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一种考虑岩石裂隙生物加固-渗流-温度耦合作用的可视化试验系统与方法

1.本发明涉及一种考虑岩石裂隙生物加固-渗流-温度耦合作用下的特性研究系统与方法，属于岩土工程与环境工程领域，尤其涉及一种考虑岩石裂隙生物加固-渗流-温度下耦合作用的可视化试验系统与方法，不仅可在无扰动条件下进行岩石裂隙生态修复，还基于高速相机实时捕捉温度作用下岩石裂隙渗流状态时空演化。

背景技术：

2.岩体内部存在不同发育程度的裂隙，这是引起岩体渗透的重要原因，一直受到岩土工程众多专家学者的关注，这些裂隙易造成油气渗漏、地层滑坡、水分入渗等一系列工程地质问题。因此，首先需要厘清岩石裂隙渗流基本特性。这对于二氧化碳地质封存、道路修复、边坡治理、矿山开采及隧道注浆加固意义重大。尤其对于地下油气开发与封存产业，在工业化和城镇化的高速发展必然带来巨大的碳减排压力，未来中国减碳措施将更多依赖于地质储碳等碳封存技术。地质储碳中难点技术在于岩体裂缝的张开导致二氧化碳再次排向自然界，因此，需要寻求合适的方式进行裂隙封堵。常采用水泥灌浆材料封堵裂隙封堵岩体裂隙，但水泥浆材粘度大，二氧化碳封存深度一般在千米级别以下深度地层，因此需要高压灌浆，但高压灌浆易造成土体劈裂与二次损害。水泥浆材易造成强碱性环境，对生态环境影响较大。因此需要采用一种新型裂隙加固方式以满足碳封存要求。
3.作为一种新型加固技术，micp灌浆加固技术发展迅猛。其中基于尿素水解反应的micp反应被广泛关注。通过向岩体裂缝中灌注细菌悬浮液以及胶结液 (尿素和cacl2溶液)，细菌分泌的脲酶将尿素水解为铵根离子和碳酸根离子，结合孔隙中的钙离子生成碳酸钙，从而达到加固裂缝的目的，能够充分减小岩体渗透性以及孔隙率。此外，micp灌浆技术由于对周边环境无扰动，渗透性强，反应速率和胶结强度可调控、环境污染小、等优势而被广泛应用于地基处理、污水处理、文物修复、防风治沙、堤坝防渗等领域。
4.此外，二氧化碳储存区域位于千米级别深度下地层，其温度特性与地表差异显著，因此，还需要考虑温度作用对岩体裂隙渗流与micp加固裂隙的影响。但目前尚未有考虑温度作用下研究micp加固岩体裂隙的试样装置与方法，且现有岩体渗流设备无法实时记录裂隙水在岩体缝隙中的运移过程。此外，micp加固范围广，岩体裂隙加固效率高，但现有设备无法获取加固裂隙数据，通常采用恒定流量或者恒定压力下的灌浆，并不经济。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种考虑岩石裂隙生物加固-渗流-温度耦合作用的可视化试验系统与方法，该系统与方法特点是：操作简单、裂缝加固效果佳，能够完整刻画微生物加固前后裂缝渗流特性，并且能够模拟不同温度下岩石裂缝渗流状态。本发明通过在岩体里面灌入micp溶液加固岩体裂缝，并通过高速相机实时观测无机盐溶液在加固前后岩体中的渗流特性，在此过程中，任一阶段室内岩体温度也可通过pc端实时调控；同时，注浆压
力可通过高精度压力传感器和磁式流量计采集并反馈给计算机，从而实时调控液体注浆的速度和压力，可进一步提高注浆的效率和注浆量；本发明还能回收注浆液，从而获得更高的经济效益。
6.本发明采取以下技术方案：
7.一种考虑岩石裂隙生物加固-渗流-温度耦合作用的可视化试验系统，包括存储浆液组件、可拆卸渗流组件、温度调控组件、动态监测组件和可视化组件；
8.所述的存储浆液组件，包括micp浆液储存容器和无机盐溶液储存容器，储存容器内的micp浆液和无机盐溶液通过注浆导管和液体泵泵入可拆卸渗流组件中；
9.所述的可拆卸渗流组件包括两块平行设置的透明石板、以及两块液体收集箱；两块透明石板之间存在间隙，形成裂隙结构面；两个液体收集箱分别位于裂隙结构面的前后两端；所述液体收集箱两端设有渗流孔和导管孔；所述液体收集箱的渗流孔所在的一端与裂隙结构面相连；所述无机盐溶液和micp浆液分别经注浆导管、液体泵、以及位于前端的液体收集箱对裂隙结构面进行填充，液体仅能在水平方向上进行渗流；位于后端的液体收集箱用于在裂隙结构面填充完成后对液体进行回收利用；所述裂隙结构面的四周除了与液体收集箱接触的地方外均涂有防水涂料；其中无机盐溶液折射率与透明石板折射率近似甚至相同；
10.所述的温度调控组件包括温度调控器及温室空腔；所述的存储浆液组件和可拆卸渗流组件设于温室空腔中；所述温度调控器用于调控温室空腔内的温度；
11.所述的动态监测组件包括pc端、压力传感器和温度探头；所述压力传感器用于获取注浆压力；所述的温度探头用于感知和调整空腔内的室温；所述pc端通过导线获取压力传感器和温度探头的动态数据，并根据所得数据对液体泵的注浆速度和压力进行调节、或通过温度调控器对温室空腔内的室温进行调节，从而保持室温的稳定；所述动态监测组件中除了pc端和温度调控器，其余均处于空腔温室中；
12.所述的可视化观察组件包括正对着的裂隙结构面的高速相机，所述高速相机用于对渗流状态进行记录并传输至pc端。
13.上述技术方案中，进一步地，所述注浆导管上设有前止水夹和磁式流量计，分别用于控制监测micp溶液和无机盐溶液是否能够流入裂隙结构面以及测试监测micp溶液和无机盐溶液流入裂隙结构面的流速流量；所述注浆导管上设有后止水夹，通过后止水夹可对监测micp溶液和无机盐溶液进行回收。
14.进一步地，所述的压力传感器数值控制在1～500kpa；所述磁式流量计数值控制在为0～20cm3/s，磁式流量计所测数据传输到pc端。
15.进一步地，所述两块透明石板之间设有块刚性连接板，透明石板通过连接螺栓柱与刚性连接板固定连接。
16.进一步地，所述透明石板由透明树脂材料制成。
17.进一步地，所述micp灌浆液为：菌液及浓度均为0.5mol/l的尿素和cacl2溶液，所述的菌液od
600
≥1.0，脲酶活性≥2.0mm urea水解/min。所述的micp 浆液粘性小，与树脂材料相互粘性力低，相比于传统的水泥浆材加固，micp浆液加固范围更广。
18.进一步地，所述的温度调控器采用阶段周期函数形式输入，通过给定阶段周期函数峰值让室内温度维持稳定。
19.本发明还提供一种基于考虑岩石裂隙生物加固-渗流-温度耦合作用的可视化试验系统的试验方法，步骤如下：
20.第一步，打开无机盐溶液侧的液体泵和前止水夹，无机盐溶液依次通过磁式流量计、压力传感器进入透明石板组成的裂隙结构面；在此过程中，高速相机一直录制无机盐溶液在裂隙结构面内的渗流状态并将记录的渗流过程传输至pc端，待渗流稳定后关闭无机盐溶液侧的液体泵和前止水夹；最后打开后止水夹回收无机盐溶液；
21.第二步，打开micp灌浆液侧的液体泵和前止水夹，micp灌浆液依次通过磁式流量计、压力传感器后进入透明石板组成的裂隙结构面；在此过程中，高速相机一直录制micp灌浆液在裂隙结构面内的渗流状态并将记录的渗流过程传输至pc端，待渗流稳定后关闭micp灌浆液侧的液体泵和前止水夹；最后打开后止水夹回收micp灌浆液；
22.第三步，重复第一步步骤。
23.在第一步至第三步中，通过温度调控器调节室内空腔的温度，可以进一步获得不同温度下岩体渗流状态。
24.本发明具有以下优点：
25.本发明的试验系统和方法利用了micp灌浆加固岩石裂隙，考虑了micp注浆范围广，对岩石裂隙加固更加有效。另外，本发明能在微生物加固岩体缝隙后能在微生物加固岩体缝隙后考虑不同温度下岩体渗流的可视化观测，能真实完整全过程观测岩体结构面的渗流过程，并精确刻画岩体结构面渗流状态；通过实时获得压力传感器数据变化动态调整将加固裂隙过程的注浆速度和注浆压力，做到经济效益的最大化。除此之外，该装置可拆卸，使该装置使用起来更加方便，经济效益显著。
附图说明
26.图1全程可视化观测操作流程图；
27.图2是系统俯视图；
28.图3是系统主视图；
29.图4是a-a截面示意图；
30.图5是b-b截面示意图；
31.图6是c-c截面示意图；
32.图7是d-d截面示意图；
33.图8是e-e截面示意图；
34.图9是温度调控器13供温变化曲线示意图；
35.其中，1micp浆液储存容器、2无机盐溶液储存容器、3注浆导管、4液体泵、5透明石板、6刚性连接板、7连接螺栓柱、8防水涂料、9pc端、10 导线、11压力传感器、12温度探头、13温度调控器、14温室空腔、15前止水夹、16磁式流量计、17渗流孔、18导管孔、19液体收集箱、20后止水夹、 21高速相机。
具体实施方式
36.下面通过具体实例对本发明技术方案做进一步说明，但该实例仅是本发明技术方案的一种具体实现方式，并非对本发明的限制。
37.一种考虑岩石裂隙生物加固-渗流-温度耦合作用的可视化试验系统与方法，包括micp浆液储存容器1、无机盐溶液储存容器2、注浆导管3、2台液体泵4、 2块透明石板5、4块刚性连接板6、4个连接螺栓柱7、pc端9、若干导线10、压力传感器11、2个温度探头12、温度调控器13、温室空腔14、2个前止水夹 15、磁式流量计16、2个液体收集箱19、2个后止水夹20、2个高速相机21。液体收集箱19两端设有渗流孔17和导管孔18。
38.所述micp浆液储存容器1和无机盐溶液储存容器2内装有micp浆液和无机盐溶液，可分别通过注浆导管3和液体泵4泵入可拆卸渗流组件中。两块透明石板5之间存在间隙，形成裂隙结构面；两个液体收集箱19分别位于裂隙结构面的前后两端；所述两块透明石板5之间设有4块刚性连接板6，透明石板5通过连接螺栓柱7与刚性连接板6固定连接。所述液体收集箱19两端设有渗流孔 17和导管孔18；所述液体收集箱19的渗流孔17所在的一端与裂隙结构面相连；所述裂隙结构面的四周除了与液体收集箱19接触的地方外均涂有防水涂料8，从而防止漏液。所述温度调控器13用于调控温室空腔14内的温度。所述pc端 9通过导线10获取压力传感器11和温度探头12的动态数据，并根据所得数据对液体泵4的注浆速度和压力进行调节、或通过温度调控器13对温室空腔14 内的室温进行调节，从而保持室温的稳定。除了pc端9和温度调控器13，其余均处于空腔温室14中。所述高速相机21正对着的裂隙结构面设置，用于对渗流状态进行记录并传输至pc端9。所述注浆导管3上设有前止水夹15和磁式流量计16，分别用于控制监测micp溶液和无机盐溶液是否能够流入裂隙结构面以及测试监测micp溶液和无机盐溶液流入裂隙结构面的流速流量；所述注浆导管 3上设有后止水夹20，通过后止水夹20可对监测micp溶液和无机盐溶液进行回收。
39.采用本发明装置进行试验的方法为：
40.首先将所有设备和材料按照规定安装完整；
41.第一步，打开无机盐溶液侧的液体泵4和前止水夹15，无机盐溶液依次通过磁式流量计16、压力传感器11进入透明石板5组成的裂隙结构面；在此过程中，高速相机21一直录制无机盐溶液在裂隙结构面内的渗流状态并将记录的渗流过程传输至pc端9，待渗流稳定后关闭无机盐溶液侧的液体泵4和前止水夹 15；最后打开后止水夹20回收无机盐溶液；
42.第二步，打开micp灌浆液侧的液体泵4和前止水夹15，micp灌浆液依次通过磁式流量计16、压力传感器11后进入透明石板5组成的裂隙结构面；在此过程中，高速相机21一直录制micp灌浆液在裂隙结构面内的渗流状态并将记录的渗流过程传输至pc端9，待渗流稳定后关闭micp灌浆液侧的液体泵4和前止水夹15；最后打开后止水夹20回收micp灌浆液；
43.第三步，重复第一步步骤。
44.同时以上三步骤中任一步骤均可通过温度调控器13调节室内空腔14的温度，温度调控曲线见图9，可以进一步获得不同温度下岩体渗流状态。
45.所述的无机盐溶液与micp灌浆液在裂隙结构面内渗流的具体过程为：
46.所述无机盐溶液或micp灌浆液首先经导管孔18进入位于透明石板5前端的液体收集箱19，然后经液体收集箱19另一端的渗流孔17进入裂隙结构面，液体由裂隙结构面的前端流动到后端，接着通过位于后端的液体收集箱19上的渗流孔17进入位于后端的液体收集箱19。
47.当渗流结束后，打开后止水夹20，位于后端的液体收集箱19内的液体可通过导管孔18回收到无机盐溶液储存容器2和micp浆液储存容器1中。
48.所述的micp灌浆液贮存池1中浆液主要成分为一定活性的菌液：micp灌浆液为：菌液及浓度均为0.5mol/l的尿素和cacl2溶液，所述的菌液od
600
≥1.0，脲酶活性≥2.0mm urea水解/min。
49.整个无机盐溶液和micp灌浆系统可拆卸，拆卸后体积小，所占运输空间小，可现场安装，施工便利。
50.在观察无机盐溶液渗流和micp灌浆裂隙加固时，通过采集压力传感器11 的数据，通过导线10将收集数据反馈传给pc端9，pc端9调整注浆速度和压力并指定给液体泵4，持续向岩体内部注浆，直至达到相应效果。

技术特征：

1.一种考虑岩石裂隙生物加固-渗流-温度耦合作用的可视化试验系统，其特征在于，包括存储浆液组件、可拆卸渗流组件、温度调控组件、动态监测组件和可视化组件；所述的存储浆液组件，包括micp浆液储存容器和无机盐溶液储存容器，储存容器内的micp浆液和无机盐溶液通过注浆导管和液体泵泵入可拆卸渗流组件中；所述的可拆卸渗流组件包括两块平行设置的透明石板和两个液体收集箱；两块透明石板之间存在间隙，形成裂隙结构面；两个液体收集箱分别位于裂隙结构面的前后两端；所述液体收集箱两端设有渗流孔和导管孔；所述液体收集箱的渗流孔所在的一端与裂隙结构面相连；所述无机盐溶液和micp浆液分别经注浆导管、液体泵、以及位于前端的液体收集箱对裂隙结构面进行填充，液体仅能在水平方向上进行渗流；位于后端的液体收集箱用于在裂隙结构面填充完成后对液体进行回收利用；所述裂隙结构面的四周除了与液体收集箱接触的地方外均涂有防水涂料；所述的温度调控组件包括温度调控器及温室空腔；所述的存储浆液组件和可拆卸渗流组件设于温室空腔中；所述温度调控器用于调控温室空腔内的温度；所述的动态监测组件包括pc端、压力传感器和温度探头；所述压力传感器用于获取注浆压力；所述的温度探头用于感知和调整空腔内的室温；所述pc端通过导线获取压力传感器和温度探头的动态数据，并根据所得数据对液体泵的注浆速度和压力进行调节、或通过温度调控器对温室空腔内的室温进行调节，从而保持室温的稳定；所述动态监测组件中除了pc端和温度调控器，其余均处于空腔温室中；所述的可视化观察组件包括正对着的裂隙结构面的高速相机，所述高速相机用于对渗流状态进行记录并传输至pc端。2.根据权利要求1所述的考虑岩石裂隙生物加固-渗流-温度耦合作用的可视化试验系统，其特征在于，所述注浆导管上设有前止水夹和磁式流量计，分别用于控制监测micp溶液和无机盐溶液是否能够流入裂隙结构面以及测试监测micp溶液和无机盐溶液流入裂隙结构面的流速流量；所述注浆导管上设有后止水夹，通过后止水夹可对监测micp溶液和无机盐溶液进行回收。3.根据权利要求2所述的考虑岩石裂隙生物加固-渗流-温度耦合作用的可视化试验系统，其特征在于，所述的压力传感器数值控制在1～500kpa；所述磁式流量计数值控制在为0～20cm3/s，磁式流量计所测数据传输到pc端。4.根据权利要求1所述的考虑岩石裂隙生物加固-渗流-温度耦合作用的可视化试验系统，其特征在于，所述两块透明石板之间设有块刚性连接板，透明石板通过连接螺栓柱与刚性连接板固定连接。5.根据权利要求1所述的考虑岩石裂隙生物加固-渗流-温度耦合作用的可视化试验系统，其特征在于，所述透明石板由透明树脂材料制成。6.根据权利要求1所述的考虑岩石裂隙生物加固-渗流-温度耦合作用的可视化试验系统，其特征在于，所述micp灌浆液为：菌液及浓度均为0.5mol/l的尿素和cacl2溶液，所述的菌液od
600
≥1.0，脲酶活性≥2.0mm urea水解/min。7.根据权利要求1所述的考虑岩石裂隙生物加固-渗流-温度耦合作用的可视化试验系统，其特征在于，所述的温度调控器采用阶段周期函数形式输入，通过给定阶段周期函数峰值让室内温度维持稳定。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的考虑岩石裂隙生物加固-渗流-温度耦合作用的可视化试验系统的试验方法，其特征在于，步骤如下：第一步，打开无机盐溶液侧的液体泵和前止水夹，无机盐溶液依次通过磁式流量计、压力传感器进入透明石板组成的裂隙结构面；在此过程中，高速相机一直录制无机盐溶液在裂隙结构面内的渗流状态并将记录的渗流过程传输至pc端，待渗流稳定后关闭无机盐溶液侧的液体泵和前止水夹；最后打开后止水夹回收无机盐溶液；第二步，打开micp灌浆液侧的液体泵和前止水夹，micp灌浆液依次通过磁式流量计、压力传感器后进入透明石板组成的裂隙结构面；在此过程中，高速相机一直录制micp灌浆液在裂隙结构面内的渗流状态并将记录的渗流过程传输至pc端，待渗流稳定后关闭micp灌浆液侧的液体泵和前止水夹；最后打开后止水夹回收micp灌浆液；第三步，重复第一步步骤。9.根据权利要求8所述的考虑岩石裂隙生物加固-渗流-温度耦合作用的可视化试验系统的试验方法，其特征在于，在第一步至第三步中，通过温度调控器调节室内空腔的温度，可以进一步获得不同温度下岩体渗流状态。

技术总结

本发明公开了一种考虑岩石裂隙生物加固-渗流-温度耦合作用的可视化试验系统与方法，所述系统包括存储浆液组件、动态监测组件、可拆卸渗流组件、温度调控组件和可视化组件；本发明采用MICP浆液依次通过注浆泵及注浆管道，实现MICP灌浆加固岩体缝隙；同时，过多的MICP灌浆液可回流到MICP储存容器进行回收利用。此外MICP浆液粘性小，低压力下加固扩散范围更广，对岩体裂隙加固效果更好。本发明能在微生物加固岩体缝隙后考虑不同温度下岩体渗流的可视化观测，能真实完整全过程观测岩体结构面的渗流过程，并精确刻画岩体结构面渗流状态。采用压力传感器将加固裂隙数据实时反馈到计算机，计算机根据反馈数据调整MICP灌浆速度和压力，从而做到经济效益的最大化。从而做到经济效益的最大化。从而做到经济效益的最大化。