基于3d打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】基于3D打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)，屬于巖土工程領域。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，上水箱內設有可調擋水板；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，空心流道四周側板頂部設有放置防水絕緣墊板的槽體，平行板為利用3D打印技術打印制得，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，下水箱內設有水泵，水泵通過供水管與上水箱的輸水孔相連。本實用新型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)
技術領域
[0001] 本實用新型屬于巖土工程領域，涉及一種基于3D打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 由于巖體的天然裂隙結構及流體在巖體裂隙中的運動狀態(tài)異常復雜，因此，巖體 裂隙滲流行為的研究一直是巖土、礦業(yè)、地質、石油及天然氣工程高度關注的難點問題。天 然巖體是具有宏觀裂隙和微觀裂隙的結構體。巖體滲流不僅要解決單裂隙滲流的定量描 述，而且還要解決應力作用下裂隙網(wǎng)絡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，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雜裂隙結構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)學者Lomize提出的描述縫隙水滲流的平行板模型為基礎， 基于已有的光滑平行模板模型的立方定律被廣泛應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力關系的模型。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，不能有效調節(jié)裂隙 縫寬、粗糙度、分形維數(shù)、水位的水流等。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打印技術的飛速發(fā)展，3D打印技術被廣泛應用于各行各業(yè)。現(xiàn)有的3D 打印技術在巖土工程中的應用，給我們提供了將該技術運用到進行裂隙滲流實驗中的啟 示?？紤]設計一種基于3D打印的平行裂隙滲流實驗系統(tǒng)，以便克服現(xiàn)有的實驗設備不能調 節(jié)裂隙縫寬、粗糙度等缺點。 【實用新型內容】
[0005] 本實用新型所要解決的技術問題是為了克服現(xiàn)有技術中的實驗設備不能調節(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)。
[0006] 本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是: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，上水箱內設有可 調擋水板，可調擋水板用于將上水箱內的水分割開來，上水箱底板上還設有輸水孔及排水 孔，輸水孔設置于多孔消能盒內，所述排水孔與輸水孔分別設置在可調擋水板兩側，可調擋 水板包括上板及下板，所述上板側壁與下板側壁相貼合，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 四周邊側相匹配，空心流道四周側板頂部設有放置防水絕緣墊板的槽體，通過在可卸玻璃 蓋與空心流道側板上方之間增減防水絕緣墊板的數(shù)量來調節(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，下水箱內設有水栗，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 0.5_。進一步的，示蹤粒子漏斗還包括用于測量的PIV同步儀器。
[0011] 具體的，所述上水箱和下水箱的材質為有機玻璃，可調擋水板為可調玻璃板，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。
[0012] 本實用新型的有益效果是：結構簡單，使用方便，易于調節(jié)控制水頭裝置調節(jié)水 位，便于更換實驗材料及平行板，能通過3D打印技術較準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。本實用新型適用于滲流特征差異性研究。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本實用新型使用時的系統(tǒng)結構示意圖；
[0014] 圖2是本實用新型的長方形空心流道的系統(tǒng)結構示意圖；
[0015] 圖3是本實用新型的長方形空心流道的俯視圖；
[0016] 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】
[0017] 下面結合附圖，詳細描述本實用新型的技術方案。
[0018] 如圖1所示是本實用新型的實驗系統(tǒng)設置在桌面上使用時的結構示意圖?；?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內設有可調擋水板5，上水箱底板上還設有輸水孔及排水孔，輸水孔設 置于多孔消能盒6內，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置在可調擋水板5兩側，可 調擋水板5垂直設置于上水箱中，其底部與上水箱4的底板相連，可調擋水板的長邊與上水 箱的寬度相等，且可調擋水板與上水箱邊側密封連接，可調擋水板5包括上板及下板，所述 上板側壁與下板側壁相貼合，上板能夠相對于下板而上下滑動，可調擋水板5用于將上水箱 內的水分割開來，其原理類似于木桶原理，用可調擋水板控制水位，調節(jié)水的高度，若水的 高度高于可調擋水板，則流入排水孔所在的一側，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)有技術即可實現(xiàn)，如下板上安裝有導軌槽，上板上安裝有導 軌，導軌可以在導軌槽中滑動，且可以卡接固定在導軌槽中。又或是，下板側壁設有卡接件， 當上板滑動到預定位置后，卡接件固定住上板。
[0019] 實驗主體裝置2包括連通管7、空心流道及測量筒10?？招牧鞯揽梢允侨我庑螤畹?， 由于長方形結構簡單，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設置于長方形空心流道8內部，優(yōu)選的，設 置于長方形空心流道8的中部偏后側，以便于部件布局。所述平行板8-6為利用3D打印技術 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 周邊側相匹配，空心流道四周側板頂部設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 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部偏上，保證長方形空心流道8內的液體能 夠流入測量筒，以免水流濺出，影響實驗結果。
[0020] 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0.5mm，以0.5mm為梯度在0-5mm內改變縫寬。也可以不限定數(shù)目及厚度，根據(jù)具體 的實驗要求選用。
[0021] 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 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內設有水栗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能夠實現(xiàn)水和示蹤粒子的循環(huán)，節(jié)約資源。
[0022] 所述上水箱4和下水箱12的材質為有機玻璃，可調擋水板為可調玻璃板，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。
[0023] 如圖3是本實用新型的長方形空心流道的俯視圖，其上未標示進水管和出水管。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置的 凹槽內，是可拆卸的，通過增減其數(shù)量來改變縫寬?？尚恫Ａw上周邊設有20個螺絲孔，防 水絕緣墊板上相應的位置也設置有螺絲孔。當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。
[0024] 當水頭裝置1和長方形空心流道8設置于實驗桌面上時，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。
[0025] 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。
[0026] 制作上述實驗系統(tǒng)中平行板的方法，包括以下步驟：
[0027] A.使用Weierstrass-Mandelbrot函數(shù)生成不同的分形節(jié)理，建立對應不同粗糙度 巖石裂隙模型的相關函數(shù)，而后將其導入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，并轉換為打印機能識別并打印的STL文件。
[0028]
[0029]
[0030] 其中，b>l，當0<H<1時，ω = bH 或 ω = bD - 2(l<D<2);取 Weierstrass-Mandelbrot函數(shù)的正弦函數(shù)：
[0031] f(t)=AD-2sin(Akt)
[0032] 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)。
[0033] B.采用采用Polyjet?技術的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 Objet30 Prime，材料層的 材質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。
[0034] 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 結構，，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。
[0035] 利用上述實驗系統(tǒng)進行實驗的方法，包括以下步驟：
[0036] 1)調節(jié)水頭
[0037] 首先調節(jié)水頭裝置1中的可調節(jié)玻璃板5到預設位置，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。
[0038] 2)調節(jié)粗糙度
[0039] 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。
[0040] 3)調節(jié)縫寬
[0041] 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，調節(jié)縫寬至 2mm、3mm、4mm、5mm。
[0042] 4)實驗過程
[0043] 調節(jié)好水頭、粗糙度、縫寬三個變量后，打開分別設置于連通管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中水位上升至預定位置如測量筒10高度的三分之二處時，關閉出水管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)；
[0044] 5)當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) 通過調節(jié)擋水板5位置改變水頭，重復進入步驟1 )，當測試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);
[0045] 6)更換不同粗糙度的平行板8-6,重復步驟1)至5)，記錄不同水頭、粗糙度、縫寬的 實驗數(shù)據(jù)，直至完成預定組數(shù)不同粗糙度條件的實驗后，關閉水閥，結束實驗，研究分析巖 石裂隙的滲流規(guī)律。
【主權項】
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)內設有可調擋水板(5)，可調 擋水板(5)用于將上水箱內的水分割開來，上水箱底板上還設有輸水孔及排水孔，輸水孔設 置于多孔消能盒(6)內，所述輸水孔與排水孔分別設置在可調擋水板(5)兩側，可調擋水板 (5)包括上板及下板，所述上板側壁與下板側壁相貼合，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)、空心流道及測量筒（10);連通管(7)的兩端分別與上 水箱(4)及空心流道相連通，空心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)、空心墊臺（8-5)、平行板(8-6)、進水管(8-7)和出水管(8-8)，平行板(8-6)設 置于空心流道內部，所述平行板(8-6)為利用3D打印技術打印制得，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有裂縫，空心墊臺（8- 5) 位于平行板(8-6)第一部分的上方，可卸玻璃蓋(8-3)位于空心墊臺（8-5)上方，防水絕緣 墊板為"回"字形，與可卸玻璃蓋(8-3)的四周邊側相匹配，空心流道四周側板頂部設有放置 防水絕緣墊板的槽體，通過在可卸玻璃蓋(8-3)與空心流道側板上方之間增減防水絕緣墊 板(8-4)的數(shù)量來調節(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)延伸到空心流道內部，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，空心流道的出水管 (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，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)內設有水栗（13)，水栗（13)通過供水管（14)與上水箱(4)的 輸水孔相連，還包括分別設置于連通管(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)。2. 如權利要求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)隨機生成的兩個粗糙面組成的。3. 如權利要求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，所述空心流 道為長方形空心流道(8)，所述每一個防水絕緣墊板(8-4)的厚度為0.5_。4. 如權利要求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)的材質為有機玻璃，可調擋水板為可調玻璃板，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。
【文檔編號】G01N15/08GK205665145SQ201620527018
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月1日
【發(fā)明人】李興, 劉麗君, 劉月, 張茹, 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