分形裂隙面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，涉及一种基于3D打印技术能实现多重试验工况耦合作用的分形裂隙面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和力学特性相互作用，共同影响着岩土工程、地质工程、矿业及非常规天然气开采工程的稳定性。岩体裂隙的基本构成单元是单裂隙，长期以来，研究人员采用光滑构形、规则粗糙构形以及非规则粗糙构形等多种类型一维单裂隙开展了粗糙裂隙的渗流试验，对粗糙裂隙渗流的非线性特征、特征隙宽表征等方面有诸多认识。但是在实际工程中，单裂隙渗流并不是一维状态而是复杂的二维状态，渗流路径展开的本质是裂隙面渗流。真实裂隙面是凹凸不平的，这与传统的光滑平板流体模型具有较大差异，然而，目前对于真实裂隙面的渗流特征知之甚少。一维单一裂隙，可以视为二维裂隙面与某一方向截面所产生的裂隙迹线，真实裂隙面的宏观渗流路径却并非规则地沿着某一截面进行，而是与裂隙面形貌特征分布密切相关，异常复杂。针对真实裂隙面渗流，如何将有效影响因素概化为数学指标对传统渗流模型进行理论修正是目前亟待解决的问题。

在非常规天然气开采工程中，既定增透措施下岩体宏观破裂的模型往往可以概化为典型张拉破裂和剪切破裂，而不同破坏模式下破裂面的形貌特征存在明显差异。对于真实裂隙面的形貌特征主要有三种描述方法：凸起高度表征法、节理粗糙度系数JRC表征法以及分形表征法。由于分形表征法相较于另外两种方法能够更加准确地定量地描述裂隙面，因此，本技术方案采用分形理论研究真实破坏模式下裂隙面的形貌特征。严格意义上讲，真实裂隙面是具有双维度分形特征：第一，在一定尺度内，裂隙面空间起伏的确表现出统计自相似分形特征，存在一个固定的空间分形维数；第二，不同截面截取裂隙面形成的迹线展布同样表现出统计自相似分形特征，存在一个迹线分形维数，但该迹线分维存在明显各向异性特征。本发明将在传统立方定律的基础上，同时引入以上两种分维，从而初步探索适用于分形裂隙面的渗流模型。此外，既然不同方向截面截取裂隙面形成的迹线分形特征存在差异，那么对于既定的裂隙面是否存在渗流各向异性是值得探究的问题。

近年快速发展起来的3D打印(3D Printing，3DP)技术可以快速便捷地制作出结构复杂的三维实体，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。随着3D打印技术以及打印材料不断地发展和更新，部分学者开始探索性地将3D打印技术引入了部分岩石力学的研究工作中。它的出现实现了快速制作复杂三维固体模型这一技术。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岩体分形裂隙面物理模型的水渗流实验中的启示。

因此，为了填补目前分形裂隙面研究领域的空白，更加准确地揭示裂隙面渗流特征、渗流状态及其各向异性特征，考虑将3D打印技术运用到岩体分形裂隙面物理模型的水渗流实验中，在构建考虑多维度分维的裂隙面渗流模型的基础上，室内尺度下制备了砂岩典型张拉破坏裂隙面和剪切破坏裂隙面，基于大尺度三维激光断面扫描技术获取裂隙面的三维形貌信息，结合3D打印技术构建了典型破坏模式下的裂隙面物理模型，组装形成分形裂隙面渗流试验系统，并且按照相应的试验方法开展不同宏观渗流方向下裂隙面渗流试验。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是为了填补现有技术的空白，弥补对分形裂隙面渗流特征认知的不足，提供一种且能够方便精准研究分形裂隙面渗流特性的分形裂隙面渗流实验系统及实验方法，智能环保，易于操作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：分形裂隙面渗流实验系统，包括储水箱、导水管及水头水箱，导水管的两端分别设置在储水箱与水头水箱中，导水管还与水泵相连，通过水泵将储水箱的水导入到导水管中，水头水箱下方开设有进水孔，进水孔处设置有用于实时监测渗流水流状态的压力传感片，水流通过进水孔进入空心流道槽中，空心流道槽顶端设置有与其相适配的可拆卸盖板，空心流道槽中设置有3D打印的分形裂隙面平行板的物理模型，分形裂隙面平行板的物理模型是基于表面形貌测量仪获得的真实的裂隙面特征，由软件根据上述曲面特征建立三维立体模型，并通过3D打印设备打印而成，通过改变分形裂隙面平行板的物理模型的安装方向来改变该模型的渗流方向；空心流道槽末端连接有集水箱，集水箱中设置有水位监测器，集水箱下部通过连通管与储水箱相连，还包括智能调控装置，压力传感片及水位监测器分别与智能调控装置相连。

进一步的，水头水箱侧壁连接有水位控制器，水头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。

具体的，还包括设置在连通管上的控制阀门，智能调控装置还包括电子显示单元。

进一步的，控制阀门与智能调控装置相连，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装置，智能调控装置触发控制阀门打开，进行相应操作。

优选的，水位监测器为红外线探头式水位检测器，设置于集水箱上方；分形裂隙面物理模型与盖板及空心流道槽的连接处均匀设置有玻璃胶层。

优选的，还包括设置于空心流道槽与集水箱之间的集水槽，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，其小口端与集水箱相连。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：基于上述系统的分形裂隙面渗流实验系统的实验方法，包括以下步骤：

A.选取一定裂隙粗糙程度、裂隙缝宽的3D打印的分形裂隙面平行板的物理模型，按照要求安装并固定该模型，并组建系统的其他装置；

B.根据所需的水头条件，通过水泵及水位控制器调节水头水箱的水位达到预设水位；

C.记录集水箱的长度L和宽度B，当裂隙面内水渗流状态趋于稳定时，智能调控装置控制水位监测器监测此刻集水箱内的水位为h₁，同时开始计时，待测量时间为t后，水位监测器监测此刻集水箱内的水位为h₂，记录所测实验数据，进而计算出时间t内通过裂隙面的渗流水量为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.调整工况，重新设置压力水头，重复步骤B至D，记录不同工况的试验数据，直至完成预定组数的实验后，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，分析得到分形裂隙面的渗流特性，以及不同水头、裂隙缝宽和裂隙粗糙程度对分形裂隙面渗流特性的影响。

具体的，步骤A中的分形裂隙面平行板的物理模型获取步骤如下：

A1.从岩块上取样，利用测试系统开展张拉和/或剪切破坏断裂试验，获取破坏裂隙面，利用表面形貌测量仪对该裂隙面进行扫描，获取破坏裂隙面的形貌信息；

A2.将上述形貌信息输入CATIA软件进行裂隙面数值模型拼接、重构与截取，导出含有上下镶嵌形式的裂隙面实体模型的stl格式文件，利用Object 3D Pro打印平台进行3D打印，完成裂隙面物理模型的构建。

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，然后通过水泵从储水箱内由导水管向水头水箱中注入水，待水头水箱中的水位达到稳定后，再细调水位调节器使得水头水箱中的水位达到预设水位。

优选的，步骤C中当分形裂隙面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装置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：结构简单轻便，体积小，实验过程中的需水量小，且能够循环利用，节约水资源；实验操作简单便捷，重复度较高，能够快速便捷地控制水箱水位，可通过更换实验模型板，实现不同粗糙度裂隙渗流实验的操作，同时可以通过旋转裂隙面的方向来改变裂隙面内渗流的方向，此外，通过智能调控装置、压力传感片及水位监测器能够实时且精确地显示实验结果，精确控制实验操作过程，便于统计分析实验数据，提高系统的智能化；通过分形函数和3D打印技术构造高精确度的分形裂隙面平行板的物理模型，能够更好地模拟天然岩体裂隙的复杂形态，能够更好地模拟天然岩体裂隙的复杂形态；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，实现初步探索裂隙面的渗流特性，为复杂裂隙体渗流规律研究奠定基础。本发明适用于交叉裂隙面渗流实验的研究。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视图；

图3是本发明中分形裂隙面物理模型的一种示例的结构示意图；

图4是本发明中裂隙面渗流试验方案；

其中，1为储水箱，2为导水管，3为水头水箱，4为长方形空心流道槽，5为分形裂隙面平行板的物理模型，6为集水槽，7为底板，8为集水箱，9为水位监测器，10为水泵，11为压力传感片，12为盖板，13为支脚，14为连通管，15为控制阀门，16为水位控制器，17为刻度尺，18为智能调控装置。

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1-2所示，本发明的实验系统包括储水箱1、导水管2及水头水箱3，导水管2的两端分别设置在储水箱1与水头水箱3中，导水管2还与水泵10相连，通过水泵10将储水箱1的水导入到导水管2中，继而由导水管2进入到水头水箱3中，以便控制水头；为了能够更加有效控制水头条件，还可以在水头水箱3侧壁底部连接有水位控制器16，基于连通器原理，调控水头水箱3内部的水位值，水位控制器16的另一端延伸到储水箱1中，能够将需要排出的水导入到储水箱中，有效节约水资源，增强系统的环保性。水头水箱3侧壁竖直设置有刻度尺17，方便读取水头水箱内的水位值。水位控制器16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。

水头水箱3下方侧壁开设有进水孔，实现透水的目的，进水孔处设置有用于实时监测渗流水流状态的压力传感片11。水流通过进水孔进入空心流道槽中，空心流道槽可以是任意形状的，由于长方形结构简单，也便于安装3D打印的分形裂隙面平行板的物理模型5，故有限选用长方形空心流道槽4，相应的，进水孔优选为条形孔。长方形空心流道槽顶端设置有与其相适配的可拆卸盖板12，长方形空心流道槽中设置有3D打印的分形裂隙面平行板的物理模型5，如图3所示，分形裂隙面平行板的物理模型5的曲面是利用表面形貌测量仪如大尺度三维激光扫描仪获取张拉或剪切裂隙面形貌特征，由软件根据上述曲面特征建立三维立体模型，利用3D打印技术打印而成，不同裂隙面的模型板具有不同的多维度分形特征，而且裂隙面截面迹线分形特征仍存在明显的各向异性。具体是该技术方案从实际工程中典型张拉破坏与剪切破坏出发，开展室内尺度下典型张拉裂隙破坏试验与剪切破坏试验，从而获取典型破坏裂隙面，通过对岩石裂隙面进行大尺度激光扫描获取了裂隙面的形貌信息，将该信息的数据点导入CATIA软件进行裂隙面数值模型拼接、重构与截取，导出含有上下镶嵌形式的裂隙面实体模型stl格式文件，利用Object 3D Pro打印平台进行3D打印，从而构建典型张拉裂隙面和剪切裂隙面的物理模型。此外，表面形貌测量仪还包括使用电镜扫描仪(SEM)、原子力显微镜(AFM)、机械触针轮廓测量仪(MSP)以及非接触式激光扫描仪(LPM)等能够获得的真实的裂隙面特征的仪器。

空心流道槽末端连接有集水箱8，为了提高集水能力，在长方形空心流道槽与集水箱8之间设置集水槽，优选为锥形收缩集水槽，锥形收缩段起汇聚渗流水流，锥形收缩集水槽的大口端与长方形空心流道槽末端相连，其小口端与集水箱8相连，集水箱8将通过粗糙裂隙的水流收集起来，在集水箱8上方设置有水位监测器9，水位监测器可以选用红外线探头式水位检测器，用于监测集水箱8中的水位；集水箱8下部通过连通管14与储水箱1相连，此处的下部可以设置在集水箱9底板，也可以在侧壁下方。实验完成后打开控制阀门15将集水箱8内的水通过连通管14进入储水箱1中，同时实验过程从水位控制器中溢出的水流流入储水箱1内，再将储水箱1内的水经过水泵10给予动力，由导水管2导入水头水箱3中，以此实现系统内的水循环，节能环保。还能够通过水泵调节抽水动力大小，实现对导水管内水流大小的控制。

还设置有智能调控装置18，压力传感片11及水位监测器9分别与智能调控装置18相连，通过智能调控装置如电脑可以简洁、快速、精准控制实验水头。智能调控装置18还包括用于显示渗流水量及渗透水流速度的显示屏，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。此外智能调控装置18还可以包括报警装置，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装置，智能调控装置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，防止水倒流回空心流道槽。为了有效进行试验并收集水流，在连通管14上设置控制阀门15.控制阀门15可以为手动阀门，操作人员观察到集水箱中的水达到一定量后，手动打开控制阀门，此外，为了增强整个系统的智能性，设置控制阀门15与智能调控装置18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装置18，智能调控装置18触发控制阀门15打开，进行相应操作。

整个系统的智能调控装置、压力传感片及水位监测器的工作如下：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装置前后一定时间内的实测差值不超过一定阈值时，如5s内的实测差值不超过±0.05Mpa时，说明裂隙内水渗流状态趋于稳定，此刻智能调控装置控制水位监测器通过红外线探头实测此刻集水箱8内的水位为h₁(mm)，同时智能调控装置开始计时，并显示于智能调控装置的显示屏时间栏内，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集水箱内的水位为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)，并显示于智能调控装置显示屏流量栏内。

空心流道槽上设置有可拆卸的盖板12，能够有效保持槽体内水流环境，优选为有机玻璃盖板，由于其可拆卸，因此易于实现不同的3D打印的分形裂隙面平行板的物理模型的替换，当需要更换模型时，直接打开并拆卸下盖板，完成模型更换后，再安装上盖板即可。盖板可通过螺钉穿过其表面四周的盖板螺孔将其固定在流道槽螺孔上。

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、水头水箱、空心流道槽、集水槽、集水箱、导水管、连通管以及盖板材料均采用透明有机玻璃材料。

为了提高密封性，保证渗流结果的精确性，在分形裂隙面平行板的物理模型5与盖板12、长方形空心流道槽4接触处均需要均匀涂抹玻璃胶。

在具体实验中，3D打印的分形交叉裂隙平行板物理模型采用的是可固态的液化光敏树脂材料。储水箱1的尺寸为100mm*100mm*200mm，水头水箱3的尺寸为100mm*100mm*300mm，集水箱8的尺寸为集水箱9的尺寸为100mm*100mm*100mm。

在空心流道槽及集水槽底部可以设置有底板7，易于移动和保护实验设备。为了保护实验系统及便于移动，在其下方还设置有支脚13，支脚底部还可以加装移动滑轮。

本发明基于上述实验系统可以开展不同水头、裂隙缝宽和粗糙程度的分形裂隙面的渗流实验，裂隙粗糙程度是由分形维数表征的。

具体实验过程分为三个部分：分形裂隙面的获取、分形裂隙面模型的构建、分形裂隙面渗流的实验步骤、渗流实验的数据处理及分析。

1.分形裂隙面的获取：

研究真实裂隙面渗流特征与规律的先决条件是获取真实裂隙面，该技术方案从实际工程中典型张拉破坏与剪切破坏出发，开展室内尺度下典型张拉裂隙破坏试验与剪切破坏试验，从而获取典型破坏裂隙面，并基于岩石裂隙面大尺度激光扫描仪进行扫描，获取了破坏裂隙面的形貌信息。

本例中具体如下：首先利用大尺寸方形试样，然后基于MTS815测试系统，开展对称三点弯加载下的张拉破坏断裂试验，获得真实的张拉破坏裂隙面；或者利用大尺寸方形试件，基于MTS大尺寸直剪仪开展了大尺寸压剪试验，可获得真实的剪切破坏裂隙面。而后，利用大尺度三维激光扫描仪开展典型张拉或剪切破坏裂隙面形貌测试，可获取张拉或剪切裂隙面形貌特征。该扫描仪主要包括可移动平台、激光发射器、外置的控制系统和激光电源，其实现精准测量的关键部件为X-Y平面移动平台和激光位移计。通过计算机操作自动控制平台沿X轴方向移动，不连续面的表面凹凸形状通过激光变位计转换成光信号，再经模拟转换器转换为电信号，由应变仪以数值形式存入计算机中。本例中设置设备量程为150mm，测试的最小间距为0.1mm，扫描获得的裂隙面表面形貌数据以二进制ASC文件输出。该数据可用设备自带的岩石3D扫描数据处理软件实现数据的预处理和模型重构，实现3D数据显示与控制、杂点噪声剔除，最终可以获得以扫描点行程方向和竖直方向坐标(x,y)和扫描点高度(z)为坐标形式的形貌数据。

此外，也可以使用电镜扫描、原子力显微镜、机械触针轮廓测量、非接触式激光扫描仪等设备进行扫描操作。

2.分形裂隙面模型的构建：

结合大尺度激光扫描仪获取的裂隙面形貌信息数据点，导入CATIA软件进行裂隙面数值模型拼接、重构与截取，导出含有上下镶嵌形式的裂隙面实体模型stl格式文件，利用Object3D Pro打印平台进行3D打印，从而构建典型张拉裂隙面和剪切裂隙面的物理模型。本例中构建的该3D模型的尺寸为120mm×120mm×30mm，此外，3D模型尺寸可以根据试验目的和要求进行调整。在建立模型时，就可以选取不同的裂隙粗糙程度、裂隙缝宽参数，然后再利用CATIA软件构建三维立体模型。

3.分形裂隙面渗流的实验步骤：

如图4所示，渗流试验沿裂隙面的4个宏观渗流方向进行。当宏观渗流方向由AB端流向DC端时，记作ABCD工况；当宏观渗流方向顺时针旋转90°，宏观渗流方向由DA端流向CB端时，记作DABC工况；宏观渗流方向顺时针旋转180°，宏观渗流方向由DC端流向AB端时，记作DCBA工况；当宏观渗流方向顺时针旋转270°，宏观渗流方向由CB端流向DA端时，记作CBAD工况。以上4种工况即为长方形裂隙面模型的典型渗流方向。ABCD工况与DCBA工况或者DABC工况与CBAD工况本质为同一宏观渗流路径，但其渗流路径相反。渗流路径的长度、是否相等都可以根据不同试验进行调整，而为了简化试验，本例中选择最简单的方案，即设置分形裂隙面平行板的物理模型的长宽尺寸相等，以便保证宏观渗流路径的直线长度一致。

(1)分形裂隙面模型的构建

包括以下步骤：a.清洗盖板、长方形空心流道槽、集水箱以及分形裂隙面平行板的物理模型；b.确定分形裂隙面平行板的物理模型的入口端，用试验纸标签工况代码；c.在分形裂隙面平行板的物理模型5的上半部分的上表面和下半部分的下表面均匀涂抹玻璃胶，将其分别紧密按压贴合在盖板12的下表面与长方形空心流道槽4的上表面；d.待玻璃胶固化5min后，组合分形裂隙面平行板的物理模型5的上半部分和下半部分；e.待玻璃胶固化24h之后，准备开展裂隙面渗流试验。而后，组建系统的其他装置。

(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，待水箱中的水位达到稳定后，再细调水位调节器使水箱中的水位达到设定水位值。

(3)开展实验操作

包括以下步骤：a.待水头稳定一定时间如5min后，在按下秒表计时器的同时，记录集水箱中的水位；b.在达到设定时间后，终止试验，读取并记录时间与流量数据；c.重复试验3-5次，直至流量测量值基本稳定；d.将水箱水头调至下一试验工况，重新设置压力水头，重复步骤a到c，最终完成试验。

例如，可以采用以下操作：设置压力水头，完成水头水位调节后，打开电子监测装置，打开菜单栏，输入集水箱的平面尺寸，即集水箱的长L(mm)和宽B(mm)。当压力传感片传送至智能调控装置前后5s内的实测差值不超过±0.05Mpa时，说明粗糙裂隙面内水渗流状态趋于稳定，此刻智能调控装置控制水位监测器通过红外线探头实测此刻集水箱内的水位为h₁(mm)，同时智能调控装置开始计时，并显示于智能调控装置屏幕时间栏内，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集水箱内的水位为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)，并显示于智能调控装置屏幕流量栏内，至此实验数据测量完毕。随后记录所测实验数据，关闭水泵，打开控制阀门使水经连通管回流至储水箱内。重复以上实验操作，得到5组实验分析所需数据，由于本例中是为了研究渗透方向对渗流的影响，所以这五组实验数据是在同一个水头条件下的，此外，也可以根据不同的试验要求变化水头条件。其中，智能调控装置计算渗流水流Q的原理为：

Q＝L×B×(h₂-h₁)

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

调整工况，重新设置压力水头，重复上述操作，得到不同工况的试验数据，关闭水阀。

4.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，分析得到分形裂隙面的渗流特性，以及不同水头、裂隙粗糙程度和裂隙宽度对分形裂隙面渗流特性的影响。