一种裂隙模型、裂隙介质非饱和渗流实验装置及方法

本发明涉及岩体裂隙介质渗流实验，特别是涉及一种裂隙模型、裂隙介质非饱和渗流实验装置及方法。

背景技术：

1、岩石裂隙介质中的非饱和渗流研究在地质工程、环境科学和水资源管理等领域具有重要意义。岩石裂隙介质是指具有裂隙网络的岩石，其中水流的行为不仅受基质孔隙的影响，还受到裂隙的强烈控制。非饱和渗流则是指在岩石介质中存在气相和水相的情况，即部分孔隙中充满空气，部分孔隙中充满水。在地下水资源管理方面，了解岩石裂隙介质中的非饱和渗流行为有助于准确预测地下水的运动和分布，从而优化水资源的利用和保护。在环境科学中，裂隙介质非饱和渗流研究对污染物的迁移和扩散过程有着关键影响。通过建立和优化模型，可以预测污染物在地下环境中的迁移路径和速率，为污染治理和风险评估提供科学依据。在地质工程领域，如隧道建设、矿山开采和地热开发等，了解非饱和渗流特性可以有效预防和控制地下水对工程的影响，确保工程安全和稳定性。例如，在隧道建设中，通过掌握岩石裂隙中的渗流规律，可以设计合理的排水系统，减少施工过程中的涌水风险。

2、然而，受制于岩体的不透明的特性，传统的裂隙介质非饱和渗流实验局限于获取裂隙基本物性参数如粗糙度，渗透率，相对渗透率等，无法捕捉非饱和流动过程。由于天然裂隙往往存在一定的倾角，因此非饱和渗流会显著受到重力影响，已有研究表明重力的存在使得流动行为出现雪崩流(被毛细力捕获在裂隙中的水流突然下渗的流动行为)，脉动流(裂隙中累积的水突然下渗后再累积的循环流动行为)。且在非饱和渗流过程中，由于粘滞力、重力、毛细力的共同作用，往往会使水-气界面呈现出复杂的几何特征，形成手指状的图案(粘性指进)，这一流动结构的形成使得渗流出现了明显的优势流动通道，对于高度发育的裂隙岩体而言，优势流动通道的存在则会显著减少地表水渗漏到深部地层的时间，造成地下水分布情况，污染物迁移路径的误判。

3、目前，关于裂隙介质非饱和渗流机理研究的对象仅局限于较为简单的几何结构，如平行板结构，少有考虑裂隙真实几何形貌，缺乏重力作用下的流动行为认识，相关的试验工作亟待开展。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种裂隙模型、裂隙介质非饱和渗流实验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过变更裂隙模型倾角，配合图像采集模块，实现了重力作用下的岩体裂隙非饱和渗流可视化观测。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种裂隙模型，包括：

4、裂隙面，所述裂隙面采用透明环氧树脂制成，两个所述裂隙面平行贴合连接，且两个所述裂隙面之间形成裂隙空间；

5、封闭层，位于所述裂隙面两侧，用于将两个所述裂隙面两侧固定密封连接；

6、进口腔体，固定设置于两个所述裂隙面一端，所述进口腔体一端与所述裂隙空间连通，另一端开设有流体进口；

7、出口腔体，固定设置于两个所述裂隙面另一端，所述出口腔体一端与所述裂隙空间连通，另一端开设有流体出口。

8、可选的，所述封闭层为采用胶水制成的胶粘层，所述胶粘层将两个所述裂隙面的侧边固定密封连接，且所述胶粘层一端将所述进口腔体固定密封粘结于所述裂隙面一端，所述胶粘层另一端将所述出口腔体固定密封粘结于所述裂隙面另一端。

9、可选的，还包括安装板，所述安装板为亚克力板，所述进口腔体、裂隙面和出口腔体被固定夹持于两个所述安装板之间，两个所述安装板的侧边处开设有同轴的螺纹孔，所述螺纹孔内穿设有螺栓。

10、本发明还提供一种裂隙介质非饱和渗流实验装置，包括：

11、底座，水平固定于实验台上；

12、裂隙模型固定板，其上表面用于固定如上所述的裂隙模型，所述裂隙模型固定板与所述底座之间的夹角能够调节；

13、储液瓶，设置于实验台上，其通过带阀门的管路与所述流体进口连通，能够经进口腔体向裂隙空间注入液体；

14、液体收集瓶，设置于电子天平上，其通过管路与所述流体出口连通，所述电子天平外接有电脑；

15、图像采集模块，设置于所述裂隙模型固定板上方，与所述裂隙模型固定板之间的距离能够调节，且所述图像采集模块轴线始终与所述裂隙模型固定板的表面垂直，所述图像采集模块与所述电脑通过线路连接。

16、可选的，所述裂隙模型固定板下表面固定设有led光源。

17、可选的，所述底座上固定设有竖直布置且向底座内侧弯曲的弧形导轨，所述裂隙模型固定板一端通过转轴与所述底座远离弧形导轨的一端转动连接，所述裂隙模型固定板另一端滑动连接于所述弧形导轨上，所述裂隙模型固定板远离转轴的一端设有紧固螺栓，所述紧固螺栓能够将所述裂隙模型固定板的端部固定于所述弧形导轨上。

18、可选的，所述图像采集模块包括垂直固定于所述裂隙模型固定板上表面的连接杆，所述连接杆上设有相机固定滑块，所述相机固定滑块末端固定设有相机，所述相机与所述电脑通过线路连接；所述相机固定滑块在所述连接杆上的位置能够调节。

19、可选的，所述实验台上设有升降架，所述升降架上滑动设有升降平台，所述储液瓶设置于所述升降平台上。

20、可选的，所述储液瓶为马氏瓶，所述马氏瓶侧壁设有刻度线，所述马氏瓶能够为实验提供稳定的水位。

21、本发明还提供一种裂隙介质非饱和渗流实验方法，包括如下步骤：

22、s1，制备透明环氧树脂材质的裂隙面；

23、s2，制作裂隙模型，将s1中制备得到的裂隙面组合在一起，侧面用胶水粘连以实现封水，同时利用胶水将进口腔体粘贴在裂隙面前端，将出口腔体粘贴在裂隙面后端；待固化24h后，将粘接好的裂隙面置放于两块亚克力板中央，拧紧螺栓后，将粘接好的裂隙面夹紧；

24、s3，模型固定，利用螺栓将裂隙模型固定在裂隙模型固定板上，调整裂隙模型固定板的倾角，拧紧紧固螺栓后，将裂隙模型固定板固定在弧形导轨上，从而完成裂隙模型固定；

25、s4，管路连接，拧紧阀门，向马氏瓶中注入水后放置于升降架上，调整升降架至设定高度，将裂隙模型的流体进口通过管路和阀门与马氏瓶连接，将裂隙模型流体出口通过另一管路与收集瓶连接，并将收集瓶置于电子天平上；

26、s5，成像质量调整，连接电脑和相机，打开led光源，调整相机固定滑块，以调整相机与裂隙模型之间的工作距离，待成像清晰后完成成像质量调整过程；

27、s6，进行重力作用下的裂隙介质非饱和渗流可视化实验，打开电子天平以记录质量流量，然后打开相机以实时记录非饱和渗流过程，确保电子天平和相机正常记录后，打开阀门，流体将会从马氏瓶中流出，经过裂隙模型后流入到收集瓶中，待到液体流动稳定后，关闭阀门，关闭相机和电子天平，实验完成。

28、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

29、本发明采用了透明裂隙模型作为实验对象，在确保裂隙几何结构能够反应岩体裂隙几何形貌的基础上，通过改变裂隙倾角，实现了重力作用下的裂隙介质非饱和渗流的可视化观测。相比于传统的岩芯实验，本发明可以通过变更裂隙倾角来考虑重力对非饱和渗流的流动行为影响。且传统岩芯实验采用ct、x射线来观测裂隙内的流动行为，其扫描时间长，设备成本高，无法实时观测非饱和渗流过程，而本实验方法采用的透明裂隙可以通过相机实时观测渗流过程，其具有采集帧率高，设备成本低，可重复性强等优点。