基于3d打印的平行裂隙渗流实验系统的制作方法
【专利摘要】基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统，属于岩土工程领域。包括水头装置、实验主体装置和循环装置，水头装置包括上水箱，上水箱内设有可调挡水板；实验主体装置包括连通管、空心流道及测量筒，空心流道包括示踪粒子漏斗、可卸玻璃盖、防水绝缘垫板、空心垫台、平行板、进水管和出水管，空心流道四周侧板顶部设有放置防水绝缘垫板的槽体，平行板为利用3D打印技术打印制得，空心流道的出水管延伸到测量筒上方，循环装置包括回水管、下水箱、水泵、供水管及溢流管，回水管的两端分别与测量筒及下水箱相连，下水箱通过溢流管与上水箱的贯通孔连接，下水箱内设有水泵，水泵通过供水管与上水箱的输水孔相连。本实用新型适用于渗流特征差异性研究。
【专利说明】
基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统
技术领域
[0001] 本实用新型属于岩土工程领域，涉及一种基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统。
【背景技术】
[0002] 由于岩体的天然裂隙结构及流体在岩体裂隙中的运动状态异常复杂，因此，岩体 裂隙渗流行为的研究一直是岩土、矿业、地质、石油及天然气工程高度关注的难点问题。天 然岩体是具有宏观裂隙和微观裂隙的结构体。岩体渗流不仅要解决单裂隙渗流的定量描 述，而且还要解决应力作用下裂隙网络演化的定量描述以及渗流路径选择机制等一系列难 题。岩石单缝裂隙渗流特性是研究裂隙岩体渗流的基础，然而就单裂隙问题而言，其渗流机 理与定量描述存在很大的难题尚待解决。
[0003] 天然裂隙形态极不规则，裂隙的开度、粗糙性、接触程度、连通性等特征对流体渗 流具有重要影响。如何定量解析和描述流体在复杂裂隙结构中的渗流机理及影响因素是岩 体裂隙渗流研究中的难点。苏联学者Lomize提出的描述缝隙水渗流的平行板模型为基础， 基于已有的光滑平行模板模型的立方定律被广泛应用于岩体裂隙渗流分析，并以此建立了 很多岩体渗透性与应力关系的模型。然而，这并不匹配天然岩体的实际情况，天然裂隙粗糙 且不规则，现有的基于平行光滑裂隙的研究很难满足实际的天然岩石裂缝的情况;为了能 够更加真实地反映天然岩体裂隙的渗流机理，很多学者采用粗糙度、分形维数、接触面形 状、接触面面积等参数来分析裂隙面特征对渗流的影响，然而由于实验方法和数据处理的 差异，不同的研究者得到了不同甚至相反的实验结论。所以，天然岩体裂隙的渗流机理还有 待实验验证。而现有的技术和实验都不能很好地模拟和验证流体在天然岩体裂隙中的渗流 状态，也不能对流体在天然岩体裂隙的渗流行为进行很好的同步记录，不能有效调节裂隙 缝宽、粗糙度、分形维数、水位的水流等。因此，亟需一种能够有效改变多个变量来研究平行 裂缝水渗流的实验系统。
[0004] 同时，随着3D打印技术的飞速发展，3D打印技术被广泛应用于各行各业。现有的3D 打印技术在岩土工程中的应用，给我们提供了将该技术运用到进行裂隙渗流实验中的启 示。考虑设计一种基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统，以便克服现有的实验设备不能调 节裂隙缝宽、粗糙度等缺点。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型所要解决的技术问题是为了克服现有技术中的实验设备不能调节裂 隙缝宽、粗糙度、水位的水流等的缺点，提供一种能够改变多个变量来研究平行裂缝水渗流 的基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统。
[0006] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:基于3D打印的平行裂隙渗流实 验系统，包括水头装置、实验主体装置和循环装置，水头装置包括上水箱，上水箱内设有可 调挡水板，可调挡水板用于将上水箱内的水分割开来，上水箱底板上还设有输水孔及排水 孔，输水孔设置于多孔消能盒内，所述排水孔与输水孔分别设置在可调挡水板两侧，可调挡 水板包括上板及下板，所述上板侧壁与下板侧壁相贴合，上板能够相对于下板而滑动；
[0007] 实验主体装置包括连通管、空心流道及测量筒，连通管的两端分别与上水箱及空 心流道相连通，空心流道包括示踪粒子漏斗、可卸玻璃盖、防水绝缘垫板、空心垫台、平行 板、进水管和出水管，所述平行板为利用3D打印技术打印制得，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间设有裂缝，空心垫台位于平行板第 一部分的上方，可卸玻璃盖位于空心垫台上方，防水绝缘垫板为"回"字形，与可卸玻璃盖的 四周边侧相匹配，空心流道四周侧板顶部设有放置防水绝缘垫板的槽体，通过在可卸玻璃 盖与空心流道侧板上方之间增减防水绝缘垫板的数量来调节平行板的缝宽，示踪粒子漏斗 的下部穿过可卸玻璃盖延伸到空心流道内部，其底端高于进水管，示踪粒子漏斗于水平方 向的投影位于平行板与进水管之间，进水管与连通管相连，空心流道的出水管延伸到测量 筒上方；
[0008] 循环装置包括回水管、下水箱、水栗、供水管及溢流管，回水管的两端分别与测量 筒及下水箱相连，下水箱通过溢流管与上水箱的排水孔连接，下水箱内设有水栗，水栗通过 供水管与上水箱的输水孔相连，还包括分别设置于连通管、出水管、回水管、溢流管、供水管 及示踪粒子漏斗上的阀门。
[0009] 进一步的，平行板是由同一分形维数随机生成的两个粗糙面组成的。
[0010] 具体的，所述空心流道为长方形空心流道，所述每一个防水绝缘垫板的厚度为 0.5_。进一步的，示踪粒子漏斗还包括用于测量的PIV同步仪器。
[0011] 具体的，所述上水箱和下水箱的材质为有机玻璃，可调挡水板为可调玻璃板，可卸 玻璃盖为有机玻璃长方形盖，连通管、进水管、出水管、回水管、供水管及溢流管均为有机玻 璃管。
[0012] 本实用新型的有益效果是：结构简单，使用方便，易于调节控制水头装置调节水 位，便于更换实验材料及平行板，能通过3D打印技术较准确地控制平行板裂隙的粗糙度和 分形维数，能够通过增减防水绝缘垫板调节平行板的缝宽，能够进行不同缝宽和不同水头 的平行裂缝水渗流试验，实现对不同缝宽、不同粗糙度平行板的渗流特征差异性研究，以实 现改变多个变量平行裂缝水渗流的研究，同时，能够利用电子测速仪实时准确记录示踪粒 子监测水流运动状态的实验数据，更好地模拟天然岩体裂隙的复杂性，并引用已有的岩土 工程理论知识实现对实验数据的处理和分析，实现对天裂隙岩体中流体渗流机制的研究， 试验效果好，有效提高了试验效率。本实用新型适用于渗流特征差异性研究。
【附图说明】
[0013] 图1是本实用新型使用时的系统结构示意图；
[0014] 图2是本实用新型的长方形空心流道的系统结构示意图；
[0015] 图3是本实用新型的长方形空心流道的俯视图；
[0016] 其中，1为水头装置，2为实验本体装置，3为循环装置，4为上水箱，5为可调挡水板， 6为多孔消能盒，7为连通管，8为长方形空心流道，8-1为示踪粒子漏斗，8-2为螺钉，8-3为可 卸玻璃盖，8-4为防水绝缘垫板，8-5为空心垫台，8-6为平行板，8-7为进水管，8-8为出水管， 9-1、9-2、9-3、9-4、9-5均为阀门，10为测量筒，11为回水管，12为下水箱，13为水栗，14为供 水管，15为溢流管，16为三角形支架。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图，详细描述本实用新型的技术方案。
[0018] 如图1所示是本实用新型的实验系统设置在桌面上使用时的结构示意图。基于3D 打印的平行裂隙渗流实验系统，包括水头装置1、实验主体装置2和循环装置3,水头装置1包 括上水箱4，上水箱4内设有可调挡水板5，上水箱底板上还设有输水孔及排水孔，输水孔设 置于多孔消能盒6内，多孔消能盒6是现有的，其作用是为了消减抽上来的水的能量，以保证 水头稳定和出水口处水流不受扰动。所述输水孔与排水孔分别设置在可调挡水板5两侧，可 调挡水板5垂直设置于上水箱中，其底部与上水箱4的底板相连，可调挡水板的长边与上水 箱的宽度相等，且可调挡水板与上水箱边侧密封连接，可调挡水板5包括上板及下板，所述 上板侧壁与下板侧壁相贴合，上板能够相对于下板而上下滑动，可调挡水板5用于将上水箱 内的水分割开来，其原理类似于木桶原理，用可调挡水板控制水位，调节水的高度，若水的 高度高于可调挡水板，则流入排水孔所在的一侧，再通过溢流管进入下水箱12中。上板与下 板的固定方式有多种，利用现有技术即可实现，如下板上安装有导轨槽，上板上安装有导 轨，导轨可以在导轨槽中滑动，且可以卡接固定在导轨槽中。又或是，下板侧壁设有卡接件， 当上板滑动到预定位置后，卡接件固定住上板。
[0019] 实验主体装置2包括连通管7、空心流道及测量筒10。空心流道可以是任意形状的， 由于长方形结构简单，也便于不同分形维数打印板的打印和安装，故有限选用长方形空心 流道8。连通管7的两端分别与上水箱4及长方形空心流道8相连通。如图2,长方形空心流道8 包括示踪粒子漏斗8-1、可卸玻璃盖8-3、防水绝缘垫板8-4、空心垫台8-5、平行板8-6、进水 管8-7和出水管8-8。示踪粒子漏斗8-1还包括用于测量的PIV(电子测速仪）同步仪器，所述 示踪粒子，安装于漏斗中，通过开关来控制水流中示踪粒子的含量。然后再通过PIV来记录 运动下水流中的示踪粒子的运动状态，来实现对裂隙中水流运动状态的模拟和实验数据的 实时记录。PIV同步仪器扫描流道，检测示踪粒子通过连接计算机来显示流道中的流态，故 PIV同步仪器和示踪漏斗不需要连接。平行板8-6设置于长方形空心流道8内部，优选的，设 置于长方形空心流道8的中部偏后侧，以便于部件布局。所述平行板8-6为利用3D打印技术 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 分是由同一分形维数随机生成的两个粗糙面组成的，第一部分和第二部分之间设有裂缝， 为了模拟实际情况，所述裂缝为不规则形。第二部分固定于空心流道底板上，平行板8-6第 一部分固定于空心垫台8-5底部，可卸玻璃盖8-3位于空心垫台8-5上方，优选的，可卸玻璃 盖形状与长方形空心流道8顶面相匹配。防水绝缘垫板为"回"字形，与可卸玻璃盖8-3的四 周边侧相匹配，空心流道四周侧板顶部设有放置防水绝缘垫板的槽体，通过在可卸玻璃盖 8-3与空心流道四周侧板之间增减防水绝缘垫板8-4的数量来改变两平行板之间的间距，调 节平行板8-6的缝宽，示踪粒子漏斗8-1的下部穿过可卸玻璃盖8-3延伸到长方形空心流道 内部，其底端略高于进水管8-7,示踪粒子漏斗8-1于水平方向的投影位于平行板8-6与进水 管8-7之间，进水管8-7与连通管7相连，长方形空心流道8与测量筒10相连，可以是出水管8-8延伸到测量筒10上方，也可以延伸到测量筒内部偏上，保证长方形空心流道8内的液体能 够流入测量筒，以免水流溅出，影响实验结果。
[0020] 所述防水绝缘垫板8-4的数目根据实际实验需要选择，可以选择总数为10片，且每 片厚度为0.5mm，以0.5mm为梯度在0-5mm内改变缝宽。也可以不限定数目及厚度，根据具体 的实验要求选用。
[0021] 循环装置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的两 端分别与测量筒10及下水箱12相连，回水管11优选连接到测量筒10的底部，此外，连接到侧 壁也可以。下水箱12通过溢流管15与上水箱4的排水孔连接，下水箱12内设有水栗13，水栗 13通过供水管14与上水箱4的输水孔相连，水栗采用符合试验中所需流量要求的污水栗，因 为水栗抽上去的水具有较大的动能，多孔消能盒6减小对连通管7中的水头的影响。还包括 分别设置于连通管7、出水管8-8、回水管11、溢流管15、供水管14及示踪粒子漏斗8-1上的阀 门9-1，9-2，9-3，9-4，9-5，9-6。循环装置3能够实现水和示踪粒子的循环，节约资源。
[0022] 所述上水箱4和下水箱12的材质为有机玻璃，可调挡水板为可调玻璃板，可卸玻璃 盖8-3为有机玻璃长方形盖，连通管7、进水管8-7、出水管8-8、回水管11、供水管14及溢流管 15均为有机玻璃管。
[0023] 如图3是本实用新型的长方形空心流道的俯视图，其上未标示进水管和出水管。防 水绝缘垫板为"回"字形，四周钻有螺孔，位于长方形空心流道为防水绝缘垫板材料设置的 凹槽内，是可拆卸的，通过增减其数量来改变缝宽。可卸玻璃盖上周边设有20个螺丝孔，防 水绝缘垫板上相应的位置也设置有螺丝孔。当需要增加减小缝宽时，卸下螺丝，取下可卸玻 璃盖，增加防水绝缘垫板，而后盖上可卸玻璃盖，拧紧螺丝。
[0024] 当水头装置1和长方形空心流道8设置于实验桌面上时，为了便于实验物品布局， 可以使用三角形支架16将回水管固定在桌脚上。
[0025] 该系统可以实现改变水头、缝宽和粗糙度的岩石裂隙渗流实验。
[0026] 制作上述实验系统中平行板的方法，包括以下步骤：
[0027] A.使用Weierstrass-Mandelbrot函数生成不同的分形节理，建立对应不同粗糙度 岩石裂隙模型的相关函数，而后将其导入3D建模软件，使用3D建模软件创建出具有不同粗 糙度的分形节理模型，并转换为打印机能识别并打印的STL文件。
[0028]
[0029]
[0030] 其中，b>l，当0<H<1时，ω = bH 或 ω = bD - 2(l<D<2);取 Weierstrass-Mandelbrot函数的正弦函数：
[0031] f(t)=AD-2sin(Akt)
[0032] 其中，t>0，l<D<2，A为根据不同的分形维数取得的常数。
[0033] B.采用采用Polyjet?技术的3D打印机通过在打印托盘上逐层喷射极薄高级光敏 树脂材料层，形成高分辨率的模型，3D打印机型号是Stratasys Objet30 Prime，材料层的 材质为透明的光敏树脂材料，每层厚度16um，实现高分辨率。所采用的透明材料在打印头中 加热挤出，然后薄薄地堆积在建模底座上，始终保持高度精确地逐层打印不同粗糙度的模 型及支撑材料。
[0034] C.将打印好的模型拿出打印机建造室，然后移除水溶性或可使用喷水器移除支撑 结构，，即可得到具有一定分形维数的模型的平行板，即岩石裂隙模型。
[0035] 利用上述实验系统进行实验的方法，包括以下步骤：
[0036] 1)调节水头
[0037] 首先调节水头装置1中的可调节玻璃板5到预设位置，控制实验过程中的水头，保 证每一组实验是在常水头条件下进行。常水头条件为本专业专有名词，指水头不变的条件 下进行试验。本实验拟作70cm、9〇 Cm、ll〇Cm的三组水头下的渗流实验。
[0038] 2)调节粗糙度
[0039] 控制好水头条件之后，把实验前打印好的具有不同分形维数的岩石裂隙模型即平 行板8-6放置于长方形空心流道8中，来模拟岩石裂隙的不同粗糙度。
[0040] 3)调节缝宽
[0041] 在同一组水头、同一粗糙度的条件下，通过增减长方形空心流道8中的防水绝缘垫 板 8-4，调节缝宽至 2mm、3mm、4mm、5mm。
[0042] 4)实验过程
[0043] 调节好水头、粗糙度、缝宽三个变量后，打开分别设置于连通管7、出水管8-8、回水 管11上的阀门9-1，9-2,9-3;然后待水流稳定，关闭回水管11上的阀门9-3并同时按下秒表； 最后待测量筒10中水位上升至预定位置如测量筒10高度的三分之二处时，关闭出水管8-8 上的阀门9-2并同时停下秒表，读出测量筒中水的体积和秒表时间，并记录不同水头、粗糙 度、缝宽的实验数据；
[0044] 5)当同一粗糙度的平行板在同一水头和不同缝宽下的实验数据测量完毕，再继续 通过调节挡水板5位置改变水头，重复进入步骤1 )，当测试N组不同的水头条件后，N为正整 数，此例中N为3,进入步骤6);
[0045] 6)更换不同粗糙度的平行板8-6,重复步骤1)至5)，记录不同水头、粗糙度、缝宽的 实验数据，直至完成预定组数不同粗糙度条件的实验后，关闭水阀，结束实验，研究分析岩 石裂隙的渗流规律。
【主权项】
1. 基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统，其特征在于，包括水头装置（1)、实验主体装 置(2)和循环装置(3)，水头装置（1)包括上水箱(4)，上水箱(4)内设有可调挡水板(5)，可调 挡水板(5)用于将上水箱内的水分割开来，上水箱底板上还设有输水孔及排水孔，输水孔设 置于多孔消能盒(6)内，所述输水孔与排水孔分别设置在可调挡水板(5)两侧，可调挡水板 (5)包括上板及下板，所述上板侧壁与下板侧壁相贴合，上板能够相对于下板而滑动， 实验主体装置(2)包括连通管（7)、空心流道及测量筒（10);连通管(7)的两端分别与上 水箱(4)及空心流道相连通，空心流道包括示踪粒子漏斗（8-1)、可卸玻璃盖(8-3)、防水绝 缘垫板(8-4)、空心垫台（8-5)、平行板(8-6)、进水管(8-7)和出水管(8-8)，平行板(8-6)设 置于空心流道内部，所述平行板(8-6)为利用3D打印技术打印制得，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间设有裂缝，空心垫台（8- 5) 位于平行板(8-6)第一部分的上方，可卸玻璃盖(8-3)位于空心垫台（8-5)上方，防水绝缘 垫板为"回"字形，与可卸玻璃盖(8-3)的四周边侧相匹配，空心流道四周侧板顶部设有放置 防水绝缘垫板的槽体，通过在可卸玻璃盖(8-3)与空心流道侧板上方之间增减防水绝缘垫 板(8-4)的数量来调节平行板(8-6)的缝宽，示踪粒子漏斗(8-1)的下部穿过可卸玻璃盖(8-3)延伸到空心流道内部，其底端高于进水管(8-7)，示踪粒子漏斗(8-1)于水平方向的投影 位于平行板(8-6)与进水管(8-7)之间，进水管（8-7)与连通管（7)相连，空心流道的出水管 (8-8)延伸到测量筒（10)上方， 循环装置(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)的两端分别与测量筒（10)及下水箱（12)相连，下水箱（12)通过溢流管（15)与上水箱 (4)的排水孔连接，下水箱（12)内设有水栗（13)，水栗（13)通过供水管（14)与上水箱(4)的 输水孔相连，还包括分别设置于连通管(7 )、出水管(8-8 )、回水管（11 )、溢流管（15 )、供水管 (14) 及示踪粒子漏斗(8-1)上的阀门（9-1，9-2，9-3，9-4，9-5，9-6)。2. 如权利要求1所述的基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统，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维数随机生成的两个粗糙面组成的。3. 如权利要求2所述的基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统，其特征在于，所述空心流 道为长方形空心流道(8)，所述每一个防水绝缘垫板(8-4)的厚度为0.5_。4. 如权利要求2所述的基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统，其特征在于，示踪粒子漏 斗(8-1)还包括用于测量的PIV同步仪器。5. 如权利要求1所述的基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统，其特征在于，所述上水箱 (4)和下水箱（12)的材质为有机玻璃，可调挡水板为可调玻璃板，可卸玻璃盖(8-3)为有机 玻璃长方形盖，连通管(7)、进水管(8-7)、出水管(8-8)、回水管（11)、供水管（14)及溢流管 (15) 均为有机玻璃管。
【文档编号】G01N15/08GK205665145SQ201620527018
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】李兴, 刘丽君, 刘月, 张茹, 高明忠, 张泽天, 李安强, 徐晓炼, 谢晶, 刘倩颖, 查尔晟, 陈泽华, 彭媛
【申请人】四川大学