岩石裂隙渗流-温度耦合的可视化试验系统及试验方法与流程

1.本发明属于岩石力学试验技术领域，具体涉及一种岩石裂隙渗流-温度耦合的可视化试验系统及试验方法。适用于土木、水利、隧道、地热开采以及采矿工程中涉及的砂岩、花岗岩等致密岩石和混凝土等人工材料高温条件下渗流与传热试验研究。


背景技术：

2.深部高温地热岩体大多数是花岗岩，也有少部分砂岩。在深部岩体中，地应力大，温度高，干热岩体(4km～5km)所处的环境可达300℃以上。
3.1地质灾害的评估和预防：
4.裂隙岩体受地热影响其物理力学性质会被弱化，高温条件下的裂隙岩体渗流也会威胁到岩体工程安全与稳定，因此通过实验手段研究高温条件下的渗流与传热问题对地质灾害的评估和预防具有重要意义。
5.2资源利用开发
6.在许多工程背景下，都会存在裂隙岩体内水流传热问题。如石油开采中的水流传热，是通过向地层注入高温水或水蒸气后产生热对流，水在注水井中的流动属于强迫对流，在岩层和油层中属于渗流；地热开发中的岩石裂隙渗流传热问题，是通过髙压低温水以强迫对流形式在高温岩体裂隙内流动产生的热运移；核废物地质处置中的水流传热，是由于核废物罐释热，岩层内存在分布热源后，水在岩块中的渗流和裂隙中的自然流动过程中产生的热运移问题。
7.目前关于裂隙岩体渗流-传热特性及地热开发研究的方法以数值模拟和理论模型为主，缺少试验数据的有效支撑。由于实验装置限制，无法考虑高温条件下的渗流问题和热传导问题。(当前试验情况)又因为在不同工程背景下，裂隙岩体渗流传热问题研究的侧重点不同，因此亟需研发一种既能够研究渗流问题、准确测量和记录热传导过程，又能应用于多种工程背景，能够进行“热水冷岩”和“冷岩热水”实验的的岩石裂隙渗流-温度耦合可视化试验系统。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种岩石裂隙渗流-温度耦合的可视化试验系统及试验方法。原理明确、操作方便、测试精度高、可准确连续测量在高温作用下裂隙岩体的渗流以及热传导变化特征。
9.本发明为了研究长
×
宽
×
深为20cm
×
10cm
×
10cm的岩石裂隙渗流-温度耦合特性，制作20cm
×
10cm
×
10cm的标准岩石试块，采用巴西劈裂法沿着长度方向将岩石试块劈裂，在劈裂好的岩石试块上下部分一端各钻三个钻孔，连接上下游两个传输叉流管，接入2个温度传感器和6个液体压力传感器；采用耐高温胶水密封岩石裂隙四周，在岩石试块表面布设温度传感器；将岩样放入恒温箱内，连通蠕动泵、储水箱以及液体预热器，保证液体循环流动，通过记录仪采集记录压力、温度实时数据。试验操作方式包括“冷岩热水”和“热岩
冷水”模式两种：“冷岩热水”试验首先开启恒温箱维持岩石试块在较低温度，再启动液体预热器，液体加热至预设较高温度，启动记录仪显示和记录温度、压力数据；然后开启蠕动泵并设定恒定流量，“热岩冷水”模式试验先开启恒温箱将岩石试块加热到较高温度，再启动液体预热器，液体加热至预设较低温度或不加热，启动记录仪显示和记录温度、压力数据，然后开启蠕动泵并设定恒定流量。温度传感器和压力传感器连接多功能数据采集仪，可以实现连续自动监测，通过控制渗流的流量、压力以及岩样和液体的温度，可以研究在高温作用下裂隙岩体的渗流传热演化规律。
10.为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：
11.一种岩石裂隙渗流-温度耦合的可视化试验系统，其特征在于：包括储水箱、水泵、液体预热器、恒温箱、传输叉流管、液体散热器、数据采集装置和岩石裂隙试样；所述岩石裂隙试样置于恒温箱内，恒温箱上设有至少一个用于观察裂隙渗流的透明视窗；所述传输叉流管有两个，分别安装于岩石裂隙试样的两端，每个传输叉流管内均设有测量其内通过液体参数的压力传感器和第一温度传感器，岩石裂隙试样的上下表面设有若干用于监测岩石温度变化的第二温度传感器；
12.所述储水箱的出口、水泵、液体预热器和恒温箱内入流端的传输叉流管依次通过管道相连，所述水泵为裂隙渗流提供恒定流量的液体，所述液体预热器为液体进行预热；
13.恒温箱内出流端的传输叉流管、液体散热器和储水箱的入口依次通过管道相连，所述液体散热器用于将出流端流出的液体降温后送回储水箱循环利用；
14.所述数据采集装置用于采集压力传感器、第一温度传感器和第二温度传感器的数据。
15.进一步地，所述传输叉流管包括一根主管和与主管相连通的若干支管，所述第一温度传感器设于主管上，用于监测主管内液体温度，每个支管上均设有一个监测其内压力的压力传感器；所述岩石裂隙试样的两端分别钻设有与相应传输叉流管上支管对应的液体分流孔，入流端传输叉流管的主管通过管道与液体预热器的出口相连，出流端的主管通过管道与液体散热器的入口相连。
16.进一步地，所述传输叉流管还包括分配管，所述主管垂直的连接在分配管中部，主管侧部设有用于安装温度传感器的连接口；所述支管均匀分布的连接在分配管上，且所述支管以主管为中心对称分布，每个支管侧部均设有用于安装压力传感器的连接口。
17.进一步地，所述水泵采用流量和流向可调的蠕动泵，蠕动泵通过硅胶管分别与储水箱、液体预热器相连。
18.进一步地，所述的液体预热器包括水浴容器、所述水浴容器内设有用于加热的电热棒和用于换热的预热盘管。
19.进一步地，所述数据采集装置为无纸记录仪；所述的无纸记录仪具有18路模拟量输入通道、4路继电器报警输出、150ma配电输出、1路rs-485通讯接口，并拥有一个usb数据转存接口。此记录仪集数据的测量、显示、处理、运算、报警、记录等功能为一体，还增加了一个自定义画面，画面中的通道可自由配置。
20.进一步地，所述的恒温箱包括箱体、电加热鼓风系统和控温系统三部分，所述箱体采用内外壳结构的双层箱体，内外箱壳之间填充超细玻璃棉作隔热层；箱体前后两侧均设有能打开的门，所述门上均设有双层钢化玻璃制成的透明视窗，所述电加热鼓风系统由风
机、风道、电加热管组成；风机、电加热管安装在箱体内腔底部。
21.进一步地，所述主管、分配管和支管均采用不锈钢管制成，主管端部设有连接头，支管端部与液体分流孔匹配安装。
22.进一步地，所述岩石裂隙试样表面的第二温度传感器为探针式温度传感器，因此传感器可以深入岩体内部，测得岩体内部温度。此传感器灵敏度高，测得温度可精确到0.1度。
23.进一步地，所述的散热器通过两个风扇为高温液体降温，散热器内部的铜管做三排s形弯曲以增加铜管长度，从而达到更好的散热效果。
24.进一步地，所述的岩石裂隙试样尺寸为20cm
×
10cm
×
10cm的长方体花岗岩，采用巴西劈裂法沿着长度方向将岩石试块劈裂，在劈裂好的岩石试块上下部分一端各钻三个钻孔，连接上、下游传输叉流管。
25.进一步地，所述压力传感器带有螺纹接口，可与传输叉流管连接，1～10v模拟量输出信号，测得压力可精确到0.01kpa。
26.进一步地，所述的储水箱采用不锈钢材质，可储水35升，底部两侧分别有进出水口来连接管线。
27.本发明还提供一种岩石裂隙渗流-温度耦合可视化试验方法，采用上述任意一项所述的可视化试验系统，其特征在于，包括以下步骤：
28.步骤1、采用巴西劈裂法沿着长度方向将岩石试块劈裂，在劈裂好的岩石试块上下两部分相对的端部分别钻设液体分流孔，得到岩石裂隙试样，将两个传输叉流管分别安装在岩石试块上下两部分的液体分流孔内，分别作为上游入流端和下游出流端；将传输叉流管的支管深入到上游入流端钻孔中，直达裂隙处；先采用耐高温胶水密封岩石裂隙四周，然后采用耐高温胶水将传输叉流管的支管与钻孔之间密封；最后在岩石试块上下表面布设温度传感器，完成岩石裂隙试样的装配；
29.步骤2、步骤1中布置好的岩石试块放入恒温箱内，连通供水管路上的储水箱、水泵以及液体预热器，和回收管路上的液体散热器、储水箱，启动水泵保证液体循环流动，通过数据采集装置采集记录压力、温度实时数据；
30.步骤3、试验操作方式包括冷岩热水模式和热岩冷水模式两种；
31.冷岩热水模式试验，首先开启恒温箱维持岩石试块在低温，再启动液体预热器，液体加热至预设高温，岩石试块的低温温度和液体的高温稳定根据试验需要选择，启动数据采集装置记录温度、压力数据，然后开启水泵并设定恒定流量；
32.热岩冷水模式试验，先开启恒温箱将岩石试块加热到较高温度，再启动液体预热器，液体加热至预设低温或者不加热，启动数据采集装置记录温度、压力数据；然后开启蠕动泵并设定恒定流量，岩石试块的低温温度和液体的高温稳定根据试验需要选择；通过控制渗流的流量、压力以及岩样和液体的温度，可以研究高温作用下裂隙岩体的渗流传热演化规律。
33.本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果
34.1)本发明通过一套实验系统解决热水冷岩模式和热岩冷水模式两种模式下的实验研究问题，同类型的实验系统只能解决一种模式下的实验研究问题。液体散热器可在短时间内降低液体温度至室温，两种模式之间可实现快速切换；
35.2)本发明可解决多种工程渗流传热问题，例如要评估高放射和废物地下处置库的安全性，需要研究处置库近场裂隙岩体内的水流-传热过程，而处置库回填层的温度大约在100℃上下。因此，针对这一问题可在热岩冷水模式下，将恒温箱温度分别设置为70℃、95℃、120℃，作为热源温度。又例如评价干热岩储层的热产出能力，也可根据所研究项目的具体地温设置温度梯度，恒温箱通过动态调节，可为实验提供稳定的温度边界。再如在热水冷岩模式下，通过液体预热器设置不同的水温梯度，蠕动泵设置不同流量梯度，可研究考虑温度场的裂隙渗流问题。
36.2)本发明整个实验系统是一个高效的内循环系统，绿色节能，储水箱的液体是循环利用的，实验过程中无需补充渗流液体。
37.3)本发明设备安全可靠，液体预热器、蠕动泵、温度和压力传感器等安装精度高(温度传感器精确到0.1℃，压力传感器精确到0.011kpa)，监测误差可控；
38.4)本发明结构简单，制作与安装方便，操作容易，成本合理。
39.5)本发明为进行高温条件下的裂隙岩体渗流传热测试提供了有效的实验方法。
40.6)本发明具备一定的可视化功能，将传统岩样换做玻璃板或树脂材质，通过恒温箱的前后透明视窗可直接观察到液体在裂隙中的流动与分布情况，有需要时可采取拍照或录像方式做记录。
附图说明
41.图1为本发明可视化试验系统的总体组装图。
42.图2为岩石裂隙试样组装立体图。
43.图3为液体预热器结构示意图。
44.1-蠕动泵，2-储水箱，3-液体预热器，301-水浴容器，302-电热棒，303-预热盘管，4-恒温箱，401-门，402-透明视窗，5-上游传输叉流管，6-下游传输叉流管，7-无纸记录仪，8-第一温度传感器，9-压力传感器，10-第二温度传感器，11-岩石裂隙试样，1101-岩体裂隙，1102-液体分流孔，12-硅胶管，13-主管，14-支管，15-分配管，16-连接口，17-连接头，18-液体散热器。
具体实施方式
45.下面结合附图和实施示例对本发明进一步说明：
46.如图1至图3所示，本发明提供一种岩石裂隙渗流-温度耦合的可视化试验系统，包括储水箱2、水泵、液体预热器3、恒温箱4、传输叉流管、液体散热器18、数据采集装置和岩石裂隙试样11；
47.所述岩石裂隙试样11置于恒温箱4内，恒温箱4上设有至少一个用于观察裂隙渗流的透明视窗402；所述传输叉流管有两个，分别为上游传输叉流管5和下游传输叉流管6，上游传输叉流管5安装于岩石裂隙试样11的入流端，下游传输叉流管6安装于岩石裂隙试样11的出流端，每个传输叉流管内均设有测量其内通过液体参数的压力传感器9和第一温度传感器8，岩石裂隙试样11的上下表面设有若干用于监测岩石温度变化的第二温度传感器10；
48.所述储水箱2的出口、水泵、液体预热器3和恒温箱4内入流端的传输叉流管依次通过管道相连，所述水泵为裂隙渗流提供恒定流量的液体，所述液体预热器3为液体进行预
热；
49.恒温箱4内出流端的传输叉流管、液体散热器18和储水箱2的入口依次通过管道相连，所述液体散热器18用于将出流端流出的液体降温后送回储水箱2循环利用；
50.所述数据采集装置用于采集压力传感器9、第一温度传感器8和第二温度传感器10的数据。
51.本发明实施例中，所述水泵为蠕动泵1，蠕动泵1作为液体驱动动力装置，为整个试验系统提供了恒定流量的液体；液体通过硅胶管12从储水箱2传输至液体预热器3，加热液体到指定温度；再通过不锈钢管输送至恒温箱4，恒温箱4可为岩石裂隙渗流-温度耦合试验提供恒定温度环境；连接液体预热器3的不锈钢管在恒温箱4内部通过上游传输叉流管5与岩石裂隙试样11的入流端联接，液体由上游传输叉流管5分三路流入岩体裂隙1101内部空隙，岩石裂隙试样11的岩石上下表面设置多个第二温度传感器10实时监测岩石的温度变化，并通过恒温箱4透明视窗402全程监视岩石裂隙渗流-温度耦合过程；液体流经岩石裂隙试样11的岩体裂隙1101后，通过下游传输叉流管6与不锈钢管进入液体散热器18内，使得高温液体在短时间内降低温度至室温，最终液体流回储水箱2。本实施例中所述数据采集装置为一台18通道的无纸记录仪7，采集岩石表面的第二温度传感器10和上、下游传输叉流管的2个第一温度传感器8、6个压力传感器9的实时数据。
52.本发明水泵采用流量稳定可控的蠕动泵1，转速可手动调节也可通过外控接口进行控制，并且正反可逆，能满足各种实验需求。
53.本实施例中，储水箱2采用不锈钢材质，可储水35升，底部两侧分别有进出水口来连接管线。
54.本实施例中，液体预热器3分为上下两部分，上层分为水浴容器301；下层为温度控制部分。水浴容器301内设有预热盘管303和采用不锈钢制成的电热棒302，确保温度均匀；预热盘管303采用长达10米的紫铜管绕成环状线圈，预热盘管303的入口通过硅胶管12与蠕动泵1的出口相连，预热盘管303的出口通过不锈钢管与上游传输叉流管5的入口相连。
55.本实施例中，恒温箱4包括箱体、电加热鼓风系统、控温系统三部分组成。所述箱体采用内外壳结构的双层箱体，内外箱壳之间填充超细玻璃棉作隔热层；箱体采用前后双开门设计，箱门上设有双层钢化玻璃制成的透明视窗402，保证一定的可视化功能。电源开关、温度显示屏、温度控制器、风机开关等均安装在箱体左侧便于操作。电加热鼓风系统由风机、风道、电加热管组成；风机、电加热管安装在内腔底部，具体位置和形态不限，当然本发明也可以采用现有技术中其他结构恒温箱4，只需要满足只是一个侧面开设透明视窗402即可。
56.本实施例中，所述传输叉流管包括一根主管13和与主管13相连通的三个支管14，所述第一温度传感器8设于主管13上，用于监测主管13内液体温度，每个支管14上均设有一个监测其内压力的压力传感器9；所述岩石裂隙试样11的裂隙两端分别钻设有与相应传输叉流管上支管14对应的液体分流孔，入流端传输叉流管的主管13通过管道与液体预热器3的出口相连，出流端的主管13通过管道与液体散热器18的入口相连。
57.作为一种更优实施例，所述传输叉流管还包括分配管15，所述主管13垂直的连接在分配管15中部，主管13侧部设有用于安装温度传感器的连接口16，具体可以为螺纹连接口16；所述支管14均匀分布的连接在分配管15上，且所述支管14以主管13为中心对称分布，
每个支管14侧部均设有用于安装压力传感器9的连接口16，具体可以为螺纹连接口。
58.传输叉流管采用不锈钢材质制成，主管13端部的连接处装有316不锈钢卡套制成的连接头17，形成有效密封，使得原本只有一路的液体通过传输叉流管的分配管15分为三路均匀进入岩体试样，保证水流从入口均匀进入岩体裂隙1101。
59.本发明实施例中，第一温度传感器8和第二温度传感器10均采用探针形式，因此传感器可以深入传输叉流管和岩体内部，测得岩体内部温度。此传感器灵敏度高，测得温度可精确到0.1℃。
60.本发明实施例中，液体散热器18通过两个风扇为高温液体降温，散热器内部的铜管做三排s形弯曲以增加铜管长度，从而达到更好的散热效果。
61.本发明实施例中，无纸记录仪7具有18路模拟量输入通道、4路继电器报警输出、150ma配电输出、1路rs-485通讯接口，并拥有一个usb数据转存接口。此记录仪集数据的测量、显示、处理、运算、报警、记录等功能为一体，还增加了一个自定义画面，画面中的通道可自由配置。
62.本发明实施例中，第一压力传感器9带有螺纹接口，可与传输叉流管的支管14上的螺纹连接口16连接，1～10v模拟量输出信号，测得压力可精确到0.01kpa。
63.如图1所示，可视化试验系统由6种设备连接而成，蠕动泵1为整个系统提供恒定流量的液体，流量由所用硅胶管12内径和蠕动泵1的转速共同决定。液体预热器3为液体提供热量，使液体在进入岩体裂隙1101前加热到预设温度。无纸记录仪7的作用是测量、显示和处理实验数据。恒温箱4为岩石裂隙试样11提供稳定的温度，温度范围可调。液体散热器18通过两个风扇为管道中的液体降温，使得高温液体的温度在回流到储水箱2前降为室温。而储水箱2作为液体容器，用不锈钢材质，可容纳充足液体。
64.如图2所示，如果要研究长
×
宽
×
深为20cm
×
10cm
×
10cm的岩石裂隙渗流-温度耦合特性，制作20cm
×
10cm
×
10cm的标准岩石试块，采用巴西劈裂法沿着长度方向将岩石试块劈裂，在劈裂好的岩石试块上下部分一端各钻三个孔作为液体分流孔1102，分别连接上、下游传输叉流管，接入2个温度传感器和6个液体压力传感器9；采用耐高温胶水密封岩体裂隙1101四周，在岩石试块表面布设温度传感器；将岩样放入恒温箱4内，连通蠕动泵1、储水箱2以及液体预热器3，保证液体循环流动，通过记录仪采集记录压力、温度实时数据。试验操作方式包括“冷岩热水”和“热岩冷水”模式两种：“冷岩热水”试验首先开启恒温箱4维持岩石试块在较低温度，再启动液体预热器3，液体加热至预设较高温度，启动记录仪显示和记录温度、压力数据，然后开启蠕动泵1并设定恒定流量；“热岩冷水”模式试验先开启恒温箱4将岩石试块加热到较高温度，再启动液体预热器3，液体加热至预设较低温度，启动记录仪显示和记录温度、压力数据，然后开启蠕动泵1并设定恒定流量。温度传感器和压力传感器9连接多功能数据采集仪，可以实现连续自动监测，通过控制渗流的流量、压力以及岩样和液体的温度，可以测出在高温作用下岩体裂隙1101的渗流传热演化规律。
65.如图3所示，液体预热器3外壳采用优质钢板成型加工，表面采用静电喷涂工艺，防静电且耐久。内部结构分为上下两部分，上边分为浴体加热，包括水浴容器301，所述水浴容器301内设有用于加热的电热棒302和用于换热的预热盘管303；下边分为温度控制部分包括温控器、加热功率调节器等；仪器采用高精度数显pid温控器来控制温度，液晶显示，控温精度可达
±
0.1℃。
66.如图2所示，液体在流入和流出岩体裂隙1101时，采用为实验系统设计加工的特殊传输叉流管实现液体的分流，使得液体更加均匀的流过岩体裂隙1101。传输叉流管采用不锈钢材质，主管13可连接温度探针测量进出岩体裂隙1101的液体温度，三个支管14可连接压力传感器9测液体压力。
67.如图1所示，恒温箱4由箱体、电加热鼓风系统、控温系统三部分组成。箱体采用前后双开门设计，箱门上有大面积双层钢化玻璃开窗，保证一定的可视化功能。电源开关、温度显示屏、温度控制器、风机开关等均安装在箱体左侧便于操作。电加热鼓风系统由风机、风道、电加热管组成；风机、电加热管安装在内腔底部。内外箱壳之间填充超细玻璃棉作隔热层保证箱内温度稳定。控温系统由控温仪、功率管、温度传感器组成。控温仪由集成电路器件组成的智能数字控制电路及led数字显示电路等组成。加热管安装在箱体底部，在加热管处还装有风机。当开机后，风机即始终处于运转中，通过叶轮、风道使工作室内的冷气流由四周流入，热气流由中间流出，如此不断循环，使室内温度均匀。
68.如图1所示，蠕动泵1为整个系统提供恒定流速的水流，流速由所用硅胶管内径决定。例如采用16#硅胶管时，流速调节范围是0～460ml/min。蠕动泵1的原理是通过滚轮的转动对泵的弹性输送软管(硅胶管)交替进行挤压和释放来输送流体，随着滚轮的转动，管内形成负压，液体随之流动，就像用手指挤压一根软管，随着手指向前滑动管内流体也向前移动。
69.如图1所示，液体散热器18通过两个风扇为高温液体降温，散热器内部的铜管做三排s形弯曲以增加铜管长度，从而达到更好的散热效果。
70.需要说明的是，本发明上述岩石裂隙试样的上游入流端和下游出流端位置可以交换，改变渗流方向即可，具体，可以通过改变连接方式或者直接改变蠕动泵1的转向来改变液体输送方向。
71.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。