一种岩体裂隙充填介质流失过程的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及岩体裂隙岩体裂隙渗流-剪切耦合试验技术领域，更具体地说，涉及一种岩体裂隙充填介质流失过程的试验装置及试验方法。

背景技术

水电资源是我国重要的战略性资源，2060年我国计划水电装机容量将翻倍达到7.0亿KW，期间需要建设大批高坝大库工程和抽水蓄能工程。裂隙岩体广泛存在于高坝工程坝基、坝肩和岸坡等关键部位，高水头作用下库区裂隙岩体的渗透稳定性严重影响着库坝系统的正常运行。然而由于试验方法和试验设备的限制，目前针对岩体裂隙渗透特性的研究多在无充填裂隙中进行，缺乏对充填裂隙，尤其是充填物流失过程中的渗流特性分析，并且剪切环境下裂隙内部充填介质分布和变化状态更为复杂。目前渗流-剪切耦合试验在封闭剪切盒中进行，无法在裂隙中布置充填物，也无法收集充填物流失量。鉴于此，我们提出一种岩体裂隙充填介质流失过程的试验装置及试验方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩体裂隙充填介质流失过程的试验装置及试验方法，以解决上述背景技术中提出的问题：

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种岩体裂隙充填介质流失过程的试验装置，包括剪切盒，所述剪切盒包括上装配件和下装配件；

所述上装配件顶部设置有滑移板，所述滑移板顶部设置有第一加载轴，所述上装配件位于其中一个出水口一侧设置有第二加载轴；

所述下装配件底部开设有注水口，所述下装配件顶面两侧均开设有出水口，所述出水口连接有固液分离组件。

优选地，所述出水口通过出水管与固液分离组件连接；

所述注水口通过进水管与水箱连接，所述进水管上设置有压力表，所述水箱上连接有空气压缩机。

优选地，所述固液分离组件包括收集桶A和收集桶B，所述收集桶A和收集桶B底部进设置有电子秤，所述收集桶A和收集桶B靠近顶部的位置通过连接管互相连通。

优选地，还包括数据采集平台，所述数据采集平台与固液分离组件电性连接。

优选地，所述下装配件一侧设置有固定轴；

所述下装配件顶面的过流面设置为斜面。

优选地，所述斜面的坡比为0.05弧形坡度。

一种岩体裂隙充填介质流失过程的试验方法，包括如下步骤：

配置上试件和下试件；

将上试件和下试件分别放入上装配件和下装配件中，并在上试件和下试件之间布置充填介质，充填介质为固体；

将剪切盒放入剪切仪中，将第一加载轴顶在滑移板顶面，将第二加载轴定在上装配件一侧；

利用加压系统为注水口通水，水流从剪切盒底部流入下试件的裂隙，横向通过裂隙面，水与充填介质的混合物从下装配件顶面的过流面流向出水口；

水与充填介质的混合物由出水管流入固液分离组件中，对水和充填介质进行分离，并分别称重，记录在数据平台，根据记录的数据能够得到各时间流失的充填介质质量和水渗流质量。

优选地，水和充填介质进行分离包括：

收集桶A试验前为满水状态，收集桶A液面与收集桶A和收集桶B之间的连接管平齐，水与充填介质的混合物流出裂隙后进入收集桶A后充填介质下沉，裂隙内流出的水流则溢流至收集桶B，实现水与充填介质分离，通过电子秤分别测量累计充填介质质量和水质量，并记录在数据采集平台。

优选地，各时间流失的充填介质质量和水渗流质量包括：

设置多个时间点，对累计数据进行差值处理，得到各时间点流失的充填介质质量和水渗流质量。

优选地，分析水渗流量和充填介质流失量之间的关系，可得到充填介质流失对充填裂隙渗流特性的影响机制，进而建立相应渗流模型。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的开放式溢流型剪切盒和水砂分析装置，可以实现充填裂隙渗流-剪切耦合试验，并且能够在试验过程中获得砂样和水流的质量累计曲线，实现充填裂隙渗流-剪切耦合分析。通过剪切盒采用这种开放式溢流型剪切盒结构，可以不用对剪切盒进行密封，使操作更为简单。

(2)本发明可以在充填裂隙渗流-剪切耦合试验分析中，该方法可以分析渗流-剪切耦合作用下裂隙充填介质和渗流量的变化规律，通过试验结果建立的考虑充填介质分布和流失的渗流-剪切耦合模型可应用至充填岩体裂隙渗流及稳定分析，能够为水利水电工程岩体渗流特性分析提供理论基础。

附图说明

图1为本发明的岩体裂隙充填介质流失过程的试验装置整体结构示意图；

图2为本发明的剪切盒侧剖示意图；

图3为本发明的上装配件仰视示意图；

图4为本发明的下装配件俯视示意图。

图中标号说明：1、剪切盒；101、下装配件；102、上装配件；103、滑移板；104、出水口；105、固定轴；106、加载轴进口；107、注水口；2、出水管；3、收集桶A；4、收集桶B；5、电子秤；6、空气压缩机；7、水箱；8、压力表；9、数据采集平台；10、进水管；11、第一加载轴；12、第二加载轴；13、上试件；14、下试件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

请参阅图1-4，一种岩体裂隙充填介质流失过程的试验装置，包括剪切盒1，剪切盒1为开放式溢流型剪切盒，剪切盒1包括上装配件102和下装配件101；分别用于装上试件和下试件，即上下岩块，岩块中间为裂隙。

上装配件102顶部设置有滑移板103，滑移板103顶部设置有第一加载轴11，上装配件102位于其中一个出水口104一侧设置有第二加载轴12，下装配件101位于第二加载轴12一侧开设有加载轴进口106，第二加载轴12位于加载轴进口106顶面；第一加载轴11和第二加载轴12分别为剪切盒1提供竖直和横向的力。

其中，剪切盒1采用这种开放式溢流型剪切盒结构，可以不用对剪切盒进行密封，传统的剪切盒都是要密封的，这样操作更为简单。

下装配件101底部开设有注水口107，水流从注水口107流入两个岩块之间的裂隙，并横向通过裂隙面，下装配件101顶面两侧均开设有出水口104，出水口104连接有固液分离组件，水与充填介质的混合物经过下装配件101顶面的裂隙面流向出水口104，进入固液分离组件，实现水和充填介质的分离。

本申请中，出水口104通过出水管2与固液分离组件连接，水与充填介质的混合物经过出水口104流经出水管2然后流入固液分离组件中；

注水口107通过进水管10与水箱7连接，进水管10上设置有压力表8，水箱7上连接有空气压缩机6，利用空气压缩机6将水箱7中的水从进水管10通入注水口107中。

本申请中，固液分离组件包括收集桶A3和收集桶B4，收集桶A3和收集桶B4底部进设置有电子秤5，收集桶A3和收集桶B4靠近顶部的位置通过连接管互相连通，水与充填介质的混合物通过出水管2进入收集桶A，收集桶A试验前为满水状态，收集桶A液面与收集桶A和收集桶B之间的连接管平齐，水与充填介质的混合物流出裂隙后进入收集桶A后充填介质下沉，裂隙内流出的水流则溢流至收集桶B，实现水和充填介质分离。

本申请中，还包括数据采集平台9，数据采集平台9与固液分离组件电性连接。数据采集平台9用于记录各个时间，收集桶A3和收集桶B4中充填介质的质量和水的质量。

本申请中，下装配件101一侧设置有固定轴105；

下装配件101顶面的过流面设置为斜面。其中，斜面的坡比为0.05弧形坡度，保证水与充填介质的混合物顺畅流向出水口104，不滞留在过流面。

本发明利用空气压缩机6将水箱7中的水从进水管10通入注水口107中，水流从注水口107流入两个岩块之间的裂隙，并横向通过裂隙面，水与充填介质的混合物经过下装配件101顶面的裂隙面流向出水口104，通过出水管2进入收集桶A3，收集桶A3试验前为满水状态，收集桶A3液面与收集桶A3和收集桶B4之间的连接管平齐，水与充填介质的混合物流出裂隙后进入收集桶A3后充填介质下沉，裂隙内流出的水流则溢流至收集桶B4，实现水和充填介质的分离，并通过两个电子秤5分别记录各时刻的收集桶A3和收集桶B4中充填介质的质量和水的质量，对各个时间点累计数据进行差值处理，得到各时间点流失的充填介质质量和水渗流质量，分析水渗流质量和充填介质流失量之间的关系，可得到充填介质流失对充填裂隙渗流特性的影响机制，进而建立相应渗流模型。本发明的开放式溢流型剪切盒，可以实现充填裂隙渗流-剪切耦合试验，并且能够在试验过程中获得充填介质和水流的质量累计曲线，实现充填裂隙渗流-剪切耦合分析。

实施例2：

一种岩体裂隙充填介质流失过程的试验方法，包括如下步骤：

配置上试件13和下试件14；上试件13和下试件14即为上岩块和下岩块，岩块中间为裂隙。

将上试件13和下试件14分别放入上装配件102和下装配件101中，并在上试件13和下试件14之间布置充填介质，充填介质为固体，其中隙宽和充填介质类型可根据需求自行调整；本申请实施例的充填介质以细砂为例。

将剪切盒1放入剪切仪中，将第一加载轴11顶在滑移板103顶面，将第二加载轴12定在上装配件102一侧，如图2所示位置；

利用加压系统为注水口107通水，水流从剪切盒1底部流入下试件14的裂隙，横向通过裂隙面，水与充填介质的混合物从下装配件101顶面的过流面流向出水口104；下装配件101顶部的过流面设置坡比为0.05弧形坡度，保证水与充填介质的混合物顺畅流向出水口104，不滞留在过流面；出水口104分别设置在开放式溢流型剪切盒1两侧；

水与充填介质的混合物由出水管2流入固液分离组件中，对水和充填介质进行分离，并分别称重，得到水质量与砂质量，记录在数据平台，根据记录的数据能够得到各时间流失的充填介质质量和水渗流质量。

本申请中，在上试件13和下试件14之间布置细砂，水和细砂的混合物从出水管2流入固液分离组件中，细砂沉入收集桶A3中，水进入收集桶B4中，利用两个电子秤5分别记录各时刻的收集桶A3和收集桶B4的重量，对累计数据进行差值处理，得到各时间点流失的细砂质量和水渗流质量。

本申请中，水和充填介质进行分离包括：

收集桶A3试验前为满水状态，收集桶A3液面与收集桶A3和收集桶B4之间的连接管平齐，水与充填介质的混合物流出裂隙后进入收集桶A3后充填介质下沉，裂隙内流出的水流则溢流至收集桶B4，实现水与充填介质分离，即水和砂的分离，通过两个电子秤5分别测量不同时间点累计充填介质质量和水质量，并将称重数据记录在数据采集平台9。

本申请中，各时间流失的充填介质质量和水渗流质量包括：

设置多个时间点，对累计数据进行差值处理，得到各时间点流失的充填介质质量和水渗流质量。

本申请中，分析水渗流量和充填介质流失量之间的关系，可得到充填介质流失对充填裂隙渗流特性的影响机制，进而建立相应渗流模型。

本发明可以在充填裂隙渗流-剪切耦合试验分析中，获取充填介质流失量，分析充填介质流失过程以及和渗流量之间的关系，通过试验结果建立的考虑充填介质分布和流失的渗流-剪切耦合模型可应用至充填岩体裂隙渗流及稳定分析，能够为水利水电工程岩体渗流特性分析提供理论基础。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。