[發明專利]巖石裂隙滲流過程中流速和流場的可視化測量裝置及方法

有效

• 申請號: 202110075459.8
• 申請日: 2021-01-20
• 公開（公告）號: CN112903557B
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 何磊;戴旭;陳艦
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01P5/00;G01P5/20;G01M10/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 石艷紅

本發明公開了一種巖石裂隙滲流過程中流速和流場的可視化測量裝置及方法，包括透明裂隙巖體、巖體裝夾組件、滲流組件和觀察組件；透明裂隙巖體采用透明材質制成；巖體裝夾組件用于裝夾透明裂隙巖體；滲流組件用于向裂隙中充填添加有熒光粒子的無機鹽溶液，無機鹽溶液的折射率與透明裂隙巖體的折射率相同或相近；觀察組件包括燈源和高速相機。本發明能夠真實完整地刻畫出天然裂隙巖體結構面的真實形態，并能更精準地研究流體在裂隙巖體中的滲流狀態。另外，本實驗裝置和方法還可以用來研究不同水力梯度、不同裂隙開度、以及不同粗糙度的巖石裂隙節理面的滲流規律，并對其裂隙面的流速和流場的分布實現可視化的觀測。

技術領域

本發明涉及巖土工程中巖石裂隙滲透性研究領域，特別是一種巖石裂隙滲流過程中流速和流場的可視化測量裝置及方法。

背景技術

巖體中的裂隙是廣泛存在的，裂隙是影響巖體滲透特性的主要因素，而對于單一裂隙的研究是理解巖體滲透性的基礎。裂隙巖體滲透性的研究在巖土工程以及地質工程領域占有重要的地位，比如邊坡治理、水利水電、礦山開采、隧道和巷道的注漿加固、道路的修復。

為了實現對裂隙巖體中滲流過程的觀測，常采用的可視化研究方法，現有的裂隙巖體滲流過程可視化監測裝置及方法為用有色溶液，如紅色溶液流過類巖石的透明材料，然后用相機記錄有色溶液在透明巖石裂隙中的滲流過程。

然而該方法未能實現對于裂隙巖體中流體的流速、流場、以及流動狀態的全面分析；不能觀測到當裂隙巖體中形成穩定滲流過程時，其裂隙中微觀流體滲流狀態。因此，巖石裂隙滲流過程中流速、流場、以及流動狀態的可視化試驗這一領域得到關注，這對于掌握復雜地質條件下巖體滲流演化特征以及對于裂隙巖體的滲流控制都具有重要的理論和工程意義。

目前，也有采用透明巖石和高速相機捕捉透明巖石裂隙中有色粒子的方法，來研究裂隙中的滲流過程。其中，透明巖石的制作方法，主要包括雕刻亞克力（PMMA）板材法和3D打印光敏樹脂法。

雕刻亞克力（PMMA）板材法，主要是通過分形函數控制的巖石裂隙的粗糙程度，來研究不同粗糙度的巖石單裂隙通道對滲流過程的影響。其具體做法是：將控制粗糙度的分形函數輸入到激光切割設備中，然后通過已有的分形函數控制單裂隙的寬度、深度以及形態，實驗過程中通過高速相機捕捉到紅色液體在裂隙中的不同時刻的滲流過程，從而實現對不同粗糙度的巖石裂隙中的滲流過程進行可視化的定量研究。然而，這種方法還存在著如下不足：

①、由于真實巖體裂隙面相當復雜，并不是用一定的函數關系就可以描述刻畫清楚的。

②、現有的雕刻工藝由于受限于刀頭的精度很難滿足雕刻出復雜微裂隙巖體的真實形貌。

③、通過有色液體研究流體在裂隙通道中的滲流過程，只能研究有色液體在還未充填滿單裂隙通道中的運移狀態，當單裂隙巖體中形成穩定滲流狀態時，其裂隙中的滲流狀態將無法判斷。

3D打印光敏樹脂法主要是通過將Python生成的分形函數的點云文件，點的間隔、精度均優選為0.1mm，通過將擬合的點云數據導入3D打印機中建立裂隙粗糙表面，再將粗糙的表面平移一定的距離以形成一定寬度的裂隙通道；從而可以研究流體（優選為紅色液體）經過粗糙的裂隙表面的流動狀態。然而，這種方法還存在著如下不足：

①、點的間隔和精度為0.1mm，而實際天然巖石的裂隙的所要求的精度遠高于此，通過該精度打印出來的透明巖石并不能完全反應出天然裂隙巖體的真實形貌。

②、通過有色液體研究流體在裂隙通道中的滲流過程，只能研究有色液體在還未充填滿單裂隙通道中的運移狀態，當單裂隙巖體中形成穩定滲流狀態時，其裂隙中的滲流狀態將無法判斷。

因而，急需研究一種可視化的測量裝置，用于真實完整地刻畫出天然裂隙巖體結構面的真實形態，并能更精準地研究流體在裂隙巖體中的滲流狀態。

發明內容