬。

3.實驗裝置中，所述的數(shù)據(jù)處理裝置的顯示屏上可直接顯示出水壓、溫度實時變化曲線，并可直接生成數(shù)據(jù)文件，相對于其他的記錄模式，這樣能更加方便精確的記錄出水壓和溫度的變化情況，提高實驗效率和精度。

4.所述的密封水箱設(shè)有出氣口，當(dāng)往水箱中注入水溶液時，會將水箱中的氣體通過出氣口排出，這樣在實驗進(jìn)行時可有效的抑止水箱中的氣體溶于水溶液中，防止其對實驗結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

5.實驗裝置中，安裝在裂隙面下部分的水壓傳感器能精確測量出水巖相互作用前后的水壓，計算獲得水壓差和水力梯度。相對于將其安裝在其他位置，安裝在裂隙下面可獲得更精確穩(wěn)定的壓力值，從而提高實驗的精度。

6.該實驗裝置可根據(jù)工程實際需要或者實驗需要配置不同的目標(biāo)巖石試樣和水溶液，適用范圍廣，實用性強。

附圖說明

圖1為本實用新型的一種模擬巖石裂隙中水巖相互作用的實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實用新型的巖石裂隙水巖相互作用模擬器的剖面圖。

圖3為本實用新型的巖石裂隙水巖相互作用模擬器下側(cè)裂隙面的平面圖。

其中：1.水箱，2.供水管，3.水泵，4.流量計，5.巖石裂隙水巖相互作用模擬器，6.數(shù)據(jù)處理裝置，7.水壓傳感器，8.溫度傳感器，9.回水管，10.進(jìn)水口，11.模擬縫隙的空心密封墊，12.分水區(qū)，13.巖石裂隙面，14.聚水區(qū)，15.出水口，16.密封板，17.有空心位置的不銹鋼板。

具體實施方式

為更好地理解本實用新型，下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步的描述。

本實用新型的一種模擬巖石裂隙中水巖相互作用的實驗裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1、2、3所示。它包括依次相連的水箱1、供水管2、水泵3、流量計4、巖石裂隙水巖相互作用模擬器5、數(shù)據(jù)處理裝置6、水壓傳感器7、溫度傳感器8和回水管9。所述的供水管2的始端與水箱1下部的供水口相連，之后依次連接水泵3、流量計4，然后供水管2的末端與巖石裂隙水巖相互作用模擬器5的進(jìn)水口10相連；所述的回水管9的始端與巖石裂隙水巖相互模擬器5的出水口15相連，然后回水管9的末端和水箱1上部的回水口相連，由此形成一個水循環(huán)裝置。

如圖2、3所示，所述的巖石裂隙水巖相互作用模擬器5包括進(jìn)水口10、模擬縫隙的空心密封墊11、有機玻璃板形成的分水區(qū)12、巖石裂隙面13、有機玻璃板形成的聚水區(qū)14、出水口15、密封板16和有空心位置的不銹鋼板17。此外，在所述的分水區(qū)與目標(biāo)巖石試樣之間、在所述的聚水區(qū)與目標(biāo)巖石試樣之間均設(shè)有水壓傳感器7、溫度傳感器8，它們通過導(dǎo)線和數(shù)據(jù)處理裝置6相連，數(shù)據(jù)處理裝置6上的顯示屏上可直接顯示出水壓和溫度的實時變化情況。

進(jìn)一步的，所述的有空心位置的不銹鋼鋼板17按水流方向依次有1個大小為48*48*10mm有機玻璃板槽位、1個測壓孔(測溫孔)、3個連接在一起的大小均為48*48*10mm的巖石試樣槽位、1個測壓孔(測溫孔)、1個大小為48*48*10mm有機玻璃板槽位。其中，有機玻璃板槽位和巖石試樣槽位的形位公差是1mm；測壓孔(測溫孔)是內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，由兩部分組成，底部是直徑2mm，高2mm的圓柱孔，與裂隙面相連，頂部為直徑6mm的圓柱孔，貫通不銹鋼板，含有測壓孔的不銹鋼板位于裂隙面的下方，含有測溫孔的不銹鋼板位于裂隙面的上方。所述的巖石試樣、有機玻璃板、水壓傳感器和溫度傳感器均安裝在有空心位置的不銹鋼板上的對應(yīng)位置。

進(jìn)一步的，所述的模擬縫隙的空心密封墊11是邊緣完整里面空心的硅膠墊，其作用是模擬縫隙和控制隙寬；所述的密封板16和有空心位置的不銹鋼板17以空心密封墊11為對稱面呈對稱結(jié)構(gòu)放置，其中，從外到里分別是密封板16和有空心位置的不銹鋼板17。

在實驗進(jìn)行過程中，水箱1中的水溶液通過供水管2依次流經(jīng)水泵3和流量計4，調(diào)節(jié)水泵3使得水流獲得一定的進(jìn)水壓力，再利用流量計4測出水流的流速和流量，隨后水流流入巖石裂隙水巖相互作用模擬器5。在巖石裂隙水巖相互作用模擬器5內(nèi)，圓柱形水流流首先經(jīng)有機玻璃板形成的分水區(qū)12后均勻穩(wěn)定的分散到裂隙面上；之后流經(jīng)水壓傳感器7和溫度傳感器8，測出水巖相互作用前水流的水壓和溫度；隨后水流流入巖石裂隙面13和巖石發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)完后的水化學(xué)溶液再次流經(jīng)水壓傳感器7和溫度傳感器8，測出水巖相互作用完成后的水壓和溫度，隨后流經(jīng)有機玻璃板形成的聚水區(qū)14匯集到一起后從巖石裂隙水巖相互作用模擬器5的出水口15流出，再通過回水管9流回水箱1中，形成水循環(huán)。

每隔一段時間采集與巖石試樣反應(yīng)后的水溶液，開展目標(biāo)指標(biāo)分析測試，同時每隔一段時間取出其中一塊巖石試樣進(jìn)行電鏡掃描實驗，研究巖石裂隙中的水巖相互作用對巖石表面的腐蝕情況。最終實現(xiàn)動態(tài)條件下巖石裂隙中的水巖相互作用的模擬。

本實用新型提供的一種模擬巖石裂隙中水巖相互作用的實驗裝置操作過程為：

步驟1、實驗材料準(zhǔn)備：配置實驗水溶液，根據(jù)實驗?zāi)康暮驮诒ＷC反應(yīng)速率的情況下配置一定離子濃度和PH值的水溶液；根據(jù)實驗?zāi)康膹哪繕?biāo)地區(qū)取回所需巖石試樣，將其加工成表面平整光滑的大小為48*48*10mm巖石試樣，之后用水將試樣沖洗干凈，以防止巖石試樣表面雜質(zhì)對實驗產(chǎn)生不利影響，然后再將其置于溫度為45℃的恒溫干燥箱中48h，然后再將其置于真空環(huán)境下，以加快實驗速率；

步驟2、連接各個裝置：將目標(biāo)巖石試樣置于巖石裂隙水巖相互作用模擬器中，之后將水壓傳感器和溫度傳感器分別安裝在測壓孔和測溫孔中，通過導(dǎo)線將它們與數(shù)據(jù)處理裝置相連并調(diào)節(jié)好相關(guān)路線和電源，然后再分別用供水管和出水管將水箱、水泵、流量計，巖石裂隙水巖相互作用模擬器連接起來；

步驟3、實驗前準(zhǔn)備：往水箱中注入適量的水溶液，打開水泵開關(guān)，從小到大調(diào)節(jié)水泵水壓值，觀測整個試驗裝置是否漏水，若漏水則需重新安裝漏水處的連接裝置，確保其密封性。密封性滿足要求后，調(diào)節(jié)水泵使得水溶液在所需流態(tài)下流經(jīng)巖石裂隙水巖相互作用模擬器，接下來待數(shù)據(jù)處理裝置的顯示器上各個水壓傳感器的水壓曲線穩(wěn)定后，再開始讀取各壓力值和溫度值；

步驟4、實驗進(jìn)行階段：以顯示器上各個水壓傳感器的水壓曲線穩(wěn)定時記為開始時間，此后每隔20天取一塊巖石試樣進(jìn)行電鏡掃描實驗，觀測出巖石表面的腐蝕情況，同時每隔20天打開水箱上的取水閥門取一小部分水溶液進(jìn)行檢測分析，研究水溶液中的離子濃度變化和PH值的變化情況；當(dāng)水溶液中的離子濃度和PH值趨于穩(wěn)定后，該組實驗完成。

步驟5、當(dāng)需要進(jìn)行研究巖石裂隙中的水壓、隙寬、水溶液的初始狀態(tài)等因素對水巖相互作用的影響規(guī)律時，需進(jìn)行對比實驗。改變所需研究的目標(biāo)因素，其他會影響水巖相互作用的因素則保持不變，重復(fù)步驟1-4，直至所需對比實驗全部完成。

步驟6、所有實驗完成后，放空水箱及所有回路中的水，將水泵和流量計中的水排凈，歸置好所有實驗用具以備以后再用。

上述試驗過程中，調(diào)節(jié)水泵可使水溶液獲得一定的水壓和流速，使得水溶液能在紊流或?qū)恿鞯臓顟B(tài)下流經(jīng)巖石裂隙水巖相互作用模擬器；通過水巖相互作用模擬器中的分水區(qū)和聚水區(qū)，實現(xiàn)水壓穩(wěn)定性輸出；在水巖相互作用模擬器上安裝精密的水壓溫度監(jiān)測系統(tǒng)可測量水溶液和巖石反應(yīng)前后的水壓和溫度，可解決水壓溫度測量問題；水巖相互作用模擬器上的巖石試樣可單塊取出替換，可縮短實驗周期；合理的改變水溶液初始狀態(tài)、巖石類型、水壓、流速等因素，可實現(xiàn)不同工況下對巖石裂隙中的水巖相互作用的模擬。

上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式進(jìn)行了描述，但并非對本實用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護(hù)范圍以內(nèi)。