一种可循环粗糙裂隙高速渗流试验装置

1、说明书摘要本发明公开了一种可循环粗糙裂隙高速渗流试验装置，是由裂隙试件主体部分、供压系统、流量调节系统、缓水稳压系统、引流固定系统、压力测量系统、流量测量系统所组成。其特征是：试验过程中水流由增压泵获得高水压水头，水流通过裂隙后流入上水槽，然后通过三角堰流入下水槽，实现循环水流效果；在裂隙上、中、下游安装精密水压传感器测量三点处的水压，解决裂隙过流水压差测量问题；粗糙裂隙两测预留光滑平槽，通过更换标准厚度橡胶垫片，解决裂隙开度调整问题；粗糙裂隙进出水口位置分别安装端帽，端帽开水平缝，两个端帽通过长螺杆拉紧固定，解决了引流和密封的问题；利用水位测针读取上水槽水面高度，通过三角堰流量计算公式计算流

2、量，解决了试验过程中流速较大流量不易测量问题。摘要附图权利要求书1、一种可循环粗糙裂隙高速渗流试验装置，是由裂隙试件主体部分、供压系统、流量调节系统、缓水紊压系统、固定引流系统、压力测量系统、流量测量系统所组成。其特征是：试验过程中下水槽（1）中水流由增压泵（2）获得高水压水头，调压阀门（3）调节水流流量，水流通过裂隙主体试件（7）后流入上水槽（8），然后水流通过溢流三角堰（9）流入下水槽，实现循环水流效果；在裂隙主体（7）上、中、下游安装精密水压传感器（6）测量三点处的水压，通过计算获得裂隙过流水压差，更进一步计算得到水力梯度；粗糙裂隙两测预留光滑平槽，通过更换标准厚度橡胶垫片，进行裂隙开度

3、调节，研究裂隙开度对渗流特性的影响；粗糙裂隙进出水口位置分别安装端帽（5），端帽开水平缝，引导水流进入裂隙，两个端帽内垫密封垫圈，通过长螺杆拉紧固定达到不渗水目的；通过水位测针读取三角堰（9）上水槽水位高度，利用三角堰流量计算公式计算流量大小。2、根据权利要求1所述的一种可循环粗糙裂隙高速渗流试验装置，其特征是，试验过程中水流实现自循环，不用额外供水。3、根据权利要求1所述的一种可循环粗糙裂隙高速渗流试验装置，其特征是，通过增加缓水箱（4）实现稳定水流的目的，使水压力传感器获得较稳定的水压值。4、根据权利要求1所述的一种可循环粗糙裂隙高速渗流试验装置，其特征是，可以通过更换不同厚度的标准厚度橡

4、胶垫片实现裂隙开度的调节。5、根据权利要求1所述的一种可循环粗糙裂隙高速渗流试验装置，其特征是，通过增加裂隙两端开有水平缝的出入水口端帽（5）实现水流引流、固定、密封的目的。说明书一种可循环粗糙裂隙高速渗流试验装置技术领域本发明属于土木工程技术领域，特别涉及一种可循环粗糙裂隙高速渗流试验装置。背景技术我国西南地区水电资源丰富，是国家未来一段时间大规模开发的重点，域内多高山峡谷，喀斯特地貌分布广泛，深部岩体中裂隙较发育，工程建设过程中多次发生高压隐伏水突水突泥事故。如何解决岩溶地区含高压隐伏水体深部裂隙岩体地层中修建大型水电隧洞工程中遇到的突水灾害问题，成为我国水电及岩土工程领域的迫切问题。岩体

5、的天然裂隙结构与渗流行为异常复杂，岩体裂隙渗流机制与定量描述一直是岩土、矿业、地质、石油及天然气工程高度关注的难点问题。在以往的工程实践中，大多采用线性达西渗流定律计算岩体突水量。然而大量科学试验和工程实例表明，特定条件下岩体裂隙中的渗流已经不再遵循达西定律，呈一种非线性运动规律，此时如仍采用线性达西定律进行突涌水量的预测，必然存在较大误差，目前岩体渗流力学对于粗糙裂隙高速渗流特性的研究较少，还没有统一的准则来描述粗糙裂隙非达西流水力性质。如能通过试验来模拟粗糙岩体裂隙高速非达西渗流的运动，则将为研究岩体裂隙高速非达西渗流运动规律提供强有力的支持。本发明之前，对岩体裂隙渗流的研究分为理论研究、

6、室内试验以及数值试验研究，由于岩体高速非达西渗流特性较复杂，目前开展的研究较少尤其试验研究较少，分析原因主要是试验条件要求较为苛刻，以往的高速非达西渗流研究主要是在高压三轴渗流试验仪及其他进口测试仪器上完成，可以获得较好的试验效果，但是高压三轴渗流试验仪试验主要是分析应力应变对裂隙渗流特性的影响，难以控制裂隙开度的变化，因此无法开展裂隙开度对渗流特性的影响，并且由于传统高压三轴渗流试验仪对试件尺寸规格要求较高，加工难度大，渗径长度较短，局限性较大。发明内容本发明的目的就在于克服现有技术不足，提供一种准确便捷的、能真实准确反映粗糙岩体裂隙高速渗流过程的一种可循环粗糙裂隙高速渗流试验装置。储水槽下

7、水槽中的水通过增压泵获得高水压水头，利用精密调压阀门调节入水流量进入缓水箱，稳定的水流通过端帽进入水平粗糙裂隙，在裂隙上、中、下游预埋测孔处安装精密水压传感器，测量裂隙各测点处水流的压力，通过计算求得压力差和水力梯度，水流流过裂隙通过导管引入流量测量槽上水槽，上水槽与下水槽之间由直角三角堰隔开，利用三角堰溢流原理，通过读取三角堰上水槽水位高度，可以计算出水流流量及流速，一组试验完毕后，更换裂隙内标准橡胶垫片厚度，实现裂隙开度调节的目的。本发明一种可循环粗糙裂隙高速渗流试验装置，其特征是：试验过程中利用增压泵使水流获得高水压水头，改变以往通过提高水箱高度增加水压的方法；粗糙裂隙进出水口位置分别安

8、装端帽，端帽开水平缝，两个端帽通过长螺杆拉紧固定，引流流入裂隙；水流通过裂隙后流入上水槽，然后通过三角堰流回下水槽，可以实现水流自循环效果；在裂隙上、中、下游安装精密水压传感器测量三点处的水压，计算获得裂隙过流水压差和水力梯度；粗糙裂隙两测预留光滑平槽，通过更换标准厚度橡胶垫片，调整裂隙开度，研究裂隙开度对渗流特性的影响；利用水位测针读取上水槽水面高度，通过三角堰流量计算公式计算流量，解决流量测量问题。一种可循环粗糙裂隙高速渗流试验装置包括以下技术步骤：1、试验开始前，先制备试验的粗糙裂隙试件； 2、准备好不同标准厚度的橡胶垫片；3、橡胶垫片安放：安放在试件两侧平槽中，以形成相应要求的裂隙开度

9、，然后用管夹将上下试件固定，并用螺栓拧紧以防漏水和水压破坏；4、裂隙开度测量：完成试件和垫片的安装后，此时再次用游标卡尺对裂隙宽度进行多点测量取平均值；5、裂隙密封操作：在进水口端帽和出水口端帽中也各涂抹上玻璃胶，垫入防水垫圈，以达到密封时不透水的目的；6、安装端帽操作：将试件装入进水口端帽中，盖上出水口端帽，穿入四根长螺杆进行固定，前后用螺帽拧紧固定；7、密封性检查：连接进水水管和出水管，先验证试验装置的密封性是否满足要求，若不满足则用快干密封胶进行补救措施；8、试验操作及读取数据：密封性满足要求后将调压阀门从小到大进行调节，待上游数显计指数发生变化时，等待一段时间，等三角堰上游水位稳定再读

10、取水位测针读数，并记录水压传感器上中下游读数和测针读数；9、完成一组试验数据的测量后，卸下水泥裂隙试件，更换橡胶垫片重复步骤38，进行下一裂隙开度的试验数据的测量；10、完成所有开度试验数据的测量后，卸下水泥裂隙试件，进行下一试件的试验数据的测量；11、重复试验步骤210的操作，直至完成所有裂隙试件的测量为止；12、所有试验完成后，卸下裂隙试件和试验装置，归置好所有试验用具。本发明的优点和效果在于：（1）试验装置利用增压泵使水流获得高水压水头，提高了传统试验所能达到的水压值，本发明克服了以往通过提高水箱高度增加水压的方法面临的局限性，避免了室内增压等繁琐过程，使进行高水压渗流试验成为可能。（2

11、）试验装置中粗糙裂隙进出水口位置分别安装了自制的圆形端帽，端帽开水平缝，可以引导水流流入裂隙和流出裂隙，两个端帽内垫防水垫层，通过长螺杆拉紧固定，解决了以往试验中密封效果不好的问题，保障试验顺利进行。（3）试验装置在试验过程中水流通过裂隙后流入上水槽，然后通过三角堰流回下水槽，可以实现水流自循环效果，解决以往进行高水压渗流试验需随时额外供水的问题，提高了试验效率，节约了研究成本。（4）试验装置在压力测量方面进行创新，在裂隙上、中、下游安装精密水压传感器测量三点处的水压，以此来计算获得裂隙过流水压差和水力梯度，获得的压力值精确稳定，提高了试验的精度。（5）试验装置通过在粗糙裂隙试验试件两测预留光

12、滑平槽，通过更换标准厚度橡胶垫片，调整裂隙开度，可以进行裂隙开度对渗流特性影响的研究；（6）由于进行高水压裂隙渗流试验，试验过程中水流速度较快，流量较大，传统体积法进行流量测量不现实，利用三角堰溢流原理，通过三角堰流量计算公式计算流量，可以获得较为准确的流量瞬时值。本发明工序简明，在流体动力学的基础上，基于以往高速裂隙渗流试验理论研究成果，发明了一种较为简单的高水压粗糙裂隙渗流试验装置，装置组装操作方便、计算简单、经济高效，可以保证试验顺利进行。本发明的优点和效果还将在具体实施方式中进一步描述。附图说明：本发明附图是一种可循环粗糙裂隙高速渗流试验装置结构图。本发明的保护范围并不以具体实施方式为

13、限，而是由权利要求加以限定。具体实施方式下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明。如图所示：下水槽1、增压泵2、调压阀门3、缓水箱4、出入水口端帽5、精密水压传感器6、裂隙主体7、上水槽8、三角堰9。本发明实施的具体技术步骤包括： 步骤1，试验开始前，先制备试验的粗糙裂隙试件，确保用于试验的水泥裂隙试件已经养护28天，水泥试块强度至少达到70%； 步骤2，提前准备好不同标准厚度的橡胶垫片，以标准厚度的橡胶垫片使裂隙形成一定的开度，在裂隙试件两侧平槽和橡胶垫片上分别涂抹一层薄薄的玻璃胶，以达到较好的密封效果；步骤3，橡胶垫片安放：将标准厚度橡胶垫片安放在试件两侧平槽中，合上水泥试件的上下面，以形

14、成相应要求的裂隙开度，然后用管夹将上下试件固定，并用螺栓拧紧以防漏水和水压破坏；步骤4，裂隙开度测量：完成试件和垫片的安装后，此时再次用游标卡尺对裂隙宽度进行多点测量取平均值，并记录下来作为最终的裂隙宽度，此时裂隙主体部分7制成；步骤5，裂隙密封操作：在进水口端帽和出水口端帽中也各涂抹上玻璃胶，垫入防水垫圈，以达到密封时不透水的目的；步骤6，安装端帽5操作：将试件装入进水口端帽中，盖上出水口端帽，穿入四根长螺杆进行固定，前后用螺帽拧紧固定，将水压力传感器6安装在裂隙上测点位置；步骤7，连接进水水管和出水管，再次检查各管夹和螺栓是否固定紧，打开增压泵2电源开关，用调压阀门3从小到大调节水泵流量，打开缓水箱4排气阀排出缓水箱内空气，先验证试验装置的密封性是否满足要求，若不满足则用快干密封胶进行补救措施；步骤8，试验操作及读取数据：密封性满足要求后将调压阀门3从小到大进行调节，待上游测压孔传感器6数显计指数发生变化时，等待一段时间，等上水槽8水位稳定后再读取水位测针读数，并记录水压传感器6上中下游读数和测针读数，利用三角堰