一种裂隙网络介质冻结性态演化试验装置及方法

本发明涉及岩土工程试验与测试，具体为一种裂隙网络介质冻结性态演化试验装置及方法。

背景技术：

1、在低温工程场景中（例如低温储存与冷能储存设施、人工地层冻结止水、寒区工程基础等），结构或冷源与周围地基介质之间往往形成显著温度梯度。当场地存在地下水补给或渗流活动时，水体可能沿岩体裂隙或土体孔隙向低温区迁移并发生冻结，从而改变渗流通道、温度场及冻结前沿的时空演化规律，并可能影响工程结构的服役安全与防渗效果。为降低地下水迁移对低温储库的不利影响，工程中可在储库外围构筑冻结隔水体（冻结圈）以实现隔水与围岩加固。然而，在裂隙介质中，冻结圈的形成与封闭效果受裂隙几何结构、连通性及渗流边界等多因素共同控制，亟需一种能够在可控渗流条件下获取温度场与冻结前沿演化数据的试验方法。

2、在实际低温工程中，地基介质类型多样，裂隙发育程度与连通性差异显著，地下水补给与边界换热条件复杂，冻结隔水体形成与封闭过程难以在现场直接、连续观测并定量表征，因此现有研究多依赖数值模拟或实验室简化模型。数值模型受限于裂隙几何与边界条件可获取性，常对裂隙开度分布、粗糙度、局部连通结构及相变界面附近的传热传质过程进行理想化处理，导致对复杂裂隙网络中通道化渗流与冻结封闭效率的描述仍存在不确定性。实验方面，现有装置多针对土体或均质介质冻结，或采用两板拼接形成单裂隙通道开展试验，测点多布设于围岩内部而难以在裂隙内布置，因而难以精确捕捉裂隙内冻结前沿、局部封堵位置及其随流动边界变化的演化过程。上述限制使得裂隙网络条件下冻结隔水体演化的可重复试验数据相对缺乏，也难以系统揭示裂隙结构参数与渗流边界共同作用下的演化规律。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种裂隙网络介质冻结性态演化试验装置及方法。

2、本发明解决所述技术问题采用的技术方案如下：

3、一种裂隙网络介质冻结性态演化试验装置，包括试验台架模块、裂隙网络试件平台、监测与数据采集模块、恒温恒压注水模块和制冷及低温边界施加模块。恒温恒压注水模块用于对裂隙网络试件平台供水，并对供水温度与供水量进行调控；制冷及低温边界施加模块，用于制冷并控制裂隙网络试件平台的低温边界。

4、根据本发明的优选实施方式，所述裂隙网络试件平台包括裂隙石板，该裂隙石板具有中心贯穿孔；恒温恒压注水模块将恒温水从所述裂隙石板一侧入水口注入、由对侧出水口流出；所述制冷机包括冷头，所述冷头插入所述裂隙石板的中心贯穿孔形成中心低温边界，由此能够在同一裂隙网络中同步施加渗流作用和低温冻结作用。

5、根据本发明的优选实施方式，所述裂隙石板的上下两侧依次设置缓冲层和隔热层。

6、根据本发明的优选实施方式，所述试验台架模块包括支撑框架和位于支撑框架之上的台架，所述台架包括压紧框架和受力框架；所述压紧框架与受力框架形成上下夹持式约束结构，使所述裂隙石板、缓冲层和隔热层保持稳定贴合。

7、根据本发明的优选实施方式，所述监测与数据采集模块包括热电偶阵列、入水口压力计、入水口流量计和出水口流量计，用于同步采集温度、压力和流量数据；所述热电偶按阵列用于连续获取裂隙石板内温度场变化；所述入口压力计用于记录恒温恒压注水模块的注水压力；所述入水口流量计和出水口流量计用于记录冻结过程中裂隙网络导流能力的变化。

8、根据本发明的优选实施方式，所述试验台架模块的台架具有转动轴及其固定支撑部件，固定支撑部件包括转动轴固定座和转动轴支撑座，并配合把手与翻转把手实现裂隙网络试件平台的翻转操作。

9、本发明还提出一种裂隙网络介质冻结性态演化试验方法，使用上述的裂隙网络介质冻结性态演化试验装置进行试验。

10、根据本发明的优选实施方式，方法包括如下步骤：

11、s1、制备裂隙网络试件平台并构建边界密封约束；

12、s2、安装裂隙网络试件平台并安装恒温恒压注水模块的管路和监测与数据采集模块的传感器；

13、s3、启动恒温恒压注水模块并进行恒温控制，同时启动制冷及低温边界施加模块进行冻结边界控制，以建立稳定的低温边界；

14、s4、记录试验过程与冻结圈演化表征；

15、s5、复位试验装置并整理数据。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

17、1. 本发明通过恒温恒压注水模块、制冷及低温边界施加模块和裂隙网络试件平台协同工作，将恒温恒压渗流边界与中心低温冷源边界集成于同一裂隙石板内。恒温水由裂隙石板一侧入水口进入、由对侧出水口流出，制冷机冷头插入裂隙石板中心贯穿孔形成中心低温边界，由此能够在同一裂隙网络中同步施加渗流作用和低温冻结作用。该结构可独立设定供水温度、注水工况（流量或压力）与冷源温度，在裂隙渗流条件下稳定复现冻结圈的形成与演化过程，试验工况可控、可重复。

18、2本发明采用花岗岩石板作为裂隙网络试件，通过锤击方式诱导随机裂隙，并在外框约束下复位拼装形成具有连通性的二维非规则裂隙网络。裂隙石板上下两侧依次设置tpu 软垫和硬质聚氨酯隔热约束层，并通过压紧框架与受力框架形成上下夹持式约束结构，使裂隙石板、缓冲层和隔热层保持稳定贴合；同时通过密封材料对石板上下表面、侧边及非渗流边界进行封堵，限制旁路渗漏和出平面热交换。相比规则单裂隙或均质介质模型，本发明更能反映裂隙网络的非规则连通特征，并便于开展裂隙开度、连通性、密度及边界条件等因素的对比与敏感性分析。

19、3. 本发明通过热电偶阵列、入口压力传感器以及进/出水端流量监测装置同步采集温度、压力和流量数据。热电偶按阵列布置在冷源周围，用于连续获取裂隙石板内温度场变化；入口压力传感器用于记录注水压力响应；进水端和出水端流量计用于记录冻结过程中裂隙网络导流能力的变化。通过对温度场数据进行二维重建与插值分析，并结合压力和流量响应，可识别冻结前沿位置、判断冻结圈形态，量化“冰堵—融通”过程对裂隙导流能力的影响，实现冻结隔水体封闭性能的定量评价。

1.一种裂隙网络介质冻结性态演化试验装置，包括试验台架模块、裂隙网络试件平台、监测与数据采集模块，其特征在于，还包括：

2.根据权利要求1所述的裂隙网络介质冻结性态演化试验装置，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的裂隙网络介质冻结性态演化试验装置，其特征在于，所述裂隙石板的上下两侧依次设置缓冲层和隔热层。

4.根据权利要求3所述的裂隙网络介质冻结性态演化试验装置，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的裂隙网络介质冻结性态演化试验装置，其特征在于：

6.根据权利要求4所述的裂隙网络介质冻结性态演化试验装置，其特征在于：所述试验台架模块的台架具有转动轴及其固定支撑部件，固定支撑部件包括转动轴固定座和转动轴支撑座，并配合把手与翻转把手实现裂隙网络试件平台的翻转操作。

7.一种裂隙网络介质冻结性态演化试验方法，其特征在于，使用权利要求1至6中任一项所述的裂隙网络介质冻结性态演化试验装置进行试验。

8.根据权利要求7所述的裂隙网络介质冻结性态演化试验方法，其特征在于，包括如下步骤：