[实用新型]用于裂隙表面粗糙度表征的渗流试验系统

说明书

本实用新型公开了一种用于裂隙表面粗糙度表征的渗流试验系统，夹持器的套筒中与其同轴设有胶套，且套筒外设有围压加载装置；入口假岩芯和入口堵头依次从夹持器的入口侧塞入胶套中，出口假岩芯和出口堵头从夹持器的出口侧塞入胶套中，入口堵头的水流通孔连通至恒流恒压泵；入口假岩芯、出口假岩芯、胶套围成的空腔中设有单裂隙试样，出口堵头向外连接至出水流量计，套筒外部的隙宽测量装置的探头垂直于裂隙面穿过套筒和胶套并顶住单裂隙试样的外壁。本实用新型的探头紧贴试样的外表面，充分考虑到了胶套变形带来的测量影响，消除了测量误差，能够精确测得裂隙宽度，将其用于裂隙粗糙度表征的研究中有利于得到裂隙粗糙度对非达西渗流的影响规律。

技术领域

本实用新型涉及一种用于裂隙表面粗糙度表征的渗流试验系统，属于渗流研究领域。

背景技术

裂隙岩体中的流体动量传输在大量工程现场应用普遍，包括矿山地热工作、地下隧道、地热能量提取、油气开采、污染物封存等，针对工程问题提取出的离散裂隙网络模型(DFN模型)普遍应用在渗流研究中，其中的单裂隙渗流是研究基础。单裂隙中水的流动过程满足N-S方程，对条件进行简化后得到达西流区域的关系，即通过平滑平板裂隙的流量Q与隙宽b的立方成正比，如下式所示：

上式中，Q为渗流流量，m³/s；w为过流面宽度，m；b为裂隙的机械隙宽，m；μ为流体的动力黏度，Pa·s；为裂隙两端的压力梯度，Pa/m。其中A_D值为f(12φ₁)，φ₁为代表粗糙度的一个无量纲数，当裂隙面完全光滑时，φ₁＝1，当裂隙面粗糙时，φ₁＞1。

在水力、隧道、石油开采等一系列实际工程建设的渗流特性分析中，越来越多的试验资料和监测资料证实了很多偏离达西渗流规律现象的存在，即渗流速度和水力坡降不呈线性关系，目前对于这种非线性出现的主要原因归结为：①由于裂隙粗糙流线迂曲，当水的流量增大时，由于水流速度和方向的变化，惯性力不可忽略。②紊流过程中形成的涡流导致能量耗散，这种条件下导致的压力降更大。③粗糙面导致流动的水阻增大。可见，裂隙面的粗糙特性对单裂隙渗流过程有重要影响，国内外用Forchheimer公式来描述非达西流区域的流量Q和压力降之间的关系，在此基础上进行无量纲化，如下式所示：

其中B_D/b＝β，β为非达西系数，m^-1，B_D为一个代表裂隙粗糙度的一个无量纲数，更偏向反映流体渗流过程中的压力非线性损失。

从以上的各公式可以看出，无论流体在达西流阶段或非达西流阶段，裂隙表面的粗糙特性都对流体状态的描述有重要影响，而由于裂隙粗糙面形状复杂，国内外大多用统计学方法或分形几何方法对其描述，但这些研究结果偏差较大，且在对裂隙表面粗糙度研究过程中，裂隙宽度等数据的测量不够精确，和真实值存在很大的偏差，不利于后期研究裂隙粗糙度对于非达西渗流的影响规律。

实用新型内容

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种用于裂隙表面粗糙度表征的渗流试验系统，能够精确测得裂隙宽度等数据，将其用于裂隙表面粗糙度表征的研究中能够有利于表征得到裂隙粗糙度对非达西渗流的影响规律。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种用于裂隙表面粗糙度表征的渗流试验系统，包括夹持器，所述夹持器包括套筒，所述套筒中与其同轴设有胶套，套筒内壁与胶套外壁之间设有围压腔，且套筒外设有围压加载装置；一入口假岩芯和一入口堵头依次从夹持器的入口侧塞入胶套中，且夹持器的入口侧设有入口端盖，一出口假岩芯和一出口堵头依次从夹持器的出口侧塞入胶套中，所述入口假岩芯和出口假岩芯沿各自中轴线分别设有水流通道，且入口假岩芯和出口假岩芯彼此相对的侧面上各自从中心沿径向发散设有多个渗流槽；