本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)裂隙介質(zhì)物理模型試驗領(lǐng)域，特別是一種針對巖體中裂隙網(wǎng)絡(luò)沿不同方向滲透系數(shù)的測試系統(tǒng)，以及沿不同方向滲流過程的可視化研究方法。

背景技術(shù)：

天然巖體中存在大量不連續(xù)面/裂隙，這些不連續(xù)面的存在為巖體中水或其他有害物質(zhì)的運移提供了通道，裂隙巖體的滲流特性在巖體工程中發(fā)揮著越來越重要的作用。巖體工程中的裂隙一般呈網(wǎng)狀，水或有害物質(zhì)在其中產(chǎn)生滲流的過程中，一般沿不同方向的滲透系數(shù)及滲流的過程都是不同的。因此展開流體在巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)中滲透系數(shù)的各向異性及沿不同方向滲流過程的可視化研究，對于邊坡工程穩(wěn)定性及地下(儲藏)工程的安全評估都具有重要的意義。

申請?zhí)枮镃N201210275148.7的發(fā)明專利從理論分析的角度提出了一種基于單孔水流波動方程確定各向異性介質(zhì)滲透參數(shù)的方法，該方法利用裂隙介質(zhì)水動力學(xué)和振蕩試驗原理，能構(gòu)得到各向異性巖體介質(zhì)的滲透系數(shù)張量。

申請?zhí)枮镃N201610064275.0的發(fā)明專利提出了一種研究不同傾角裂隙巖體的滲透率與其自身孔隙率之間關(guān)系的方法，該專利利用類巖石相似材料制作不同傾角的類巖石試樣，通過對不同傾角的試樣施加圍壓改變試樣孔隙率并對其滲透率進行測試，通過不斷改變圍壓，研究不同傾角試樣的滲透率對孔隙率變化的敏感程度。

申請?zhí)枮镃N201610065036.7的發(fā)明專利研究了裂隙巖體中裂隙傾角的不同導(dǎo)致的滲透率的變化，該專利以數(shù)學(xué)分析方法確定裂隙巖體不同方向的滲透率變化率，并對滲透率與傾角的變化率進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到不同傾角單位傾角變化引起的單位滲透率的變化量。

上述現(xiàn)有技術(shù)中對于巖體中水力特性的研究，大多研究的是不同工況下巖體滲透率的大小，或者是巖體滲透率與其他物理參數(shù)(比如裂隙傾角和孔隙率)之間的關(guān)系。然而作為表征巖體水力特征的滲透系數(shù)，沿著裂隙巖體中的不同方向裂隙滲透系數(shù)具有很大的差異，表現(xiàn)出明顯的方向性，在巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流的過程中對不同方向滲透系數(shù)進行研究目前還鮮有報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)滲透系數(shù)方向性測試及可視化系統(tǒng)，可以針對致密巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)中沿不同方向裂隙的滲透系數(shù)進行定量測試，同時還可以針對裂隙網(wǎng)絡(luò)中流體沿不同方向裂隙的滲流過程進行可視化研究。

技術(shù)方案：巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)滲透系數(shù)方向性測試及可視化系統(tǒng)，其特征在于：包括三維云臺、水源、注射泵、裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊、夾持式流入/出接口、滲出水稱重系統(tǒng)、滲流可視化系統(tǒng)；其中，所述裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊包括上下層玻璃板以及位于中間層的含裂隙網(wǎng)絡(luò)的玻璃板，所述上下層玻璃板以及含裂隙網(wǎng)絡(luò)的玻璃板均為正n邊形，n為偶數(shù)，含裂隙網(wǎng)絡(luò)的玻璃板的邊長大于等于所述上下層玻璃板的邊長；所述上層玻璃板的下表面四周和下層玻璃板的上表面四周設(shè)有密封膠；

所述裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊水平置于所述三維云臺上，所述裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊的每條邊上均連接有夾持式流入/出接口，每個夾持式流入/出接口均包裹住所述裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊的一側(cè)邊，所述夾持式流入/出接口與裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊接觸的邊緣均設(shè)有密封膠；所述裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊的相對兩條側(cè)邊上，一個夾持式流入/出接口通過導(dǎo)水管連接注射泵后連接水源，另一個夾持式流入/出接口通過導(dǎo)水管連接滲出水稱重系統(tǒng)；所述滲流可視化系統(tǒng)設(shè)置于所述裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊的正上方。

進一步，所述夾持式流入/出接口內(nèi)設(shè)有正對導(dǎo)水管連接口的溢流板。

進一步，所述滲出水稱重系統(tǒng)包括收集容器、電子稱和計算機，收集容器用于收集裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊中滲流出的水，收集容器置于電子稱上，計算機和電子稱相連用于實時稱量并記錄滲出水的質(zhì)量。

進一步，所述導(dǎo)水管連接所述水源端設(shè)有過濾裝置。

進一步，包括如下實驗步驟：

1)首先制作裂隙網(wǎng)絡(luò)玻璃板，然后組裝裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊并連接整個試驗系統(tǒng)；

2)利用三維云臺將裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊調(diào)整至完全水平，并利用真空泵抽出裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊中的空氣；

3)選定裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊上一個方向，打開該方向相對兩條邊連接的夾持式流入/出接口上的開關(guān)，并打注射泵向裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊中注入滲流水，待滲出水流量穩(wěn)定后，通過滲出水稱重系統(tǒng)采集單位時間內(nèi)所測裂隙方向滲出水的質(zhì)量；

4)根據(jù)所測裂隙方向單位時間內(nèi)滲出水的質(zhì)量計算出裂隙網(wǎng)絡(luò)沿這一裂隙方向的滲透系數(shù)；

5)將水源換為有色染液，通過滲流可視化系統(tǒng)觀測并計算單位時間內(nèi)有色染液在裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊中沿不同裂隙方向的流動距離；

6)更換裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊的其他方向，重復(fù)步驟3)至步驟5)。

進一步，所述步驟1)中，裂隙網(wǎng)絡(luò)玻璃板是在玻璃板上用水刀切割或玻璃刀刻畫或物理打擊制備得到裂隙網(wǎng)絡(luò)。

有益效果：1、本發(fā)明首次公開了針對裂隙巖體滲透系數(shù)方向性研究的定量測試系統(tǒng)，填補了以往的技術(shù)空白。

2、本發(fā)明中的裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊很好地解決了滲流試驗中水流的滲漏問題；同時裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊中的含裂隙網(wǎng)絡(luò)玻璃板制作方便，成本低廉。

3、含裂隙網(wǎng)絡(luò)玻璃板很好地適應(yīng)了研究的多樣性問題，其中的裂隙生成方法具有多樣性，既可以是根據(jù)研究需要進行自定義的、可以是根據(jù)工程現(xiàn)場的圖像提取的、也可以是通過隨機的方法自動生成的，相應(yīng)的裂隙的各項參數(shù)也是可以根據(jù)研究的需要改變的，比如裂隙的角度、跡長、開度、粗糙度及分布位置等，可以針對不同的試驗?zāi)康闹谱飨鄳?yīng)的含裂隙網(wǎng)絡(luò)玻璃板即可，試驗系統(tǒng)的其余部分均可重復(fù)使用，增強了測試系統(tǒng)的適用范圍。

4、夾持式流入/出接口內(nèi)設(shè)有溢流板，有效提高試驗精度；夾持式流入/出接口與裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊連接緊密并涂有密封膠，防止?jié)B流試驗中水流滲漏。

5、利用高精度CCD相機和計算機組成的可視化系統(tǒng)具有拍攝速度快，圖像精度高，成像清晰的特點，為試驗現(xiàn)象記錄及試驗過程對比提供了新的技術(shù)手段。

附圖說明

圖1為裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流各向異性測試及可視化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊；

圖3(a)為可夾持式流入/出接口整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖3(b)為可夾持式流入/出接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。

如圖1所示，巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)滲透系數(shù)方向性測試及可視化系統(tǒng)包括三維云臺1、水源2、注射泵4、裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊5、夾持式流入/出接口6、滲出水稱重系統(tǒng)7、滲流可視化系統(tǒng)11。

如圖2所示，裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊5包括上下層玻璃板14，16以及位于中間層的含裂隙網(wǎng)絡(luò)的玻璃板15，上下層玻璃板14，16分別從上下兩側(cè)夾緊含裂隙網(wǎng)絡(luò)的玻璃板15。上下層玻璃板14，16以及含裂隙網(wǎng)絡(luò)的玻璃板15均為正n邊形，n為偶數(shù)，含裂隙網(wǎng)絡(luò)的玻璃板15的邊長等于或略大于上下層玻璃板14，16的邊長。上層玻璃板14的下表面四周和下層玻璃板16的上表面四周設(shè)有密封膠，三層玻璃水平疊放并正對設(shè)置，密封膠實現(xiàn)裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊的整體防水，即當(dāng)巖塊很致密，時，網(wǎng)絡(luò)裂隙模型認(rèn)為巖塊本身不透水。本實施例中上下層玻璃板14，16以及含裂隙網(wǎng)絡(luò)的玻璃板15均為正6邊形。

裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊5水平置于三維云臺1上，裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊5的每條邊上均連接有一個夾持式流入/出接口6，每個夾持式流入/出接口6均包裹住裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊5的一側(cè)邊，夾持式流入/出接口6與裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊5接觸的邊緣均設(shè)有密封膠。當(dāng)含裂隙網(wǎng)絡(luò)的玻璃板15的邊長略大于上下層玻璃板14，16的邊長時，能夠更方便的利用夾持式流入/出接口6夾緊含裂隙網(wǎng)絡(luò)玻璃板15邊緣凸出的部分，其能夠達到更好的密封效果。

裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊5的相對兩條側(cè)邊上，一個夾持式流入/出接口6通過導(dǎo)水管19連接注射泵4后連接水源2，另一個夾持式流入/出接口6通過導(dǎo)水管19連接滲出水稱重系統(tǒng)7，導(dǎo)水管19連接水源2端設(shè)有過濾裝置3，過濾裝置3的作用是對水源中的雜質(zhì)進行過濾，防止雜質(zhì)進入裂隙網(wǎng)絡(luò)后將裂隙堵塞。滲流可視化系統(tǒng)11設(shè)置于裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊5的正上方。

滲出水稱重系統(tǒng)7包括收集容器8、電子稱9和計算機10，收集容器8用于收集裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊5中滲流出的水，收集容器8置于電子稱9上，計算機10和電子稱9相連用于實時稱量并記錄滲出水的質(zhì)量。

如圖3(a)和夾子內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，外部除夾子口部外其余部分密封良好，在與口部相對的一側(cè)通過預(yù)留孔外接導(dǎo)水管19，可以實現(xiàn)水流從水源經(jīng)由夾持式流入/出接口6而流入/出裂隙。如圖3(b)所示，夾持式流入/出接口6內(nèi)設(shè)有正對導(dǎo)水管19連接口的溢流板18，當(dāng)流入夾持式流入/出接口6內(nèi)的水達到一定量后溢過溢流板流入裂隙，溢流板對水流具有緩沖作用，能夠保證不同裂隙口處的水壓力相同。

基于上述巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)滲透系數(shù)方向性測試及可視化系統(tǒng)，包括如下實驗步驟：

1)首先制作裂隙網(wǎng)絡(luò)玻璃板15，即制作試驗所需的含裂隙網(wǎng)絡(luò)的六邊形玻璃板和兩塊六邊形玻璃板，然后組裝裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊5并連接整個試驗系統(tǒng)。其中，裂隙網(wǎng)絡(luò)玻璃板15是在玻璃板上用水刀切割或玻璃刀刻畫或物理打擊制備得到裂隙網(wǎng)絡(luò)，裂隙網(wǎng)絡(luò)沿其厚度方向是完全貫通的，用來模擬巖體中的裂隙網(wǎng)絡(luò)。裂隙網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)研究需要進行自定義的、可以是根據(jù)工程現(xiàn)場的圖像提取的、也可以是通過隨機的方法自動生成的。相應(yīng)的裂隙的各項參數(shù)也可以根據(jù)研究的需要而改變，比如裂隙的傾角、跡長、開度、粗糙度及分布位置等。

2)利用三維云臺1將裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊5調(diào)整至完全水平，從而排除水流重力對試驗結(jié)果的影響；并利用真空泵抽出裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊5中的空氣，防止水在裂隙網(wǎng)絡(luò)中滲流的過程中產(chǎn)生氣泡影響試驗結(jié)果；

3)選定裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊5上一個方向，打開該方向相對兩條邊連接的夾持式流入/出接口6上的開關(guān)17，并打注射泵4向裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊5中注入滲流水。在夾持式流入/出接口6中，當(dāng)從注射泵4供給的水量達到一定量后流過溢流板，流入裂隙，能夠保證同一入口處裂隙的水壓力相同。待相對的夾持式流入/出接口6滲出水流量穩(wěn)定后，通過滲出水稱重系統(tǒng)7采集單位時間內(nèi)所測裂隙方向滲出水的質(zhì)量。

4)一定時間后關(guān)閉注射泵，根據(jù)所測裂隙方向單位時間內(nèi)滲出水的質(zhì)量計算出裂隙網(wǎng)絡(luò)沿這一裂隙方向的滲透系數(shù)；

5)將水源2換為有色染液，再次打開注射泵4及相同的可夾持式流入/出容器向裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊中注入有色染液，通過滲流可視化系統(tǒng)11觀測并計算單位時間內(nèi)有色染液在裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊5中沿不同裂隙方向的流動距離。滲流可視化系統(tǒng)11包括高精度CCD相機12和計算機13，通過高精度CCD相機12按照一定的頻率對裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊5的表面進行拍照，通過對得到的照片進行圖像處理可以計算一定時間間隔內(nèi)水流在裂隙內(nèi)的流動距離，流動距離越大，則表明該方向裂隙的滲透系數(shù)越大。利用該方法，可實現(xiàn)對流體在巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)中沿不同裂隙流動過程的滲透系數(shù)各向異性的直觀觀測，實現(xiàn)裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流過程各向異性可視化研究。有色染液的濃度應(yīng)要能順暢的從裂隙網(wǎng)絡(luò)通過，本實施例選取0.5g/L的紅色染液。

6)更換裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊5的其他方向，重復(fù)步驟3)至步驟5)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。