УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЯ ПРОСАЧИВАНИЯ ПРИ СДВИГЕ ДЛЯ СЕТИ ТРЕЩИН
DEVICE AND METHOD FOR PERFORMING LEEPAGE TESTING UNDER SHEAR FOR A NETWORK OF CRACKS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к технической области механики текучих сред и механики горных пород, а более конкретно оно относится к устройству и способу проведения испытания просачивания при сдвиге для сети трещин.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] В инженерной геологии существует вероятность возникновения сдвига и нарушения горной массы под действием землетрясения, разработки и других факторов, что приводит к относительному смещению сети трещин внутри горной массы вдоль сдвиговых трещин. Данная ситуация приводит к более сложным каналам прохода воды или других вредных веществ, дополнительно повышая проницаемость горной массы и ухудшая ее физические и механические свойства. Реализация лабораторного испытания с физической моделью просачивания при сдвиге для сети трещин может выявить механизм просачивания при сдвиге в сети трещин, а также может обеспечить надежную основу для безопасной оценки инженерной технологии.
[0003] По статистике, более чем 90% повреждений ствола в породе связано с проницаемостью для грунтовых вод, 60% несчастных случаев в шахтах связано с действием грунтовых вод и от 30% до 40% прорывов дамб на гидроэлектрических проектах вызвано просачиванием. Таким образом, в этой области существует срочная необходимость в изучении механизма просачивания при сдвиге в сети трещин, при этом реализация испытания с физической моделью просачивания при сдвиге для сети трещин является наиболее эффективным и важным этапом. Проведение испытания с физической моделью просачивания при сдвиге для сети трещин в основном затруднено ввиду обеспечении равных значений давления воды на всех трещинах и разломах, а также ввиду разработки сети трещин, где происходит сдвиговое смещение.
[0004] В патенте на изобретение по заявке № 201410140674.1 раскрыт способ проведения испытания связи просачивания и сдвига в породе, в ходе реализации которого имеют место следующие проблемы: (1) при сдвиге и повреждении испытательного образца, все сдвиговые трещины и трещины в сети трещин деформируются, вызывая изменения степени открытия и коэффициента проницаемости, тем самым отдельно определяя воздействие сдвиговых трещин на характеристики просачивания всей сети трещин испытательного образца. (2) в процессе проведения испытания давление воды в точке измерения постоянно меняется и относится к динамическому давлению воды, тем самым не имитируя гидростатическое давление установившегося потока на объекте.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] В настоящем изобретении представлены устройство и способ проведения испытания просачивания при сдвиге для сети трещин, в которых реализуется лабораторное испытание с физической моделью просачивания при сдвиге для сети трещин и которые обладают такими преимуществами, как низкие затраты и простота реализации.
[0006] Для решения технических задач, в настоящем изобретении используются технические решения, представленные далее. Представлено устройство для проведения испытания просачивания при сдвиге, которое содержит: крайнее в модели изобарное устройство для впрыска воды, крайнее в модели изобарное устройство для выпуска воды и стеклянную модель сети трещин, причем крайнее в модели изобарное устройство для впрыска воды имеет c-образное сечение и его отверстие обращено к среде проведения испытания;
крайнее в модели изобарное устройство для выпуска воды имеет c-образное сечение и его отверстие обращено к среде проведения испытания; и отверстие крайнего в модели изобарного устройства для выпуска воды и отверстие крайнего в модели изобарного устройства для впрыска воды ориентированы друг напротив друга;
стеклянная модель сети трещин образована двумя отделяемыми половинами модели, причем сторона одной из двух отделяемых половин модели, которая обращена в направлении от среды проведения испытания, установлена в отверстии крайнего в модели изобарного устройства для впрыска воды, а сторона другой отделяемой половины модели, которая обращена в направлении от среды проведения испытания, установлена в отверстии крайнего в модели изобарного устройства для выпуска воды; и
используя направление длины стеклянной модели сети трещин в качестве оси x и направление ее ширины в качестве оси y, задана система координат; при этом две отделяемые половины модели могут перемещаться в направлении оси x или оси y, причем смещение в направлении оси x должно быть больше 0.
[0007] В качестве дополнительного предпочтительного признака настоящего изобретения, устройство дополнительно содержит широкие накладные пластины и узкие накладные пластины, причем узкие накладные пластины размещены, соответственно, в верхней и нижней части места плотного соединения двух отделяемых половин модели, а широкие накладные пластины плотно прикреплены к узким накладным пластинам и размещены в верхней и нижней части двух отделяемых половин модели в направлении от среды проведения испытания.
[0008] В качестве дополнительного предпочтительного признака настоящего изобретения, устройство дополнительно содержит впускной патрубок для воды, нижнюю заслонку впускного патрубка для воды, верхнюю заслонку впускного патрубка для воды и отверстие для гидростатического испытания на впускном патрубке для воды, причем впускной патрубок для воды и отверстие для гидростатического испытания на впускном патрубке для воды выполнены в ряд на верхней части крайнего в модели изобарного устройства для впрыска воды; нижняя заслонка впускного патрубка для воды и верхняя заслонка впускного патрубка для воды размещены внутри отверстия крайнего в модели изобарного устройства для впрыска воды; нижняя заслонка впускного патрубка для воды расположена под впускным патрубком для воды и отверстием для гидростатического испытания на впускном патрубке для воды; а верхняя заслонка впускного патрубка для воды расположена на верхней части места контакта между крайним в модели изобарным устройством для впрыска воды и стеклянной моделью сети трещин.
[0009] В качестве дополнительного предпочтительного признака настоящего изобретения, устройство дополнительно содержит выпускной патрубок для воды, отверстие для гидростатического испытания на выпускном патрубке для воды и верхнюю заслонку выпускного патрубка для воды, причем выпускной патрубок для воды и отверстие для гидростатического испытания на выпускном патрубке для воды выполнены на верхней части крайнего в модели изобарного устройства для выпуска воды; а верхняя заслонка выпускного патрубка для воды размещена внутри отверстия крайнего в модели изобарного устройства для выпуска воды и на верхней части места контакта между крайним в модели изобарным устройством для выпуска воды и стеклянной моделью сети трещин.
[0010] В качестве дополнительного предпочтительного признака настоящего изобретения, крайнее в модели изобарное устройство для впрыска воды, крайнее в модели изобарное устройство для выпуска воды, широкие накладные пластины и узкие накладные пластины подвергнуты герметизирующей обработке на краях соединения.
[0011] В настоящем изобретении также представлен способ проведения испытания просачивания при сдвиге для сети трещин, который включает следующие этапы, на которых:
этап 1: определяют размер узких накладных пластин: выполняют узкие накладные пластины соответствующего размера в соответствии с требуемой величиной и направлением сдвигового смещения;
этап 2: выполняют сборку устройства для проведения испытания: выполняют сборку крайнего в модели изобарного устройства для впрыска воды, крайнего в модели изобарного устройства для выпуска воды и стеклянной модели сети трещин, и соединяют их путем использования широких накладных пластин и узких накладных пластин;
этап 3: осуществляют подготовку к проведению испытания: запускают источник воды и впрыскивают воду через впускной патрубок для воды в крайнем в модели изобарном устройстве для впрыска воды до выхода потока воды из выпускного патрубка для воды в крайнем в модели изобарном устройстве для выпуска воды; и
этап 4: измеряют значения давления воды на впускном и выпускном патрубках для воды: после обеспечения устойчивости всего потока воды на этапе 3 используют дифференциальный манометр для измерения значений гидростатического давления впускного патрубка для воды и выпускного патрубка для воды, соответственно, на отверстии для гидростатического испытания на впускном патрубке для воды и отверстии для гидростатического испытания на выпускном патрубке для воды.
[0012] Благодаря представленным выше техническим решениям, настоящее изобретение обладает следующими полезными эффектами по сравнению с уровнем техники:
[0013] 1. Крайнее в модели изобарное устройство для впрыска воды, согласно настоящему изобретению, обеспечивает равные значения давления воды во всех трещинах и разломах, а крайнее в модели изобарное устройство для выпуска воды обеспечивает равные значения давления воды на выпускном патрубке для воды, так что в имитируемой области достигается гидростатическое давление установившегося потока.
[0014] 2. Стеклянная модель сети трещин в настоящем изобретении образована двумя отделяемыми половинами модели, а лабораторное испытание с физической моделью просачивания при сдвиге для сети трещин реализуют путем перемещения одной отделяемой половины модели в направлении оси x или оси y.
[0015] 3. Сеть трещин в стеклянной модели сети трещин, согласно настоящему изобретению, получают путем машинной обработки стеклянной пластины, обеспечивая простоту реализации и низкие затраты.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0016] Настоящее изобретение далее описано ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи и конкретные варианты реализации.
[0017] На ФИГ. 1 представлен вид сверху всей конструкции настоящего изобретения;
[0018] На ФИГ. 2 представлен вид спереди всей конструкции настоящего изобретения;
[0019] На ФИГ. 3 представлен вид спереди крайнего в модели изобарного устройства для впрыска воды в настоящем изобретении;
[0020] На ФИГ. 4 представлен вид спереди стеклянной модели сети трещин в настоящем изобретении; и
[0021] На ФИГ. 5 представлен вид спереди крайнего в модели изобарного устройства для выпуска воды в настоящем изобретении.
Расшифровка ссылочных обозначений: 10. Крайнее в модели изобарное устройство для впрыска воды; 11. Впускной патрубок для воды; 12. Нижняя заслонка впускного патрубка для воды; 13. Верхняя заслонка впускного патрубка для воды; 14. Отверстие для гидростатического испытания на впускном патрубке для воды; 20. Крайнее в модели изобарное устройство для выпуска воды; 21. Выпускной патрубок для воды; 22. Отверстие для гидростатического испытания на выпускном патрубке для воды; 23. Верхняя заслонка выпускного патрубка для воды; 30. Стеклянная модель сети трещин; 40. Широкая накладная пластина; и 50. Узкая накладная пластина.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ
[0022] Дальнейшее подробное описание настоящего изобретения представлено ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи. Эти сопроводительные чертежи представляют собой упрощенные схематические виды и на них схематически изображена лишь базовая конструкция настоящего изобретения. Таким образом, показаны лишь те компоненты, которые имеют отношение к настоящему изобретению.
[0023] Лабораторное испытание с физической моделью просачивания при сдвиге для сети трещин может выявить механизм просачивания при сдвиге в сети трещин, а также может обеспечить надежную основу для безопасной оценки инженерной технологии. В уровне техники имеют место некоторые недостатки. Например, при сдвиге и повреждении испытательного образца, все сдвиговые трещины и трещины в сети трещин деформируются, вызывая изменения степени открытия и коэффициента проницаемости, тем самым отдельно определяя воздействие сдвиговых трещин на характеристики просачивания всей сети трещин испытательного образца. Более того, в процессе проведения испытания давление воды в точке измерения постоянно меняется и относится к динамическому давлению воды, тем самым не имитируя гидростатическое давление установившегося потока на объекте.
[0024] Исходя из указанных выше проблем, в настоящей заявке представлено устройство для проведения испытания просачивания при сдвиге для сети трещин, которое содержит, как показано на ФИГ. 2, крайнее в модели изобарное устройство 10 для впрыска воды, крайнее в модели изобарное устройство 20 для выпуска воды и стеклянную модель 30 сети трещин. Крайнее в модели изобарное устройство 10 для впрыска воды имеет c-образное сечение и его отверстие обращено к среде проведения испытания. Крайнее в модели изобарное устройство 20 для выпуска воды имеет c-образное сечение и его отверстие обращено к среде проведения испытания. Отверстие крайнего в модели изобарного устройства 20 для выпуска воды и отверстие крайнего в модели изобарного устройства 10 для впрыска воды ориентированы друг напротив друга. Стеклянная модель 30 сети трещин образована двумя отделяемыми половинами модели, причем сторона одной из двух отделяемых половин модели, которая обращена в направлении от среды проведения испытания, установлена в отверстии крайнего в модели изобарного устройства 10 для впрыска воды, а сторона другой отделяемой половины модели, которая обращена в направлении от среды проведения испытания, установлена в отверстии крайнего в модели изобарного устройства 20 для выпуска воды. Как показано на ФИГ. 1, используя направление длины стеклянной модели 30 сети трещин в качестве оси x и направление ее ширины в качестве оси y, задана система координат. Две отделяемые половины модели могут перемещаться в направлении оси x или оси y, причем смещение в направлении оси x должно быть больше 0.
[0025] Сеть трещин в стеклянной модели 30 сети трещин готовят путем резки с помощью струи воды, резьбы с помощью резца для стекла или физического удара по стеклянной пластине. Необходимая степень открытия и смещения в ходе сдвига могут быть обеспечены необходимостью перемещения только лишь одной из двух отделяемых половин модели в направлении оси x или оси y без необходимости в перемещении обеих половин модели.
[0026] Как показано на ФИГ. 4, в настоящей заявке дополнительно содержатся широкие накладные пластины 40 и узкие накладные пластины 50, причем узкие накладные пластины 50 размещены, соответственно, в верхней и нижней части (а именно, в верхней и нижней части сдвинутой и смещенной части) места плотного соединения двух отделяемых половин модели, а широкие накладные пластины 40 плотно прикреплены к узким накладным пластинам 50 и размещены в верхней и нижней части двух отделяемых половин модели в направлении от среды проведения испытания.
[0027] Широкие накладные пластины 40 используются для закрепления стеклянной модели 30 сети трещин, а узкие накладные пластины 50 используются для закрепления сдвинутой части стеклянной модели 30 сети трещин, причем размер узкой накладной пластины 50 определен в соответствии с величиной и направлением сдвигового смещения. Крайнее в модели изобарное устройство 10 для впрыска воды, крайнее в модели изобарное устройство 20 для выпуска воды, широкие накладные пластины 40 и узкие накладные пластины 50 подвергнуты герметизирующей обработке на краях соединения.
[0028] Как показано на ФИГ. 1, в настоящей заявке дополнительно содержатся впускной патрубок 11 для воды, нижняя заслонка 12 впускного патрубка для воды, верхняя заслонка 13 впускного патрубка для воды и отверстие 14 для гидростатического испытания на впускном патрубке для воды, причем впускной патрубок 11 для воды и отверстие 14 для гидростатического испытания на впускном патрубке для воды выполнены на верхней части конца крайнего в модели изобарного устройства 10 для впрыска воды, который обращен в направлении от среды проведения испытания. Как показано на ФИГ. 3, нижняя заслонка 12 впускного патрубка для воды и верхняя заслонка 13 впускного патрубка для воды размещены внутри отверстия крайнего в модели изобарного устройства 10 для впрыска воды. Нижняя заслонка 12 впускного патрубка для воды расположена под впускным патрубком 11 для воды и отверстием 14 для гидростатического испытания на впускном патрубке для воды, а верхняя заслонка 14 впускного патрубка для воды расположена на верхней части места контакта между крайним в модели изобарным устройством 10 для впрыска воды и стеклянной моделью 30 сети трещин.
[0029] Положения впускного патрубка 11 для воды и отверстия 14 для гидростатического испытания на впускном патрубке для воды на верхней части конца крайнего в модели изобарного устройства 10 для впрыска воды, который обращен в направлении от среды проведения испытания, не ограничены, и это не влияет на результат испытания при любом положении.
[0030] Как показано на ФИГ. 1, в настоящей заявке дополнительно содержатся выпускной патрубок 21 для воды, отверстие 22 для гидростатического испытания на выпускном патрубке для воды и верхняя заслонка 23 выпускного патрубка для воды, причем выпускной патрубок 21 для воды и отверстие 22 для гидростатического испытания на выпускном патрубке для воды выполнены на верхней части конца крайнего в модели изобарного устройства 20 для выпуска воды, который обращен в направлении от среды проведения испытания. Как показано на ФИГ. 5, верхняя заслонка 23 выпускного патрубка для воды размещена внутри отверстия крайнего в модели изобарного устройства 20 для выпуска воды и на верхней части места контакта между крайним в модели изобарным устройством 20 для выпуска воды и стеклянной моделью 30 сети трещин.
[0031] Положения выпускного патрубка 21 для воды и отверстия 22 для гидростатического испытания на выпускном патрубке для воды на верхней части конца крайнего в модели изобарного устройства 20 для выпуска воды, который обращен в направлении от среды проведения испытания, не ограничены, и это не влияет на результат испытания при любом положении.
Вариант реализации 1
[0032] В настоящей заявке представлен предпочтительный вариант реализации 1, показанный на ФИГ. 2, и устройство в данной схеме реализации образовано тремя частями: крайним в модели изобарным устройством 10 для впрыска воды, крайним в модели изобарным устройством 20 для выпуска воды и стеклянной моделью 30 сети трещин. После сборки трех частей, широкие накладные пластины 40 размещают, соответственно, на верхней и нижней части стеклянной модели 30 сети трещин, а узкие накладные пластины 50 размещают, соответственно, на верхней и нижней части места сдвига и смещения стеклянной модели 30 сети трещин. Широкие накладные пластины 40 и узкие накладные пластины 50 плотно прикрепляют, а конец широкой накладной пластины 40, который обращен в направлении от узкой накладной пластины 50, плотно прикрепляют к верхней заслонке 13 впускного патрубка для воды внутри отверстия крайнего в модели изобарного устройства 10 для впрыска воды. Крайнее в модели изобарное устройство 10 для впрыска воды, крайнее в модели изобарное устройство 20 для выпуска воды, широкие накладные пластины 40 и узкие накладные пластины 50 подвергают герметизирующей обработке на краях соединения. Стеклянная модель 30 сети трещин может перемещаться в направлении оси x или оси y.
[0033] Как показано на ФИГ. 2, после впрыска воды через впускной патрубок 11 для воды, вода сначала попадает в полость, определенную нижней заслонкой 13 впускного патрубка для воды и внутренними стенками крайнего в модели изобарного устройства 10 для впрыска воды, тем самым обеспечивая определенную степень эффекта буферного действия. После перетекания воды через нижнюю заслонку 13 впускного патрубка для воды, давление потока воды стремится к устойчивому состоянию, так что поток воды имеет одинаковое давление при попадании в трещины, а объемы притока воды в основном являются постоянными. Ввиду потери давления в процессе протекания воды через трещины в стеклянной модели 30 сети трещин, давление воды снижается после вытекания воды из стеклянной модели 30 сети трещин, и вытекающая вода наполняет отверстие крайнего в модели устройства 20 для сбора воды и газа. Благодаря тому, что в полости внутри отверстия имеет место эффект буферного действия, вода, вытекающая через выпускной патрубок 21 для воды, имеет постоянное давление. После обеспечения устойчивости потока воды во всей модели, используют дифференциальный манометр для измерения значений гидростатического давления впускного патрубка 11 для воды и выпускного патрубка 21 для воды, соответственно, на отверстии 14 для гидростатического испытания на впускном патрубке для воды и отверстии 22 для гидростатического испытания на выпускном патрубке для воды.
[0034] Конкретный способ проведения испытания в данной схеме реализации заключается в следующем:
[0035] Этап 1: Определяют размер узких накладных пластин 50: Узкие накладные пластины 50 соответствующего размера выполняют в соответствии с требуемой величиной и направлением сдвигового смещения.
[0036] Этап 2: Выполняют сборку устройства для проведения испытания: Выполняют сборку крайнего в модели изобарного устройства 10 для впрыска воды, крайнего в модели изобарного устройства 20 для выпуска воды и стеклянной модели 30 сети трещин, и соединяют их путем использования широких накладных пластин 40 и узких накладных пластин 50. Далее, крайнее в модели изобарное устройство 10 для впрыска воды, крайнее в модели изобарное устройство 20 для выпуска воды, широкие накладные пластины 40 и узкие накладные пластины 50 подвергают обработке для обеспечения водонепроницаемости (герметизируют с помощью герметика) на краях соединения.
[0037] Этап 3: Осуществляют подготовку к проведению испытания: Стеклянную модель 30 сети трещин перемещают в направлении оси x или оси y для достижения необходимой степени открытия и сдвигового смещения; и впрыскивают воду через впускной патрубок 11 для воды в крайнем в модели изобарном устройстве 10 для впрыска воды до выхода потока воды из выпускного патрубка 21 для воды в крайнем в модели изобарном устройстве 20 для выпуска воды (выход воды через выпускной патрубок 21 указывает на то, что давление воды внутри всей модели находится в устойчивом состоянии).
[0038] Этап 4. Измеряют значения давления воды на впускном и выпускном патрубках для воды: После обеспечения устойчивости всего потока воды на этапе 3 используют дифференциальный манометр для измерения значений гидростатического давления впускного патрубка 11 для воды и выпускного патрубка 21 для воды, соответственно, на отверстии 14 для гидростатического испытания на впускном патрубке для воды и отверстии 22 для гидростатического испытания на выпускном патрубке для воды.
[0039] Крайнее в модели изобарное устройство 10 для впрыска воды, согласно настоящему изобретению, обеспечивает равные значения давления воды во всех трещинах и разломах, а крайнее в модели изобарное устройство 20 для выпуска воды обеспечивает равные значения давления воды на выпускном патрубке для воды, так что в имитируемой области достигается гидростатическое давление установившегося потока. В настоящем изобретении реализовано лабораторное испытание с физической моделью просачивания при сдвиге для сети трещин путем перемещения одной отделяемой половины модели в направлении оси x или оси y. Сеть трещин в стеклянной модели 30 сети трещин, согласно настоящему изобретению, получают путем машинной обработки стеклянной пластины, обеспечивая простоту реализации и низкие затраты. Более того, за счет прозрачности стеклянной пластины, за просачиванием легко можно наблюдать в ходе проведения испытания. Для более простого наблюдения, источник воды может быть заменен на цветной красильный раствор, а поток цветного красильного раствора в разных направлениях трещин в модели сети трещин можно наблюдать через просачивание.
[0040] Выше были описаны лишь предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения. Следует отметить, что специалист в данной области техники может осуществить некоторые улучшения и модификации, не выходя при этом за рамки замысла настоящего изобретения, причем эти улучшения и модификации также следует трактовать, как входящие в рамки объема защиты настоящего изобретения.
[0041] Специалисту в данной области техники будет ясно, что если иное не определено, все термины (в том числе технические и научные термины), используемые в настоящем документе, имеют то же самое значение, которое в целом известно специалисту в области техники, к которой относится настоящее изобретение. Также следует понимать, что такие термины, как те, что определены в общем словаре, следует трактовать, как имеющие значения, согласующиеся со значениями в контексте уровня техники. Если в настоящем документе не определено иное, эти термины не следует интерпретировать в наиболее предпочтительном или слишком формальном смысле.
[0042] Значение «и/или» в настоящей заявке относится к факту обеспечения каждого элемента отдельно или одновременно обоих элементов.
[0043] «Соединение» в настоящей заявке может означать непосредственное соединение между компонентами или непрямое соединение между компонентами через другой компонент.
[0044] После ознакомления с представленными выше наиболее предпочтительными вариантами реализации, согласно настоящему изобретению, исходя из представленного выше содержания, компетентные специалисты будут полностью способны осуществить широкий ряд изменений и модификаций, не отклоняясь от объема технического замысла настоящего изобретения. Технический объем настоящего изобретения не ограничивается содержанием описания и должен определяться в соответствии с объемом формулы изобретения.