CN109444020A - 一种基于3d打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备及观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于3D打印技术的岩体裂隙网络渗流微观特征观测设备，首先采用透明树脂材料经3D打印得到实验所需试样。伺服电机控制器、流量计、电磁阀均与控制主板通过电路连接，构成伺服回路。该伺服回路根据流量计读数，由控制主板控制相应电磁阀的开启与关闭，从而选取量程合适的流量计来显示流量，同时由控制主板对流量计的数据进行采集；当流量计所示流量未达到要求时，由控制主板向伺服电机控制器发送信号，伺服电机控制器控制伺服电机改变抽水泵的转速，增加或减少其供水量，使流量达到实验要求。控制主板在实验过程中自动采集压差、流量等数据，并采用PIV粒子成像测速及核磁共振技术来观测和记录渗流在岩体裂隙网络中运动的微观特征。
Description
技术领域
本发明涉及岩体裂隙网络渗流观测的领域，尤其是一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备。
背景技术
岩体裂隙渗流对于岩土工程有着十分重要的影响，主要表现为渗流对岩体的物理、化学以及力学性质的影响。因此，观测岩体裂隙网络渗流具有重要意义。目前已有的岩体裂隙渗流实验设备，通常仍使用岩石试件，只能够测量岩体裂隙网络的渗透系数，不能直观地观测渗流在岩体裂隙中的流动，无法从微观角度分析岩体裂隙渗流特征。
本发明提出了一种岩体裂隙网络渗流微观特征观测设备，该设备能够在试验中自动采集流量与压差数据，还可以得到岩体裂隙网络中流速分布的图像。本设备可以精确控制试验过程，并具有可视化、自动化的优点。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于3D打印技术的岩体裂隙网络渗流微观特征观测设备，以此来实现岩体裂隙网络中渗流微观特征的可视化并精确测量岩体裂隙渗透系数的目的。
技术方案：为解决上述技术问题，首先由统计规律得到随机裂隙网络的计算方法，根据此方法生成试样的随机裂隙，并采用透明树脂材料经3D打印得到实验所需试样。伺服电机、伺服电机控制器、流量计、电磁阀均与控制主板通过电路连接，构成伺服回路。该伺服回路是根据流量计读数，由控制主板控制相应电磁阀的开启与关闭，从而选取量程合适的流量计来显示流量，同时由控制主板对流量计的数据进行采集；当流量计所示流量未达到要求时，由控制主板向伺服电机控制器发送信号，伺服电机控制器控制伺服电机改变抽水泵的转速，增加或减少其供水量，使流量达到实验要求。控制主板在实验过程中自动采集压差、流量等数据，并采用PIV粒子成像测速及核磁共振技术来观测和记录渗流在岩体裂隙网络中运动的微观特征。
一种基于3D打印技术的岩体裂隙网络渗流微观特征观测设备，包括供水系统、试样装置、控制主板、流量计、电磁阀、压力传感器、微观测量系统、计算机系统、管道系统；
所述供水系统包括依次连接的储水箱、抽水泵、伺服电机、和伺服电机控制器，所述储水箱内滴加有色墨水；
所述试样装置包括试样支座和放置在试样支座上的透明树脂试样；
所述供水系统通过管道系统连接在透明树脂试样的进水面和出水面，所述管道系统包括管径渐变的管道、一般管道，其中与透明树脂试样连接的一端为管径渐变的管道，与供水系统连接的一端为一般管道，所述一般管道上设有流量计以及用于控制管道开启、关闭的电磁阀，与透明树脂试样进水面和出水面相连接的管径渐变的管道上设有测压口；
所述储水箱上分别设有出水口、进水口和排气口，水流经过出水口流经管道系统从透明树脂试样的进水面流入透明树脂试样，然后经过出水面流经管道系统从进水口流程储水箱；
所述压力传感器设置在与测压口处，用于测量透明树脂试样进水面和出水面两侧的压力；
所述微观测量系统设置在透明树脂试样的外围，用于试样裂隙内部的渗流进行图像采集；
所述控制主板分别连接和控制伺服电机控制器、电磁阀、流量计和压力传感器；
所述控制主板和微观测量系统分别与计算机相连。
进一步的，所述流量计包括三个量程不同的椭圆齿轮流量计，小量程流量计、中量程流量计、大量程流量计，三个流量计通过3个管道直径不同的并联管道连接在一般管道上，相应的，并联管道上设有3个电磁阀。
进一步的，所述管径渐变的管道与透明树脂试样的进水面和出水面连接处分别设有导流板和滤网，并通过橡胶密封垫和螺栓连接。
进一步的，所述微观测量系统包括PIV粒子成像测速系统、核磁共振系统，用于对试样裂隙内部的渗流进行图像采集。
进一步的，所述PIV粒子成像测速系统包括PIV高速相机、激光发射器和激光扩束器，所述PIV高速相机与计算机相连接。
进一步的，有色墨水为蓝色或红色墨水，以便于观测裂隙网络中的微观流动特征。
进一步的，所述透明树脂试样通过如下方式获得，
首先由统计规律得到随机裂隙网络的计算方法，根据此方法生成试样的随机裂隙，并采用透明树脂材料经3D打印得到实验所需透明树脂试样。
进一步的，所述透明树脂试样为立方体，所述管径渐变的管道，管径较小的一端为圆口，较大的一端是与透明树脂试样侧面相匹配的方形口。
本发明还提供一种利用上述技术方案中的观测设备进行岩体裂隙渗流微观特征的观测方法，包括如下步骤：
步骤1、实验试样的制备；
由统计规律得到随机裂隙网络的计算方法，根据此方法生成试样的随机裂隙，并采用透明树脂材料经3D打印得到实验所需试样；
步骤2、实验设备的安装；
首先将供水系统、透明树脂试样通过管道系统连接成一个循环伺服电路通路，然后安装好压力传感器、电磁阀、流量计、控制主板、微观测量系统以及计算机，同时将各部分电路连接完毕；
透明树脂试样在安装时，要在进水面和出水面放置导流板和滤网，然后与两个管径渐变的管道进行连接，连接时，先在试样与该管道的接触面垫上橡胶密封垫，再以螺栓紧固，保证试验中连接处不漏水；
步骤3、设备排气；
先由循环伺服电路控制抽水泵从储水箱抽水，先慢速通水，将设备内部的大部分空气排出，然后打开储水箱上的排气口，待系统中的残余空气排出后关闭排气口；
步骤4、开始试验；
待排气完毕后，通过伺服电机控制器改变抽水泵的供水量，调节实验中的渗流流速，测得透明树脂试样在不同流速下的相关数据，同时用PIV粒子成像测速系统或核磁共振系统对透明树脂试样裂隙内部的渗流进行图像采集；
步骤5、数据后处理；
通过计算机系统对采集到的图像、数据进行处理，求得渗透系数，绘出渗透系数与流速的关系曲线、水力梯度与流速的关系曲线，还可得到试样中裂隙网络内渗流在微观下的流速分布图。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1、采用了管径逐渐增大的管道，保证流速渐变，湍流少、层流多；
2、伺服电机控制器、流量计、电磁阀均与控制主板通过电路连接，构成伺服回路。通过伺服回路控制流量，可控制流量按照正弦波、余弦波等方式进行变化；
3、试件采用透明树脂材料经3D打印而成，在水源箱中滴加蓝色或红色墨水使实验渗流有色，可在宏观上清晰地观察到裂隙中的渗流状况；
4、压力传感器计、流量计、伺服电机控制器均与控制主板连接，可以在实验进行时自动对试件前后的压差、管道中的流量进行数据采集；
5、采用PIV粒子成像测速与核磁共振技术，可经后处理得到岩体裂隙网络的微观渗流特征，如裂隙中渗流的三维流速分布图；
6、整个实验过程自动化程度高，节省人力物力；
7、实现了水的循环利用，大量节约了实验用水。
附图说明
图1是本设备的整体示意图；
图2是本设备的试样装置部分示意图；
图3是PIV粒子成像测速系统部分示意图；
图4为核磁共振系统部分示意图；
图5是实验流程图。
图中：1，供水系统；1-1，伺服电机，1-2，抽水泵，1-3，储水箱，1-4，伺服电机控制器；1-3-1，出水口，1-3-2，进水口，1-3-3，排气口；
2，试样装置，2-1，透明树脂试样，2-2，螺栓，2-3，橡胶密封垫，2-4，测压口，2-5，导流板，2-6，滤网，2-7，试样支座；
3，控制主板；
4，流量计，4-1，小量程流量计，4-2，中量程流量计，4-3，大量程流量计；
5，电磁阀；
6；压力传感器
7，微观测量系统，7-1，PIV粒子成像测速系统，7-1-1，PIV高速相机，7-1-2，激光发射器，7-1-3，激光扩束器，7-2，核磁共振系统，7-2-1核磁共振仪；
8，计算机系统，8-1，计算机，8-2，数据后处理程序；
9，管道系统，9-1，管径渐变的管道，9-2，一般管道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实例进行具体描述：
1、总体
本发明的一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备，由供水系统(1)、试样装置(2)、控制主板(3)、流量计(4)、电磁阀(5)、压力传感器(6)、微观测量系统(7)、计算机系统(8)、管道系统(9)所组成；
所述供水系统(1)主要包括伺服电机(1-1)、抽水泵(1-2)、储水箱(1-3)、伺服电机控制器(1-4)；储水箱(1-3)上分别设有出水口(1-3-1)、进水口(1-3-2)和排气口(1-3-3)；
所述试样装置(2)主要包括透明树脂试样(2-1)、螺栓(2-2)、橡胶密封垫(2-3)、测压口(2-4)、导流板(2-5)、滤网(2-6)、试样支座(2-7)；
所述控制主板(3)主要包括一个集成了压力传感器数据采集，伺服电机控制器(1-4)开闭环控制，电磁阀(5)开关控制，与计算机系统(8)实时通讯、发送试验采集数据等多项功能的集成电路板；
所述流量计(4)主要包括三个量程不同的椭圆齿轮流量计，小量程流量计(4-1)、中量程流量计(4-2)、大量程流量计(4-3)；
所述电磁阀(5)主要包括三个用于控制管道开启、关闭的电磁阀；
所述压力传感器(6)主要包括两个用于测量试件两侧水压的压力传感器；
所述微观测量系统(7)主要包括PIV粒子成像测速系统(7-1)、核磁共振系统(7-2)；
所述计算机系统(8)主要包括计算机(8-1)、数据后处理程序(8-2)；
所述管道系统(9)主要包括管径渐变的管道(9-1)、一般管道(9-2)。
各部分的连接关系如下：
伺服电机(1-1)与抽水泵(1-2)通过轴承、齿轮系统连接，伺服电机(1-1)与伺服电机控制器(1-4)通过导线连接，抽水泵(1-2)与储水箱(1-3)的出水口(1-3-1)通过一般管道(9-2)连接，伺服电机控制器(1-4)、流量计(4)、电磁阀(5)均与控制主板(3)通过电路连接，构成循环伺服电路。该循环伺服电路是根据流量计(4)读数，由控制主板(3)控制相应电磁阀(5)的开启与关闭，从而选取量程合适的流量计(4)来显示流量，同时由控制主板(3)对流量计(4)的数据进行采集；当流量计(4)所示流量未达到要求时，由控制主板(3)向伺服电机控制器(1-4)发送信号，伺服电机控制器(1-4)控制伺服电机(1-1)改变抽水泵(1-2)的转速，增加或减少其供水量，使流量达到实验要求。
管径渐变的管道(9-1)在管径最小处为圆形，管径最大处为方形。抽水泵(1-2)与管径渐变的管道(9-1)通过一般管道(9-2)进行连接，与透明树脂试样(2-1)进水面、出水面的连接处设有导流板和滤网，并通过橡胶密封垫(2-3)和螺栓(2-2)紧固，保证二者密封，不出现渗漏。
与透明树脂试样(2-1)进水面和出水面相连接的管径渐变的管道上设有测压口(2-4)，用于接入压力传感器(6)来对透明树脂试样(2-1)两侧的压力差进行测量。压力传感器(6)与控制主板(3)通过电路连接，由控制主板(3)实时采集试样两端的压差数据。
在水流通过试样后，通过一般管道(9-2)接入储水箱(1-3)的进水口(1-3-2)使实验用水流回到储水箱(1-3)中。
进行PIV粒子成像测速前，先将3台PIV高速相机(7-1-1)与PIV粒子成像测速系统控制器连接后接入计算机系统(8)，然后采用激光扩束器(7-1-3)将激光发射器(7-1-2)所发射的激光束扩大，使透明树脂试样(2-1)全部处于激光照射中。实验过程中，3台PIV高速相机(7-1-1)可采集激光照射下试样中渗流的微观图像，并通过数据后处理程序(8-2)对采集到的微观图像进行处理；
同时，可采用核磁共振系统(7-2)进行微观图像的采集。在实验开始前，将透明树脂试样(2-1)放入核磁共振仪(7-2-1)内部，透明树脂试样(2-1)处于磁场与射频场中，由核磁共振仪(7-2-1)记录实验过程中透明树脂试样(2-1)内部渗流的微观图像，再经数据后处理程序(8-2)将仪器采集到的模拟信号转换成数字信号，根据与观察层面各体素的对应关系，经计算机(8-1)处理，得出图像数据。
2、功能单元
(1)供水系统：
供水系统主要包括伺服电机，抽水泵，伺服电机控制器，储水箱四个部分。伺服电机受到伺服电机控制器的控制，可对抽水泵的功率进行调节，从而使流量保持稳定或使流量按照某种波形进行改变。
(2)试样：
试样尺寸为10cm*10cm*10cm，由随机裂隙网络计算程序生成试样的内部裂隙网络，再采用透明树脂材料经3D打印得到试样，试样边缘有螺纹孔用于连接管径渐变的管道。试样仅左右面可以通水，上下前后四个面均为封闭。
透明树脂试样过水面上垫有导流板和滤网，管径渐变的管道与试样连接时采用橡胶密封垫密封，再以螺栓紧固(螺栓型号为M8)，防止连接处漏水。连接完毕后将试样置于试样支座上即可。
(3)控制主板：
控制主板主要集成了三大功能，一是与伺服电机控制器、伺服电机、抽水泵、流量计、电磁阀构成伺服回路，并由伺服回路控制设备中水的流量；二是用于采集压力传感器、流量计所测得的数据；三是用于接受计算机指令，发送所采集的数据到计算机。
(4)流量计：
包括三个不同量程的流量计，受控制主板控制，用于测量实验时的流速。
(5)电磁阀：
包括三个电磁阀，由控制主板发出信号来控制各个电磁阀的开启与关闭。
(6)压力传感器：
实验采用两个压力传感器，受控制主板控制，在实验进行时对试样进水、出水口处的压差进行测量。
(7)微观测量系统：
微观测量系统包括PIV粒子成像测速系统、核磁共振系统两个部分。
PIV粒子成像测速部分包括3个PIV高速相机，1个激光发射器，1个激光扩束器及自带程序。3个PIV高速相机通过电路接入计算机，采用激光扩束器将发射器射出的激光扩大，使试样全部处于激光照射下，再由自带数据后处理程序控制三台高速相机对裂隙中的有色渗流粒子进行图像和数据采集。
核磁共振部分包括1台核磁共振仪和自带程序。实验前将试样部分装好置于核磁共振仪中，由自带程序控制核磁共振仪接收信号。经计算机处理，得出各个层面的图像数据。
(8)计算机部分：
计算机部分包括计算机和数据后处理程序。
计算机与控制主板通过电路连接，控制各部分的正常运转。通过计算机的数据后处理程序，不仅可以得到岩体裂隙网络渗流的相关参数，如渗透系数K、水力梯度与流速的关系，还可对高速相机或核磁共振仪获取的影像进行重建，得到试样中渗流的三维流速分布等微观特征。
(9)管道部分：
管道部分包括管径渐变的管道和一般管道。
管道均采用铜管或不锈钢管，直径5-30mm，各接口处均有密封垫圈或箍圈进行连接。
管径渐变的管道，管径较小的一端为圆口，较大的一端为方形口。一般管道的直径取10-20cm。三个流量计通过3个管道直径不同的并联管道(从5-30mm的范围内根据需要选取管径)连接在一般管道上，3个管道直径不同的并联管道分别连接上电磁阀之后再与一般管道连接。三个并联流量计各自所在的管道，其直径是不同的，这是为了便于获取流量计的数据。当流量很小时，由于管径小的流速大，所以可以得到小流量时的流量计读数(流量计是通过测量流速来确定流量的，若流速过小则无法获得读数)。采用不同的管径，相当于扩大了本试验的流量范围。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (9)
1.一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备，其特征在于：包括供水系统、试样装置、控制主板、流量计、电磁阀、压力传感器、微观测量系统、计算机系统、管道系统；
所述供水系统包括依次连接的储水箱、抽水泵、伺服电机、和伺服电机控制器，所述储水箱内滴加有色墨水；
所述试样装置包括试样支座和放置在试样支座上的透明树脂试样；
所述供水系统通过管道系统连接在透明树脂试样的进水面和出水面，所述管道系统包括管径渐变的管道、一般管道，其中与透明树脂试样连接的一端为管径渐变的管道，与供水系统连接的一端为一般管道，所述一般管道上设有流量计以及用于控制管道开启、关闭的电磁阀，与透明树脂试样进水面和出水面相连接的管径渐变的管道上设有测压口；
所述储水箱上分别设有出水口、进水口和排气口，水流经过出水口流经管道系统从透明树脂试样的进水面流入透明树脂试样，然后经过出水面流经管道系统从进水口流程储水箱；
所述压力传感器设置在与测压口处，用于测量透明树脂试样进水面和出水面两侧的压力；
所述微观测量系统设置在透明树脂试样的外围，用于试样裂隙内部的渗流进行图像采集；
所述控制主板分别连接和控制伺服电机控制器、电磁阀、流量计和压力传感器；
所述控制主板和微观测量系统分别与计算机相连。
2.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备，其特征在于：所述流量计包括三个量程不同的椭圆齿轮流量计，小量程流量计、中量程流量计、大量程流量计，三个流量计通过3个管道直径不同的并联管道连接在一般管道上，相应的，并联管道上设有3个电磁阀。
3.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备，其特征在于：所述管径渐变的管道与透明树脂试样的进水面和出水面连接处分别设有导流板和滤网，并通过橡胶密封垫和螺栓连接。
4.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备，其特征在于：所述微观测量系统包括PIV粒子成像测速系统、核磁共振系统，用于对试样裂隙内部的渗流进行图像采集。
5.如权利要求3所述的一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备，其特征在于：所述PIV粒子成像测速系统包括PIV高速相机、激光发射器和激光扩束器，所述PIV高速相机与计算机相连接。
6.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备，其特征在于：有色墨水为蓝色或红色墨水，以便于观测裂隙网络中的微观流动特征。
7.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备，其特征在于：所述透明树脂试样通过如下方式获得，
首先由统计规律得到随机裂隙网络的计算方法，根据此方法生成试样的随机裂隙，并采用透明树脂材料经3D打印得到实验所需透明树脂试样。
8.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备，其特征在于：所述透明树脂试样为立方体，所述管径渐变的管道，管径较小的一端为圆口，较大的一端是与透明树脂试样侧面相匹配的方形口。
9.一种利用权利要求1-8任意所述的观测设备进行岩体裂隙渗流微观特征的观测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、实验试样的制备；
由统计规律得到随机裂隙网络的计算方法，根据此方法生成试样的随机裂隙，并采用透明树脂材料经3D打印得到实验所需试样；
步骤2、实验设备的安装；
首先将供水系统、透明树脂试样通过管道系统连接成一个循环伺服电路通路，然后安装好压力传感器、电磁阀、流量计、控制主板、微观测量系统以及计算机，同时将各部分电路连接完毕；
透明树脂试样在安装时，要在进水面和出水面放置导流板和滤网，然后与两个管径渐变的管道进行连接，连接时，先在试样与该管道的接触面垫上橡胶密封垫，再以螺栓紧固，保证试验中连接处不漏水；
步骤3、设备排气；
先由循环伺服电路控制抽水泵从储水箱抽水，先慢速通水，将设备内部的大部分空气排出，然后打开储水箱上的排气口，待系统中的残余空气排出后关闭排气口；
步骤4、开始试验；
待排气完毕后，通过伺服电机控制器改变抽水泵的供水量，调节实验中的渗流流速，测得透明树脂试样在不同流速下的相关数据，同时用PIV粒子成像测速系统或核磁共振系统对透明树脂试样裂隙内部的渗流进行图像采集；
步骤5、数据后处理；
通过计算机系统对采集到的图像、数据进行处理，求得渗透系数，绘出渗透系数与流速的关系曲线、水力梯度与流速的关系曲线，还可得到试样中裂隙网络内渗流在微观下的流速分布图。
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