CN111504873A - 一种岩石交叉裂隙仿真模型的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种透明仿真裂隙模具的制作方法，具体涉及一种岩石交叉裂隙仿真模型的制作方法，包括以下步骤：(1)获取粗糙岩石裂隙结构面；(2)对石材的粗糙结构面进行复刻，得到样板模；在样板模中浇筑透明树脂，待透明树脂完全固化后取出即形成带有粗糙节理面的透明仿真模型薄板；(3)构建组装裂隙交叉结构；得到仿真模具，垂直裂隙和水平裂隙相互交叉即形成交叉裂隙；(4)采用两个第一支撑臂和两个第二支撑臂分别夹紧即实现了仿真模具的整体固定。本发明的制作方法，实现了裂隙粗糙度可控、制作简单，成本低廉；在裂隙特征上高精度的复制了岩石裂隙结构面，在模型组装上实现了裂隙开度可调、可精确拆卸组装功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种透明仿真裂隙模具的制作方法，具体涉及一种岩石交叉裂隙仿真模型的制作方法。
背景技术
在长期的地质构造及人类工程活动作用下，地下岩体形成了大量的裂隙。裂隙与裂隙相互交叉使得地下裂隙构成了复杂的网络结构。裂隙交叉结构及网络的存在为地下流体快速流动提供了通道。而在许多地下工程中，渗流破坏往往是造成诸多领域工程失事的关键因素，如地下油库泄露、污染物随雨水迁移等，因此地下裂隙渗流规律一直是岩土工程领域所关心的核心科学问题。
目前人们对于裂隙渗流的研究和认识多来源于现场压水试验或是实验室内岩石裂隙透水试验，其测试指标多为一些宏观上的参数，如渗透系数等。在细观研究方面，由于岩石材料为不透明材料，研究人员无法直接观测到流体的流动行为，导致目前对于裂隙渗流的机理仍然缺乏了解。针对这个问题，陈益峰等人提出了“一种透明岩石节理复制品制备方法”(专利号201710114653.6)。此模型制作方法提出使得裂隙渗流的直接观测成为了可能。然而这种简单的模型目前还不适用于研究裂隙网络这种复杂结构中的流动规律。
作为裂隙网络的基本结构，裂隙交叉对裂隙网络中流体流动起控制作用。构建这种交叉结构对于开展裂隙网络渗流的研究和指导实际工程具有重要的意义。因此，不论是科研需求还是应用需求，都需要研发一种新的仿真裂隙模型，以推动地下裂隙渗流的研究及应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种岩石交叉裂隙仿真模型的制作方法，实现了裂隙粗糙度可控、制作简单，成本低廉；在裂隙特征上高精度的复制了岩石裂隙结构面。在模型组装上实现了裂隙开度可调、可精确拆卸组装功能，整体上实现了三维粗糙交叉裂隙模型的可视化观测。该模型特别适用于开展裂隙交叉及裂隙网络尺度上的渗流机理及规律的研究。
本发明实现目的所采用的方案是：一种岩石交叉裂隙仿真模型的制作方法，包括以下步骤：
(1)获取粗糙岩石裂隙结构面
选取表面具有粗糙结构面的石材；
(2)复制岩石裂隙结构面
对石材的粗糙结构面进行复刻，得到样板模；在样板模中浇筑透明树脂，待透明树脂完全固化后取出即形成带有粗糙节理面的透明仿真模型薄板；
(3)构建组装裂隙交叉结构
将带有粗糙节理面的透明仿真模型薄板按照节理面朝内堆叠放置，形成了水平裂隙，将另一块带有粗糙节理面的透明仿真模型薄板按照节理面与水平裂隙相对且垂直的方向靠在堆叠放置的透明仿真模型薄板的侧部即形成了垂直裂隙，得到仿真模具，垂直裂隙和水平裂隙相互交叉即形成交叉裂隙；
(4)岩石交叉裂隙仿真模型的固定
在水平裂隙的两侧分别固定有第一支撑臂，在垂直裂隙的两侧分别固定有第二支撑臂，采用两个第一支撑臂和两个第二支撑臂分别夹紧即实现了仿真模具的整体固定，第一支撑臂和其固定的透明仿真模型薄板围设成水平裂隙空间，第二支撑臂和其固定的透明仿真模型薄板围设成垂直裂隙空间。
优选地，所述步骤(1)中，石材的粗糙结构面可为自然形成也可是采用表面具有纹理的敲击锤敲击形成。
采用人工制作粗糙面的方法，实现了岩石节理面粗糙度的可控；从而克服了传统人工劈裂发产生结构面的随机性问题。
优选地，所述步骤(2)中，采用硅胶翻模技术对石材结构面进行复刻，得到样板模；所述透明树脂为环氧树脂。
采用硅胶、环氧树脂翻模的方法能够实现岩石节理面微米级精度的复制，同时该方法成本低廉、模型制作迅速；翻模模型透明度好，可用于可视化研究。
优选地，所述步骤(3)中，将两块均含有粗糙节理面的透明仿真模型薄板按照节理面相对堆叠放置，形成所述水平裂隙。
优选地，所述步骤(3)中，将一块含有粗糙节理面的透明仿真模型薄板按照节理面朝下与一块光滑块体的光滑面堆叠放置，形成所述水平裂隙。
优选地，所述步骤(3)中，形成垂直裂隙与水平裂隙的粗糙节理面相同或者相异。
优选地，所述步骤(4)中，第一支撑臂为两个，两个第一支撑臂分别相对固定于水平裂隙的两侧，每一个第一支撑臂包括相对设置的两个第一支撑件，两个第一支撑件分别相对固定于形成水平裂隙的两个透明仿真模型薄板的侧部，一个第一支撑件高于透明仿真模型薄板的界面的高度差为H1，另一个第一支撑件低于透明仿真模型薄板的界面的高度差为H2，H1小于或等于H2。
优选地，所述步骤(4)中，第二支撑臂为两个，两个第二支撑臂分别相对固定于垂直平裂隙的两侧，每一个第二支撑臂包括相对设置的一个第二支撑件和一个第三支撑件，第二支撑件和第三支撑件分别相对固定于形成垂直裂隙的两个透明仿真模型薄板的侧部，第二支撑件高于透明仿真模型薄板的界面的高度差为D1，第三支撑件低于透明仿真模型薄板的界面的高度差为D2，D1小于或等于D2。
优选地，所述步骤(4)中，通过调节两个相对的第一支撑件或相对的第二支撑件、第三支撑件之间的开度来调节水平裂隙或者垂直裂隙的开度。
优选地，通过在所述两个相对的第一支撑件或相对的第二支撑件、第三支撑件之间添加垫片来调节其开度。
通过在仿真模型侧面支撑臂与裂隙开度巧妙固定实现了模型高精度拆装，通过在相对的支撑件之间贴合面插入垫片实现了裂隙开度的精确控制。通过工型夹紧侧边支撑臂的方式，实现了模型的整体的固定，同时也实现了模型可拆卸功能。
本发明的岩石交叉裂隙仿真模型的制作方法主要包括三个步骤：获取粗糙岩石裂隙结构面，复制岩石裂隙结构面，构建组装裂隙交叉结构。具体的如通过人工糙化岩石表面的方法获得类似天然裂隙面；而后采用硅胶、树脂材料翻模的方法制作出带有岩石粗糙结构面的透明仿真结构；最后通过对仿真结构拼接组合使形成类似于天然裂隙交叉的透明仿真模型。
本发明具有以下优点和有益效果：
本发明的岩石交叉裂隙仿真模型的制作方法，实现了裂隙粗糙度可控、制作简单，成本低廉；在裂隙特征上高精度的复制了岩石裂隙结构面。在模型组装上实现了裂隙开度可调、可精确拆卸组装功能，整体上实现了三维粗糙交叉裂隙模型的可视化观测。本发明的方法制备的模型特别适用于开展裂隙交叉及裂隙网络尺度上的渗流机理及规律的研究，能够最大程度的反映天然裂隙通道的结构，特别适用于开展与岩石裂隙结构面有关的可视化试验，如地下裂隙渗流，该模型制作方法具有工序简单，精度高，效费比高，周期短等诸多优点。
附图说明
图1为交叉裂隙试样的三维模型示意图；
图2为水平裂隙结构示意图；
图3为垂直裂隙剖面图；
图4为粗糙节理裂隙薄板制作方法示意图；
图5为含裂隙块体制作方法示意图。
图中：1、含垂直裂隙面的薄板；2、含水平节理面上部块体；3、含水平节理面下部块体；4、第一支撑臂，41、第一支撑件；5、第二支撑臂；51、第二支撑件；52、第三支撑件；6、垫片；7、岩石；8-硅胶样板模；9、工型夹；10、环氧树脂；11、透明仿真模型薄板；12、薄板；13、水晶方体。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图1-5所示，一种岩石交叉裂隙仿真模型制作方法，包括以下步骤：
1)获取粗糙岩石裂隙结构面
人工制作粗糙面制作(在其他实施例中也可以选取具有天然粗糙面的石材)，选取标准长方体尺寸(长L，宽W，高H)的岩石，采用荔枝皮的锤在石材表面(L×W面)敲击，使石材表面形成形如荔枝皮的粗糙表面，得到所需岩石。通过人为选取敲击锤的表面结构、控制调整敲击密度、力度可获取研究所需的粗糙结构面。
2)复制岩石裂隙结构面
采用目前成熟的硅胶翻模技术对岩石结构面进行复刻，使形成硅胶样板模。待硅胶样板模完全固化后，取出岩石，同时在待硅胶样板模中浇筑h1厚度的环氧树脂。待环氧树脂完全固化后取出即形成尺寸为L×W×h1的带有粗糙节理面的透明仿真模型薄板。
粗糙交叉裂隙模型存在水平和垂直2个不同的裂隙结构面，其具有不同的结构面形状和尺寸。在模型制作时需分开制作，而后拼接。首先在透明仿真模型薄板中选取满足需求节理面的大致区域，而后采用机械切割的方式切出尺寸为长L1宽L1厚h1的含垂直节理面的薄板1，该含垂直节理面的薄板1即可作为垂直裂隙面拼接使用。
同样的在尺寸为L×W×h1的透明仿真模型薄板上采用机械切割的方式切出2块长L2宽L2厚h1的薄板12，对切割面依次采用500目、1000目、2000目、5000目的砂纸进行人工打磨，抛光使形成透明光滑的表面。而后采用光固化胶将此薄板12节理面的背面与长L2宽L2厚h2的水晶方块的L2×L2面相粘接，使形成尺寸为L2×L2×(h1+h2)的透明块体，该块体即为水平裂隙拼接用的母版模型。进一步对该母版模型进行硅胶、环氧树脂翻模即可得到试验用含节理面的块体，按此方法分别制备含垂直节理面的薄板1、含水平节理面上部块体2和含水平节理面下部块体3。
3)构建组装裂隙交叉结构
将含水平节理面上部块体2和含水平节理面下部块体3堆叠放置，节理面相对即形成了水平方向的裂隙面。将1个含垂直节理面的薄板1垂直靠在堆叠放置的含水平节理面上部块体2和含水平节理面下部块体3的侧部即形成了垂直裂隙。垂直裂隙和水平裂隙相互交叉即形成交叉裂隙。分别在水平裂隙两侧固定有第一支撑臂4，每一个第一支撑臂4包括相对设置的两个第一支撑件41，两个第一支撑件41分别相对固定在含水平节理面上部块体2和含水平节理面下部块体3的侧部，固定于含水平节理面上部块体2侧部的第一支撑件41的底面比含水平节理面上部块体2的节理面的高度低H2，固定于含水平节理面下部块体3的第一支撑件41的顶面比含水平节理面下部块体3的顶面高H1，H1小于或等于H2；在靠近垂直裂隙的含水平节理面上部块体2和含水平节理面下部块体3和含垂直节理面的薄板1两侧固定有第二支撑臂5，每个第二支撑臂5包括相对设置的第二支撑件51和第三支撑件52，本实施例中，第二支撑件51为一个，固定于含垂直节理面的薄板1的侧部，第三支撑件52为两个，分别固定于含水平节理面上部块体2和含水平节理面下部块体3的侧部，第三支撑件52和第二支撑件51相对设置，两个第三支撑件52的位置对称，界面平齐；第二支撑件51的顶面比其固定的含垂直节理面的薄板1的节理面高D1，第三支撑件52的顶面比起固定的含水平节理面上部块体2和含水平节理面下部块体3的界面低D2，其中D1小于或等于D2。第一支撑臂4和第二支撑臂5采用工型夹9夹紧即实现了模具的整体固定。两个相对的第一支撑件41、相对的第二支撑件51和第三支撑件52所形成的贴合面与裂隙面存在5mm左右的错位差。两个相对的第一支撑件41、相对的第二支撑件51和第三支撑件52之间内可通过插入0.01mm-5mm不同规格的垫片6调节裂隙开度。
所述步骤2)中硅胶、环氧树脂10浇筑前均需静置与真空箱内半小时，浇筑时应从边角浇筑，使硅胶和环氧树脂10自流并包裹母模。
所述步骤2)中硅胶、环氧树脂10浇筑后需静置在恒温环境三天以上，使材料完全固化，防止模型变形。
所述步骤2)中模型切割及打磨时均需保持切割边的呈锋利直角。
所述步骤2)中透明块体的高度(h1+h2)等于L1/2。
所述步骤3)中第一支撑臂4和第二支撑臂5与含垂直节理面的薄板1、含水平节理面上部块体2和含水平节理面下部块体3之间贴合面，并与所形成的裂隙面采用错位固定的方式，既能围设成裂隙面的水流通道，又能保证每次模型拆装过程中块体与薄板能够卡入相同的位置，保证模型的拆装精度。
所述步骤3)中两个相对第一支撑件41之间，相对的第二支撑件51和第三支撑件52之间所形成的贴合面内可插入高精度的垫片6，用于调节裂隙面的开度。
实施例2
如图1-5所示，一种岩石交叉裂隙仿真模型制作方法，包括以下步骤：
1)获取粗糙岩石裂隙结构面
人工粗糙面制作，选取标准长方体尺寸(长20cm，宽20cm，高5cm)的石材，采用荔枝皮的锤在石材表面(20cm×20cm面)敲击，使石材表面形成形如荔枝皮的粗糙表面，得到所需岩石7。通过人为选取敲击锤的表面结构、控制调整敲击密度、力度可获取研究所需的粗糙结构面。
2)复制岩石裂隙结构面
采用目前成熟的硅胶翻模技术对岩石结构面进行复刻，使形成硅胶样板模8。待硅胶样板模8完全固化后，取出岩石7，同时在硅胶样板模8中浇筑1.5cm厚度的环氧树脂10。待环氧树脂10完全固化后取出即形成尺寸为20×20×1.5cm的带有粗糙节理面的透明仿真模型薄板11。
粗糙交叉裂隙模型存在水平和垂直2个不同的裂隙结构面，其具有不同的结构面形状和尺寸。在模型制作时需分开制作，而后拼接。首先在透明仿真模型薄板11中选取满足需求节理面的大致区域，而后采用机械切割的方式切出尺寸为长10cm宽5cm厚1.5cm的含垂直节理面的薄板1，该含垂直节理面的薄板1即可作为含垂直裂隙面的薄板拼接使用。
同样的在尺寸为20×20×1.5cm的透明仿真模型薄板11上采用机械切割的方式切出2块5×5×1.5cm薄板12，对切割面依次采用500目、1000目、2000目、5000目的砂纸进行人工打磨，抛光使形成透明光滑的表面。而后采用光固化胶将此薄板12节理面的背面与5×5×3.5cm的水晶方块13的5×5cm面相粘接，使形成尺寸为5×5×5cm的透明块体，该块体即为水平裂隙拼接用的母版模型。进一步对该母版模型进行硅胶翻模得到样板模14，进行环氧树脂10浇筑翻模即可得到试验用水平裂隙拼接的含水平节理面上部块体2和含水平节理面下部块体3。
3)构建组装裂隙交叉结构
将含水平节理面上部块体2和含水平节理面下部块体3堆叠放置，节理面相对即形成了水平方向的裂隙面。将1个含垂直节理面的薄板1垂直靠在堆叠放置的含水平节理面上部块体2和含水平节理面下部块体3的侧部即形成了垂直裂隙。垂直裂隙和水平裂隙相互交叉即形成交叉裂隙。分别在水平裂隙两侧固定有第一支撑臂4，每一个第一支撑臂4包括相对设置的两个1.5×2×3cm的第一支撑件41，两个第一支撑件41分别相对固定在含水平节理面上部块体2和含水平节理面下部块体3的侧部，固定于含水平节理面上部块体2侧部的第一支撑件41的底面比含水平节理面上部块体2的节理面的高度低H2，固定于含水平节理面下部块体3的第一支撑件41的顶面比含水平节理面下部块体3的顶面高H1，H1小于或等于H2；在靠近垂直裂隙的含水平节理面上部块体2和含水平节理面下部块体3和含垂直节理面的薄板1两侧固定有第二支撑臂5，每个第二支撑臂5包括相对设置的1.5×2×5cm的第二支撑件51和第三支撑件52，本实施例中，第二支撑件51为一个，固定于含垂直节理面的薄板1的侧部，第三支撑件52为两个，分别固定于含水平节理面上部块体2和含水平节理面下部块体3的侧部，第三支撑件52和第二支撑件51相对设置，两个第三支撑件52的位置对称，界面平齐；第二支撑件51的顶面比其固定的含垂直节理面的薄板1的节理面高D1，第三支撑件52的顶面比起固定的含水平节理面上部块体2和含水平节理面下部块体3的界面低D2，其中D1小于或等于D2。第一支撑臂4和第二支撑臂5采用工型夹夹紧即实现了模具的整体固定。第一支撑臂4和第一支撑臂4均采用有机玻璃材料，第一支撑臂4和第一支撑臂4均采用工型夹9夹紧即实现了模具的整体固定。两个相对的第一支撑件41、相对的第二支撑件51和第三支撑件52所形成的贴合面与裂隙面存在5mm左右的错位差。两个相对的第一支撑件41、相对的第二支撑件51和第三支撑件52之间内可通过插入0.01mm-5mm不同规格的垫片6调节裂隙开度。
实施例3
本实施例与实施例1和2的区别在于，形成水平裂隙的上部块体2或下部块体3不含有节理面，水平裂隙只有一边有粗糙节理面。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种岩石交叉裂隙仿真模型的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取粗糙岩石裂隙结构面
选取表面具有粗糙结构面的石材；
(2)复制岩石裂隙结构面
对石材的粗糙结构面进行复刻，得到样板模；在样板模中浇筑透明树脂，待透明树脂完全固化后取出即形成带有粗糙节理面的透明仿真模型薄板；
(3)构建组装裂隙交叉结构
将带有粗糙节理面的透明仿真模型薄板按照节理面朝内堆叠放置，形成了水平裂隙，将另一块带有粗糙节理面的透明仿真模型薄板按照节理面与水平裂隙相对且垂直的方向靠在堆叠放置的透明仿真模型薄板的侧部即形成了垂直裂隙，得到仿真模具，垂直裂隙和水平裂隙相互交叉即形成交叉裂隙；
(4)岩石交叉裂隙仿真模型的固定
在水平裂隙的两侧分别固定有第一支撑臂，在垂直裂隙的两侧分别固定有第二支撑臂，采用两个第一支撑臂和两个第二支撑臂分别夹紧即实现了仿真模具的整体固定，第一支撑臂和其固定的透明仿真模型薄板围设成水平裂隙空间，第二支撑臂和其固定的透明仿真模型薄板围设成垂直裂隙空间。
2.根据权利要求1所述的岩石交叉裂隙仿真模型的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)中，石材的粗糙结构面可为自然形成也可是采用表面具有纹理的敲击锤敲击形成。
3.根据权利要求1所述的岩石交叉裂隙仿真模型的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中，采用硅胶翻模技术对石材结构面进行复刻，得到样板模；所述透明树脂为环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的岩石交叉裂隙仿真模型的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)中，将两块均含有粗糙节理面的透明仿真模型薄板按照节理面相对堆叠放置，形成所述水平裂隙。
5.根据权利要求1所述的岩石交叉裂隙仿真模型的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)中，将一块含有粗糙节理面的透明仿真模型薄板按照节理面朝下与一块光滑块体的光滑面堆叠放置，形成所述水平裂隙。
6.根据权利要求1所述的岩石交叉裂隙仿真模型的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)中，形成垂直裂隙与水平裂隙的粗糙节理面相同或者相异。
7.根据权利要求1所述的岩石交叉裂隙仿真模型的制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中，第一支撑臂为两个，两个第一支撑臂分别相对固定于水平裂隙的两侧，每一个第一支撑臂包括相对设置的两个第一支撑件，两个第一支撑件分别相对固定于形成水平裂隙的两个透明仿真模型薄板的侧部，一个第一支撑件高于透明仿真模型薄板的界面的高度差为H1，另一个第一支撑件低于透明仿真模型薄板的界面的高度差为H2，H1小于或等于H2。
8.根据权利要求1所述的岩石交叉裂隙仿真模型的制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中，第二支撑臂为两个，两个第二支撑臂分别相对固定于垂直平裂隙的两侧，每一个第二支撑臂包括相对设置的一个第二支撑件和一个第三支撑件，第二支撑件和第三支撑件分别相对固定于形成垂直裂隙的两个透明仿真模型薄板的侧部，第二支撑件高于透明仿真模型薄板的界面的高度差为D1，第三支撑件低于透明仿真模型薄板的界面的高度差为D2，D1小于或等于D2。
9.根据权利要求7或8所述的岩石交叉裂隙仿真模型的制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中，通过调节两个相对的第一支撑件或相对的第二支撑件、第三支撑件之间的开度来调节水平裂隙或者垂直裂隙的开度。
10.根据权利要求9所述的岩石交叉裂隙仿真模型的制作方法，其特征在于：通过在所述两个相对的第一支撑件或相对的第二支撑件、第三支撑件之间添加垫片来调节其开度。
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