基于3d打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)及實驗方法
【專利摘要】基于3D打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)及實驗方法，屬于巖土工程領(lǐng)域。包括水頭裝置、實驗主體裝置和循環(huán)裝置，水頭裝置包括上水箱，上水箱內(nèi)設(shè)有可調(diào)擋水板；實驗主體裝置包括連通管、空心流道及測量筒，空心流道包括示蹤粒子漏斗、可卸玻璃蓋、防水絕緣墊板、空心墊臺、平行板、進水管和出水管，空心流道四周側(cè)板頂部設(shè)有放置防水絕緣墊板的槽體，平行板為利用3D打印技術(shù)打印制得，空心流道的出水管延伸到測量筒上方，循環(huán)裝置包括回水管、下水箱、水泵、供水管及溢流管，回水管的兩端分別與測量筒及下水箱相連，下水箱通過溢流管與上水箱的貫通孔連接，下水箱內(nèi)設(shè)有水泵，水泵通過供水管與上水箱的輸水孔相連。本發(fā)明適用于滲流特征差異性研究。
【專利說明】
基于3D打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)及實驗方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于巖土工程領(lǐng)域，涉及一種基于3D打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)及其實 驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于巖體的天然裂隙結(jié)構(gòu)及流體在巖體裂隙中的運動狀態(tài)異常復(fù)雜，因此，巖體 裂隙滲流行為的研究一直是巖土、礦業(yè)、地質(zhì)、石油及天然氣工程高度關(guān)注的難點問題。天 然巖體是具有宏觀裂隙和微觀裂隙的結(jié)構(gòu)體。巖體滲流不僅要解決單裂隙滲流的定量描 述，而且還要解決應(yīng)力作用下裂隙網(wǎng)絡(luò)演化的定量描述以及滲流路徑選擇機制等一系列難 題。巖石單縫裂隙滲流特性是研究裂隙巖體滲流的基礎(chǔ)，然而就單裂隙問題而言，其滲流機 理與定量描述存在很大的難題尚待解決。
[0003] 天然裂隙形態(tài)極不規(guī)則，裂隙的開度、粗糙性、接觸程度、連通性等特征對流體滲 流具有重要影響。如何定量解析和描述流體在復(fù)雜裂隙結(jié)構(gòu)中的滲流機理及影響因素是巖 體裂隙滲流研究中的難點。蘇聯(lián)學(xué)者Lomize提出的描述縫隙水滲流的平行板模型為基礎(chǔ)， 基于已有的光滑平行模板模型的立方定律被廣泛應(yīng)用于巖體裂隙滲流分析，并以此建立了 很多巖體滲透性與應(yīng)力關(guān)系的模型。然而，這并不匹配天然巖體的實際情況，天然裂隙粗糙 且不規(guī)則，現(xiàn)有的基于平行光滑裂隙的研究很難滿足實際的天然巖石裂縫的情況;為了能 夠更加真實地反映天然巖體裂隙的滲流機理，很多學(xué)者采用粗糙度、分形維數(shù)、接觸面形 狀、接觸面面積等參數(shù)來分析裂隙面特征對滲流的影響，然而由于實驗方法和數(shù)據(jù)處理的 差異，不同的研究者得到了不同甚至相反的實驗結(jié)論。所以，天然巖體裂隙的滲流機理還有 待實驗驗證。而現(xiàn)有的技術(shù)和實驗都不能很好地模擬和驗證流體在天然巖體裂隙中的滲流 狀態(tài)，也不能對流體在天然巖體裂隙的滲流行為進行很好的同步記錄，不能有效調(diào)節(jié)裂隙 縫寬、粗糙度、分形維數(shù)等。因此，亟需一種能夠有效改變多個變量來研究平行裂縫水滲流 的實驗系統(tǒng)。
[0004] 同時，隨著3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展，3D打印技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)?，F(xiàn)有的3D 打印技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用，給我們提供了將該技術(shù)運用到進行裂隙滲流實驗中的啟 示?？紤]設(shè)計一種基于3D打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)及實驗方法，以便克服現(xiàn)有的實驗 設(shè)備不能調(diào)節(jié)裂隙縫寬、粗糙度、分形維數(shù)等缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的實驗設(shè)備不能調(diào)節(jié)裂隙縫 寬、粗糙度、水位的水流等的缺點，提供一種能夠改變多個變量來研究平行裂縫水滲流的基 于3D打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)及實驗方法。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:基于3D打印的平行裂隙滲流實驗系 統(tǒng)，包括水頭裝置、實驗主體裝置和循環(huán)裝置，水頭裝置包括上水箱，上水箱內(nèi)設(shè)有可調(diào)擋 水板，可調(diào)擋水板用于將上水箱內(nèi)的水分割開來，上水箱底板上還設(shè)有輸水孔及排水孔，輸 水孔設(shè)置于多孔消能盒內(nèi)，所述排水孔與輸水孔分別設(shè)置在可調(diào)擋水板兩側(cè)，可調(diào)擋水板 包括上板及下板，所述上板側(cè)壁與下板側(cè)壁相貼合，上板能夠相對于下板而滑動；
[0007] 實驗主體裝置包括連通管、空心流道及測量筒，連通管的兩端分別與上水箱及空 心流道相連通，空心流道包括示蹤粒子漏斗、可卸玻璃蓋、防水絕緣墊板、空心墊臺、平行 板、進水管和出水管，所述平行板為利用3D打印技術(shù)打印制得，平行板包括位于上方的第一 部分和位于下方的第二部分，第一部分和第二部分之間設(shè)有裂縫，空心墊臺位于平行板第 一部分的上方，可卸玻璃蓋位于空心墊臺上方，防水絕緣墊板為"回"字形，與可卸玻璃蓋的 四周邊側(cè)相匹配，空心流道四周側(cè)板頂部設(shè)有放置防水絕緣墊板的槽體，通過在可卸玻璃 蓋與空心流道側(cè)板上方之間增減防水絕緣墊板的數(shù)量來調(diào)節(jié)平行板的縫寬，示蹤粒子漏斗 的下部穿過可卸玻璃蓋延伸到空心流道內(nèi)部，其底端高于進水管，示蹤粒子漏斗于水平方 向的投影位于平行板與進水管之間，進水管與連通管相連，空心流道的出水管延伸到測量 筒上方；
[0008] 循環(huán)裝置包括回水管、下水箱、水栗、供水管及溢流管，回水管的兩端分別與測量 筒及下水箱相連，下水箱通過溢流管與上水箱的排水孔連接，下水箱內(nèi)設(shè)有水栗，水栗通過 供水管與上水箱的輸水孔相連，還包括分別設(shè)置于連通管、出水管、回水管、溢流管、供水管 及示蹤粒子漏斗上的閥門。
[0009] 進一步的，平行板是由同一分形維數(shù)隨機生成的兩個粗糙面組成的。
[0010] 具體的，所述空心流道為長方形空心流道，所述每一個防水絕緣墊板的厚度為 0.5mm〇
[0011] 進一步的，示蹤粒子漏斗還包括用于測量的PIV同步儀器。
[0012] 具體的，所述上水箱和下水箱的材質(zhì)為有機玻璃，可調(diào)擋水板為可調(diào)玻璃板，可卸 玻璃蓋為有機玻璃長方形蓋，連通管、進水管、出水管、回水管、供水管及溢流管均為有機玻 璃管。
[0013] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的另一技術(shù)方案是：制作上述系統(tǒng)中平行板的方 法，包括以下步驟：
[0014] A.使用Weierstrass-Mandelbrot函數(shù)生成不同的分形節(jié)理，建立對應(yīng)不同粗糙度 巖石裂隙模型的相關(guān)函數(shù)，而后導(dǎo)入3D建模軟件，使用3D建模軟件創(chuàng)建出具有不同粗糙度 的分形節(jié)理模型，并轉(zhuǎn)換為打印機能識別并打印的STL文件；
[0015] B.采用3D打印機通過在打印托盤上逐層噴射材料層，形成高分辨率的模型；
[0016] C.移除打印好的模型的支撐結(jié)構(gòu)，即可得到具有一定分形維數(shù)的模型的平行板。
[0017] 進一步的，步驟A中Weierstrass-Mandelbrot函數(shù)為
[0018] n=u
[0019] 其中，b>l，當(dāng)0<H<1時，ω = bH 或 ω = bD -2(1<D<2);取 Weierstrass-Mandelbrot函數(shù)的正弦函數(shù)：
[0020] f(t)=AD-2sin(Akt)
[0021] 其中，t>0，l<D<2，A為根據(jù)不同的分形維數(shù)取得的常數(shù)。
[0022] 具體的，所述步驟B中的3D打印機型號是Stratasys 0bjet30Prime，材料層的材質(zhì) 為透明的光敏樹脂材料，每層厚度16um。
[0023] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的又一技術(shù)方案是:基于3D打印的平行裂隙滲流實 驗系統(tǒng)的實驗方法，包括以下步驟：
[0024] A.調(diào)節(jié)水頭裝置中的可調(diào)擋水板到預(yù)設(shè)位置，控制實驗過程中的水頭，保證每一 組實驗是在常水頭條件下進行;把打印好的平行板放置于空心流道中，用于模擬巖石裂隙 的不同粗糙度;在同一組水頭、同一粗糙度的條件下，通過增減空心流道中的防水絕緣墊板 的數(shù)量來調(diào)節(jié)縫寬；
[0025] B.打開分別設(shè)置于連通管、出水管、回水管上的閥門；待水流穩(wěn)定，關(guān)閉回水管上 的閥門并同時按下秒表；
[0026] C.最后待測量筒中水位上升至預(yù)定位置時，關(guān)閉出水管上的閥門并同時停下秒 表，讀出測量筒中水的體積和秒表時間，并記錄數(shù)據(jù)；
[0027] D.當(dāng)同一粗糙度的平行板在同一水頭和不同縫寬下的實驗數(shù)據(jù)測量完畢，再繼續(xù) 通過調(diào)節(jié)擋水板位置改變水頭，重復(fù)進入步驟A，當(dāng)測試N組不同的水頭條件后，N為正整數(shù)， 進入步驟E;
[0028] E.更換不同粗糙度的平行板，重復(fù)步驟A至D，記錄不同水頭、粗糙度、縫寬的實驗 數(shù)據(jù)，直至完成預(yù)定組數(shù)不同粗糙度條件的實驗后，關(guān)閉水閥，結(jié)束實驗，研究分析巖石裂 隙的滲流規(guī)律。
[0029] 本發(fā)明的有益效果是:結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，易于調(diào)節(jié)控制水頭裝置調(diào)節(jié)水位，便 于更換實驗材料及平行板，能通過3D打印技術(shù)較準(zhǔn)確地控制平行板裂隙的粗糙度和分形維 數(shù)，能夠通過增減防水絕緣墊板調(diào)節(jié)平行板的縫寬，能夠進行不同縫寬和不同水頭的平行 裂縫水滲流試驗，實現(xiàn)對不同縫寬、不同粗糙度平行板的滲流特征差異性研究，以實現(xiàn)改變 多個變量平行裂縫水滲流的研究，同時，能夠利用電子測速儀實時準(zhǔn)確記錄示蹤粒子監(jiān)測 水流運動狀態(tài)的實驗數(shù)據(jù)，更好地模擬天然巖體裂隙的復(fù)雜性，并引用已有的巖土工程理 論知識實現(xiàn)對實驗數(shù)據(jù)的處理和分析，實現(xiàn)對天裂隙巖體中流體滲流機制的研究，試驗效 果好，有效提高了試驗效率。本發(fā)明適用于滲流特征差異性研究。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明使用時的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不意圖；
[0031 ]圖2是本發(fā)明的長方形空心流道的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖3是本發(fā)明的長方形空心流道的俯視圖；
[0033] 其中，1為水頭裝置，2為實驗本體裝置，3為循環(huán)裝置，4為上水箱，5為可調(diào)擋水板， 6為多孔消能盒，7為連通管，8為長方形空心流道，8-1為示蹤粒子漏斗，8-2為螺釘，8-3為可 卸玻璃蓋，8-4為防水絕緣墊板，8-5為空心墊臺，8-6為平行板，8-7為進水管，8-8為出水管， 9-1、9-2、9-3、9-4、9-5均為閥門，10為測量筒，11為回水管，12為下水箱，13為水栗，14為供 水管，15為溢流管，16為三角形支架。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖，詳細描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0035]如圖1所示是本發(fā)明的實驗系統(tǒng)設(shè)置在桌面上使用時的結(jié)構(gòu)示意圖?；?D打印 的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)，包括水頭裝置1、實驗主體裝置2和循環(huán)裝置3,水頭裝置1包括上 水箱4，上水箱4內(nèi)設(shè)有可調(diào)擋水板5，上水箱底板上還設(shè)有輸水孔及排水孔，輸水孔設(shè)置于 多孔消能盒6內(nèi)，多孔消能盒6是現(xiàn)有的，其作用是為了消減抽上來的水的能量，以保證水頭 穩(wěn)定和出水口處水流不受擾動。所述輸水孔與排水孔分別設(shè)置在可調(diào)擋水板5兩側(cè)，可調(diào)擋 水板5垂直設(shè)置于上水箱中，其底部與上水箱4的底板相連，可調(diào)擋水板的長邊與上水箱的 寬度相等，且可調(diào)擋水板與上水箱邊側(cè)密封連接，可調(diào)擋水板5包括上板及下板，所述上板 側(cè)壁與下板側(cè)壁相貼合，上板能夠相對于下板而上下滑動，可調(diào)擋水板5用于將上水箱內(nèi)的 水分割開來，其原理類似于木桶原理，用可調(diào)擋水板控制水位，調(diào)節(jié)水的高度，若水的高度 高于可調(diào)擋水板，則流入排水孔所在的一側(cè)，再通過溢流管進入下水箱12中。上板與下板的 固定方式有多種，利用現(xiàn)有技術(shù)即可實現(xiàn)，如下板上安裝有導(dǎo)軌槽，上板上安裝有導(dǎo)軌，導(dǎo) 軌可以在導(dǎo)軌槽中滑動，且可以卡接固定在導(dǎo)軌槽中。又或是，下板側(cè)壁設(shè)有卡接件，當(dāng)上 板滑動到預(yù)定位置后，卡接件固定住上板。
[0036] 實驗主體裝置2包括連通管7、空心流道及測量筒10。空心流道可以是任意形狀的， 由于長方形結(jié)構(gòu)簡單，也便于不同分形維數(shù)打印板的打印和安裝，故有限選用長方形空心 流道8。連通管7的兩端分別與上水箱4及長方形空心流道8相連通。如圖2,長方形空心流道8 包括示蹤粒子漏斗8-1、可卸玻璃蓋8-3、防水絕緣墊板8-4、空心墊臺8-5、平行板8-6、進水 管8-7和出水管8-8。示蹤粒子漏斗8-1還包括用于測量的PIV(電子測速儀）同步儀器，所述 示蹤粒子，安裝于漏斗中，通過開關(guān)來控制水流中示蹤粒子的含量。然后再通過PIV來記錄 運動下水流中的示蹤粒子的運動狀態(tài)，來實現(xiàn)對裂隙中水流運動狀態(tài)的模擬和實驗數(shù)據(jù)的 實時記錄。PIV同步儀器掃描流道，檢測示蹤粒子通過連接計算機來顯示流道中的流態(tài)，故 PIV同步儀器和示蹤漏斗不需要連接。平行板8-6設(shè)置于長方形空心流道8內(nèi)部，優(yōu)選的，設(shè) 置于長方形空心流道8的中部偏后側(cè)，以便于部件布局。所述平行板8-6為利用3D打印技術(shù) 打印制得，平行板8-6包括位于上方的第一部分和位于下方的第二部分，第一部分和第二部 分是由同一分形維數(shù)隨機生成的兩個粗糙面組成的，第一部分和第二部分之間設(shè)有裂縫， 為了模擬實際情況，所述裂縫為不規(guī)則形。第二部分固定于空心流道底板上，平行板8-6第 一部分固定于空心墊臺8-5底部，可卸玻璃蓋8-3位于空心墊臺8-5上方，優(yōu)選的，可卸玻璃 蓋形狀與長方形空心流道8頂面相匹配。防水絕緣墊板為"回"字形，與可卸玻璃蓋8-3的四 周邊側(cè)相匹配，空心流道四周側(cè)板頂部設(shè)有放置防水絕緣墊板的槽體，通過在可卸玻璃蓋 8-3與空心流道四周側(cè)板之間增減防水絕緣墊板8-4的數(shù)量來改變兩平行板之間的間距，調(diào) 節(jié)平行板8-6的縫寬，示蹤粒子漏斗8-1的下部穿過可卸玻璃蓋8-3延伸到長方形空心流道 內(nèi)部，其底端略高于進水管8-7,示蹤粒子漏斗8-1于水平方向的投影位于平行板8-6與進水 管8-7之間，進水管8-7與連通管7相連，長方形空心流道8與測量筒10相連，可以是出水管8-8延伸到測量筒10上方，也可以延伸到測量筒內(nèi)部偏上，保證長方形空心流道8內(nèi)的液體能 夠流入測量筒，以免水流濺出，影響實驗結(jié)果。
[0037] 所述防水絕緣墊板8-4的數(shù)目根據(jù)實際實驗需要選擇，可以選擇總數(shù)為10片，且每 片厚度為〇. 5mm，以0.5mm為梯度在0-5mm內(nèi)改變縫寬。也可以不限定數(shù)目及厚度，根據(jù)具體 的實驗要求選用。
[0038] 循環(huán)裝置3包括回水管11、下水箱12、水栗13、供水管14及溢流管15,回水管11的兩 端分別與測量筒10及下水箱12相連，回水管11優(yōu)選連接到測量筒10的底部，此外，連接到側(cè) 壁也可以。下水箱12通過溢流管15與上水箱4的排水孔連接，下水箱12內(nèi)設(shè)有水栗13，水栗 13通過供水管14與上水箱4的輸水孔相連，水栗采用符合試驗中所需流量要求的污水栗，因 為水栗抽上去的水具有較大的動能，多孔消能盒6減小對連通管7中的水頭的影響。還包括 分別設(shè)置于連通管7、出水管8-8、回水管11、溢流管15、供水管14及示蹤粒子漏斗8-1上的閥 門9-1，9-2，9-3，9-4，9-5，9-6。循環(huán)裝置3能夠?qū)崿F(xiàn)水和示蹤粒子的循環(huán)，節(jié)約資源。
[0039] 所述上水箱4和下水箱12的材質(zhì)為有機玻璃，可調(diào)擋水板為可調(diào)玻璃板，可卸玻璃 蓋8-3為有機玻璃長方形蓋，連通管7、進水管8-7、出水管8-8、回水管11、供水管14及溢流管 15均為有機玻璃管。
[0040] 如圖3是本發(fā)明的長方形空心流道的俯視圖，其上未標(biāo)示進水管和出水管。防水絕 緣墊板為"回"字形，四周鉆有螺孔，位于長方形空心流道為防水絕緣墊板材料設(shè)置的凹槽 內(nèi)，是可拆卸的，通過增減其數(shù)量來改變縫寬。可卸玻璃蓋上周邊設(shè)有20個螺絲孔，防水絕 緣墊板上相應(yīng)的位置也設(shè)置有螺絲孔。當(dāng)需要增加減小縫寬時，卸下螺絲，取下可卸玻璃 蓋，增加防水絕緣墊板，而后蓋上可卸玻璃蓋，擰緊螺絲。
[0041] 當(dāng)水頭裝置1和長方形空心流道8設(shè)置于實驗桌面上時，為了便于實驗物品布局， 可以使用三角形支架16將回水管固定在桌腳上。
[0042] 該系統(tǒng)可以實現(xiàn)改變水頭、縫寬和粗糙度的巖石裂隙滲流實驗。
[0043] 制作上述實驗系統(tǒng)中平行板的方法，包括以下步驟：
[0044] A.使用Weierstrass-Mandelbrot函數(shù)生成不同的分形節(jié)理，建立對應(yīng)不同粗糙度 巖石裂隙模型的相關(guān)函數(shù)，而后將其導(dǎo)入3D建模軟件，使用3D建模軟件創(chuàng)建出具有不同粗 糙度的分形節(jié)理模型，并轉(zhuǎn)換為打印機能識別并打印的STL文件。
[0045] Weierstrass-Mandelbrot 函數(shù)為
[0046]
[0047] 其中，b>l，當(dāng)0<H<1時，ω = bH 或 ω = bD -2(1<D<2);取 Weierstrass-Mandelbrot函數(shù)的正弦函數(shù)：
[0048] f(t)=AD-2sin(Akt)
[0049] 其中，t>0，l<D<2，A為根據(jù)不同的分形維數(shù)取得的常數(shù)。
[0050] B.采用采用Polyjet?技術(shù)的3D打印機通過在打印托盤上逐層噴射極薄高級光敏 樹脂材料層，形成高分辨率的模型，3D打印機型號是Stratasys 0bjet30 Prime，材料層的 材質(zhì)為透明的光敏樹脂材料，每層厚度16um，實現(xiàn)高分辨率。所采用的透明材料在打印頭中 加熱擠出，然后薄薄地堆積在建模底座上，始終保持高度精確地逐層打印不同粗糙度的模 型及支撐材料。
[0051] C.將打印好的模型拿出打印機建造室，然后移除水溶性或可使用噴水器移除支撐 結(jié)構(gòu)，，即可得到具有一定分形維數(shù)的模型的平行板，即巖石裂隙模型。
[0052]利用上述實驗系統(tǒng)進行實驗的方法，包括以下步驟：
[0053] 1)調(diào)節(jié)水頭
[0054]首先調(diào)節(jié)水頭裝置1中的可調(diào)節(jié)玻璃板5到預(yù)設(shè)位置，控制實驗過程中的水頭，保 證每一組實驗是在常水頭條件下進行。常水頭條件為本專業(yè)專有名詞，指水頭不變的條件 下進行試驗。本實驗擬作70cm、9〇 Cm、ll〇Cm的三組水頭下的滲流實驗。
[0055] 2)調(diào)節(jié)粗糙度
[0056]控制好水頭條件之后，把實驗前打印好的具有不同分形維數(shù)的巖石裂隙模型即平 行板8-6放置于長方形空心流道8中，來模擬巖石裂隙的不同粗糙度。
[0057] 3)調(diào)節(jié)縫寬
[0058]在同一組水頭、同一粗糙度的條件下，通過增減長方形空心流道8中的防水絕緣墊 板 8-4，調(diào)節(jié)縫寬至 2mm、3mm、4mm、5mm。
[0059] 4)實驗過程
[0060] 調(diào)節(jié)好水頭、粗糙度、縫寬三個變量后，打開分別設(shè)置于連通管7、出水管8-8、回水 管11上的閥門9-1，9-2,9-3;然后待水流穩(wěn)定，關(guān)閉回水管11上的閥門9-3并同時按下秒表； 最后待測量筒10中水位上升至預(yù)定位置如測量筒10高度的三分之二處時，關(guān)閉出水管8-8 上的閥門9-2并同時停下秒表，讀出測量筒中水的體積和秒表時間，并記錄不同水頭、粗糙 度、縫寬的實驗數(shù)據(jù)；
[0061] 5)當(dāng)同一粗糙度的平行板在同一水頭和不同縫寬下的實驗數(shù)據(jù)測量完畢，再繼續(xù) 通過調(diào)節(jié)擋水板5位置改變水頭，重復(fù)進入步驟1 )，當(dāng)測試N組不同的水頭條件后，N為正整 數(shù)，此例中N為3,進入步驟6);
[0062] 6)更換不同粗糙度的平行板8-6,重復(fù)步驟1)至5)，記錄不同水頭、粗糙度、縫寬的 實驗數(shù)據(jù)，直至完成預(yù)定組數(shù)不同粗糙度條件的實驗后，關(guān)閉水閥，結(jié)束實驗，研究分析巖 石裂隙的滲流規(guī)律。
【主權(quán)項】
1. 基于3D打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)，其特征在于，包括水頭裝置（1)、實驗主體裝 置(2)和循環(huán)裝置(3)，水頭裝置（1)包括上水箱(4)，上水箱(4)內(nèi)設(shè)有可調(diào)擋水板(5)，可調(diào) 擋水板(5)用于將上水箱內(nèi)的水分割開來，上水箱底板上還設(shè)有輸水孔及排水孔，輸水孔設(shè) 置于多孔消能盒(6)內(nèi)，所述輸水孔與排水孔分別設(shè)置在可調(diào)擋水板(5)兩側(cè)，可調(diào)擋水板 (5)包括上板及下板，所述上板側(cè)壁與下板側(cè)壁相貼合，上板能夠相對于下板而滑動； 實驗主體裝置(2)包括連通管（7)、空屯、流道及測量筒（10);連通管(7)的兩端分別與上 水箱(4)及空屯、流道相連通，空屯、流道包括示蹤粒子漏斗（8-1)、可卸玻璃蓋(8-3)、防水絕 緣墊板(8-4)、空屯、墊臺（8-5)、平行板(8-6)、進水管(8-7)和出水管(8-8)，平行板(8-6)設(shè) 置于空屯、流道內(nèi)部，所述平行板(8-6)為利用3D打印技術(shù)打印制得，平行板(8-6)包括位于 上方的第一部分和位于下方的第二部分，第一部分和第二部分之間設(shè)有裂縫，空屯、墊臺（8- 5) 位于平行板(8-6)第一部分的上方，可卸玻璃蓋(8-3)位于空屯、墊臺（8-5)上方，防水絕緣 墊板為"回"字形，與可卸玻璃蓋(8-3)的四周邊側(cè)相匹配，空屯、流道四周側(cè)板頂部設(shè)有放置 防水絕緣墊板的槽體，通過在可卸玻璃蓋(8-3)與空屯、流道側(cè)板上方之間增減防水絕緣墊 板(8-4)的數(shù)量來調(diào)節(jié)平行板(8-6)的縫寬，示蹤粒子漏斗(8-1)的下部穿過可卸玻璃蓋(8- 3)延伸到空屯、流道內(nèi)部，其底端高于進水管(8-7)，示蹤粒子漏斗(8-1)于水平方向的投影 位于平行板(8-6)與進水管(8-7)之間，進水管（8-7)與連通管（7)相連，空屯、流道的出水管 (8-8)延伸到測量筒（10)上方， 循環(huán)裝置(3)包括回水管（11)、下水箱（12)、水累（13)、供水管（14)及溢流管（15)，回水 管（11)的兩端分別與測量筒（10)及下水箱（12)相連，下水箱（12)通過溢流管（15)與上水箱 (4)的排水孔連接，下水箱（12)內(nèi)設(shè)有水累（13)，水累（13)通過供水管（14)與上水箱(4)的 輸水孔相連，還包括分別設(shè)置于連通管(7 )、出水管(8-8 )、回水管（11 )、溢流管（15 )、供水管 (14) 及示蹤粒子漏斗（8-1)上的閥口（ 9-1，9-2，9-3，9-4，9-5，9-6)。2. 如權(quán)利要求1所述的基于3D打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)，其特征在于，平行板(8- 6) 的第一部分和第二部分是由同一分形維數(shù)隨機生成的兩個粗糖面組成的。3. 如權(quán)利要求2所述的基于3D打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述空屯、流 道為長方形空屯、流道(8)，所述每一個防水絕緣墊板(8-4)的厚度為0.5mm。4. 如權(quán)利要求2所述的基于3D打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)，其特征在于，示蹤粒子漏 斗(8-1))還包括用于測量的PIV同步儀器。5. 如權(quán)利要求1所述的基于3D打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述上水箱 (4)和下水箱（12)的材質(zhì)為有機玻璃，可調(diào)擋水板為可調(diào)玻璃板，可卸玻璃蓋(8-3)為有機 玻璃長方形蓋，連通管(7)、進水管(8-7)、出水管(8-8)、回水管（11)、供水管（14)及溢流管 (15) 均為有機玻璃管。6. 制作如權(quán)利要求1至5任意一項所述的基于3D打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)中平行 板的方法，其特征在于，包括W下步驟： A. 使用Weierstrass-Mande化rot函數(shù)生成不同的分形節(jié)理，建立對應(yīng)不同粗糖度巖石 裂隙模型的相關(guān)函數(shù)，而后導(dǎo)入3D建模軟件，使用3D建模軟件創(chuàng)建出具有不同粗糖度的分 形節(jié)理模型，并轉(zhuǎn)換為打印機能識別并打印的STL文件； B. 采用3D打印機通過在打印托盤上逐層噴射材料層，形成高分辨率的模型； C. 移除打印好的模型的支撐結(jié)構(gòu)，即可得到具有一定分形維數(shù)的模型的平行板。7. 如權(quán)利要求6所述的制作基于3D打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)中平行板的方法，其 特征在于，步驟A中Weierstrass-Mande化rot函數(shù)為其中，b>l，當(dāng)0<H<1時，ω = bH 或 ω =bD-2( 1 <D<2);取Weierstrass-Mande化 rot函 數(shù)的正弦函數(shù)： f (t)=AD-2sin(AH) 其中，t>0，l<D<2，A為根據(jù)不同的分形維數(shù)取得的常數(shù)。8. 如權(quán)利要求6所述的制作基于3D打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)中平行板的方法，其 特征在于，所述步驟B中的3D打印機型號是Stratasys 0bjet30 Prime,材料層的材質(zhì)為透 明的光敏樹脂材料，每層厚度16皿1。9. 如權(quán)利要求1至5任意一項所述的基于3D打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)的實驗方法， 其特征在于，包括W下步驟： A. 調(diào)節(jié)水頭裝置（1)中的可調(diào)擋水板(5巧Ij預(yù)設(shè)位置，控制實驗過程中的水頭，保證每 一組實驗是在常水頭條件下進行;把打印好的平行板(8-6)放置于空屯、流道中，用于模擬巖 石裂隙的不同粗糖度;在同一組水頭、同一粗糖度的條件下，通過增減空屯、流道中的防水絕 緣墊板(8-4)的數(shù)量來調(diào)節(jié)縫寬； B. 打開分別設(shè)置于連通管（7)、出水管(8-8)、回水管（11)上的閥口（9-1，9-2,9-3);待 水流穩(wěn)定，關(guān)閉回水管（11)上的閥口（9-3)并同時按下秒表； C. 最后待測量筒（10)中水位上升至預(yù)定位置時，關(guān)閉出水管(8-8)上的閥口（9-2)并同 時停下秒表，讀出測量筒中水的體積和秒表時間，并記錄數(shù)據(jù)； D. 當(dāng)同一粗糖度的平行板在同一水頭和不同縫寬下的實驗數(shù)據(jù)測量完畢，再繼續(xù)通過 調(diào)節(jié)擋水板(5)位置改變水頭，重復(fù)進入步驟A，當(dāng)測試N組不同的水頭條件后，N為正整數(shù)， 進入步驟E; E. 更換不同粗糖度的平行板(8-6)，重復(fù)步驟A至D，記錄不同水頭、粗糖度、縫寬的實驗 數(shù)據(jù)，直至完成預(yù)定組數(shù)不同粗糖度條件的實驗后，關(guān)閉水閥，結(jié)束實驗，研究分析巖石裂 隙的滲流規(guī)律。
【文檔編號】G01N15/08GK105973783SQ201610390884
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月1日
【發(fā)明人】張茹, 劉麗君, 劉月, 李興, 高明忠, 張澤天, 李安強, 徐曉煉, 謝晶, 劉倩穎, 查爾晟, 陳澤華, 彭媛
【申請人】四川大學(xué)