多重试验工况耦合作用下3D打印分形单裂隙渗流实验系统及实验方法与流程

本发明属于岩土工程领域，涉及一种多重试验工况耦合作用下3d打印分形单裂隙渗流实验系统及实验方法。

背景技术：

自然界中的大部分岩体介质深埋在地下，其赋存环境复杂多变，且存在大量产状不一、性质不同、尺度各异的裂隙，而裂隙岩体渗流特性一直是岩土工程、地质工程、矿业及非常规天然气开采工程等领域高度关注的难点问题。单一粗糙裂隙是组成岩体天然裂隙体结构的基本单元，其渗流规律是裂隙岩体渗流机制描述的基础。在已有的理论方法和技术条件下，想要准确测量和获知岩体介质内部复杂的裂隙结构是非常困难的，并且如何定量表征岩体介质也是一大难题。

岩体裂隙的形态、粗糙度、开度和连通性等均是决定岩体裂隙渗透特性重要因素。岩体裂隙的基本构成单元是单一裂隙，因此研究复杂岩体裂隙网络渗流规律的基础和关键是构建符合实际裂隙特征的单一裂隙渗流模型，并对其渗流特性进行研究。其中，裂隙粗糙度是用来表征裂隙结构面侧壁的粗糙程度的指标，目前已有的裂隙粗糙度的表征方法主要有凸起高度表征法、节理粗糙度系数jrc表征法和分维表征法。然而，较为常用的节理粗糙系数jrc表征法仍是定性的描述方法，只能通过肉眼经验判别，通过对实际节理形貌的对比得到一个jrc的区域值，存在一定的误差，并不能实现定量描述。而相对于该方法，分维表征法通过分形维数d来定量刻画节理粗糙度，能够更客观且准确地表征岩体裂隙粗糙程度。且岩体裂隙具有明显的分形特征，真实单一裂隙体本身可以看成是由上下两个裂隙面叠合而成，故可以用分形维数d来表征岩体裂隙表面的粗糙程度。

然而，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(分形维数是粗糙度的表征量)、压力水头等。因此，亟需一种能够有效改变多个变量来研究平行粗糙裂缝水渗流的实验系统及实验方法。同时，在实验过程中，提高实验系统的环保性和智能性也是当前实验系统的发展趋势。

近年来，3d成型(也称3d打印)技术呈现出持续加速增长的发展趋势，已广泛应用于工业设计制造、汽车、航空航天、医疗事业等领域。3d打印技术采用的是增材制造技术，此技术也可称为快速原型技术或叠加成型技术，是指通过叠加式制造工序，根据计算机数据，利用塑料等其他材料逐层自动打印物品的技术。随着3d打印技术的发展，3d打印技术也被逐步应用于各类实验研究中，它的出现使得快速制作复杂三维固体模型成为现实。基于已生成的数字模型文件，使用金属材料或光敏树脂等材料，在激光快速固化的技术条件下，逐层堆积打印材料，最终形成三维固体模型。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。因此，考虑设计一种基于3d打印的粗糙分形单裂隙渗流实验系统及其实验方法，将3d打印技术运用到岩体单一裂隙物理模型的水渗流实验中，通过3d打印技术创建具有不同粗糙度的分形裂隙模型，探索单一粗糙裂隙分形维数与等效渗透率之间的定量关系，为复杂裂隙体的渗流模型试验研究奠定基础。

技术实现要素：

本发明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简单快速调节粗糙裂隙分形维数、裂隙缝宽和压力水头等的缺点，提供一种环保智能且能够改变多个变量来研究平行裂缝水渗流的多重试验工况耦合作用下3d打印分形单裂隙渗流实验系统及实验方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：多重试验工况耦合作用下3d打印分形单裂隙渗流实验系统，包括水头装置、实验主体装置、电子监测装置和循环装置，水头装置包括储水箱，储水箱侧壁底部连接有水位调节器，储水箱的底部侧壁开设有透水孔，水流通过透水孔进入实验主体装置中；实验主体装置包括空心流道槽，空心流道槽中设置有粗糙单裂隙平行板的3d打印物理模型，粗糙单裂隙平行板的3d打印物理模型包括位于左侧的第一部分和位于右侧的第二部分，第一部分和第二部分之间设有裂缝，空心流道槽底板左右两侧分别设置有用于固定第一部分和第二部分的固定螺孔，通过固定螺钉将第一部分与空心流道槽固定为一个整体，固定螺钉与固定螺孔相适配，第二部分上设置有调节螺孔，调节螺孔大于固定螺孔，调节螺钉穿过调节螺孔将第二部分固定在空心流道槽的固定螺孔中，调节螺钉在调节螺孔中的位置可调，通过调整调节螺钉在调节螺孔中的位置来改变第一部分和第二部分间裂隙的宽度，调节螺钉与调节螺孔及固定螺孔相适配，空心流道槽上设置有可拆卸的玻璃盖板，以实现不同分形维数的粗糙单裂隙平行板的3d打印物理模的替换；循环装置包括集水槽，集水槽两端分别与空心流道槽末端及集水口相连，集水口与水箱相连，还包括与水位调节器另一端相连的集水箱，通过连通管将水箱中的水集中到集水箱中，集水箱通过抽水泵与导水管相连，导水管又与储水箱相连；电子监测装置包括智能调控主机、压力传感片和设置于水箱上方的水位监测器，压力传感片及水位监测器分别与智能调控主机相连，压力传感片设置于透水孔处，用于实时监测渗流水流状态。

进一步的，储水箱侧壁竖直设置有刻度尺，空心流道槽为长方形空心流道槽，第一部分和第二部分均是通过分形函数生成的两个粗糙面组成的，通过改变分形函数的变量分维d获取不同粗糙度的模型。

具体的，连通管上设置有控制阀门，控制阀门与智能调控主机相连，当水位监测器监测到水位达到预设水位时，将信号传输给智能调控主机，智能调控主机触发控制阀门打开，进行相应操作。

进一步的，连通管上设置有控制阀门，智能调控主机还包括报警装置及用于显示渗流水量及渗透水流速度的显示屏，当水位监测器监测到水位达到预设水位时，将信号传输给智能调控主机，智能调控主机触发报警装置发出警报。

具体的，粗糙单裂隙平行板的3d打印物理模型的曲线是基于分形函数编程获得，利用3d打印技术进行构建而成，且不同分形值的模型板具有不同的粗糙度。

优选的，集水槽为锥形收缩集水槽，锥形收缩集水槽的大口端与空心流道槽末端相连，其小口端连接有集水口。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：基于上述系统的多重试验工况耦合作用下3d打印分形单裂隙渗流实验方法，包括以下步骤：

a.选取一定分形维数的粗糙裂隙平行板3d打印物理模型，并控制第一部分和第二部分的缝隙宽度为预设缝隙宽度，安装并固定粗糙裂隙平行板3d打印物理模型，并组建系统的其他装置；

b.调节水头装置，使得储水箱的水位达到预设水位；

c.记录水箱的长度l和宽度b，当粗糙裂隙内水渗流状态趋于稳定时，智能调控主机控制水位监测器监测此刻水箱内的水位为h1，同时开始计时，待测量时间为t后，水位监测器监测此刻水箱内的水位为h2，记录所测实验数据，进而计算出时间t内通过粗糙裂隙的渗流水量为q，q＝l*b*(h2-h1)；

d.重复进入步骤b，当测试n组数据后，n为正整数，进入步骤e；

e.更换不同分形维数的粗糙裂隙平行板3d打印物理模型，并控制第一部分和第二部分的缝隙宽度为另一不同的预设缝隙宽度，重复步骤b至d，记录不同分形维数、缝隙宽度、水头的实验数据，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，基于所得实验数据，并结合相关的渗流实验数据分析方法，分析得到单一粗糙裂隙的渗流特性，以及水头、裂隙粗糙程度和裂隙宽度对裂隙渗流特性的影响。

具体的，步骤b具体为先粗略控制水位调节器控制在预设水位值的高度，然后通过抽水泵从集水箱内由导水管向储水箱中注入水，调节抽水泵动力大小以控制注水流量大小，待储水箱中的水位达到稳定后，再细调水位调节器使得储水箱中的水位达到预设水位。

具体的，步骤c中当粗糙裂隙内水渗流状态趋于稳定的判断标准是压力传感片传送至智能调控主机一定时间内的实测差值在一定阈值范围内。

本发明的有益效果是：结构简单，装置体积小，实验过程中的需水量小，且能够循环利用，节水节能；使用方便，易于操作，实验重复度较高，通过更换粗糙单裂隙平行板的3d打印物理模型，能够更好地模拟天然岩体裂隙的复杂形态，3d打印技术较准确地控制平行板单裂隙的粗糙度和分形维数，能够通过螺钉改变裂缝宽度，能够快速便捷地控制水箱水位，并通过控制水头装置调节水位，从而进行不同分形维数、不同缝宽和不同水头的渗流试验；且利用电子监测装置能够实时且精确地监测数据并显示实验结果，能够精准控制实验操作，便于分析实验数据，提高系统的智能化；同时，基于裂隙渗流规律的相关理论知识对所得实验数据进行处理和分析，实现初步探索单一粗糙裂隙渗流特性与裂隙分维、压力水头与裂隙缝宽之间的关系，揭示粗糙分形裂隙在不同压力水头、不同裂隙缝宽及不同分形维数下的渗流状态与阻流机制，为复杂裂隙体渗流规律研究奠定基础，试验效果好，有效提高了试验效率。本发明适用于粗糙单裂缝渗流实验的研究。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的水头装置与实验主体装置的结构示意图；

图3是本发明的水头装置与实验主体装置的俯视图；

图4是本发明中粗糙单裂隙平行板的3d打印物理模型的一种示例的结构示意图；

其中，1为储水箱，2为水位调节器，3为刻度尺，4为长方形空心流道槽，4-1为粗糙单裂隙平行板的3d打印物理模型，4-1-1为第一部分，4-1-2为第二部分，4-1-3为圆形孔，4-1-4为条形孔，4-2为有机玻璃盖板，5为锥形收缩集水槽，6为集水口，7为智能调控主机，8为压力传感片，9为水位监测器，10为集水箱，11为抽水泵，12为导水管，13为水箱，14为连通管，15为控制阀门，16为底座。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。

如图1-3所示，本发明的实验系统包括水头装置、实验主体装置、电子监测装置和循环装置。水头装置包括储水箱1，储水箱1侧壁竖直设置有刻度尺3以便观测记录水位，储水箱1侧壁底部连接有水位调节器2的一端，基于连通器原理，调控水箱内部的水位值。水位调节器2可以采用普通的透明塑胶圆管，其直径可以灵活选择，考虑到便于实验室操作，优选为10mm。储水箱1的侧壁底部或底部开设有透水孔，水流通过透水孔进入实验主体装置的中空心流道槽。

实验主体装置包括空心流道槽，空心流道槽可以是任意形状的，由于长方形结构简单，也便于粗糙单裂隙平行板3d打印物理模型的安装，故有限选用长方形空心流道4。空心流道槽中设置有粗糙单裂隙平行板的3d打印物理模型4-1，粗糙单裂隙平行板的3d打印物理模型4-1的曲线是基于分形函数编程获得，利用3d打印技术进行构建而成，且不同分形值的模型板具有不同的粗糙度。粗糙单裂隙平行板的3d打印物理模型4-1包括位于左侧的第一部分4-1-1和位于右侧的第二部分4-1-2，第一部分和第二部分之间设有裂缝，第一部分和第二部分均是通过分形函数生成的两个粗糙面组成的，但是不同组粗糙裂隙之间分维不同。将粗糙单裂隙平行板的3d打印物理模型与空心流道槽固定为一个整体，可以有多种固定方法，如将粗糙单裂隙平行板的3d打印物理模型的第一部分及第二部分分别与空心流道槽左右侧壁相固定，或是将粗糙单裂隙平行板的3d打印物理模型的第一部分与空心流道槽底板固定连接，将第二部分与空心流道槽底板活动连接。具体而言，前者的固定方式为空心流道槽左右侧壁分别设置有用于固定第一部分和第二部分的固定螺孔，第一部分和第二部分上也设置有调节螺孔，固定螺孔与调节螺孔相适配，通过螺钉将第一部分和第二部分分别固定在空心流道槽左右侧壁上，并通过调节螺钉来改变第一部分和第二部分间裂隙的宽度。具体而言，可以将第一部分和第二部分中的一个部分设置为固定不可调的，另一部分设置为可以通过调节螺钉固定的位置调节间距，改变粗糙裂隙宽度；也可以同时调节第一部分和第二部分。通过调节螺钉，以此来研究不同粗糙度和裂隙隙宽条件下的粗糙单裂缝的渗流规律；为了增强固定力，空心流道槽左右侧壁的固定螺孔的数目分别与第一部分和第二部分上调节螺孔的数目一一对应。后者的固定方式为：空心流道槽底板左右两侧分别设置有用于固定第一部分和第二部分的固定螺孔，通过固定螺钉将第一部分与空心流道槽固定为一个整体，固定螺钉与固定螺孔相适配，第二部分上设置有调节螺孔,调节螺孔大于固定螺孔，调节螺钉穿过调节螺孔将第二部分固定在空心流道槽的固定螺孔中，调节螺钉在调节螺孔中的位置可调，通过调整调节螺钉在调节螺孔中的位置来改变第一部分和第二部分间裂隙的宽度，调节螺钉与调节螺孔及固定螺孔相适配。例如，固定螺孔为圆形孔4-1-3，调节螺孔为条形孔4-1-4，通过将调节螺钉放置在条形孔的不同位置即可以实现裂隙宽度的调节。

空心流道槽上设置有可拆卸的玻璃盖板，优选为有机玻璃盖板4-2，由于其可拆卸，因此易于实现不同分维值的粗糙单裂隙平行板的3d打印物理模型的替换，当需要更换模型时，直接打开并拆卸下有机玻璃盖板4-2，完成模型更换后，再安装上有机玻璃盖板4-2即可。

循环装置包括锥形收缩集水槽5，锥形收缩集水槽5的大口端与空心流道槽末端相连，锥形收缩段起汇聚渗流水流，其小口端连接有集水口6，便于实验集水，集水口6与水箱13相连，水箱13将通过粗糙裂隙的水流收集起来。水箱13底部或侧壁下方设置有排水口，还包括集水箱10，集水箱10上有入水口，排水口的高度高于入水口，连通管14两端分别与排水口及入水口相连，以便水箱13中的水流入集水箱10；集水箱10还与水位调节器另一端相连，使得实验过程从水位调节器中溢出的水流流入集水箱10内。连通管14上设置有控制阀门15，实验完成后打开控制阀门15将水箱13内的水通过连通管14进入集水箱10中。集水箱10通过抽水泵11与导水管12相连，导水管12又与储水箱1相连，将集水箱10内的水经过抽水泵11给予动力，由导水管12导入储水箱1中，以此实现系统内的水循环。可通过抽水泵11调节抽水动力大小，从而实验对导水管内水流大小的控制。整个系统内的水流可通过水循环装置实现水资源的循环利用，节能环保。

电子监测装置包括智能调控主机7、压力传感片8和设置于水箱13上方的水位监测器9，压力传感片8及水位监测器9分别与智能调控主机7相连，压力传感片8设置于透水孔处，用于实时监测渗流水流状态，水位监测器9由红外线探头构成，用于监测水箱13中的水位。电子测量装置通过电子显示单元与处理计算元件的组合，实现了实验数据的实时显示及精确测量。智能调控主机7还包括报警装置及用于显示渗流水量及渗透水流速度的显示屏，当水位监测器9监测到水位达到预设水位时，将信号传输给智能调控主机7，智能调控主机7触发报警装置发出警报，提醒工作人员打开控制阀门，收集水流，防止水倒流回长方形空心流道槽。或者，控制阀门15与智能调控主机7相连，当水位监测器9监测到水位达到预设水位时，将信号传输给智能调控主机7，智能调控主机7触发控制阀门打开，进行相应操作。

电子监测装置的各部件工作如下：待水位稳定后，通过压力传感片实时反应渗流水流状态，当压力传感片传送至智能调控主机前后一定时间内的实测差值不超过一定阈值时，如5s的实测差值不超过±0.05mpa时，说明粗糙裂隙内水渗流状态趋于稳定，此刻智能调控主机控制水位监测器通过红外线探头实测此刻水箱13内的水位为h1(mm)，同时智能调控主机开始计时，并显示于智能调控主机显示屏时间栏内，待测量时间为t(s)后，水位监测器通过红外线探头实测此刻水箱内的水位为h2(mm)，进而计算出时间t(s)内通过粗糙裂隙的渗流水量为q(mm³)，并显示于智能调控主机显示屏流量栏内。

基于成本及质量考虑，且便于操作人员观察水流及水位，储水箱、水箱、长方形空心流道槽、锥形收缩集水槽、集水管、集水箱、导水管、连通管以及玻璃盖板材料均采用透明有机玻璃材料。

在具体实验中，粗糙单裂隙平行板的3d打印物理模型4-1采用的是可固态的液化光敏树脂材料，尺寸为70mm*200mm*10mm。储水箱1的尺寸为100mm*80mm*300mm，集水箱10的尺寸为200mm*150mm*200mm，水箱13的尺寸为100mm*100mm*150mm。

为了保护实验系统，在其下方还设置有底座16。

该系统能够基于控制变量法，研究不同变量的改变对粗糙单裂缝渗流特性的影响。能够改变粗糙裂隙的分维值、调节裂隙宽度和压力水头，可应用于粗糙单裂缝渗流实验的研究。

本发明基于上述实验系统可以开展不同水头、裂隙宽度和粗糙度的单一粗糙裂隙的渗流实验，具体实验过程分为三个部分：单一粗糙裂隙模型构建、单一粗糙裂隙渗流实验的开展、渗流实验的数据处理及分析。

1.单一粗糙裂隙模型构建

a.使用分形函数weierstrass-mandelbrot函数，结合matlab编程软件，生成不同的粗糙度的分形曲线，并基于此曲线利用catia软件构建单一粗糙裂隙的3d打印模型；将该模型以stl文件的格式导入object30pro3d打印设备中，得到单一粗糙裂隙的3d打印。

根据feder和mandelbrot提出的weierstrass函数的一种表达形式：

式中为任意相角；参数b是大于1的实数，反映曲线偏离直线的程度；分形维数d∈(1,2)。取函数w(t)的实部作为分形控制函数得到c(t)：

函数c(t)是一个处处连续、不可微、维数为d的分形曲线。

分形函数能够成功实现通过改变分形维数d构造不同粗糙度的分形曲线，从而获取不同粗糙度的3d打印分形单裂隙平行板模型。3d打印技术能够成功快速制作高精度三维固体模型。通过对分形函数变量d的改变，实现不同粗糙度裂隙物理模型的构建。在粗糙单裂隙平行板3d打印物理模型上开设螺孔，通过调节螺钉固定的位置，改变粗糙裂隙宽度，以此来研究不同粗糙度和裂隙隙宽条件下的粗糙单裂缝的渗流规律。

2.单一粗糙裂隙渗流实验的开展：

(1)完成实验装置的构建

分别选取分形维数为1.0、1.2、1.4、1.6和1.8五组粗糙裂隙平行板3d打印物理模型，并控制粗糙裂隙平行板3d打印物理模型第一部分和第二的缝隙宽度分别为2mm、4mm、6mm和8mm，将其固定安装于长方形空心流道中，并用螺丝拧紧，完成实验装置的构建。可以根据实验要求，设置不同组数的物理模型或缝隙宽度。

(2)调节水头

基于连通器原理，先粗略控制水位调节器控制在设定水位值的高度，然后通过抽水泵从集水箱内由导水管向储水箱中注入水，调节抽水泵动力大小以此控制注水流量大小，待储水箱中的水位达到稳定后，再细调水位调节器使储水箱中的水位达到设定水位值。如此可以改变压力水头。

(3)开展实验操作

完成水头水位调节后，打开电子监测装置，打开菜单栏，输入水箱的平面尺寸，即水箱的长l(mm)和宽b(mm)。当压力传感片传送至智能调控主机前后5s内的实测差值不超过±0.05mpa时，说明粗糙裂隙内水渗流状态趋于稳定，此刻智能调控主机控制水位监测器通过红外线探头实测此刻水箱内的水位为h1(mm)，同时智能调控主机开始计时，并显示于智能调控主机屏幕时间栏内，待测量时间为t(s)后，水位监测器通过红外线探头实测此刻水箱内的水位为h2(mm)，进而计算出时间t(s)内通过粗糙裂隙的渗流水量为q(mm³)，并显示于智能调控主机屏幕流量栏内，至此实验数据测量完毕。随后记录所测实验数据，关闭抽水泵，打开控制阀门使水经连通管回流至集水箱内。重复以上实验操作，得到5组实验分析所需数据，5组数据的水头条件不同。其中，智能调控主机计算渗流水流q的原理为：

q＝l×b×(h2-h1)

式中，l为水箱长度(mm)，b为水箱宽度(mm)，h1为开始收集渗流流量时水箱初始水位(mm)，h2为t(s)后结束渗流流量收集时水箱实测水位(mm)。

3.渗流实验的数据处理及分析：

基于所得实验数据，并结合相关的渗流实验数据分析方法，分析得到单一粗糙裂隙的渗流特性，以及水头、裂隙粗糙程度和裂隙宽度对裂隙渗流特性的影响。

如此设计,水头、裂隙宽度和裂隙粗糙程度均是可变的，即体现了多重工况的耦合作用。