[实用新型]基于3D打印的粗糙分形单裂隙渗流实验系统

说明书

技术领域

本实用新型属于岩土工程领域，涉及一种基于3D打印的粗糙分形单裂隙渗流实验系统。

背景技术

自然界中的大部分岩体介质深埋在地下，其赋存环境复杂多变，且存在大量产状不一、性质不同、尺度各异的裂隙，而裂隙岩体渗流特性一直是岩土工程、地质工程、矿业及非常规天然气开采工程等领域高度关注的难点问题。单一粗糙裂隙是组成岩体天然裂隙体结构的基本单元，其渗流规律是裂隙岩体渗流机制描述的基础。在已有的理论方法和技术条件下，想要准确测量和获知岩体介质内部复杂的裂隙结构是非常困难的，并且如何定量表征岩体介质也是一大难题。

岩体裂隙的形态、粗糙度、开度和连通性等均是决定岩体裂隙渗透特性重要因素。岩体裂隙的基本构成单元是单一裂隙，因此研究复杂岩体裂隙网络渗流规律的基础和关键是构建符合实际裂隙特征的单一裂隙渗流模型，并对其渗流特性进行研究。其中，裂隙粗糙度是用来表征裂隙结构面侧壁的粗糙程度的指标，目前已有的裂隙粗糙度的表征方法主要有凸起高度表征法、节理粗糙度系数JRC表征法和分维表征法。然而，较为常用的节理粗糙系数JRC表征法仍是定性的描述方法，只能通过肉眼经验判别，通过对实际节理形貌的对比得到一个JRC的区域值，存在一定的误差，并不能实现定量描述。而相对于该方法，分维表征法通过分形维数D来定量刻画节理粗糙度，能够更客观且准确地表征岩体裂隙粗糙程度。且岩体裂隙具有明显的分形特征，真实单一裂隙体本身可以看成是由上下两个裂隙面叠合而成，故可以用分形维数D来表征岩体裂隙表面的粗糙程度。

然而，现有的技术和实验都不能很好地模拟和验证流体在天然岩体裂隙中的渗流状态，也不能对流体在天然岩体裂隙的渗流行为进行很好的同步记录，不能有效调节裂隙缝宽、粗糙度(分形维数是粗糙度的表征量)、压力水头等。因此，亟需一种能够有效改变多个变量来研究平行粗糙裂缝水渗流的实验系统。同时，在实验过程中，提高实验系统的环保性和智能性也是当前实验系统的发展趋势。

近年来，3D成型(也称3D打印)技术呈现出持续加速增长的发展趋势，已广泛应用于工业设计制造、汽车、航空航天、医疗事业等领域。3D打印技术采用的是增材制造技术，此技术也可称为快速原型技术或叠加成型技术，是指通过叠加式制造工序，根据计算机数据，利用塑料等其他材料逐层自动打印物品的技术。随着3D打印技术的发展，3D打印技术也被逐步应用于各类实验研究中，它的出现使得快速制作复杂三维固体模型成为现实。基于已生成的数字模型文件，使用金属材料或光敏树脂等材料，在激光快速固化的技术条件下，逐层堆积打印材料，最终形成三维固体模型。现有的3D打印技术在岩土工程中的应用，给我们提供了将该技术运用到进行裂隙渗流实验中的启示。因此，考虑设计一种基于3D打印的粗糙分形单裂隙渗流实验系统，将3D打印技术运用到岩体单一裂隙物理模型的水渗流实验中，通过3D打印技术创建具有不同粗糙度的分形裂隙模型，探索单一粗糙裂隙分形维数与等效渗透率之间的定量关系，为复杂裂隙体的渗流模型试验研究奠定基础。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是为了克服现有技术中的实验设备不能简单快速调节粗糙裂隙分形维数、裂隙缝宽和压力水头等的缺点，提供一种环保智能且能够改变多个变量来研究平行裂缝水渗流的基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统。