CN110160936A - 基于3d打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验系统及方法 - Google Patents
基于3d打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于岩土工程技术领域，具体是一种基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验系统及方法。本发明的渗流实验装置，采用3D打印方法，可以方便构建不同类型或特性的实验试样，从而可以适应多种类型的裂隙岩体的实验要求。通过本发明的实验装置，通过更换不同的试样进行实验，可以测得不同岩体的渗流特性。通过调整水头水箱中的储水深得可以得到不同的水压对试样进行实验。通过开关不同位置的渗水阀，可以对试样一个方向或多个方向的渗流特性进行实验。本发明的基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验装置及方法，可模拟更接近真实完整岩体的渗流特性，从而为地下工程设计和施工提供理论指导和借鉴意义。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，具体是一种基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验系统及方法。
背景技术
裂隙岩体是经历长期地质构造作用形成的，由基质岩块和结构面组成并具有一定的结构特征，具有不连续、多相、各向异性的地质体。在构造运动和各种工程扰动的作用下，裂隙岩体中存在着大量产状不一、性质不同、尺度各异的原生和次生裂隙。这些裂隙是岩体渗流的主要通道，是控制围岩力学行为及工程安全稳定的最基本因素之一。在大型水电站的开发，油气能源的地下存储，交通工程，矿产资源开采，高放核废料的地下处置，高陡边坡稳定性的治理等工程建设中，裂隙岩体渗流特性引起了人们的广泛关注和重视。裂隙岩体的渗流测试对于采集岩体参数有重要意义。
然而在实际应用中，直接测试实际裂隙岩体具有一定的困难，如何通过实验找出渗流特性是期望解决的一个问题。
发明内容
针对现有技术中上述的不足，本实发明提供了一种基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验系统及方法。
为了达到上述目的，本发明采用的解决方案是：
一种基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验系统，包括支架，支架上设置有第一第水头水箱、第二水头水箱、第三水头水箱和第四水头水箱，所述第一储水头水箱底部设置第一渗水管，第一渗水管上设置第一渗水阀，第一渗水管内设置第一压力传感器，
所述第二储水头水箱底部设置第二渗水管，第二渗水管上设置第二渗水阀，第二渗水管内设置第二压力传感器，
所述第三储水头水箱底部设置第三渗水管，第三渗水管上设置第三渗水阀，第三渗水管内设置第三压力传感器，
所述第四储水头水箱底部设置第四渗水管，第四渗水管上设置第四渗水阀，第四渗水管内设置第四压力传感器，
所述支架底面设置渗水孔，支架下方还设置可收集渗水孔渗水的集水箱。
进一步地，所述基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验系统，其特征是，机架底部还设置储水箱，第一水头水箱通过第一进水管与储水箱连接，所述第一进水管位于储水底的端部设置上水泵，
第二水头水箱通过第二进水管与储水箱连接，所述第二进水管位于储水底的端部设置上水泵，
第三水头水箱通过第三进水管与储水箱连接，所述第三进水管位于储水底的端部设置上水泵，
第四水头水箱通过第四进水管与储水箱连接，所述第四进水管位于储水底的端部设置上水泵。
进一步地，所述第一水头水箱、第二水头水箱、第三水头水箱和第四水头水箱，每个水头水箱底部均设置与储水箱连接的回流管，所述回流管上设置回流阀。
进一步地，所述第一水头水箱、第二水头水箱、第三水头水箱和第四水头水箱，每个水头水箱底部均设置水位控制管，所述水位控制管上设置水位阀。
进一步地，所述第一水头水箱、第二水头水箱、第三水头水箱和第四水头水箱，以及集水箱上均设置水位标尺。
进一步地，所述第一渗水管、第二渗水管、第三渗水管和第四渗水管的外表面设置与试样配合的密封圈。
进一步地，所述第一水头水箱上设置控制器，所述控制器与第一压力传感器、第二压力传感器、第一压力传感器和第一压力传感器电连接，所述控制器与上水泵电连接。
进一步地，所述控制器设置多件，每一件控制器与一件压力传感器电连接，同时，控制器与所连接的压力传感器相对应的水泵电连接。
本发明还提供了一种基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验方法，包括以下步骤：
S1，采用Weierstrass-Mandelbrot函数生成不同粗糙度的分形曲线；
S2，在三维建模软件中，采用S1步得到的分开曲线构建复杂分形裂隙的3D打印模型；
S3，将S3步所得到的三维打印模型进行3D打印，得到打印样品；
S4，将打印样品四侧面加工出实验孔得到试样；
S5，将试样平铺后，在实验孔中插入渗水管；
S6，将插入渗水管后的试样上表面和四侧面密封防水；
S7，在一件或多件渗水管中充水并对提高水压；
S8，保持一定时间后收集试样底部渗水。
进一步地，所述实验方法采用基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验装置完成。
本发明的基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验装置及方法，采用3D打印方法，可以方便构建不同类型或特性的实验试样，从而可以适应多种类型的裂隙岩体的实验要求。通过本发明的实验装置，通过更换不同的试样进行实验，可以测得不同岩体的渗流特性。通过调整水头水箱中的储水深得可以得到不同的水压对试样进行实验。通过开关不同位置的渗水阀，可以对试样一个方向或多个方向的渗流特性进行实验。
本发明的基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验装置及方法，可模拟更接近真实完整岩体的渗流特性，从而为地下工程设计和施工提供理论指导和借鉴意义。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为试样连接示意图。
图4为图3的A-A剖视图。
附图标记：
1-储水箱，201-第一进水管，202-第二进水管，203-第三进水管，204-第四进水管，301-第一水头水箱，302-第二水头水箱，303-第三水头水箱，304-第四水头水箱，701-第一渗水管，702-第二渗水管，703-第三渗水管，704-第四渗水管，801-第一渗水阀，802-第二渗水阀，803-第三渗水阀，804-第四渗水阀，901-第一压力传感器，902-第二压力传感器，903-第三压力传感器，904-第四压力传感器，4-控制器，5-水位标尺，6-上水泵，10-支架，11，试样，13-水位控制管，14-集水箱，15-回流管，16-回流阀，17-水位阀。
具体实施方式
结合图1到图4，本发明的一种基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验系统，包括支架10，支架上设置有第一第水头水箱、第二水头水箱302、第三水头水箱303和第四水头水箱304，所述第一储水头水箱底部设置第一渗水管701，第一渗水管701上设置第一渗水阀801，第一渗水管701内设置第一压力传感器901，
所述第二储水头水箱底部设置第二渗水管702，第二渗水管702上设置第二渗水阀802，第二渗水管702内设置第二压力传感器902，
所述第三储水头水箱底部设置第三渗水管703，第三渗水管703上设置第三渗水阀803，第三渗水管703内设置第三压力传感器903，
所述第四储水头水箱底部设置第四渗水管704，第四渗水管704上设置第四渗水阀804，第四渗水管704内设置第四压力传感器904，
所述支架10底面设置渗水孔，支架10下方还设置可收集渗水孔渗水的集水箱14。
在进行实验的时候，把试样11放置于支架10上的渗水孔上方，并且把试样11的顶面和侧面进行密封。把渗水管插入到试样11的实验孔中，并进行密封。在各个水头水箱中加入水，水头水箱中的水会在渗水管中产生水压，水压大小决定于水头水箱中水的深度。通过调节水头水箱中水的深度用以得到不同的压力。渗水管中的渗水阀可以用以开关各个渗水管是否通水，通过开关不同的渗水阀可以在试样11不同方向上提供水压进行实验。当在一定方向上施加一定压力的水压后，经过一定时间，收集水头水箱中所失去的水，可以计算出试样11的渗流特性。
进一步地，所述基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验系统，其特征是，机架底部还设置储水箱1，第一水头水箱301通过第一进水管201与储水箱1连接，所述第一进水管201位于储水底的端部设置上水泵6，
第二水头水箱302通过第二进水管202与储水箱1连接，所述第二进水管202位于储水底的端部设置上水泵6，
第三水头水箱303通过第三进水管203与储水箱1连接，所述第三进水管203位于储水底的端部设置上水泵6，
第四水头水箱304通过第四进水管204与储水箱1连接，所述第四进水管204位于储水底的端部设置上水泵6。
通过设置储水箱1和上水泵6，可以在向水头水箱注水的时候采用泵送的方式，一方面方便快捷，另一方面也可以进行自动控制。
进一步地，所述第一水头水箱301、第二水头水箱302、第三水头水箱303和第四水头水箱304，每个水头水箱底部均设置与储水箱1连接的回流管1516，所述回流管1516上设置回流阀16。
每个水头水箱底部设置回流管1516，可以在做完实验或需要的时候打开回流阀16，让水头水箱中的水全部回到储水箱1中，用以节约用水。
进一步地，所述第一水头水箱301、第二水头水箱302、第三水头水箱303和第四水头水箱304，每个水头水箱底部均设置水位控制管13，所述水位控制管13上设置水位阀17。
每个水头水箱上设置水位控制管13，当在开始实验的时候，由于上水泵6不能精确控制泵不量，通常是多泵入一点水，然后打开水位阀17，放掉水头水箱中的多余的水，从而精确调整水头水箱中水的高度以达到设置压值。
进一步地，所述第一水头水箱301、第二水头水箱302、第三水头水箱303和第四水头水箱304，以及集水箱14上均设置水位标尺5。
设置标尺更方便的显示水箱中的绝对和相对水位。
进一步地，所述第一渗水管701、第二渗水管702、第三渗水管703和第四渗水管704的外表面设置与试样11配合的密封圈。
通过在渗水管外设置与试样11的实验孔配合的密封圈，可以更方便密封渗水管中的水，以使渗水管中的水不会从渗不管与实验孔的间隙渗漏影响实验准确性。
进一步地，所述第一水头水箱301上设置控制器4，所述控制器4与第一压力传感器901、第二压力传感器902、第一压力传感器901和第一压力传感器901电连接，所述控制器4与上水泵6电连接。
进一步地，所述控制器4设置多件，每一件控制器4与一件压力传感器电连接，同时，控制器4与所连接的压力传感器相对应的上水泵6电连接。
通过设置控制器4与上水泵6和压力传感器连接，可以方便通过检测到的压力控制上水泵6工作，提高实验装置的操作难度。
本发明还提供了一种基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验方法，包括以下步骤：
S1，采用Weierstrass-Mandelbrot函数生成不同粗糙度的分形曲线；
Weierstrass-Mandelbrot随机分形函数，它是由德国数学家维尔斯特拉斯数学家(Karl Weierstrass)提出，是一个处处不可导的连续函数。
S2，在三维建模软件中，采用S1步得到的分开曲线构建复杂分形裂隙的3D打印模型；
在得到分形曲线以后，再用常用的三维建模软件可以构建出三维模型。在进行三维模型构建的时候，可以根据需要构建出规则长方体，正方体，甚至可以构建出不规则模型。
S3，将S3步所得到的三维打印模型进行3D打印，得到打印样品；
S4，将打印样品四侧面加工出实验孔得到试样11；
在打印样品侧面加工出实验孔是方便引入渗水管，施加带有一定压力的水对试样11进行渗流实验。
S5，将试样11平铺后，在实验孔中插入渗水管；
S6，将插入渗水管后的试样11上表面和四侧面密封防水；
对试样11上表面和四侧面进行密封防水后，通过渗水管进入的水只能从试样11底部渗出，通过收集底部渗出的水可以得到渗流量。
S7，在一件或多件渗水管中充水并对提高水压；
S8，保持一定时间后收集试样11底部渗水。
进一步地，所述实验方法采用基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验装置完成。
在采用本发明的实验装置进行实验时，水头水箱可以设置50mm、100mm、150mm、200mm、250mm等几种水压等级。试样11的机械隙宽还可以进行调整，可以调整到4mm、5mm、6mm、7mm、8mm等宽度。裂隙分维设置4种工况为D＝1.2、1.4、1.6、1.8。每一种裂隙分维对应设置不同裂隙隙宽，每一种裂隙隙宽对应不同水头压力。因此，每种工况下复杂分形裂隙渗流实验为多种情况的组合。
在一组实验中，首先把储水箱1中的水抽到水头水箱中，打开水位阀17调节水位到要求值。查看控制器4上显示的压力值，在5s内的实测差值不超过±0.05MPa时，说明渗流状态趋于稳定。实验开始前，读取4个集水箱14的水位刻度尺h10、h20、h30、h40(mm)，待测量一段时间t(s)后，再读取4个集水箱14的水位刻度尺h11、h21、h31、h41(mm)，从而计算出时间t(s)内通过复杂分形裂隙的渗水流量为Q(mm3)，至此实验数据测量完毕。
再通过调节水头水箱水位高度、试样11中裂隙宽度等变更进行多组实验，可以研究复杂分形裂隙的渗流特性。
Claims (10)
1.一种基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验系统，其特征是包括支架，支架上设置有第一第水头水箱、第二水头水箱、第三水头水箱和第四水头水箱，所述第一储水头水箱底部设置第一渗水管，第一渗水管上设置第一渗水阀，第一渗水管内设置第一压力传感器，
所述第二储水头水箱底部设置第二渗水管，第二渗水管上设置第二渗水阀，第二渗水管内设置第二压力传感器，
所述第三储水头水箱底部设置第三渗水管，第三渗水管上设置第三渗水阀，第三渗水管内设置第三压力传感器，
所述第四储水头水箱底部设置第四渗水管，第四渗水管上设置第四渗水阀，第四渗水管内设置第四压力传感器，
所述支架底面设置渗水孔，支架下方还设置可收集渗水孔渗水的集水箱。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验系统，其特征是，机架底部还设置储水箱，第一水头水箱通过第一进水管与储水箱连接，所述第一进水管位于储水底的端部设置上水泵，
第二水头水箱通过第二进水管与储水箱连接，所述第二进水管位于储水底的端部设置上水泵，
第三水头水箱通过第三进水管与储水箱连接，所述第三进水管位于储水底的端部设置上水泵，
第四水头水箱通过第四进水管与储水箱连接，所述第四进水管位于储水底的端部设置上水泵。
3.根据权利要求2所述的基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验系统，其特征是，所述第一水头水箱、第二水头水箱、第三水头水箱和第四水头水箱，每个水头水箱底部均设置与储水箱连接的回流管，所述回流管上设置回流阀。
4.根据权利要求3所述的基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验系统，其特征是，所述第一水头水箱、第二水头水箱、第三水头水箱和第四水头水箱，每个水头水箱底部均设置水位控制管，所述水位控制管上设置水位阀。
5.根据权利要求4所述的基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验系统，其特征是，第一水头水箱、第二水头水箱、第三水头水箱和第四水头水箱，以及集水箱上均设置水位标尺。
6.根据权利要求5所述的基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验系统，其特征是，第一渗水管、第二渗水管、第三渗水管和第四渗水管的外表面设置与试样配合的密封圈。
7.根据权利要求6所述的基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验系统，其特征是，第一水头水箱上设置控制器，所述控制器与第一压力传感器、第二压力传感器、第一压力传感器和第一压力传感器电连接，所述控制器与上水泵电连接。
8.根据权利要求7所述的基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验系统，其特征是，所述控制器设置多件，每一件控制器与一件压力传感器电连接，同时，控制器与所连接的压力传感器相对应的水泵电连接。
9.一种基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验方法，其特征是包括以下步骤：
S1，采用Weierstrass-Mandelbrot函数生成不同粗糙度的分形曲线；
S2，在三维建模软件中，采用S1步得到的分开曲线构建复杂分形裂隙的3D打印模型；
S3，将S3步所得到的三维打印模型进行3D打印，得到打印样品；
S4，将打印样品四侧面加工出实验孔得到试样；
S5，将试样平铺后，在实验孔中插入渗水管；
S6，将插入渗水管后的试样上表面和四侧面密封防水；
S7，在一件或多件渗水管中充水并对提高水压；
S8，保持一定时间后收集试样底部渗水。
10.根据权利要求9所述的基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验方法，其特征是，所述实验方法采用权利要求1到8任一所述的基于3D打印的复杂分形裂隙多重耦合渗流实验装置完成。
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