CN105158039A - 一种用于裂隙岩体渗流试验仿真裂隙制作方法 - Google Patents

一种用于裂隙岩体渗流试验仿真裂隙制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于裂隙岩体渗流试验仿真裂隙制作方法,包括步骤有绘制裂隙数字化轮廓曲线、构建裂隙三维模型、3D打印制作裂隙板、制作裂隙试件浇筑模具和裂隙试件的浇筑和养护,具体是通过对将岩石结构面节理粗糙度轮廓曲线进行数字化,基于CAD软件绘制裂隙三维模型,采用3D打印技术制作出符合JRC值起伏的裂隙板,然后结合裂隙板制作裂隙试件浇筑模具,用水泥砂浆浇筑成型,在水泥试件养护箱内养护28天制成裂隙试件。有益效果:提供一种易观察、制作简单、试验方便、可便于调节裂隙开度、能够更真实准确的反映岩体裂隙结构面粗糙度的一种岩石粗糙裂隙仿真模拟的制作方法,工序简明、制作工期短、经济高效,并且精度高、适应性佳。

Description

一种用于裂隙岩体渗流试验仿真裂隙制作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种仿真裂隙制作方法,特别是涉及一种用于裂隙岩体渗流试验仿真裂隙制作方法,属于土木工程技术领域。
背景技术
[0002] 随着近年来一系列大型特大型水力水电工程(如小湾水电站、锦屏一级、二级水电站、乌东德水电站)等工程的开工建设,深埋隧洞工程建设引起广泛关注。资料显示这些已建和在建的地下水电隧洞具有鲜明的进度长、埋置深度大、地应力条件复杂、渗压差较大等特点,与此同时,在西部地区修建的公路、铁路隧道工程亦呈现出此种趋势。
[0003] 随着地下开采与工程建设规模的扩大,裂隙岩体渗流破坏灾害成为工程和理论界高度关注的重要问题。据工程事故统计数据发现,我国大部分隧洞突涌水事故、岩体边坡失稳、水电工程大坝失事、煤矿瓦斯泄露事故的发生与岩体的渗透性密切相关。此外,开采地表沉陷、水库蓄水渗透诱发地震、高放射性核废料与污染物的地质封存和CO2地下储存等均涉及岩体裂隙渗流演化、应力-渗流相互作用等问题。因此,研究裂隙岩体的渗流性质对于解决渗流运动引起的重大工程问题具有重要意义。
[0004] 针对深埋岩体裂隙渗流问题,国内外的许多学者进行过大量的研究,已取得了众多的研究成果,但到目前为止尚未有统一标准的定律准则得到验证。目前,对于高渗压渗流的研究工作来讲最常用的研究方法是以下三种,即理论研究、试验研究和数值模拟,其中的试验研究是其他几种研究方法的根本,应用试验的方法,高渗压渗流的真实情况能更好的得到再现,研究具有直观性,研究结果具有可靠性。实际工程中,因为深埋岩体裂隙情况复杂,且由于现实试验条件有限,直接从深埋岩体中取样进行试验难度较大且取样成本很高,因此进行深埋岩体裂隙渗流的试验还是较少,已经开展过的试验裂隙渗流情况的模拟条件与实际还是有一定的差距,如果能够根据岩体岩石结构面分布特性制作满足裂隙粗糙度和裂隙开度要求的裂隙试验试件,必将为试验的开展提供较大的便利,为岩体粗糙裂隙渗流的研究提供强有力的支持。
[0005]目前,在进行岩体裂隙渗流的试验研究中,研究学者采用的试验试件一般都是简化制成,包括采用简单的光滑有机玻璃板模拟裂隙壁面,或者是在光滑玻璃板上粘贴砂粒模拟粗糙裂隙壁面,或者是用钢板、有机玻璃板等通过铣加工成三角形、矩形、梯形、正弦曲线形等起伏形状的裂隙面,或者是通过岩芯取样然后随机劈裂得到的随机裂隙面,这些岩石裂隙面的模拟方法与实际工程差距较大,不足以充分精确反映岩体裂隙结构面特性,所以导致试验模拟结果与实际渗流特性存在差距。
发明内容
[0006] 本发明的主要目的在于,克服现有技术中的不足,提供一种易观察、制作简单、试验方便、可便于调节裂隙开度、能够更真实准确的反映岩体裂隙结构面粗糙度的一种岩石粗糙裂隙仿真模拟的制作方法,所制得的裂隙试件特别适用于裂隙岩体渗流试验,有助于研究粗糙度和裂隙开度对渗流特性的影响,从而更准确地揭示岩体裂隙渗流运动规律。
[0007] 为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案是:
[0008] —种用于裂隙岩体渗流试验仿真裂隙制作方法,包括以下步骤:
[0009] I)绘制裂隙数字化轮廓曲线;
[0010] 将Barton提出的岩石结构面节理粗糙度轮廓曲线作为制作裂隙的起伏度曲线原型,对十条JRC轮廓曲线图按原图尺寸进行依次扫描获得十条曲线图片;
[0011] 将十条曲线图片导入CAD软件中,进行图片放大,在CAD绘图界面中运用多段线画图功能描绘出十条裂隙数字化轮廓曲线,每条裂隙数字化轮廓曲线均由多条直线段组合而成、水平长度均为10cm、精确度均为0.0lmm ;
[0012] 2)构建裂隙三维模型;
[0013] 基于裂隙数字化轮廓曲线,利用CAD软件三维建模功能绘制裂隙三维模型;根据试验槽道流的长宽比的要求,将裂隙数字化轮廓曲线进行长度方向的等比例复制延长、水平方向宽度和垂直方向厚度的放大,获得裂隙尺寸达到长度为L、宽度为W、厚度为H ;
[0014] 在裂隙的轴长方向两侧增设与裂隙等长等厚不同宽的光滑平槽、光滑平槽的宽度为W1,并在裂隙的轴长两端增设与裂隙等宽等厚不同长的水流过渡区、水流过渡区的长度为LI,从而构建长度为L+2L1、宽度为W+2W1、厚度为H的裂隙三维模型;
[0015] 3) 3D打印制作裂隙板;
[0016] 通过3D打印技术完成裂隙板的加工制作,将构建的裂隙三维模型文件转化为STL格式文件,用3D打印软件读取裂隙三维模型的STL格式文件,利用3D打印机进行打印制作成同等模型规格的裂隙板,打印精确度要求0.0lmm ;
[0017] 4)制作裂隙试件浇筑模具;
[0018] 采用PVC管作为模具外形壁,将PVC管从轴向中间一分为二剖开,把裂隙板夹入剖开的PVC管轴向中间,后将PVC管的管身用管夹夹紧固定,并在PVC管中预埋用于安装水压传感器的铜管,铜管垂直于PVC管自管身向管中延伸至裂隙板;
[0019] 基于十条裂隙数字化轮廓曲线相对应的十个不同裂隙板,制作对应的10组裂隙试件浇筑模具;
[0020] 5)裂隙试件的浇筑和养护;
[0021] 将裂隙试件浇筑模具下部用管盖拧紧封死,用水泥砂浆作材料浇筑成型制得水泥试件;再将水泥试件放入恒温箱内进行养护,当养护至强度达到70%时进行拆外模,即将PVC管拆除获得带裂隙板的裂隙试件;后持续养护至28天取出裂隙板制得裂隙试件,对裂隙试件用砂纸打磨毛边,完成用于裂隙岩体渗流试验的裂隙试件制作。
[0022] 本发明进一步设置为:所述光滑平槽用于裂隙岩体渗流试验进行橡胶垫片填充将裂隙密封,裂隙岩体渗流试验可通过更换不同厚度的橡胶垫片实现裂隙开度调节。
[0023] 本发明进一步设置为:所述步骤2)根据试验槽道流的长宽比多10的要求,将裂隙数字化轮廓曲线等比例复制延长两倍、达到水平长度为L = 30cm,并将裂隙数字化轮廓曲线设置成水平方向宽度为W = 80cm、垂直方向厚度为H = 3mm,将光滑平槽的宽度设置为Wl=15mm、水流过渡区的长度设置为LI = 25mm,从而形成裂隙三维模型的尺寸长度为35cm、宽度为11cm、厚度为3mm。
[0024] 本发明进一步设置为:所述步骤3)中3D打印软件为Model Wizard软件。
[0025] 本发明进一步设置为:所述步骤4)中PVC管采用外直径为ΦΙΙΟπιπι、壁厚为3.2mmο
[0026] 本发明进一步设置为:所述步骤4)中管夹依次分布在PVC管的上部、中部和下部,铜管垂直贯穿过管夹所设插口后垂直插入PVC管延伸至裂隙板,位于裂隙板中的铜管末端预留有水压力测压孔。
[0027] 本发明进一步设置为:所述步骤5)中浇筑用的水泥砂浆采用水泥为普通硅酸盐水泥42.5型、砂砾用细砂,水泥与细砂之比为1:2.5,水灰比为28%,高效减水剂添加量为
1.
[0028] 与现有技术相比,本发明具有的有益效果是:
[0029] 1、将Barton提出的十条岩石结构面节理粗糙度(JRC Joint RoughnessCoefficient)轮廓曲线引入作为描述裂隙结构面粗糙程度的描述方法,通过JRC值可以定量描述裂隙结构面粗糙程度,从而克服常规试验中描述裂隙结构面粗糙程度问题面临的局限性。
[0030] 2、基于先进的3D打印技术快速制作粗糙裂隙板,制作工期短,精度高,适应性较好,可克服现有技术中所用试件是利用钢板、有机玻璃板等材料铣切、焊接加工制作而存在的加工过程中能源消耗大、工期时间长、人工消耗大、精度不高等诸多缺点,从而实现快速一体化成型、降低试验成本、提高制作效率、提高试件精度。
[0031] 3、常规进行裂隙高压渗流试验是在高压三轴渗流试验仪上进行的,试验试件加工成标准规格的圆柱形进行试验,但是试验过程中不能调节裂隙的开度,所以无法研究裂隙开度对渗流特性的影响;而本发明克服了这一缺点,可以通过更换不同标准厚度的橡胶垫片达到调节裂隙开度的目的。
[0032] 4、通过对将岩石结构面节理粗糙度轮廓曲线进行数字化,基于CAD软件绘制裂隙三维模型,采用3D打印技术制作出符合JRC值起伏的裂隙板,然后结合裂隙板制作裂隙试件浇筑模具,用水泥砂浆浇筑成型,在水泥试件养护箱内养护28天制成裂隙试件,制作方法操作方便、工序简明、经济而高效,所制得的裂隙试件能够更真实准确的反映岩体裂隙结构面粗糙度。
[0033] 上述内容仅是本发明技术方案的概述,为了更清楚的了解本发明的技术手段,下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
[0034] 图1为Barton岩石结构面节理粗糙度轮廓曲线示意图;
[0035]图2为绘制的裂隙数字化轮廓曲线示意图;
[0036] 图3为构建的裂隙三维模型示意图;
[0037] 图4为3D打印制作的裂隙板示意图;
[0038]图5为裂隙试件浇筑模具的结构示意图;
[0039] 图6为裂隙试件的结构示意图;
[0040] 图7为用于裂隙岩体渗流试验的裂隙试件的结构分解图。
具体实施方式
[0041 ] 下面结合说明书附图,对本发明作进一步的说明。
[0042] 本发明提供一种用于裂隙岩体渗流试验仿真裂隙制作方法,包括以下步骤:
[0043] I)绘制裂隙数字化轮廓曲线;
[0044] 将Barton提出的岩石结构面节理粗糙度轮廓曲线作为制作裂隙的起伏度曲线原型,对十条JRC轮廓曲线图按原图尺寸进行依次扫描获得十条曲线图片,如图1所示。
[0045] 将十条曲线图片导入CAD软件中,进行图片放大,在CAD绘图界面中运用多段线画图功能描绘出十条裂隙数字化轮廓曲线,如图2所示,每条裂隙数字化轮廓曲线均由多条直线段组合而成、水平长度均为10cm、精确度均为0.01_。
[0046] 2)构建裂隙三维模型;
[0047] 基于裂隙数字化轮廓曲线,利用CAD软件三维建模功能绘制如图3所示的裂隙三维模型;根据试验槽道流的长宽比多10的要求,将裂隙数字化轮廓曲线等比例复制延长两倍、达到水平长度为L = 30cm,并将裂隙数字化轮廓曲线放大成水平方向宽度为W = 80cm、垂直方向厚度为H = 3mm。
[0048] 在裂隙I的轴长方向两侧增设与裂隙I等长等厚不同宽的光滑平槽2、光滑平槽2的宽度设置为Wl = 15mm,并在裂隙I的轴长两端增设与裂隙等宽等厚不同长的水流过渡区3、水流过渡区3的长度设置为LI = 25_,从而构建出如图3所示的基于裂隙数字化轮廓曲线JRC = 16〜18的长度为35cm、宽度为Ilcm、厚度为3mm的裂隙三维模型。
[0049] 3) 3D打印制作裂隙板;
[0050] 通过3D打印技术完成裂隙板的加工制作,将构建的裂隙三维模型文件转化为STL格式文件,用3D打印软件Model Wizard软件读取裂隙三维模型的STL格式文件,利用3D打印机进行打印制作成同等模型规格的裂隙板,打印精确度要求0.01_,如图4所示,图中为根据图3的裂隙三维模型3D打印制得的JRC = 16〜18的裂隙板20。
[0051] 4)制作裂隙试件浇筑模具;
[0052] 为了便于水泥试件浇筑成型,必须制作相应的浇筑模具,如图5所示;采用外直径为Φ 110mm、壁厚为3.2mm的PVC管10作为模具外形壁,将PVC管10从轴向中间一分为二剖开,把3D打印制作得到的裂隙板20夹入剖开的PVC管10轴向中间,后将PVC管10的管身在上部、中部和下部均用管夹30夹紧固定,并在PVC管10中预埋用于安装水压传感器的铜管40,铜管40垂直贯穿过管夹30所设插口 31后垂直插入PVC管10、自管身向管中延伸至裂隙板20 ;基于十条裂隙数字化轮廓曲线相对应的十个不同裂隙板,制作对应的10组裂隙试件浇筑模具。
[0053] 5)裂隙试件的浇筑和养护;
[0054] 将裂隙试件浇筑模具下部用管盖拧紧封死,用水泥砂浆作材料浇筑成型制得水泥试件,浇筑用的水泥砂浆采用水泥为普通硅酸盐水泥42.5型、砂砾用细砂,水泥与细砂之比为1:2.5,水灰比为28%,高效减水剂添加量为1.1% ;再将水泥试件放入恒温箱内进行养护,当养护至强度达到70%时进行拆外模,即将PVC管拆除获得带裂隙板的裂隙试件;后持续养护至28天取出裂隙板制得具有仿真裂隙50和预埋有铜管40的裂隙试件60,对裂隙试件60用砂纸打磨毛边,制成如图6所示的用于裂隙岩体渗流试验的裂隙试件60。
[0055] 如图7所示,在裂隙岩体渗流试验中,所用的裂隙试件60包括试件主体61和位于试件主体61内的裂隙主体62,所述裂隙主体62沿试件主体61轴向分布并平分试件主体61 ;所述裂隙主体62包括仿真裂隙621、光面平槽622、橡胶垫片623和水流区624,所述光面平槽622沿仿真裂隙621轴向分布于仿真裂隙621两侧,所述橡胶垫片623填充于光面平槽622将仿真裂隙621两侧密封,所述水流区624分布于仿真裂隙621的轴长两端;在图7中仅示出一片橡胶垫片623,所述橡胶垫片623可通过涂抹玻璃胶后填充入光面平槽622,增加密封性。
[0056] 进行裂隙岩体渗流试验时,可通过更换不同厚度的橡胶垫片623进行仿真裂隙621的开度调节,通过水压传感器将探针装入位于铜管40末端预留的水压力测压孔后延伸入仿真裂隙621进行测量裂隙过流水压。
[0057] 本发明的创新点在于,通过对将岩石结构面节理粗糙度轮廓曲线进行数字化,基于CAD软件绘制裂隙三维模型,采用3D打印技术制作出符合JRC值起伏的裂隙板,然后结合裂隙板制作裂隙试件浇筑模具,用水泥砂浆浇筑成型,在水泥试件养护箱内养护28天制成裂隙试件,从而提供一种易观察、制作简单、试验方便、可便于调节裂隙开度、能够更真实准确的反映岩体裂隙结构面粗糙度的一种岩石粗糙裂隙仿真模拟的制作方法。
[0058] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种用于裂隙岩体渗流试验仿真裂隙制作方法,其特征在于,包括以下步骤: 1)绘制裂隙数字化轮廓曲线; 将Barton提出的岩石结构面节理粗糙度轮廓曲线作为制作裂隙的起伏度曲线原型,对十条JRC轮廓曲线图按原图尺寸进行依次扫描获得十条曲线图片; 将十条曲线图片导入CAD软件中,进行图片放大,在CAD绘图界面中运用多段线画图功能描绘出十条裂隙数字化轮廓曲线,每条裂隙数字化轮廓曲线均由多条直线段组合而成、水平长度均为10cm、精确度均为0.0lmm ; 2)构建裂隙三维模型; 基于裂隙数字化轮廓曲线,利用CAD软件三维建模功能绘制裂隙三维模型;根据试验槽道流的长宽比的要求,将裂隙数字化轮廓曲线进行长度方向的等比例复制延长、水平方向宽度和垂直方向厚度的放大,获得裂隙尺寸达到长度为L、宽度为W、厚度为H ; 在裂隙的轴长方向两侧增设与裂隙等长等厚不同宽的光滑平槽、光滑平槽的宽度为W1,并在裂隙的轴长两端增设与裂隙等宽等厚不同长的水流过渡区、水流过渡区的长度为LI,从而构建长度为L+2L1、宽度为W+2W1、厚度为H的裂隙三维模型; 3) 3D打印制作裂隙板; 通过3D打印技术完成裂隙板的加工制作,将构建的裂隙三维模型文件转化为STL格式文件,用3D打印软件读取裂隙三维模型的STL格式文件,利用3D打印机进行打印制作成同等模型规格的裂隙板,打印精确度要求0.0lmm ; 4)制作裂隙试件浇筑模具; 采用PVC管作为模具外形壁,将PVC管从轴向中间一分为二剖开,把裂隙板夹入剖开的PVC管轴向中间,后将PVC管的管身用管夹夹紧固定,并在PVC管中预埋用于安装水压传感器的铜管,铜管垂直于PVC管自管身向管中延伸至裂隙板; 基于十条裂隙数字化轮廓曲线相对应的十个不同裂隙板,制作对应的10组裂隙试件浇筑模具; 5)裂隙试件的浇筑和养护; 将裂隙试件浇筑模具下部用管盖拧紧封死,用水泥砂浆作材料浇筑成型制得水泥试件;再将水泥试件放入恒温箱内进行养护,当养护至强度达到70%时进行拆外模,即将PVC管拆除获得带裂隙板的裂隙试件;后持续养护至28天取出裂隙板制得裂隙试件,对裂隙试件用砂纸打磨毛边,完成用于裂隙岩体渗流试验的裂隙试件制作。
2.根据权利要求1所述的一种用于裂隙岩体渗流试验仿真裂隙制作方法,其特征在于:所述光滑平槽用于裂隙岩体渗流试验进行橡胶垫片填充将裂隙密封,裂隙岩体渗流试验可通过更换不同厚度的橡胶垫片实现裂隙开度调节。
3.根据权利要求1所述的一种用于裂隙岩体渗流试验仿真裂隙制作方法,其特征在于:所述步骤2)根据试验槽道流的长宽比多10的要求,将裂隙数字化轮廓曲线等比例复制延长两倍、达到水平长度为L = 30cm,并将裂隙数字化轮廓曲线设置成水平方向宽度为W =80cm、垂直方向厚度为H= 3_,将光滑平槽的宽度设置为Wl = 15_、水流过渡区的长度设置为LI = 25mm,从而形成裂隙三维模型的尺寸长度为35cm、宽度为I lcm、厚度为3mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于裂隙岩体渗流试验仿真裂隙制作方法,其特征在于:所述步骤3)中3D打印软件为Model Wizard软件。
5.根据权利要求3所述的一种用于裂隙岩体渗流试验仿真裂隙制作方法,其特征在于:所述步骤4)中PVC管采用外直径为Φ 110_、壁厚为3.2_。
6.根据权利要求1所述的一种用于裂隙岩体渗流试验仿真裂隙制作方法,其特征在于:所述步骤4)中管夹依次分布在PVC管的上部、中部和下部,铜管垂直贯穿过管夹所设插口后垂直插入PVC管延伸至裂隙板,位于裂隙板中的铜管末端预留有水压力测压孔。
7.根据权利要求1所述的一种用于裂隙岩体渗流试验仿真裂隙制作方法,其特征在于:所述步骤5)中浇筑用的水泥砂浆采用水泥为普通硅酸盐水泥42.5型、砂砾用细砂,水泥与细砂之比为1:2.5,水灰比为28%,高效减水剂添加量为1.1%。
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