本發(fā)明涉及一種模擬試驗(yàn)裝置，尤其是涉及一種用于斷裂滲流傳熱特征測(cè)定的模擬試驗(yàn)裝置，屬于地質(zhì)勘探試驗(yàn)工藝裝備設(shè)計(jì)制造。本發(fā)明還涉及一種采用所述用于斷裂滲流傳熱特征測(cè)定的模擬試驗(yàn)裝置測(cè)定斷裂滲流傳熱特征的施工方法。

背景技術(shù)：

1、斷裂作為控制著多數(shù)地下水的運(yùn)移，同時(shí)也是深部熱水深部向淺表運(yùn)移的主要通道，由于通道中的熱水溫度高于淺表圍巖溫度，使得熱水向圍巖傳遞大量熱量造成圍巖溫度急劇升高。目前認(rèn)為，地殼淺部圍巖增溫的熱源除了大地?zé)崃骱头派湫栽厣鸁岬确绞酵猓瑹崴弦邕^程的滲流傳熱也是一個(gè)引起圍巖增溫的重要方式。當(dāng)隧道建設(shè)時(shí)頻繁經(jīng)過水熱活動(dòng)區(qū)和擾動(dòng)地?zé)嵯到y(tǒng)時(shí)，高巖溫帶來的熱害問題也將成為工程隧道建設(shè)中亟待解決的問題之一。

2、在隧道建設(shè)的前期勘察中，為查明隧址區(qū)的熱害特征，進(jìn)行地質(zhì)鉆孔的布設(shè)是相對(duì)更有效的、更直接的方法，該方法通過對(duì)多個(gè)鉆孔的地溫?cái)?shù)據(jù)分析，對(duì)隧址區(qū)地溫特征進(jìn)行判斷，以此大致確定熱害的影響范圍。然而鉆孔不僅需要消耗大量的人力、物力，而且受到地形因素影響較大，需要花費(fèi)大量的時(shí)間。相比之下，通過數(shù)值模擬方法對(duì)隧址區(qū)熱水滲流傳熱的主要控水、控?zé)釘嗔雅c圍巖間的傳熱分析來判斷熱害特征，則更加快速，更加節(jié)省人力物力和時(shí)間。但在一般的數(shù)值模擬中往往得到的預(yù)測(cè)效果不盡如人意。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種能有效獲取熱水與圍巖間對(duì)流換熱系數(shù)的有效取值，然后通過數(shù)值模擬方式有效預(yù)測(cè)地溫分布的用于斷裂滲流傳熱特征測(cè)定的模擬試驗(yàn)裝置，以及一種采用所述用于斷裂滲流傳熱特征測(cè)定的模擬試驗(yàn)裝置測(cè)定斷裂滲流傳熱特征的施工方法。

2、為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種用于斷裂滲流傳熱特征測(cè)定的模擬試驗(yàn)裝置，所述的模擬試驗(yàn)裝置包括滲流模擬系統(tǒng)和裂隙試樣模型，裂隙試樣模型至少包括斷層模擬組件和圍巖模擬組件，圍巖模擬組件包覆在斷層模擬組件的外側(cè)，裂隙試樣模型需要的恒溫滲流通過滲流模擬系統(tǒng)按規(guī)定的要求提供并記錄其傳熱特征。

3、進(jìn)一步的是，裂隙試樣模型還包括模型外殼和膠套結(jié)構(gòu)，斷層模擬組件和圍巖模擬組件按規(guī)定的壓力和位置填充在膠套結(jié)構(gòu)中，膠套結(jié)構(gòu)通過模型外殼圍結(jié)為一個(gè)長、寬、高分別為50cm×40cm×50cm的長方體，滲流模擬系統(tǒng)通過模型外殼在膠套結(jié)構(gòu)的配合下與斷層模擬組件連通。

4、上述方案的優(yōu)選方式是，由硬料樹脂構(gòu)成的模型外殼在與滲流模擬系統(tǒng)熱水輸入端連接的位置處鑲嵌有尼龍材料；斷層模擬組件包括破裂帶和包夾在破裂帶內(nèi)的斷層核，斷層核為包括斷層泥、糜棱巖和碎粉巖的斷層巖充填體，破裂帶為包括次級(jí)斷層、裂隙和斷層褶皺發(fā)育帶的外圍斷層從屬構(gòu)造體，斷層巖充填體的厚度為5cm、寬度為15cm、高度為50cm，圍巖模擬組件包覆在破裂帶的外側(cè)。

5、進(jìn)一步的是，滲流模擬系統(tǒng)至少包括恒溫?zé)崴嫘顧C(jī)構(gòu)、滲流流態(tài)模擬機(jī)構(gòu)和監(jiān)測(cè)控制組件，位于恒溫?zé)崴嫘顧C(jī)構(gòu)內(nèi)的液體通過滲流流態(tài)模擬機(jī)構(gòu)在監(jiān)測(cè)控制組件的配合下在斷層模擬組件和圍巖模擬組件中按設(shè)定的滲流流態(tài)運(yùn)行；滲流液體在斷層模擬組件中運(yùn)行的傳熱特征通過監(jiān)測(cè)控制組件獲取。

6、上述方案的優(yōu)選方式是，恒溫?zé)崴嫘顧C(jī)構(gòu)由一個(gè)恒溫?zé)崴錁?gòu)成，滲流流態(tài)模擬機(jī)構(gòu)由一個(gè)變頻恒壓噴射泵構(gòu)成，監(jiān)測(cè)控制組件至少包括水溫監(jiān)測(cè)件組、裂隙試樣模型溫度監(jiān)測(cè)件組和控制模塊，變頻恒壓噴射泵的兩端分別通過pvc管與恒溫?zé)崴浜湍z套結(jié)構(gòu)連通，裂隙試樣模型溫度監(jiān)測(cè)件組布置在圍巖模擬組件內(nèi)，水溫監(jiān)測(cè)件組串接在變頻恒壓噴射泵輸出端的pvc管上，至少水溫監(jiān)測(cè)件組的控制端與控制模塊連接。

7、進(jìn)一步的是，滲流模擬系統(tǒng)還包括尾水收集組件，尾水收集組件包括尾水容器、秒表和水壓計(jì)，水溫監(jiān)測(cè)件組包括至少兩組水溫傳感器，裂隙試樣模型溫度監(jiān)測(cè)件組包括一臺(tái)無紙計(jì)錄儀和至少三組鉑電組，秒表布置在尾水容器上，尾水容器通過pvc管與裂隙試樣模型的膠套結(jié)構(gòu)連通，在尾水容器和膠套結(jié)構(gòu)之間的pvc管分別布置有水壓計(jì)和至少一組水溫傳感器，在變頻恒壓噴射泵輸出端與膠套結(jié)構(gòu)之間的pvc管上布置有至少一組水溫傳感器，相互間隔的插接在圍巖模擬組件中的各組鉑電組分別與無紙計(jì)錄儀連接，至少水溫傳感器、秒表和水壓計(jì)的控制端與控制模塊連接。

8、采用所述用于斷裂滲流傳熱特征測(cè)定的模擬試驗(yàn)裝置測(cè)定斷裂滲流傳熱特征的施工方法，所述的施工方法先將恒溫?zé)崴?、變頻恒壓噴射泵、裂隙試樣模型和尾水收集組件順序連接起來，并在裂隙試樣模型兩端的pvc管上布置水溫傳感器和水壓計(jì)，在尾水容器上布置秒表，在裂隙試樣模型上布置各組鉑電組，然后啟動(dòng)變頻恒壓噴射泵向裂隙試樣模型內(nèi)輸入規(guī)定溫度、規(guī)定流量和規(guī)定流態(tài)的滲流水，并在圍巖溫度變化趨于穩(wěn)定時(shí)記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)，最后以記錄的相應(yīng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行延伸推演，得出接近實(shí)際熱水滲流條件下的對(duì)流換熱系數(shù)值，

9、其中，在向裂隙試樣模型內(nèi)輸入規(guī)定溫度、規(guī)定流量和規(guī)定流態(tài)的滲流水時(shí)，至少包括三種不同溫度條件下的至少三種不同流量的滲流水，每次輸入均在上次結(jié)束滲流水輸入并記錄完成相應(yīng)數(shù)據(jù)，圍巖溫度降低至常溫狀態(tài)后再進(jìn)行下一次滲流水的輸入和記錄步驟，

10、記錄的相應(yīng)數(shù)據(jù)至少包括進(jìn)口熱水溫度ta和出口熱水溫度tb、換熱面固體一側(cè)的溫度tg和換熱面流體的溫度tl。

11、進(jìn)一步的是，依次輸入裂隙試樣模型內(nèi)的熱水的溫度分別包括30℃、40℃、50℃和60℃四種溫度，依次輸入的熱水的流量分別包括170ml/min、340ml/min、500ml/min和600ml/min的四種流量，具體的模擬輸入過程如下，

12、先按170ml/min流量控制裂隙中的熱水流量并保持恒定，然后依次調(diào)節(jié)熱水進(jìn)口溫度為30℃、40℃、50℃和60℃四種溫度分別輸入裂隙試樣模型內(nèi)，記錄該流量條件下各個(gè)溫度的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，待到圍巖溫度變化趨于穩(wěn)定后，依次按340ml/min、500ml/min和600ml/min的恒定流量改變熱水流量分別在30℃、40℃、50℃和60℃四種溫度條件下依次輸入裂隙試樣模型內(nèi)，并分別記錄各種流量和各個(gè)溫度條件下的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，如此重復(fù)，獲得四種流量、四種溫度條件下熱水在斷層模擬組件內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)隨熱水進(jìn)口溫度的變化關(guān)系的共計(jì)16組數(shù)據(jù)，完成模擬試驗(yàn)。

13、上述方案的優(yōu)選方式是，通過變頻恒壓噴射泵向裂隙試樣模型內(nèi)輸入規(guī)定流態(tài)的滲流水中至少包括層流流態(tài)的滲流水，層流流態(tài)的滲流水通過控制熱水的流量q實(shí)現(xiàn)，并采用無量綱數(shù)中的雷諾數(shù)re來對(duì)水流的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判定，當(dāng)re<2300時(shí)為層流，其中水流速度u用式(1)表示，雷諾數(shù)re用式(2)表示，

14、

15、式中：u為水流速度，m/s；q為熱水流量，m3/s；v為水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，m2/s；x為裂隙的長度，m；y為裂隙的寬度，m。

16、進(jìn)一步的是，

17、依據(jù)記錄的相應(yīng)數(shù)據(jù)按下述步驟計(jì)算獲得巖體斷裂滲流的對(duì)流換熱系統(tǒng)值，

18、對(duì)流換熱系數(shù)通過牛頓冷卻定律進(jìn)行計(jì)算，

19、q＝s×r×|tg-tl|???????????(3)，

20、(3)式中，s為接觸面面積，m2；r為對(duì)流換熱系數(shù)，w/(m2·℃)；tg為換熱面固體一側(cè)溫度，℃；tl為換熱面流體的溫度，℃；

21、又因?yàn)閷?duì)流換熱量q可以通過熱水的進(jìn)、出口溫差進(jìn)行計(jì)算，于是對(duì)流換熱總熱量與熱水進(jìn)、出口溫度滿足公式，

22、q＝cw×mw×(ta-tb)???????(4)，

23、(4)式中，cw為對(duì)流換熱流體的比熱容，kj/(kg·℃)；mw為對(duì)流換熱流體的質(zhì)量流速，kg/s；ta為流體進(jìn)口溫度，℃；tb為流體出口溫度，℃；

24、將公式(1)、公式(2)聯(lián)立，得到對(duì)流換熱系數(shù)表達(dá)式，

25、

26、式(5)中：qw為熱水流量，m3/s；ρw為流體密度，kg/m3。

27、本發(fā)明的有益效果是：本技術(shù)提供的技術(shù)方案通過設(shè)置一套包括滲流模擬系統(tǒng)和裂隙試樣模型的模擬試驗(yàn)裝置，并將裂隙試樣模型設(shè)置為至少包括斷層模擬組件和圍巖模擬組件的結(jié)構(gòu)，然后將圍巖模擬組件包覆在斷層模擬組件的外側(cè)，接著在模擬試驗(yàn)中使裂隙試樣模型需要的恒溫滲流通過滲流模擬系統(tǒng)按規(guī)定的要求提供并記錄其傳熱特征，最后以記錄的相應(yīng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行延伸推演，得出接近實(shí)際熱水滲流條件下的對(duì)流換熱系數(shù)值。解決了現(xiàn)有技術(shù)中，需要通過消耗大量的人力、物力鉆設(shè)多個(gè)孔進(jìn)行地溫?cái)?shù)據(jù)分析，以及預(yù)測(cè)效果不盡如人員的技術(shù)問題，同時(shí)采用本技術(shù)的模擬試驗(yàn)狀置能有效獲取熱水與圍巖間對(duì)流換熱系數(shù)的有效取值，然后通過數(shù)值模擬方式有效預(yù)測(cè)地溫分布，達(dá)到降低工程建設(shè)遭遇熱害的概率。