考虑温度效应的透明孔隙地层动水注浆试验系统及方法

1.本发明属于高温动水注浆试验技术领域，涉及一种考虑温度效应的透明孔隙地层动水注浆试验系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.近年来，隧道建设发展迅速，但部分隧道施工正面临高地温的影响，施工中遇到越来越多高温富水段。作为修复和加固岩层的重要手段，注浆被广泛应用于修复孔隙岩体和提高围岩强度，但在高温动水条件下，浆液的扩散受到很大影响，伴随着高温动水作用，传统注浆浆液的凝固时间增加，对岩体的加固效果减弱，高温条件下浆液封堵的加固效果和浆液的扩散规律越来越受到关注。
4.对于高温动水条件下的注浆浆液扩散研究需要考虑多方面因素影响，运用模拟试验可以探究浆液扩散受高温动水、孔隙结构和单位时间注浆量影响的规律，掌握注浆过程周围环境温度的变化，对更好地进行高温富水隧道安全高效施工具有重要意义。
5.据发明人了解，目前对于高温动水注浆模拟试验较为缺乏，现有模拟试验大多数设置环境为恒温或仅设置注浆方式，未考虑高温动水和其他因素的综合作用，无法针对性再现高温动水环境，对于注浆形式的应用和浆液扩散形态的探究较少，且传统的注浆试验无法很好的观测注浆浆液扩散过程，无法很好的研究孔隙地层中高温富水的注浆效果。


技术实现要素：

6.本发明为了解决上述问题，提出了一种考虑温度效应的透明孔隙地层动水注浆试验系统及方法，本发明可以较好的观测注浆浆液扩散过程，为研究孔隙地层中高温动水的注浆效果提供一定帮助。
7.根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
8.一种考虑温度效应的透明孔隙地层动水注浆试验系统，包括透明孔隙地层模型、注浆系统、数据采集系统、高温动水模拟系统、温度监测系统和分析系统，其中：
9.所述透明孔隙地层模型，包括一可视化容器，所述可视化容器内填充有透明孔隙介质材料，用于模拟目标孔隙度的孔隙地层；
10.所述注浆系统和透明孔隙地层模型通过注浆管路连接，且注浆系统的注浆压力、流速可控，以提供目标注浆方式的浆液；
11.所述高温动水模拟系统，包括高温供水器和管道，所述高温供水器通过管道和所述透明孔隙地层模型连接，所述高温供水器通过内置的温度控制器和流量调节器将向透明孔隙地层模型提供的水提升到目标温度，高温供水器或管道的流量可控，以分析不同温度和/或流量的高温动水对注浆浆液扩散产生的影响；
12.所述温度监测系统，包括多个温度传感器，所述温度传感器设置于透明孔隙地层
模型内部空间不同位置；
13.所述数据采集系统，包括设置于所述透明孔隙地层模型两侧的图像/视频采集设备，所述图像/视频采集设备用于记录浆液扩散过程；
14.所述分析系统，和温度监测系统、数据采集系统分别信号连接，用于存储拍摄的图片/视频，记录不同温度和流量高温动水条件下注浆全过程的浆液扩散形态和模型内温度变化。
15.作为可选择的实施方式，所述透明孔隙地层模型的内部填充的介质材料为硅石材料，所述硅石材料经过精炼、熔融和脱模处理。
16.作为进一步的限定，所述透明孔隙介质材料包括多个，且尺寸不同，通过改变不同尺寸透明孔隙介质材料的级配，形成不同孔隙度的地层模型。
17.作为可选择的实施方式，所述注浆系统包括注浆桶、恒压器、控制阀和注浆管，注浆桶用于混合和存储需要注入的浆液，恒压器设置于注浆管上，注浆管的一端连接注浆桶，另一端连接透明孔隙地层模型的内部，控制阀设置于注浆管上，所述恒压器通过改变恒定压力的值实现不同流量的浆液注入，控制阀用于控制浆液的流动。
18.作为进一步的限定，所述注浆管包括多个，且注浆管的长度和管道直径不同。
19.作为可选择的实施方式，所述高温动水模拟系统，包括高温供水器和管道，高温供水器通过输水管道连接透明孔隙地层模型，所述输水管道包括若干，且并排设置，高温供水器内设置有温度控制器和流量调节器，分别用于调节水的温度和流量。
20.作为进一步的，所述温度控制器被配置为设置不同梯度温度的变化，不同温度高温水将孔隙地层模型升至不同温度，不同温度和流量高温动水对注浆浆液扩散产生不同影响。
21.作为可选择的实施方式，所述透明孔隙地层模型左右侧设置有储水空间，以收集流出模型的高温水，且储水空间连接有出水管道，以排出高温水，在透明孔隙地层模型内形成高温水的流动环境。
22.作为可选择的实施方式，所述温度监测系统的温度传感器，成阵列式布设在透明孔隙地层模型内部空间。
23.一种考虑温度效应的透明孔隙地层动水注浆试验方法，包括以下步骤：
24.构筑内置不同尺寸半径的球状透明介质材料的透明孔隙地层模型，并连接其他系统，完成组装；
25.启动高温动水模拟系统，向透明孔隙地层模型内注入高温水，通过高温供水器内的温度控制器和流量调节器调节注入水的温度和流量，以不同梯度温度逐步变化，将孔隙地层模型升至不同温度，形成高温动水流动环境；
26.启动注浆系统，将浆液以目标压力值通过注浆管以恒定流速输送到透明孔隙地层模型中，通过改变注浆管的长度实现模型中不同深度的注浆，通过控制阀控制浆液的流动，通过改变注浆管的开孔、形状进行不同注浆方式浆液扩散的试验；
27.启动数据采集系统，记录模型内浆液扩散过程，形成注浆过程的完整浆液扩散过程；
28.记录注浆过程中不同温度和流量条件下模型各位置的温度变化，记录注浆前后全过程的温度变化情况；
29.根据记录数据，分析不同温度高温动水条件下，三维空间上浆液扩散形态和模型内温度变化。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
31.本发明能够很好的模拟高温动水条件下的孔隙地层环境，探究高温动水及其他综合条件下注浆浆液扩散规律。
32.本发明的透明孔隙地层模型通过透明介质材料能够实现注浆全过程和浆液扩散全过程的动态可视化，通过不同尺寸球状透明介质材料的互相搭配，可模拟不同孔隙度地层模型进行试验。
33.本发明的注浆系统能够对透明孔隙地层模型进行恒流注浆，通过恒压器实现浆液的恒速流动，通过改变注浆管长度和注浆方式，可探究在不同注浆方式情况下浆液扩散规律。
34.本发明的数据采集系统能够实时记录注浆浆液的扩散形态，通过前后高速摄像机准确记录注浆浆液扩散过程，通过电脑终端实现浆液扩散全过程的精准分析。
35.本发明的高温动水模拟系统能够真实模拟高温动水环境，实时向孔隙地层模型内供给可控温度和流量的高温动水水流，并通过高温水为孔隙地层模型升温。
36.本发明的温度监测系统能够实时监测模型内各位置的温度变化，采集注浆前后全过程的温度信息数据，通过实时采集温度数据的变化情况，控制高温动水模拟系统的运行时间和运转方式，形成高效的反馈机制。
附图说明
37.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
38.图1是本发明的原理示意图；
39.图2是本发明注浆管构造图；
40.图3是本发明的温度传感器分布图；
41.图4是方法结构框架图。
42.其中：1.透明孔隙地层模型；2.注浆桶；3.恒压器；4.注浆管；5.高速摄像机；6.数据连接线；7.电脑终端；8.高温供水器；9.供水管道；10.出水管道；11.储水空间；12.温度传感器；13.数据转接器；14.控制阀；15.实验用椅。
具体实施方式
43.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
44.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
45.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
46.一种考虑温度效应的透明孔隙地层动水注浆试验系统，包括：
47.透明孔隙地层模型，内部的介质材料为硅石材料通过精选、熔融和脱模形成，可脱模为不同尺寸半径的球状透明介质材料，通过不同尺寸球状透明介质材料的互相搭配，模拟不同孔隙度的孔隙地层。
48.注浆系统，用于实现对模型的整体注浆，具体包括注浆桶、恒压器、控制阀和注浆管，注浆桶用于混合和存储需要注入的浆液，恒压器应用活塞式结构可以恒定压力将浆液通过注浆管以恒定流速注入模型中，通过改变恒定压力的值实现不同流量的浆液注入，控制阀用于控制浆液的流动，注浆管用于运输浆液，不同注浆管长度和管道设计可探究不同注浆方式下浆液扩散的规律。
49.数据采集系统，用于实现对注浆浆液扩散的实时记录，包括模型前后共两台的高速摄像机、数据连接线和电脑终端。高速摄像机进行浆液扩散过程的实时记录，数据连接线将高速摄像机拍摄的数据信息传输到电脑终端，电脑终端对拍摄的信息进行记录处理，形成注浆过程的完整浆液扩散过程。
50.高温动水模拟系统，用于提供透明孔隙地层模型高温动水条件和模型升温条件，具体包括高温供水器、输水管道和出水管道，通过高温供水器内的温度控制器和流量调节器调节注入水的温度和流量，设置不同梯度温度的变化，不同温度高温水可将孔隙地层模型升至不同温度，不同温度和流量高温动水可对注浆浆液扩散产生影响；通过连接在透明孔隙地层模型侧上端的供水管道向透明孔隙地层模型内输送高温水，储水空间收集流出模型的高温水，通过右侧储水空间的出水管道排出，形成高温水始终流动效果，模拟高温动水环境；高温动水流经透明孔隙地层模型，加热透明介质材料，实现模型的整体升温。
51.温度监测系统，用于收集透明孔隙地层模型内部空间各位置的温度变化情况，具体包括分多层排列，每层多个传感器，通过数据连接线连接电脑终端，进行注浆试验过程中模型内部温度的记录显示，通过实时监测温度数据，记录注浆前后全过程温度变化，记录在不同温度和流量高温动水条件下注浆前后和注浆浆液扩散过程中的温度变化，为注浆过程的温度环境提供数据基础。
52.作为一种典型的实施例：
53.如图1所示，透明孔隙地层模型1内介质材料为硅石材料通过精选、熔融和脱模形成，通过预制不同尺寸半径的球状透明介质设置不同级配，模拟不同孔隙度的孔隙地层环境。
54.高温供水器8为立式结构，背面通过管道连接水源，正面与供水管道9前端连接提供高温动水环境，通过控制高温供水器8的输出阀门，调整高温动水量。供水管道9后端与岩体模型1侧面管道接口处连接，连通高温供水器8和透明孔隙地层模型1。出水管道10连接储水空间11，将模型内溢出的高温动水排出。储水空间11与透明孔隙地层模型1共同预制，在模型的左右侧设置，在高温动水流动过程中收集模型内溢出的高温水，储存并通过出水管道排出。
55.注浆系统通过注浆管4与透明孔隙地层模型1连接，为模型注浆提供配置浆液。注浆桶2通过注浆管4连接至透明孔隙地层模型1，输送注浆所需浆液，通过控制阀14控制浆液的实际流动；恒压器3前后两端连接注浆管4，设置在储浆罐2和透明孔隙地层模型1之间，通过调节恒压器3的压力，控制注浆浆液的注入速度，实现恒定流速的浆液注入。如图2所示，
注浆管4用于输送浆液至透明孔隙地层模型1内，可设置不同注浆管4长度，实现不同深度注浆模拟，通过设置注浆管4是否开孔及管道形状结构等实现不同注浆方式浆液扩散的规律研究。
56.高速摄像机5连接数据连接线6，实时记录透明孔隙地层模型1内浆液扩散过程，通过数据连接线6将记录的浆液扩散全过程传输至电脑终端7，进行数据的处理。
57.如图3所示，温度传感器12在制作模型时预先埋入，本实施例中，温度传感器12包括三层，每层5个。
58.在其他实施例中，排布方式可以不同，每层的数量可以不同。
59.温度传感器12通过数据连接线6与数据转接器13连接，将温度变化数据通过数据转换器13传输到数据电脑终端，能够实时测定透明孔隙地层模型1内各位置的温度情况，实现高温动水环境的真实模拟。
60.试验方法包括以下步骤，如图4所示：
61.构筑内置不同尺寸半径的球状透明介质材料，模拟不同孔隙度孔隙地层环境，内设多层排列的温度传感器(传感器分布多层，层间距一致，每层传感器之间间距相同；位置不同，对模型内各部分温度变化的情况掌握不同，过大或过小间距会增加数据分析的难度进而影响准确性)，完成试验系统的结构组装；
62.启动高温动水模拟系统，调节水温至指定温度，高温水温度可根据试验需求进行调节，向透明孔隙地层模型内注入高温水。通过供水管道在注水口将高温水注入透明孔隙地层模型内，记录注入水的温度和注水量，模拟实际环境中高温动水效果，同时高温水为球状透明介质材料升温，完成模型的整体加热；注水过程中，透明孔隙地层模型内的高温动水将溢出至储水空间内，通过出水口进行排泄，维持模型内的高温动水环境。
63.启动注浆系统，在注浆桶中注入按照试验需要配置的浆液材料进行混合和存储，设置恒压器的压力值，将浆液通过注浆管以恒定流速输送到孔隙地层模型中，通过改变注浆管的长度实现孔隙地层模型中不同深度的注浆，通过设定注浆管的开孔、形状等实现不同注浆方式浆液扩散的规律研究。
64.启动数据采集系统，通过模型前后两台高速摄像机实时记录模型内浆液扩散过程，记录不同温度和流量高温动水条件下注浆全过程浆液的扩散凝结，在扩散过程不同时间段内浆液的扩散速率和扩散形态，通过数据连接线将数据信息传输至电脑终端，电脑终端对拍摄的信息进行记录处理，形成注浆过程的完整浆液扩散过程。
65.在温度监测系统的作用下，实时调节高温供水器的加热温度，实现高温动水注浆环境的真实模拟，实时记录注浆前后模型内温度变化和注浆过程孔隙地层温度变化，通过分层排布温度传感器记录在浆液扩散过程不同时间内透明孔隙地层模型内各位置的温度变化，探究注浆对周围环境温度变化的影响，通过不同温度高温动水条件下浆液扩散的数据对比，探究高温动水条件下注浆浆液扩散规律，完成高温动水注浆试验。
66.试验结束后，倾斜孔隙地层模型，通过出水口排出注入的高温水，清理干净安全放置。
67.考虑温度效应试验分析：
68.1.其他条件一定，设置一定梯度变化的温度(如初始温度为60
°
c，温度梯度为10℃)。
69.从温度变化考虑：高温动水流经透明孔隙地层模型为其升温，利用温度传感器记录注水前模型的温度作为基础数据，注入高温动水后，通过布设的从流入端到流出端的温度传感器记录模型内水平方向温度变化情况，结合记录的浆液扩散过程可探究高温动水注浆情况下水平方向上模型温度受注浆浆液的影响，随着水平方向的长度增加，模型温度受浆液扩散的影响程度。
70.考虑竖直方向注浆，布设多层传感器，同样记录注水前温度变化作为基础数据，注入高温动水后，通过布设的从顶部到底部的温度传感器记录模型内竖直方向温度变化情况，结合记录的注浆浆液自上而下的扩散过程，对比模型内有无浆液段的温度，可探究浆液扩散对模型实际温度变化影响，在竖直方向上可分析随着深度的增加，浆液扩散对温度变化的影响程度，其在不同深度上影响温度变化的速率。
71.重复上述分析过程，对不同温度高温动水条件下的模型温度变化数据进行对比，可探究在不同温度高温动水条件下，浆液扩散对模型内温度变化影响。
72.从浆液扩散考虑：记录注浆前的透明孔隙地层模型作为基础数据，通入高温动水为模型升温，通过注浆管对孔隙地层模型进行注浆，在高温动水条件下，记录浆液扩散全过程，在水平和竖直方向上，分析随着长度和深度的增加，浆液扩散速率和扩散形态的变化，结合水平和竖直方向上的浆液扩散数据，探究三维空间上浆液扩散受高温动水的影响情况。
73.重复上述分析过程，对不同温度高温动水条件下的浆液扩散数据进行对比，可探究在不同温度高温动水条件下，浆液扩散的速率和扩散形态变化，分析温度变化对浆液扩散的影响程度。
74.2.其他条件一定，可分别设置不同的高温动水流速、注浆速度和注浆管长度进行试验，重复浆液扩散速率和扩散形态变化过程，分析在其它因素影响下浆液扩散情况和模型内温度变化。
75.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.一种考虑温度效应的透明孔隙地层动水注浆试验系统，其特征在于，包括透明孔隙地层模型、注浆系统、数据采集系统、高温动水模拟系统、温度监测系统和分析系统，其中：所述透明孔隙地层模型，包括一可视化容器，所述可视化容器内填充有透明孔隙介质材料，用于模拟目标孔隙度的孔隙地层；所述注浆系统和透明孔隙地层模型通过注浆管路连接，且注浆系统的注浆压力、流速可控，以提供目标注浆方式的浆液；所述高温动水模拟系统，包括高温供水器和管道，所述高温供水器通过管道和所述透明孔隙地层模型连接，所述高温供水器通过内置的温度控制器和流量调节器将向透明孔隙地层模型提供的水提升到目标温度，高温供水器或管道的流量可控，以分析不同温度和/或流量的高温动水对注浆浆液扩散产生的影响；所述温度监测系统，包括多个温度传感器，所述温度传感器设置于透明孔隙地层模型内部空间不同位置；所述数据采集系统，包括设置于所述透明孔隙地层模型两侧的图像/视频采集设备，所述图像/视频采集设备用于记录浆液扩散过程；所述分析系统，和温度监测系统、数据采集系统分别信号连接，用于存储拍摄的图片/视频，记录不同温度和流量高温动水条件下注浆全过程的浆液扩散形态和模型内温度变化。2.如权利要求1所述的一种考虑温度效应的透明孔隙地层动水注浆试验系统，其特征在于，所述透明孔隙地层模型的内部填充的介质材料为硅石材料，所述硅石材料经过精炼、熔融和脱模处理。3.如权利要求2所述的一种考虑温度效应的透明孔隙地层动水注浆试验系统，其特征在于，所述透明孔隙介质材料包括多个，且尺寸不同，通过改变不同尺寸透明孔隙介质材料的级配，形成不同孔隙度的地层模型。4.如权利要求1所述的一种考虑温度效应的透明孔隙地层动水注浆试验系统，其特征在于，所述注浆系统包括注浆桶、恒压器、控制阀和注浆管，注浆桶用于混合和存储需要注入的浆液，恒压器设置于注浆管上，注浆管的一端连接注浆桶，另一端连接透明孔隙地层模型的内部，控制阀设置于注浆管上，所述恒压器通过改变恒定压力的值实现不同流量的浆液注入，控制阀用于控制浆液的流动。5.如权利要求4所述的一种考虑温度效应的透明孔隙地层动水注浆试验系统，其特征在于，所述注浆管包括多个，且注浆管的长度和管道直径不同。6.如权利要求1所述的一种考虑温度效应的透明孔隙地层动水注浆试验系统，其特征在于，所述高温动水模拟系统，包括高温供水器和管道，高温供水器通过输水管道连接透明孔隙地层模型，所述输水管道包括若干，且并排设置，高温供水器内设置有温度控制器和流量调节器，分别用于调节水的温度和流量。7.如权利要求1所述的一种考虑温度效应的透明孔隙地层动水注浆试验系统，其特征在于，所述温度控制器被配置为设置不同梯度温度的变化，不同温度高温水将孔隙地层模型升至不同温度，不同温度和流量高温动水对注浆浆液扩散产生不同影响。8.如权利要求1或6所述的一种考虑温度效应的透明孔隙地层动水注浆试验系统，其特征在于，所述透明孔隙地层模型左右侧设置有储水空间，以收集流出模型的高温水，且储水
空间连接有出水管道，以排出高温水，在透明孔隙地层模型内形成高温水的流动环境。9.如权利要求1所述的一种考虑温度效应的透明孔隙地层动水注浆试验系统，其特征在于，所述温度监测系统的温度传感器，成阵列式布设在透明孔隙地层模型内部空间。10.一种考虑温度效应的透明孔隙地层动水注浆试验方法，其特征在于，包括以下步骤：构筑内置不同尺寸半径的球状透明介质材料的透明孔隙地层模型，并连接其他系统，完成组装；启动高温动水模拟系统，向透明孔隙地层模型内注入高温水，通过高温供水器内的温度控制器和流量调节器调节注入水的温度和流量，以不同梯度温度逐步变化，将透明孔隙地层模型升至不同温度，形成高温动水流动环境；启动注浆系统，将浆液以目标压力值通过注浆管以恒定流速输送到透明孔隙地层模型中，通过改变注浆管的长度实现模型中不同深度的注浆，通过控制阀控制浆液的流动，通过改变注浆管的开孔、形状进行不同注浆方式浆液扩散的试验；启动数据采集系统，记录模型内浆液扩散过程，形成注浆过程的完整浆液扩散过程；记录注浆过程中不同温度和流量条件下模型各位置的温度变化，记录注浆前后全过程的温度变化情况；根据记录数据，分析不同温度高温动水条件下，三维空间上浆液扩散形态和模型内温度变化。

技术总结
本发明提供了一种考虑温度效应的透明孔隙地层动水注浆试验系统及方法，包括透明孔隙地层模型、注浆系统、数据采集系统、高温动水模拟系统、温度监测系统和分析系统，透明孔隙地层模型用于模拟目标孔隙度的孔隙地层；注浆系统用于提供目标注浆方式的浆液；高温动水模拟系统用于分析不同温度和/或流量的高温动水对注浆浆液扩散产生的影响；记录不同温度和流量高温动水条件下注浆浆液扩散过程，且记录注浆过程中模型内的温度变化并分析。本发明可以较好的观测注浆浆液扩散过程，为研究孔隙地层中高温富水的注浆效果提供一定帮助。高温富水的注浆效果提供一定帮助。高温富水的注浆效果提供一定帮助。


技术研发人员：许振浩 王志洋 潘东东 张一驰 李轶惠 卜泽华 韦仙松
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/7/22