专利摘要

一种利用磁流体模拟可视化裂隙渗流的装置，包括主体框架，安装于主体框架内的摄像机通过主体框架上的顶部万向球铰与可移动副框架连接，可视化岩样通过膨胀加压气垫放置于剪切反力架上表面，可视化岩样由上盖板透明树脂和普通岩样组成，上盖板透明树脂和普通岩样之间形成一条裂缝，可视化岩样两侧面各通过液压杆加载装置与剪切反力架的内侧壁连接，液压杆加载装置设有应力传感器和位移传感器，注浆/水装置的注浆/水管与上盖板透明树脂和普通岩样之间的裂缝相配合。本发明提供的利用磁流体模拟可视化裂隙渗流的装置及方法，利用磁流体模拟空间多角度不同围压、侧向力条件下裂隙渗流情况，研究各种情况下的渗流规律。

权利要求

1.一种利用磁流体模拟可视化裂隙渗流的装置，包括主体框架（1），主体框架（1）上设置有可伸缩支撑杆，主体框架（1）顶面滑动连接有可移动副框架（10），安装于主体框架（1）内的摄像机（7）通过主体框架（1）上的顶部万向球铰（11）与可移动副框架（10）连接，其特征在于：剪切反力架（9）通过万向球铰反力装置（2）安装于主体框架（1）的底板（1-1）上表面，可视化岩样（26）通过膨胀加压气垫（22）放置于剪切反力架（9）上表面，膨胀加压气垫（22）与充气装置（24）连通，可视化岩样（26）由上盖板透明树脂（23）和普通岩样（19）组成，上盖板透明树脂（23）和普通岩样（19）之间形成一条裂缝，可视化岩样（26）两侧面各通过液压杆加载装置（18）与剪切反力架（9）的内侧壁连接，液压杆加载装置（18）设有应力传感器（20）和位移传感器（21），注浆/水装置（13）的注浆/水管（3）与上盖板透明树脂（23）和普通岩样（19）之间的裂缝相配合，可视化岩样（26）两端通过带法向限制条（5）的螺纹杆（8）与剪切反力架（9）及膨胀加压气垫（22）固定连接，剪切反力架（9）底部安装有与万向球铰反力装置（2）相配合的角度检测仪（16），U型可调电磁铁（6）通过U型槽（4）套设于可视化岩样（26）外表面并与可视化岩样（26）滑动连接；

万向球铰反力装置（2）包括安装于底板（1-1）上表面的架体（2-1），万向球铰（2-2）安装在架体（2-1）上并与架体（2-1）转动连接，万向球铰（2-2）底部设置有球铰紧固螺杆（2-3），剪切反力架（9）放置于万向球铰（2-2）顶部的承压平台（2-4）上；

可视化岩样（26）两侧面的两根液压杆加载装置（18）呈对角上下交错设置，液压杆加载装置（18）与剪切加载系统（12）连接。

2.根据权利要求1所述的利用磁流体模拟可视化裂隙渗流的装置，其特征在于：主体框架（1）为采用无法被永磁铁吸附的材料制成的框架体。

3.一种利用上述权利要求1-2中任一项所述的装置模拟可视化裂隙渗流的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：调节顶部万向球铰(11)的角度使得摄像机（7）与可视化岩样（26）顶面垂直；

步骤2：调节可伸缩支撑杆的高度，将摄像机（7）置于合适的位置；

步骤3：向膨胀加压气垫（22）内注入气体，调整可视化岩样（26）受到的法向应力；

步骤4：开启剪切加载装置(18)，通过调节液压杆的推力来控制剪切力的大小剪切力的大小通过应力传感器（20）读取，而由剪切作用产生的位移由位移传感器（21）读取；

步骤5：向可视化岩样（26）的裂缝内内注入一定体积的磁流体，并开启U型可调电磁铁（6），调节U型可调电磁铁（6）的磁力大小，控制裂隙内磁流体的流动状态，以模拟出裂隙水渗流实验，通过摄像机（7）所拍摄磁流体渗流情况；

步骤6：将拍摄的视频进行分帧图像处理，得到想要研究的图像，然后通过图像处理软件提取图像中的数据，以研究在有、无侧向力和有剪切力以及不同法向应力作用下的渗流规律，即完成利用磁流体模拟可视化裂隙渗流。

说明书

技术领域

本发明涉及岩石裂隙试验技术领域，尤其是一种利用磁流体模拟可视化裂隙渗流的装置及方法。

背景技术

近些年来，随着国内基础工程不断发展，各类隧道（洞）工程建设规模也不断扩大，我国已经成为世界上工程建设规模最大、质量要求最严格的国家。在矿山开采、水利水电、隧道、边坡加固等岩土工程中，节理裂隙对岩体工程的稳定性有着重要影响。一方面岩体裂隙是导致地下工程水害的重要原因之一，另一方面裂隙的存在也大大降低了岩体强度。通过注浆充填裂隙，不仅可以有效防治工程水害，而且提高了围岩的整体性，对破碎岩体的加固效果十分明显。在注浆的过程中，浆液在裂隙中的扩散规律对堵水和围岩加固效果具有决定性的重要影响。

目前我国隧洞工程建设中面临的高地应力、高水头压力等复杂水文地质条件，施工场地随时面临断层、喀斯特地貌等不良地质等诱发的突水、涌泥涌砂等严重地质灾害，修建难度在工程界堪称世界之最，轻则造成施工现场破坏、隧道坍塌、施工机械损坏，重则造成人员伤亡重大安全事故和严重的经济财产损失。目前我国在建隧道多为基岩隧道，基岩中节理裂隙发育并以裂隙水为主，其引发突涌水灾害逐渐成为限制地下工程建设发展的瓶颈问题。因此，本领域非常需要对浆液在裂隙中的扩散形态及影响因素进行研究，而进行复杂条件下的裂隙注浆模拟试验，并以此为基础建立裂隙注浆径向扩散模型是一种有效的研究手段。建立裂隙注浆径向扩散模型应考虑以下几方面的因素：裂隙的受力状态、裂隙变形及相对剪切位移、裂隙面接触面积、浆液黏度、裂隙开度、注浆压力、裂隙粗糙度、裂隙连通性、裂隙地下水压力和流动、裂隙面是否张开等和各种施工因素等。其关键技术是试验边界条件的实现，即荷载、位移边界条件和渗流边界条件。由于试验条件的限制，特别是在围压加载、裂隙可控错动、渗透密封手段、及可视化的实现方面，国内关于在复杂条件下的岩石裂隙注浆扩散试验及试验方法的研究还存在局限性，相关试验设备还比较缺乏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用磁流体模拟可视化裂隙渗流的装置及方法，可以解决缺乏相关试验设备和方法的问题，利用磁流体模拟空间多角度不同围压、侧向力条件下裂隙渗流情况，研究各种情况下的渗流规律。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种利用磁流体模拟可视化裂隙渗流的装置，包括主体框架，主体框架上设置有可伸缩支撑杆，主体框架顶面滑动连接有可移动副框架，安装于主体框架内的摄像机通过主体框架上的顶部万向球铰与可移动副框架连接，剪切反力架通过万向球铰反力装置安装于主体框架的底板上表面，可视化岩样通过膨胀加压气垫放置于剪切反力架上表面，膨胀加压气垫与充气装置连通，可视化岩样由上盖板透明树脂和普通岩样组成，上盖板透明树脂和普通岩样之间形成一条裂缝，可视化岩样两侧面各通过液压杆加载装置与剪切反力架的内侧壁连接，液压杆加载装置设有应力传感器和位移传感器，注浆/水装置的注浆/水管与上盖板透明树脂和普通岩样之间的裂缝相配合，可视化岩样两端通过带法向限制条的螺纹杆与剪切反力架及膨胀加压气垫固定连接，剪切反力架底部安装有与万向球铰反力装置相配合的角度检测仪，U型可调电磁铁通过U型槽套设于可视化岩样外表面并与可视化岩样滑动连接。

主体框架为采用无法被永磁铁吸附的材料制成的框架体。

万向球铰反力装置包括安装于底板上表面的架体，万向球铰安装在架体上并与架体转动连接，万向球铰底部设置有球铰紧固螺杆，剪切反力架放置于万向球铰顶部的承压平台上。

可视化岩样两侧面的两根液压杆加载装置呈对角上下交错设置，液压杆加载装置与剪切加载系统连接。

一种利用装置模拟可视化裂隙渗流的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：调节顶部万向球铰的角度使得摄像机与可视化岩样顶面垂直；

步骤2：调节可伸缩支撑杆的高度，将摄像机置于合适的位置；

步骤3：向膨胀加压气垫内注入气体，调整可视化岩样受到的法向应力；

步骤4：开启剪切加载装置，通过调节液压杆的推力来控制剪切力的大小剪切力的大小通过应力传感器读取，而由剪切作用产生的位移由位移传感器读取；

步骤5：向可视化岩样的裂缝内内注入一定体积的磁流体，并开启U型可调电磁铁，调节U型可调电磁铁的磁力大小，控制裂隙内磁流体的流动状态，以模拟出裂隙水渗流实验，通过摄像机所拍摄磁流体渗流情况；

步骤6：将拍摄的视频进行分帧图像处理，得到想要研究的图像，然后通过图像处理软件提取图像中的数据，以研究在有、无侧向力、剪切力以及不同法向应力作用下的渗流规律，即完成利用磁流体模拟可视化裂隙渗流。

本发明提供的利用磁流体模拟可视化裂隙渗流的装置及方法，有益效果如下：

1、可研究不同应力条件下、不同倾角的岩石粗糙裂隙可视化渗流规律。

2、通过膨胀加压气垫对裂隙面施加法向应力，使压力保持稳定，并利用其能与岩石面均匀接触的特性，通过剪切反力架使裂隙面施加法向应力更加均匀。

3、万向球铰反力装置可以360°的旋转，可以模拟出空间任意角度，真正意义上实现了模拟空间多角度裂隙渗流状态。

4、通过调控U型可调电磁铁的磁力大小来代替渗透压力，以达到模拟不同侧向力和渗透压对渗流的影响。

5、利用U型可调电磁铁吸引磁流体，将磁流体定格在某一瞬间（某一断面），实现了水渗流无法实现的技术效果，利用这一特性，可以研究在不同侧向力和渗透压力作用下，某一断面的渗流规律。

6、调节可移动副框架和摄像机固定平台的位置，使摄像机能准确对准可视化岩样，避免出现重影的现象，使拍摄图片更加清晰可靠。

可以解决缺乏相关试验设备和方法的问题，利用磁流体模拟空间多角度不同围压、侧向力条件下裂隙渗流情况，研究各种情况下的渗流规律。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置的局部示意图；

图3为本发明装置的剪切反力架的示意图；

图4为本发明装置的U型可调电磁铁的示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1-图4所示，一种利用磁流体模拟可视化裂隙渗流的装置，包括主体框架1，主体框架1上设置有可伸缩支撑杆，主体框架1顶面滑动连接有可移动副框架10，安装于主体框架1内的摄像机7通过主体框架1上的顶部万向球铰11与可移动副框架10连接，剪切反力架9通过万向球铰反力装置2安装于主体框架1的底板1-1上表面，可视化岩样26通过膨胀加压气垫22放置于剪切反力架9上表面，膨胀加压气垫22与充气装置24连通，可视化岩样26由上盖板透明树脂23和普通岩样19组成，上盖板透明树脂23和普通岩样19之间形成一条裂缝，可视化岩样26两侧面各通过液压杆加载装置18与剪切反力架9的内侧壁连接，液压杆加载装置18设有应力传感器20和位移传感器21，注浆/水装置13的注浆/水管3与上盖板透明树脂23和普通岩样19之间的裂缝相配合，可视化岩样26两端通过带法向限制条5的螺纹杆8与剪切反力架9及膨胀加压气垫22固定连接，剪切反力架9底部安装有与万向球铰反力装置2相配合的角度检测仪16，U型可调电磁铁6通过U型槽4套设于可视化岩样26外表面并与可视化岩样26滑动连接。

主体框架1为采用无法被永磁铁吸附的材料制成的框架体，例如铝合金。

万向球铰反力装置2包括安装于底板1-1上表面的架体2-1，万向球铰2-2安装在架体2-1上并与架体2-1转动连接，万向球铰2-2底部设置有球铰紧固螺杆2-3，剪切反力架9放置于万向球铰2-2顶部的承压平台2-4上。

可视化岩样26两侧面的两根液压杆加载装置18呈对角上下交错设置，液压杆加载装置18与剪切加载系统12连接。

可伸缩支撑杆为套接在主体框架1的立杆15内的伸缩架14，伸缩架14通过固定螺栓17与立杆15固定连接。

充气装置24为安装在主体框架1上的高压氮气瓶，U型可调电磁铁6与电磁铁伺服系统25连接；摄像机7为高清摄像机。

实施例二

一种利用上述装置模拟可视化裂隙渗流的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：调节顶部万向球铰11的角度使得摄像机7与可视化岩样26顶面垂直；

步骤2：调节可伸缩支撑杆的高度，将摄像机7置于合适的位置（能清楚拍摄可视化渗流情况且无反光、重影等影响后期实验数据处理的情况）；

步骤3：通过充气装置24向膨胀加压气垫22内注入气体（利用高压氮气瓶上的压力表调节压力大小），调整可视化岩样26受到的法向应力；

步骤4：开启剪切加载装置18，通过调节液压杆的推力来控制剪切力的大小剪切力的大小通过应力传感器20读取，而由剪切作用产生的位移由位移传感器21读取；

步骤5：通过注浆/水装置13向可视化岩样26的裂缝内内注入一定体积的磁流体，并开启U型可调电磁铁6，调节U型可调电磁铁6的磁力大小，控制裂隙内磁流体的流动状态，以模拟出裂隙水渗流实验，通过摄像机7所拍摄磁流体渗流情况；

步骤6：将拍摄的视频进行分帧图像处理，得到想要研究的图像，然后通过图像处理软件提取图像中的数据，以研究在有、无侧向力、剪切力以及不同法向应力作用下的渗流规律，即完成利用磁流体模拟可视化裂隙渗流。

实施例三

上述实施例一中，可视化岩样26的制备方法如下：

步骤a：准备岩石裂面：采集具有天然节理裂隙的岩石（含对立面）或将成块岩石劈裂获取劈裂裂面，大小依试验要求而定；

步骤b：按硬化剂与液态硅胶按1：50的质量比例配制试验用硅胶，将液体硅胶均匀的浇筑在待模拟的岩样裂面上，3个小时之后，等待其凝结硬化，将其取下；

步骤c：配制透明树脂：取一定量的液体树脂于适合的容器中，首先加入质量含量为0.6%—0.8%的促进剂搅拌2分钟，然后再加入质量含量为0. 6%—0.8%的硬化剂，搅拌2分钟，最后加入质量含量为0.6%—1.2%的消泡剂，缓慢搅拌2分钟，整个过程应保证在30℃—40℃的环境温度中进行；

步骤d：将配制好的透明树脂均匀灌注在已模拟好岩石裂面的硅胶上，树脂厚度大约5mm；

步骤e：待树脂凝结硬化后，将其取下并用树脂碱性表面处理剂进行表面抛光处理，提高树脂的透明度，减少折射影响；

步骤f：将含有裂面表明特征的透明树脂（即上盖板透明树脂23）与岩石对立裂面（即普通岩样19）重合，完成可视化岩样26的制备。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

利用磁流体模拟可视化裂隙渗流的装置及方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。