一种单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置及方法与流程

技术特征：
1.一种单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置，其特征在于：包括单一裂隙溃砂模拟装置和数据采集系统，所述单一裂隙溃砂模拟装置包括砂源箱、角度调节装置、单一裂隙模拟装置和水头控制装置；所述砂源箱为一透明箱体，箱体包括一块底板、两块侧板、可拆卸设置的砂源箱顶盖板、砂源箱后盖板和砂源箱前盖板；所述砂源箱后盖板上设置有排气阀和进水阀；砂源箱前盖板为与箱体固定相连的插板阀，所述插板阀能够上下移动，用于固定夹持单一裂隙模拟装置；所述角度调节装置包括可调角度平台和金属框架，所述金属框架固定在可调角度平台上，所述砂源箱固定于金属框架上，砂源箱能够跟随可调角度平台调节倾斜角度；所述单一裂隙模拟装置包括透明上平板和透明下平板，上平板和下平板之间夹有两块分别置于两侧的透明垫板，两块透明垫板之间留有一条间隙通道，由上平板、下平板和两侧垫板围成的空间即模拟的裂隙空间，所述上平板和下平板通过若干个夹具固定；所述水头控制装置包括水泵、进水管和调压阀，所述进水管一端与水泵连接，另一端与砂源箱后盖板上的进水阀连接，所述调压阀设置在进水管上，所述水泵的抽水口连接至水箱；所述数据采集系统包括第一水压力传感器、相机和数据采集仪，所述第一水压力传感器设置在进水管上且位于调压阀与进水阀之间，所述相机通过支架固定在单一裂隙模拟装置的上平板上方，相机的拍摄角度垂直于上平板，相机的拍摄视野包含整个单一裂隙模拟装置；所述第一水压力传感器通过数据线与数据采集仪电连接。2.根据权利要求1所述的单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置，其特征在于：砂源箱顶盖板通过搭扣固定在箱体上，所述砂源箱后盖板通过螺丝固定在箱体上。3.根据权利要求1所述的单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置，其特征在于：砂源箱顶盖板、砂源箱后盖板和插板阀的边缘均设有硅胶密封圈；所述垫板的表面贴设有硅胶。4.根据权利要求1所述的单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置，其特征在于：下平板的中轴线上开设有三个钻孔，三个钻孔在长度上将下平板的中轴线四等分；所述数据采集系统还包括第二水压力传感器、第三水压力传感器和第四水压力传感器，所述第二水压力传感器、第三水压力传感器和第四水压力传感器分别通过一个快速接头一一对应连接在下平板上的三个钻孔外侧；所述第二水压力传感器、第三水压力传感器和第四水压力传感器均通过数据线与数据采集仪电连接。5.根据权利要求4所述的单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置，其特征在于：钻孔贴近下平板内侧的直径小于贴近下平板外侧的直径。6.根据权利要求1所述的单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置，其特征在于：数据采集系统还包括水砂收集箱和电子秤，所述电子秤放置在所述单一裂隙模拟装置的出砂口下方，所述水砂收集箱放置在电子秤上方，所述电子秤通过数据线与数据采集仪电连接。7.一种基于权利要求1~6中任一权利要求所述单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置的模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）设备的连接，先根据试验所需的裂隙开度、宽度、长度为单一裂隙模拟装置选取垫板、上平板和下平板，根据裂隙倾角设置好可调角度平台的倾角大小；再将准备好的各部件结构连接起来组装成所述单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置；
（2）水砂混合物的装入，先堵住出单一裂隙模拟装置的出砂口，打开砂源箱顶盖板和进水阀，往砂源箱内加入水至单一裂隙模拟装置充满水，且水面高于单一裂隙装置的进砂口；再向砂源箱内缓慢倒入砂并同时进行搅拌，至裂隙内充填水砂混合物，然后将砂体顶部抹平，闭合砂源箱顶盖板；再次打开进水阀，并打开排气阀，当排气阀出水时关闭排气阀；（3）打开数据采集系统，取下单一裂隙模拟装置出砂口处封堵；打开进水阀，利用调压阀逐步缓慢地增大砂源箱内的水头高度，直至单一裂隙模拟装置内的水砂混合物开始发生运动并流出出砂口；（4）关闭数据采集系统，导出各个水压传感器数据与影像资料，关闭进水阀，结束试验；分析第一水压力传感器的数据，取变化曲线峰值即为该试验条件下的单一裂隙溃砂启动的临界水头高度，将临界水头高度除以裂隙长度与砂源箱内单一裂隙模拟装置进砂口上方的砂层厚度之和，即得到该试验条件下的单一裂隙溃砂启动的临界水力梯度；第二水压力传感器、第三水压力传感器、第四水压力传感器采集的数据，即为裂隙内部不同部位的水压力变化情况；相机采集的图像即为单一裂隙溃砂启动前后的过程图像。

技术总结
本发明涉及地质工程、地下工程领域，具体涉及一种单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置及方法，该装置包括单一裂隙溃砂模拟装置和数据采集系统，所述单一裂隙溃砂模拟装置包括砂源箱、角度调节装置、单一裂隙模拟装置和水头控制装置。利用该装置的单一裂隙模拟装置和角度调节装置能够模拟不同裂隙开度、宽度、长度、倾角的单一裂隙；利用水头控制装置向砂源箱内的砂体提供逐渐缓慢增大的水头高度直至溃砂启动、单一裂隙模拟装置内的水砂混合物发生运动；通过数据采集系统能够连续采集记录试验过程中砂源箱内水压力大小，溃砂启动过程中裂隙内部孔隙水压力大小，及溃砂启动过程中砂颗粒的运移图像，获得溃砂启动的临界水力梯度大小。小。小。


技术研发人员：高炳伦 王雅敬
受保护的技术使用者：东华理工大学
技术研发日：2021.10.27
技术公布日：2022/3/15