本發明涉及巖體裂隙介質滲流實驗，具體為一種分層充填裂隙滲流-侵蝕可視化實驗裝置及方法。

背景技術：

1、充填裂隙是指天然巖石裂隙在水流沖刷、化學侵蝕和重力沉降的作用下，其裂隙內部被未固結的松散物質所充填。此外，在沉積作用、侵蝕作用和火山活動等地質作用下，裂隙中的充填土體會呈現出不同土層交替堆疊的形式，存在明顯的分層現象，且相鄰土層的物理和化學性質往往表現出顯著的差異性。

2、這種分層充填裂隙內流體和溶質運移規律十分復雜，且在滲流作用下，充填裂隙中會發生顆粒的遷移和流失，進一步改變充填裂隙的滲流通道和滲透率，開展具有土體分層特性的充填裂隙介質的滲流研究在許多地質工程中具有重要意義。在地質工程中，充填裂隙的發展形成軟弱帶和夾層，構成了潛在破壞面，研究充填裂隙的滲流特性對于預防管涌、滑坡等地質災害具有重要意義。在環境科學中，與裂隙介質相比充填裂隙會阻礙污染物的遷移，對研究污染物的遷移和擴散過程有著關鍵影響。

3、充填裂隙的充填土體由粗顆粒和細顆粒構成，其中粗顆粒構成充填介質的基本骨架，細顆粒為分散在骨架空間中的松散顆粒。當細顆粒粒徑小于粗顆粒骨架所形成的孔隙空間尺寸，且滲流壓力大于顆粒間的摩擦阻力時，細顆粒可以從粗顆粒骨架的孔隙中流失，造成侵蝕破壞。對于具有土體分層特性的充填裂隙，不同土層的土體性質不同，滲流特性會存在顯著差異，顆粒較細的土層（如粘土層）的滲透率相對較小，而顆粒較粗的土層（如沙土層）的滲透率相對較大，這種滲流特性會導致滲流路徑不均勻，使得充填裂隙的滲流特性更加復雜。

4、傳統的充填裂隙滲流實驗在樣品末端使用過濾器防止填充材料的流失，忽視了滲流過程中對土體顆粒造成的滲流侵蝕及顆粒流失對充填裂隙的滲流通道和滲透率的影響，特別是對于分層土體的充填裂隙滲流研究較少。且受制于巖體的不透明的特性，傳統實驗局限于獲取裂隙基本物性參數如粗糙度、滲透率和相對滲透率等，難以實現對分層充填裂隙滲流-侵蝕過程中滲流特性的可視化觀測，相關工作亟待開展。

技術實現思路

1、為克服上述現有技術的不足，本發明提供分層充填裂隙滲流-侵蝕可視化實驗裝置及方法，通過連接高精度螺旋式拉桿壓力傳感器，構建質量監測系統，對分層充填裂隙滲流-侵蝕過程實現實時質量監測，配合壓強監測模塊和圖像采集模塊，實現了充填裂隙滲流-侵蝕過程的可視化觀測。

2、根據本發明說明書的一方面，提供一種分層充填裂隙滲流-侵蝕可視化實驗裝置，包括：

3、臺架，水平固定于實驗臺上；

4、平面光源，水平固定于臺架上；

5、可調節支架，兩個可調節支架分布設置于實驗臺兩側；

6、分層充填裂隙模型，設置于可調節支架上且由多段充填裂隙段拼接而成，多段充填裂隙段通過可拆卸分段安裝箱輔助拼接加固，一端所述充填裂隙段的端部設置有與其連通的緩沖箱，所述緩沖箱的端部設置有與其連通的進口腔體，另一端所述充填裂隙段的端部設置有與其連通的出口腔體；

7、注射器，所述注射器通過管路與分層充填裂隙模型的進口腔體連通，通過注射器向分層充填裂隙模型的進口腔體注入流體；

8、液體收集瓶，設置于實驗臺上且所述液體收集瓶置于分層充填裂隙模型中出口腔體的下方，用于收集流體；

9、質量監測模塊，用于監測滲流過程中分層充填裂隙模型的質量變化；

10、壓強監測模塊，用于對注入流體的壓強進行監測；

11、圖像采集模塊，用于對分層充填裂隙模型的滲流過程進行監測。

12、作為進一步的技術方案，所述充填裂隙段由多段裂隙段內填充土體形成，多段裂隙段由初始裂隙模型均勻切割而成，所述初始裂隙模型由上粗糙裂隙面和下粗糙裂隙面嵌合形成，所述上粗糙裂隙面和下粗糙裂隙面的相對面分別設置有上粗糙裂隙面連接邊與下粗糙裂隙面連接邊，所述上粗糙裂隙面連接邊與下粗糙裂隙面連接邊通過橡膠條貼合設置，所述上粗糙裂隙面和下粗糙裂隙面之間形成固定開度的裂隙空間，用以填充土壤。

13、作為進一步的技術方案，所述進口腔體的另一端開設有流體進口，所述出口腔體的另一端開設有出口拐角呈弧型的流體出口，所述緩沖箱為兩端開口的中空結構，其腔內填充有大粒徑的粗礫石，且其顆粒粒徑大于裂隙開度，所述緩沖箱與進口腔體的連接處設置有紗布。

14、作為進一步的技術方案，所述可拆卸分段安裝箱由多段安裝箱拼接而成，且長度與充填裂隙段的長度相等，多段安裝箱通過榫卯結構連接，所述榫卯結構包括榫槽和與其配合的榫頭，所述安裝箱包括主箱體和側板，所述主箱體和側板通過螺紋孔二由螺絲連接。

15、作為進一步的技術方案，所述質量監測模塊包括兩個螺旋式拉桿壓力傳感器以及一個顯示控制儀表，兩個所述螺旋式拉桿壓力傳感器分別設置于兩個可調節支架上，兩個所述螺旋式拉桿壓力傳感器的一端與分層充填裂隙模型相連，兩個所述螺旋式拉桿壓力傳感器與顯示控制儀表相連。

16、作為進一步的技術方案，所述壓強監測模塊包括壓強傳感器和讀數器，所述壓強傳感器為過流式壓強傳感器，所述壓強傳感器一端通過管路與注射器連通，另一端通過管路與流體進口連通，所述讀數器與壓強傳感器連接，且與電腦連接。

17、作為進一步的技術方案，所述可調節支架包括底座、立桿、可在立桿外側上下移動的支板，所述立桿上設置有刻度，所述支板邊緣處設置有螺孔，用于安裝質量監測模塊的螺旋式拉桿壓力傳感器。

18、作為進一步的技術方案，所述注射器安裝在注射泵上，通過注射泵調節注入流速，所述讀數器、顯示控制儀表均連接至電腦。

19、根據本發明說明書的一方面，提供一種分層充填裂隙滲流-侵蝕可視化實驗方法，包括以下步驟：

20、制作分層充填裂隙模型，并將分層充填裂隙模型浸沒水中靜置若干小時，然后放置在真空泵中，在負壓下靜置若干小時使土體達到飽和狀態；

21、安裝和調整各個儀器后，進行固定流速下的充填裂隙滲流-侵蝕可視化實驗，打開注射泵，流體從注射器流出，經過分層充填裂隙模型流入到液體收集瓶中；

22、通過質量監測模塊，實時記錄滲流過程中的質量變化，通過壓強監測模塊，實時記錄分層充填裂隙模型的進口腔體處的壓強，通過圖像采集模塊，實時觀測充填裂隙滲流-侵蝕過程。

23、作為進一步的技術方案，分層充填裂隙模型的制備方法如下：

24、用透明環氧樹脂材料澆筑脫模制備上粗糙裂隙面和下粗糙裂隙面，將上粗糙裂隙面連接邊以及下粗糙裂隙面連接邊上涂覆膠水，將橡膠條放置于二者中間，上下貼合，使上粗糙裂隙面和下粗糙裂隙面固定密封連接，上粗糙裂隙面和下粗糙裂隙面之間形成裂隙空間，靜止一段時間固化，得到初始裂隙模型；

25、將制備得到的初始裂隙模型均勻切割成多段裂隙段，并根據實驗需要將實驗土體填充進所述裂隙段的裂隙空間中形成充填裂隙段；

26、先將膠帶粘貼在第一段充填裂隙段下部，并將其放置在第一段主箱體內部，通過螺絲將第一段側板與第一段主箱體固定；

27、再將第二段主箱體的榫頭插入第一段主箱體的榫槽內，將適量膠水涂抹在第二段充填裂隙段表面，與第一段充填裂隙段進行粘連，隨后通過螺絲將第二段側板與第二段主箱體固定；

28、依次將第二段主箱體、第三段主箱體以及與第四段主箱體進行連接，將第二段充填裂隙段、第三段充填裂隙段以及緩沖箱依次粘連，并將側板與對應主箱體固定；

29、將壓重塊放置在組裝體頂部，將多段充填裂隙段壓實，靜置一段時間，待膠水固化將安裝箱拆卸下來；

30、利用膠水將進口腔體粘貼在緩沖箱前端，將出口腔體粘貼在第一段充填裂隙段后端，靜止一段時間固化，分層充填裂隙模型制備完成。

31、與現有技術相比，本發明的有益效果在于：

32、1、通過將裂隙模型分段填充，制作了一種分層充填裂隙模型，可以反映土體的分層特性，觀測到不同土體的滲流特性，通過連接高精度螺旋式拉桿壓力傳感器，構建質量監測系統，實現充填裂隙的實時監測，配合壓強監測系統和圖像采集模塊實現充填裂隙滲流-侵蝕實驗的可視化觀測。

33、2、裂隙段由初始裂隙模型直接切割而成，這是由于裂隙開口較小，此操作可以確保各段裂隙貼合性良好，避免裂隙段組裝過程中封堵裂隙開口，影響滲流-侵蝕實驗的進行。

34、3、又通過可拆卸分段安裝箱協調各裂隙段的組裝，且可拆卸分段安裝箱的內部腔體尺寸與充填裂隙段外部尺寸完全一致，可以確保各段裂隙貼合性良好，進一步避免所述裂隙段組裝過程中封堵裂隙開口。

35、4、將出口腔體的流體出口設置為開放式出口，且拐彎處設置為弧面，避免充填裂隙滲流實驗過程中流失顆粒滯留在出口腔體內部。