CN111413174B - 岩体交叉裂隙渗流试验装置及岩体的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩体交叉裂隙渗流的试验装置及岩体的制造方法，包括水平底板，所述水平底板上设有多个基质块，所述基质块由3D打印技术形成的基质块模具中浇筑而成，相临两个基质块之间的缝隙形成裂隙，且多个所述裂隙连通，所述基质块主部内设有与所述裂隙连通的压力传感器安装座，压力传感器安装座内安装有压力传感器，裂隙连接有水接头。本发明运用3D打印技术，可灵活设置交叉裂隙的交叉角度、粗糙度、裂隙分支数等几何参数，裂隙浇筑模板通过3D打印制作，精度高(±0.1mm)。可制作不同几何参数的交叉裂隙。

Description

岩体交叉裂隙渗流试验装置及岩体的制造方法

技术领域

本发明涉及一种岩体交叉裂隙渗流试验装置，具体地说是一种岩体交叉裂隙渗流试验装置及岩体的制造方法。

背景技术

目前，岩体裂隙渗流是岩土工程领域重要的基础科学问题，近年来，随着地下水封石油储库、高水头大坝及水电站等大型岩石工程的不断兴建，岩体裂隙渗流问题成为了岩石力学和水文地质等领域的研究重点和热点之一。在裂隙岩体中，完整的岩块透水性通常极微弱，其内部发育的裂隙网络是水及其他流体流动的主要通道。

在裂隙渗流研究中主要针对单裂隙渗流，对交叉裂隙渗流的研究较少，但交叉裂隙对裂隙网络渗流特性具有重要影响。通过试验研究交叉裂隙渗流特性，可以更加清晰地认识地下水在岩体裂隙中的流动规律，对于分析和计算裂隙岩体内流场分布、指导岩石工程设计具有重要意义。

申请号为CN201610574945.3的发明专利介绍了一种模拟致密岩体交叉裂隙渗流试验装置，但装置只能模拟玻璃材质的交叉裂隙，与实际裂隙壁面几何形状差异较大，且裂隙粗糙度较单一，不能自由设置交叉裂隙的几何参数。

申请号为CN201810896871.4的发明专利介绍了一种模拟交叉裂隙渗流的可视化试验装置，裂隙采用透明方块玻璃拼接而成，近似光滑裂隙。该装置介质材料为玻璃，不能设置裂隙几何参数，不方便测量裂隙内的压力数据，不能进行定量研究。

《岩土工程学报》2017年第6期题为《贯通充填裂隙类岩石渗流特性试验研究》中作者赵恺等人介绍了一种基于3D打印交叉裂隙制作方法，打印交叉裂隙模型表面涂抹凡士林，浇筑到模型中，24小时脱模后，将3D打印裂隙模型拔出。凡士林会影响裂隙壁面几何形状精度，此方法难以制作开度较小或三维粗糙度交叉裂隙模型。

综上，现有技术中针对岩体交叉裂隙渗流试验装置不能自由设置交叉裂隙的几何参数，不方便对交叉裂隙渗流过程中的压力进行准确测量。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种岩体交叉裂隙渗流的试验装置及岩体的制造方法。本发明主要利用3D打印技术打印出基质块模具，从而利用基质块模具生产出想要的基质块，从而利用想要的基质块进行岩体交叉裂隙渗流试验。本发明采用的技术手段如下：

一种岩体交叉裂隙渗流的试验装置，包括水平底板，所述水平底板上设有多个基质块，且多个基质块围绕基准点依次拼接形成岩体，相临两个基质块之间的缝隙形成裂隙，多条裂隙于所述基准点处连通，所述岩体外设有固定在所述底板上的壳体，所述裂隙远离所述基准点的一端连通有水接头，且所述水接头穿出所述壳体，所述裂隙的顶端安装有调整所述裂隙开度的塞尺间隙片，且所述裂隙的顶端覆盖有密封所述裂隙顶部的密封材料，所述基质块由3D打印技术形成的基质块模具中浇筑而成；

所述基质块内设有与所述裂隙连通的压力传感器安装座，所述压力传感器安装座远离所述裂隙的一端穿过所述壳体并与所述壳体固定连接，所述压力传感器安装座内安装有压力传感器，所述壳体与所述岩体之间的空隙处浇筑有浇筑块。

所述水接头通过裂隙转接头与所述裂隙连通，所述裂隙转接头呈楔形，所述裂隙转接头的一端插入所述裂隙内并与所述裂隙连通，且此端与所述裂隙相匹配；所述裂隙转接头的另一端与所述水接头的水管连通。

所述水管上加工有防渗透凹槽Ⅰ。

所述压力传感器安装座包括安装槽、金属导管和软导管，所述金属导管靠近所述裂隙的一端套接有所述软导管，所述金属导管远离所述裂隙的一端与所述安装槽连通，所述安装槽内加工有与所述压力传感器外壁上的外螺纹相匹配的内螺纹，所述压力传感器通过螺纹配合与所述安装槽固定连接。

所述金属导管的外壁上加工有多个防渗透凹槽Ⅱ。

基质块模具包括金属制成的多个模板和由3D打印技术打印而成的裂隙浇筑模板，将压力传感器安装座放在基质块模具上，并且浇筑即可形成所述基质块，且基质块中具有压力传感器安装座。

可根据试验需要自行选择将水接头选择为进水或出水。

本发明还公开了所述岩体的制造方法，包括如下步骤：

S1、制作基质块模具：

设置裂隙的壁面几何参数，并建立3D模型，运用3D打印机制作第一裂隙浇筑模板，在水平底板上，将所述裂隙浇筑模板和模板组装为第一基质块模具；在第一基质块模具上安装所述压力传感器安装座；

S2；浇筑第一基质块：

通过向所述基质块模具浇筑抗渗水泥，养护48小时后，形成第一基质块，所述第一基质块正对所述第一裂隙浇筑模板的面形成裂隙壁；且第一基质块内具有所述压力传感器安装座；

S3：浇筑剩余基质块：

将所述第一个基质块的裂隙壁作为第二基质块的第二裂隙浇筑模板，并与所述模板组装形成第二基质块模具，并在所述第二基质块模具中浇筑抗渗水泥，养护48小时后，形成第二基质块，并将所述第二基质块与所述第一基质块分离；所述第二基质块内具有所述压力传感器安装座；

将所述第二基质块的裂隙壁作为第三基质块的第三裂隙浇筑模板，并与所述模板组装形成第三基质块模具，并在所述第三基质块模具中浇筑抗渗水泥，养护48小时后，形成第三基质块，并将所述第三基质块与所述第一基质块分离；第三基质块内具有所述压力传感器安装座；

按照上述方式将剩余基质块全部制作完成；

S4：将多个所述基质块围绕所述基准点依次拼接，且相临两个裂隙壁正对形成所述裂隙，多个所述裂隙在所述基准点处连通；并将多个基质块与水平底板粘结。

S5：在所述裂隙的顶部安装所述塞尺间隙片，且所述裂隙的顶部通过所述密封材料密封形成所述岩体。

使用状态下使用供水设备与所述进出水管开展交叉裂隙渗流试验，配合进出水管上的流量计，测量记录交叉裂隙渗流试验中各分支的压力和流量数据。

所述抗渗水泥为水泥砂浆中添加有抗渗添加剂。

本发明具有以下优点：

1、基于3D打印的岩体交叉裂隙渗流的试验装置和方法中采用3D打印技术打印基质块模具，并使用此模具进行试验，可以对不同分支类型、不同几何参数、不同进出口渗流形式的交叉裂隙进行渗流试验，运用3D打印技术，采用水泥浇筑成型，交叉裂隙制作方法简单，参数设置灵活，成本低廉，可以满足多种交叉裂隙试验目的。

2、运用3D打印技术，可灵活设置交叉裂隙的交叉角度、粗糙度、裂隙分支数等几何参数，裂隙浇筑模板通过3D打印制作，精度高(±0.1mm)。可制作不同几何参数的交叉裂隙。

3、基质块采用抗渗水泥浇筑制作，壁面几何形状成型质量好，满足裂隙基质不透水性，水泥壁面更加符合真实岩石裂隙壁面的几何特征。

4、多个交基质块分别浇筑，再进行拼装，能够实现裂隙两壁面完全吻合，设置不同分支的开度，并方便观察裂隙模型内各壁面的形状和成型质量。

5、装置安有与裂隙各分支连通的测压孔，预埋在每条裂隙一侧的水泥基质块内，测压孔前端为内径2mm的塑料软管，可以布置在裂隙内任意位置。测压孔另一连接端为不锈钢螺纹接口，可以与压力计紧密连接。方便裂隙内压力的精确测量。

6、在裂隙进出口位置处，设置裂隙转接头，转接头运用3D打印制作，转接头一端为圆形接头，另一端为长方形的裂隙接头，有利于水流进出裂隙时的平稳过渡。

7、压力传感器安装座和水管接口使用不锈钢材质加工制作，外部都设置有防渗凹凸槽，有利于增强与水泥之间的粘结，保证模型进出口和测压孔的密封性。

8、使用标准厚度的塞尺作为间隙片能够精确地控制交叉裂隙不同分支的开度(±0.05mm)，并且开度调节灵活。

9、装置采用了一次浇筑和二次浇筑方式制作，有利于固定基质块的位置，保证试验过程中交叉裂隙几何形状保持不变，并实现裂隙模型四周的密封性。

基于上述理由本发明可在岩体交叉裂隙渗流的试验等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施方式中一种岩体交叉裂隙渗流的试验装置结构示意图。

图2是本发明具体实施方式中基质块模具结构示意图。

图3是本发明具体实施方式中裂隙转接头结构示意。

图4是本发明具体实施方式中压力传感器安装座结构示意图。

图5是图1中A-A向剖视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1～5所示，一种岩体交叉裂隙渗流的试验装置，一种岩体交叉裂隙渗流的试验装置，包括水平底板1，所述水平底板1上设有多个基质块3，且多个基质块3围绕基准点依次拼接形成岩体，相临两个基质块3之间的缝隙形成裂隙4，多条裂隙4于所述基准点处连通，所述岩体外设有固定在所述底板1上的壳体6，所述裂隙远离所述基准点的一端连通有水接头7，且所述水接头7穿出所述壳体6，所述裂隙4的顶端安装有调整所述裂隙4开度的塞尺间隙片，且所述裂隙4的顶端覆盖有密封所述裂隙4顶部的密封材料41，所述基质块由3D打印技术形成的基质块模具2中浇筑而成；

所述基质块3内设有与所述裂隙4连通的压力传感器安装座33，所述压力传感器安装座33远离所述裂隙4的一端穿过所述壳体6并与所述壳体6固定连接，所述压力传感器安装座33内安装有压力传感器34，所述壳体6与所述岩体之间的空隙处浇筑有浇筑块8。本实施例中具有三个所述基质块3，且所述基质块3由基质块主部31和基质块支部32组成，所述基质块支部32的一端与所述基质块主部31的一端相交，且所述基质块支部32与所述基质块主部31之间具有夹角，夹具为120°；三个所述基质块3均匀分布且依次拼接形成所述岩体。

所述水接头7通过裂隙转接头9与所述裂隙4连通，所述裂隙转接头9呈楔形，所述裂隙转接头9的一端插入所述裂隙4内并与所述裂隙4连通，且此端与所述裂隙4相匹配；所述裂隙转接头9的另一端与所述水接头7的水管71连通。

所述水管71上加工有防渗透凹槽Ⅰ72。

所述压力传感器安装座33包括安装槽35、金属导管36和软导管37，所述金属导管36靠近所述裂隙4的一端套接有所述软导管37，所述金属导管36远离所述裂隙4的一端与所述安装槽35连通，所述安装槽35内加工有与所述压力传感器34外壁上的外螺纹相匹配的内螺纹，所述压力传感器34通过螺纹配合与所述安装槽35固定连接。

所述金属导管36的外壁上加工有多个防渗透凹槽Ⅱ38。

基质块模具2包括金属制成的多个模板21和由3D打印技术打印而成的裂隙浇筑模板22，将压力传感器安装座33放在基质块模具2上，并且浇筑即可形成所述基质块3，且基质块3中具有压力传感器安装座33。

可根据试验需要自行选择将水接头7选择为进水或出水接头。本实施例采用一个水接头为进水水接头，另外两个水接头为出水水接头。

实施例2

如图1～5所示，一种岩体的制造方法，包括如下步骤：

S1、制作基质块模具2：

设置裂隙4的壁面几何参数，并建立3D模型，运用3D打印机制作第一裂隙浇筑模板22，在水平底板1上，将所述裂隙浇筑模板22和模板21组装为第一基质块模具2a；在第一基质块模具2a上安装压力传感器安装座33；

S2；浇筑第一基质块3a：

通过向所述第一基质块模具2a浇筑抗渗水泥，养护48小时后形成第一基质块3a，所述第一基质块2a在所述第一裂隙浇筑模板22所在面形成裂隙壁，在其裂隙壁上涂有脱模剂，且第一基质块3a内具有所述压力传感器安装座33；

S3：浇筑剩余基质块：

将所述第一个基质块3a的裂隙壁作为第二基质块3b的第二裂隙浇筑模板，与所述基质块模具2中的模板21组合成第二个基质块3b的浇筑模具，并向其中浇筑抗渗水泥，形成第二个基质块3b，在第二个基质块3b养护48小时后将所述第一个基质块3a和第二个基质块3b掰开，此时第二基质块3b的裂隙面与所述第一基质块3a的裂隙面互补，采用同样的方法制造第三个基质块3c；

所述基质块3养护48小时后，三个所述基质块3相对的一侧形成裂隙壁；且基质块3内具有所述压力传感器安装座33；

S4：将三个所述基质块3依次拼接，且相临两个裂隙壁正对形成裂隙4，多个裂隙4于所述基准点处连通；并将三个基质块3与水平底板1粘结；

S3：在所述裂隙4的顶部安装所述塞尺间隙片5，且所述裂隙4的顶部通过所述密封材料41密封形成所述岩体。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种岩体交叉裂隙渗流试验装置，包括水平底板，所述水平底板上设有多个基质块，且多个基质块围绕基准点依次拼接形成岩体，相临两个基质块之间的缝隙形成裂隙，多条裂隙于所述基准点处连通，所述岩体外设有固定在所述底板上的壳体，所述裂隙远离所述基准点的一端连通有水接头，且所述水接头穿出所述壳体，所述裂隙的顶端安装有调整所述裂隙开度的塞尺间隙片，且所述裂隙的顶端覆盖有密封所述裂隙顶部的密封材料，其特征在于：

所述基质块由3D打印技术形成的基质块模具中浇筑而成；

所述基质块内设有与所述裂隙连通的压力传感器安装座，所述压力传感器安装座远离所述裂隙的一端穿过所述壳体并与所述壳体固定连接，所述压力传感器安装座内安装有压力传感器，所述壳体与所述岩体之间的空隙处浇筑有浇筑块。

2.根据权利要求1所述的一种岩体交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于：所述水接头通过裂隙转接头与所述裂隙连通，所述裂隙转接头呈楔形，所述裂隙转接头的一端插入所述裂隙内并与所述裂隙连通，且此端与所述裂隙相匹配；所述裂隙转接头的另一端与所述水接头的水管连通。

3.根据权利要求2所述的一种岩体交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于：所述水管上加工有防渗透凹槽Ⅰ。

4.根据权利要求2所述的一种岩体交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于：所述裂隙转接头通过3D打印形成。

5.根据权利要求1所述的一种岩体交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于：所述压力传感器安装座包括安装槽、金属导管和软导管，所述金属导管靠近所述裂隙的一端套接有所述软导管，所述金属导管远离所述裂隙的一端与所述安装槽连通，所述安装槽内加工有与所述压力传感器外壁上的外螺纹相匹配的内螺纹，所述压力传感器通过螺纹配合与所述安装槽固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种岩体交叉裂隙渗流试验装置，其特征在于：所述金属导管的外壁上加工有多个防渗透凹槽Ⅱ。

7.根据权利要求1～6任一权利要求所述一种岩体交叉裂隙渗流试验装置制造岩体的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、制作基质块模具：

设置裂隙的壁面几何参数，并建立3D模型，运用3D打印机制作第一裂隙浇筑模板，在水平底板上，将所述裂隙浇筑模板和模板组装为第一基质块模具；在第一基质块模具上安装所述压力传感器安装座；

S2；浇筑第一基质块：

通过向所述基质块模具浇筑抗渗水泥，养护48小时后，形成第一基质块，所述第一基质块正对所述第一裂隙浇筑模板的面形成裂隙壁；且第一基质块内具有所述压力传感器安装座；

S3：浇筑剩余基质块：

将所述第一基质块的裂隙壁作为第二基质块的第二裂隙浇筑模板，并与所述模板组装形成第二基质块模具，并在所述第二基质块模具中浇筑抗渗水泥，养护48小时后，形成第二基质块，并将所述第二基质块与所述第一基质块分离；所述第二基质块内具有所述压力传感器安装座；

将所述第二基质块的裂隙壁作为第三基质块的第三裂隙浇筑模板，并与所述模板组装形成第三基质块模具，并在所述第三基质块模具中浇筑抗渗水泥，养护48小时后，形成第三基质块，并将所述第三基质块与所述第一基质块分离；第三基质块内具有所述压力传感器安装座；

按照上述方式将剩余基质块全部制作完成；

S4：将多个所述基质块围绕所述基准点依次拼接，且相临两个裂隙壁正对形成所述裂隙，多个所述裂隙在所述基准点处连通；并将多个基质块与水平底板粘结；

S5：在所述裂隙的顶部安装所述塞尺间隙片，且所述裂隙的顶部通过所述密封材料密封形成所述岩体。

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