本發(fā)明涉及巖體裂隙溶質(zhì)運移技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種用于巖體裂隙溶質(zhì)運移試驗的試驗裝置。

背景技術(shù)：

巖體裂隙溶質(zhì)運移問題一直受到人們的關(guān)注，而往往把水流試驗和示蹤劑試驗作為基礎(chǔ)展開。近幾年來，隨著巖體裂隙溶質(zhì)運移問題研究的不斷深入，有不同的學(xué)者對不同的溶質(zhì)在真實的裂隙巖體中進行了不同流速或濃度的運移試驗過程。其中有些易揮發(fā)性的地下水污染物以及污染物修復(fù)劑的運移規(guī)律越來越受到專家們的重視。

中國專利cn2699314y《裂隙介質(zhì)水流、溶質(zhì)運移試驗裝置》公開了一種包含有傳感器與密封材料的試件容器，試件容器的底部設(shè)有飽和進水管和出水管，在飽和進水管上控制進水流量，在出水管上設(shè)有壓力表、流量表，從而測定溶質(zhì)在裂隙介質(zhì)中各點的溶液濃度、壓力和溫度。但是，此試驗裝置采用真的巖石，無法很好的觀察溶質(zhì)的運移過程，只能測定溶液溶度、壓力和溫度等參數(shù)。

然而，在地下水污染物中，不乏易揮發(fā)，易致病，或在試驗操作過程中易與空氣接觸或易于巖石裂隙表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象；同時，污染物修復(fù)劑又大部分具有強還原性，這也造成了其易于空氣發(fā)生反應(yīng)，生成固體沉淀物堵塞溶質(zhì)運移通道，或產(chǎn)生氣泡影響試驗效果。上述專利均無法解決這些問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)上述不足之處，本發(fā)明的目的在于：提供一種用于巖體裂隙溶質(zhì)運移試驗的試驗裝置，通過本裝置，可以更好的展示試驗結(jié)果，且試驗結(jié)果不受原材料的影響，準確度更好。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案在于：一種用于巖體裂隙溶質(zhì)運移試驗的試驗裝置，包括溶質(zhì)入注單元、溶質(zhì)運移單元以及溶質(zhì)采集單元。

其中，溶質(zhì)入注單元包括與入注腔相連的蠕動泵和注射泵，蠕動泵與去離子水瓶相連；溶質(zhì)入注單元還包括與入注腔相連的入注腔廢水回收瓶。

溶質(zhì)運移單元包括用于放置燈光箱的底座，底座與支架相連，支架設(shè)有用于固定仿真巖石的固定裝置，仿真巖石的一端與入注腔相連，入注腔與入注腔測壓管相連；仿真巖石的另一端與排水腔相連，排水腔與排水腔測壓管相連；仿真巖石的上方設(shè)有圖像采集裝置，圖像采集裝置與圖像顯示裝置相連。

溶質(zhì)采集單元包括與排水腔相連的樣品自動采集儀和廢水收集瓶。

優(yōu)選的是：溶質(zhì)運移單元設(shè)置在密封暗箱內(nèi)。

優(yōu)選的是：固定裝置設(shè)有用于調(diào)整仿真巖石角度的傾斜機構(gòu)。

優(yōu)選的是：固定裝置設(shè)有水平儀。

優(yōu)選的是：圖像采集裝置與支架相連，所述的支架設(shè)有高度調(diào)節(jié)機構(gòu)。

優(yōu)選的是：仿真巖石的橫向外側(cè)面的裂隙處設(shè)有密封墊。

優(yōu)選的是：仿真巖石的制作方法包括如下步驟：

(1)天然巖石的壓裂處理

1.1、取天然巖體，切割成為標準巖塊；

1.2、在所述標準巖塊的窄側(cè)面的四周打磨出相連通的凹槽；

1.3、將打磨出凹槽的標準巖塊放置在壓力機下，用固定裝置將所述的標準巖塊進行固定，在所述標準巖塊頂部的凹槽內(nèi)放置一根金屬棒，將壓力機與金屬棒接觸，并向金屬棒施加壓力，所述的標準巖塊在壓力機的施壓過程中形成一條斷裂面；

1.4、將所述的標準巖塊沿著斷裂面分開，清洗壓裂后的標準巖塊的表面；

(2)仿真巖石的制作

2.1、選取耐高溫的液體石膏材料，對壓裂后的標準巖塊的裂隙面進行澆筑，制作石膏模具；

2.2、待石膏液體風(fēng)干后，將石膏與壓裂后的標準巖塊進行剝離，得仿真巖石模具；

2.3、將高溫融化后的液態(tài)玻璃緩緩注入仿真巖體模具中；

2.4、待液態(tài)玻璃風(fēng)干后，將石膏剝離，得與原巖體裂隙面一樣的仿真巖石。

優(yōu)選的是：仿真裂隙制作的第一步中將石膏液體倒進一個大于標準巖塊的容器內(nèi)，將標準巖塊的裂隙面面向盛有石膏液體的容器，并將標準巖塊慢慢壓進石膏液體內(nèi)。

優(yōu)選的是：仿真裂隙制作的第三步中，將仿真巖體模具置于超聲波儀器內(nèi)，邊注入液態(tài)玻璃邊進行超聲。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明通過透明的仿真巖石，可以更為直觀的觀察溶質(zhì)運移的過程，同時仿真巖石不會與試劑發(fā)生反應(yīng)，避免了氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的固體沉淀物對溶質(zhì)運移通道的堵塞，可以更為真實的反應(yīng)溶質(zhì)在裂隙中的運移過程。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1-蠕動泵；2-去離子水瓶；3-注射泵；4-入注腔廢水回收瓶；5-密封暗箱；6-入注腔測壓管；7-支架；8-傾斜機構(gòu)；9-固定裝置；10-仿真巖石；11-燈光箱；12-入注腔；13-排水腔；14-排水腔測壓管；15-圖像采集裝置；16-圖像顯示裝置；17-廢水收集瓶；18-樣品自動采集儀；a-溶質(zhì)入注單元；b-溶質(zhì)運移單元；c-溶質(zhì)采集單元。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步說明。

本發(fā)明涉及一種用于巖體裂隙溶質(zhì)運移試驗的試驗裝置，包括溶質(zhì)入注單元a、溶質(zhì)運移單元b以及溶質(zhì)采集單元c。

其中，溶質(zhì)入注單元a包括與入注腔12相連的蠕動泵1和注射泵3，蠕動泵1與去離子水瓶2相連；溶質(zhì)入注單元a還包括與入注腔12相連的入注腔12廢水回收瓶4。

溶質(zhì)運移單元b包括用于放置燈光箱11的底座，底座與支架7相連，支架7設(shè)有用于固定仿真巖石10的固定裝置9，仿真巖石10的一端與入注腔12相連，入注腔12與入注腔測壓管6相連；仿真巖石10的另一端與排水腔13相連，排水腔13與排水腔測壓管14相連；仿真巖石10的上方設(shè)有圖像采集裝置15，圖像采集裝置15與圖像顯示裝置16相連。

溶質(zhì)采集單元c包括與排水腔13相連的樣品自動采集儀18和廢水收集瓶17。

其中，入注腔12通過一個帶閥門的三通與蠕動泵1和注射泵3相連；排水腔13通過一個帶閥門的三通與樣品自動采集儀18和廢水收集瓶17相連。通過閥門，可以控制注入入注腔12內(nèi)的溶液，可以確保人工巖石達到試驗條件等，便于操作。

蠕動泵1以及與之相連的去離子水瓶2用于清洗人工巖石的裂隙面內(nèi)沒有雜質(zhì)，確保試驗不受其他雜質(zhì)的影響。

注射泵3用于向仿真巖石10的裂隙面準確、少量且勻速的注入染料或其他修復(fù)型溶質(zhì)。

燈光箱11可以將人工巖石從底部照亮，能更加清晰的呈現(xiàn)溶質(zhì)運移試驗過程，便于圖像采集裝置15進行圖像采集。

圖像采集裝置15可以是照相機或者攝像機，如果是照相機可以設(shè)定時間間隔進行抓拍溶質(zhì)運移的過程，如果是攝像機可以將整個溶質(zhì)運移過程進行完整記錄，便于后期的試驗分析。

一種優(yōu)選的實施例是，溶質(zhì)運移單元b設(shè)置在密封暗箱5內(nèi)。由于整個溶質(zhì)運移試驗較長，大概需要8-9個小時。在實驗室中，由于時間的推移，太陽光的照射會不太一樣，另外由于天氣原因，或者由于人員走動等因素，對于背景光線的影響很大，而背景光線的不同會直接影響圖像采集裝置15所采集的圖像畫面。加上注入人工巖石裂隙面的溶質(zhì)的溶度或者是染料的溶度并不大，基礎(chǔ)顏色本身較淺，這樣，外界光線的影響會極大的影響圖像的畫面效果。而將整個溶質(zhì)運移單元b設(shè)置在密封暗箱5內(nèi)，可以確保內(nèi)部圖像的采集不受外界光線的影響，確保試驗條件的統(tǒng)一性，排除偶爾誤差。

一種優(yōu)選的實施例是，固定裝置9設(shè)有用于調(diào)整仿真巖石10角度的傾斜機構(gòu)8。由于仿真巖石10的裂隙面內(nèi)部本身存在空氣，當(dāng)向仿真巖石10的裂隙面內(nèi)注入液體時，容易存在氣泡，氣泡的存在會影響試驗的效果。另一方面，空氣中存在一定的氧氣，氧氣會與某些還原性試劑發(fā)生反應(yīng)，從而影響試驗結(jié)果，因此，在試驗開始前，需要將仿真巖石10的裂隙面內(nèi)部的氣泡趕走。通過傾斜機構(gòu)8，可以將仿真巖石10進行傾斜，將氣泡從一端的通孔中跑出，氣泡排除后，通過密封塞將通孔密封，防止后期試驗用溶質(zhì)留出而影響試驗結(jié)果。由于仿真巖石10的縱向的兩端分別與入注腔12和排水腔13相連，通孔一般設(shè)置在入注腔12和/或排水腔13的上表面上。通過傾斜機構(gòu)8，可以使得仿真巖石10實現(xiàn)將入注腔12或排水腔13上升或下降的形式。

一種優(yōu)選的實施例是，固定裝置9設(shè)有水平儀。為了確保仿真巖石10水平設(shè)置，可以在固定裝置9設(shè)有水平儀進行調(diào)整。當(dāng)然，還可以通過測量仿真巖石10下表面的多個位置與桌面間的垂直距離相同的方式來確保仿真巖石10水平。

一種優(yōu)選的實施例是，圖像采集裝置15與支架7相連，支架7設(shè)有高度調(diào)節(jié)機構(gòu)。圖像采集裝置15可以直接與支架7相連，并且直支架7上設(shè)有高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，用于圖像采集裝置15的對角以及適宜位置的調(diào)整。當(dāng)然，也可以將圖像采集裝置15通過其他固定裝置9設(shè)置在仿真巖石10的上方。而，將圖像采集裝置15設(shè)置在支架7上，可以使得整個裝置結(jié)構(gòu)緊湊。

一種優(yōu)選的實施例是，仿真巖石10的橫向外側(cè)面的裂隙處設(shè)有密封墊。由于仿真巖石10是兩塊相互分裂的巖石裂面制作而成，將仿真巖石10沿斷裂面合并時存在一定的裂隙，為了防止溶質(zhì)的流出以及防止空氣進入仿真巖石10的裂隙面，在仿真巖石10的外側(cè)面的裂隙處通過密封墊進行密封。

一種優(yōu)選的實施例是，仿真巖石10的制作方法包括如下步驟：

(1)天然巖石的壓裂處理

1.1、取天然巖體，切割成為標準巖塊；

1.2、在標準巖塊的窄側(cè)面的四周打磨出相連通的凹槽；

1.3、將打磨出凹槽的標準巖塊放置在壓力機下，用固定裝置9將標準巖塊進行固定，在標準巖塊頂部的凹槽內(nèi)放置一根金屬棒，將壓力機與金屬棒接觸，并向金屬棒施加壓力，標準巖塊在壓力機的施壓過程中形成一條斷裂面；

1.4、將標準巖塊沿著斷裂面分開，清洗壓裂后的標準巖塊的表面；

(2)仿真巖石10的制作

2.1、選取耐高溫的液體石膏材料，對壓裂后的標準巖塊的裂隙面進行澆筑，制作石膏模具；

2.2、待石膏液體風(fēng)干后，將石膏與壓裂后的標準巖塊進行剝離，得仿真巖石10模具；

2.3、將高溫融化后的液態(tài)玻璃緩緩注入仿真巖體模具中；

2.4、待液態(tài)玻璃風(fēng)干后，將石膏剝離，得與原巖體裂隙面一樣的仿真巖石10。

一種優(yōu)選的實施例是，仿真裂隙制作的第一步中將石膏液體倒進一個大于標準巖塊的容器內(nèi)，將標準巖塊的裂隙面面向盛有石膏液體的容器，并將標準巖塊慢慢壓進石膏液體內(nèi)。這樣可以制得一個用于制備仿真巖石10的模具，此模具可以視為仿真巖石10的外殼，由于模具采用石膏制成，石膏有一定的脆性(這也是后期將模具與人工巖石剝離時可以將石膏敲碎，便于將石膏剝離，獲得一個干凈的仿真巖石10考慮的一個重要特性)。正是因為石膏的脆性，很容易缺少或破粹，將石膏模型制成一個容器，與巖石裂隙面接觸的石膏面外周設(shè)有厚厚的外壁，可以提高模具的完整性和避免后期模具的破損，確保人工巖石的裂隙面與真正的巖石的裂隙面保持一致。

一種優(yōu)選的實施例是，仿真裂隙制作的第三步中，將仿真巖體模具置于超聲波儀器內(nèi)，邊注入液態(tài)玻璃邊進行超聲。由于將液態(tài)玻璃緩緩注入仿真巖體模具中時很容易存在一定的氣泡，其氣泡的存在會干擾后期試驗過程中采集的圖像信息。將仿真巖體模具置于超聲波儀器內(nèi)，邊注入液態(tài)玻璃邊進行超聲，通過超聲，將氣泡震裂，避免氣泡的產(chǎn)生，可以提高試驗的效果。

試驗

試驗過程中，取天然巖體，切割成為長0.28米，寬0.21米，高0.08米的長方體標準巖塊。在標準巖塊四周打磨出寬0.01米，深0.01米凹槽。將巖塊放置在壓力機中，用鋼板和硬泡沫將其固定，在頂部使用菱形金屬棒與壓力機接觸。標準巖塊在壓力機施壓過程中形成一條近乎直線的斷裂面。將標準巖塊沿著斷裂面分開，清洗表面。進而制作仿真巖石10。

將仿真巖石10制作好后，通過固定裝置9固定在支架7上，并通過檢驗和排氣后進行水頭實驗。詳細論述如下。

一、檢驗(設(shè)備安裝完成后)

a、將平臺按圖1所示安裝完畢，依次打開與入注腔12相連的入注閥門、入注腔12測壓管6開關(guān)、排水腔13測壓管開關(guān)、與排水強相連的排水口閥門，將平臺放置水平。

b、打開蠕動泵1，將轉(zhuǎn)速調(diào)至最大，系統(tǒng)內(nèi)充水(去離子水)后檢查是否有水滲漏。如有滲漏，需停止入注，通過調(diào)整漏水部位螺栓松緊進行止水。直到系統(tǒng)無滲漏后方可進行試驗。

二、排氣(設(shè)備無漏水現(xiàn)象后)

a、將排水腔13閥門關(guān)閉、排水腔13測壓管關(guān)閉，調(diào)節(jié)入注腔12與裂隙控制閥門關(guān)閉裂隙入口。打開入注腔12進水閥和入注腔測壓管6，打開蠕動泵1緩緩注水，將入注腔12內(nèi)空氣由入注腔測壓管6排出，直至水由入注腔12進入入注腔測壓管6。

b、適當(dāng)加大蠕動泵1轉(zhuǎn)速，打開裂隙控制閥門使裂隙面入口開放，同時打開排水腔13閥門，將水注入裂隙面緩緩排出裂隙面內(nèi)的空氣。在裂隙面排氣過程中，可調(diào)節(jié)固定裝置9的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)使平臺傾斜以便于從下往上排出空氣。

c、待裂隙面內(nèi)充滿水后，依次打開每個測壓管，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)將仿真巖石10調(diào)整水平，保持蠕動泵1開啟，沖洗10分鐘后可以開始水頭試驗。

三、水頭試驗(平臺檢驗排氣完成后)

a、將蠕動泵1轉(zhuǎn)速調(diào)至2轉(zhuǎn)/分鐘，穩(wěn)定注水10分鐘后，準確測量入注腔12和排水腔13測壓管內(nèi)水位高度，同時在取樣口取樣1分鐘、2分鐘、5分鐘測排出水量。

b、調(diào)節(jié)蠕動泵1轉(zhuǎn)速為4轉(zhuǎn)/分鐘、6轉(zhuǎn)/分鐘、8轉(zhuǎn)/分鐘。重復(fù)上述a步驟，后將四組數(shù)據(jù)進行計算分析。

試驗結(jié)果參見表1。

表1水頭實驗結(jié)果

由上表水頭試驗數(shù)據(jù)，tsang(1992)根據(jù)立方定理反推的水力等效隙寬表達式為：

其中，bh為等效隙寬；η為水的動力學(xué)粘滯系數(shù)；q為水的流速；l為水流方向上的裂隙長度；γ為水的密度；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?；w為垂直水流方向上的裂隙寬度；|δh|為水位差的絕對值。

根據(jù)水頭試驗數(shù)據(jù)和等效隙寬計算公式得出等效隙寬為238微米。

通過試驗可知，通過本裝置進行試驗，一方面可以排除環(huán)境條件變化所導(dǎo)致的誤差，提高試驗的準確性；另一方面，通過透明的仿真巖石，可以非常直觀的觀察溶質(zhì)的運移過程，并可以記錄下來；再者，溶質(zhì)不會與仿真巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而堵塞縫隙通道或者影響試驗的進行。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，實用性強。