基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统技术方案

基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统，属于岩土工程领域。包括水头装置、实验主体装置和循环装置，水头装置包括上水箱，上水箱内设有可调挡水板；实验主体装置包括连通管、空心流道及测量筒，空心流道包括示踪粒子漏斗、可卸玻璃盖、防水绝缘垫板、空心垫台、平行板、进水管和出水管，空心流道四周侧板顶部设有放置防水绝缘垫板的槽体，平行板为利用3D打印技术打印制得，空心流道的出水管延伸到测量筒上方，循环装置包括回水管、下水箱、水泵、供水管及溢流管，回水管的两端分别与测量筒及下水箱相连，下水箱通过溢流管与上水箱的贯通孔连接，下水箱内设有水泵，水泵通过供水管与上水箱的输水孔相连。本实用新型专利技术适用于渗流特征差异性研究。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于岩土工程领域，涉及一种基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统。
技术介绍
由于岩体的天然裂隙结构及流体在岩体裂隙中的运动状态异常复杂，因此，岩体裂隙渗流行为的研究一直是岩土、矿业、地质、石油及天然气工程高度关注的难点问题。天然岩体是具有宏观裂隙和微观裂隙的结构体。岩体渗流不仅要解决单裂隙渗流的定量描述，而且还要解决应力作用下裂隙网络演化的定量描述以及渗流路径选择机制等一系列难题。岩石单缝裂隙渗流特性是研究裂隙岩体渗流的基础，然而就单裂隙问题而言，其渗流机理与定量描述存在很大的难题尚待解决。天然裂隙形态极不规则，裂隙的开度、粗糙性、接触程度、连通性等特征对流体渗流具有重要影响。如何定量解析和描述流体在复杂裂隙结构中的渗流机理及影响因素是岩体裂隙渗流研究中的难点。苏联学者Lomize提出的描述缝隙水渗流的平行板模型为基础，基于已有的光滑平行模板模型的立方定律被广泛应用于岩体裂隙渗流分析，并以此建立了很多岩体渗透性与应力关系的模型。然而，这并不匹配天然岩体的实际情况，天然裂隙粗糙且不规则，现有的基于平行光滑裂隙的研究很难满足实际的天然岩石裂缝的情况；为了能够更加真实地反映天然岩体裂隙的渗流机理，很多学者采用粗糙度、分形维数、接触面形状、接触面面积等参数来分析裂隙面特征对渗流的影响，然而由于实验方法和数据处理的差异，不同的研究者得到了不同甚至相反的实验结论。所以，天然岩体裂隙的渗流机理还有待实验验证。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、水位的水流等。因此，亟需一种能够有效改变多个变量来研究平行裂缝水渗流的实验系统。同时，随着3D打印技术的飞速发展，3D打印技术被广泛应用于各行各业。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。考虑设计一种基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统，以便克服现有的实验设备不能调节裂隙缝宽、粗糙度等缺点。
技术实现思路
本技术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调节裂隙缝宽、粗糙度、水位的水流等的缺点，提供一种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。本技术解决其技术问题所采用的技术方案是：基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统，包括水头装置、实验主体装置和循环装置，水头装置包括上水箱，上水箱内设有可调挡水板，可调挡水板用于将上水箱内的水分割开来，上水箱底板上还设有输水孔及排水孔，输水孔设置于多孔消能盒内，所述排水孔与输水孔分别设置在可调挡水板两侧，可调挡水板包括上板及下板，所述上板侧壁与下板侧壁相贴合，上板能够相对于下板而滑动；实验主体装置包括连通管、空心流道及测量筒，连通管的两端分别与上水箱及空心流道相连通，空心流道包括示踪粒子漏斗、可卸玻璃盖、防水绝缘垫板、空心垫台、平行板、进水管和出水管，所述平行板为利用3D打印技术打印制得，平行板包括位于上方的第一部分和位于下方的第二部分，第一部分和第二部分之间设有裂缝，空心垫台位于平行板第一部分的上方，可卸玻璃盖位于空心垫台上方，防水绝缘垫板为“回”字形，与可卸玻璃盖的四周边侧相匹配，空心流道四周侧板顶部设有放置防水绝缘垫板的槽体，通过在可卸玻璃盖与空心流道侧板上方之间增减防水绝缘垫板的数量来调节平行板的缝宽，示踪粒子漏斗的下部穿过可卸玻璃盖延伸到空心流道内部，其底端高于进水管，示踪粒子漏斗于水平方向的投影位于平行板与进水管之间，进水管与连通管相连，空心流道的出水管延伸到测量筒上方；循环装置包括回水管、下水箱、水泵、供水管及溢流管，回水管的两端分别与测量筒及下水箱相连，下水箱通过溢流管与上水箱的排水孔连接，下水箱内设有水泵，水泵通过供水管与上水箱的输水孔相连，还包括分别设置于连通管、出水管、回水管、溢流管、供水管及示踪粒子漏斗上的阀门。进一步的，平行板是由同一分形维数随机生成的两个粗糙面组成的。具体的，所述空心流道为长方形空心流道，所述每一个防水绝缘垫板的厚度为0.5mm。进一步的，示踪粒子漏斗还包括用于测量的PIV同步仪器。具体的，所述上水箱和下水箱的材质为有机玻璃，可调挡水板为可调玻璃板，可卸玻璃盖为有机玻璃长方形盖，连通管、进水管、出水管、回水管、供水管及溢流管均为有机玻璃管。本技术的有益效果是：结构简单，使用方便，易于调节控制水头装置调节水位，便于更换实验材料及平行板，能通过3D打印技术较准确地控制平行板裂隙的粗糙度和分形维数，能够通过增减防水绝缘垫板调节平行板的缝宽，能够进行不同缝宽和不同水头的平行裂缝水渗流试验，实现对不同缝宽、不同粗糙度平行板的渗流特征差异性研究，以实现改变多个变量平行裂缝水渗流的研究，同时，能够利用电子测速仪实时准确记录示踪粒子监测水流运动状态的实验数据，更好地模拟天然岩体裂隙的复杂性，并引用已有的岩土工程理论知识实现对实验数据的处理和分析，实现对天裂隙岩体中流体渗流机制的研究，试验效果好，有效提高了试验效率。本技术适用于渗流特征差异性研究。附图说明图1是本技术使用时的系统结构示意图；图2是本技术的长方形空心流道的系统结构示意图；图3是本技术的长方形空心流道的俯视图；其中，1为水头装置，2为实验本体装置，3为循环装置，4为上水箱，5为可调挡水板，6为多孔消能盒，7为连通管，8为长方形空心流道，8-1为示踪粒子漏斗，8-2为螺钉，8-3为可卸玻璃盖，8-4为防水绝缘垫板，8-5为空心垫台，8-6为平行板，8-7为进水管，8-8为出水管，9-1、9-2、9-3、9-4、9-5均为阀门，10为测量筒，11为回水管，12为下水箱，13为水泵，14为供水管，15为溢流管，16为三角形支架。具体实施方式下面结合附图，详细描述本技术的技术方案。如图1所示是本技术的实验系统设置在桌面上使用时的结构示意图。基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统，包括水头装置1、实验主体装置2和循环装置3，水头装置1包括上水箱4，上水箱4内设有可调挡水板5，上水箱底板上还设有输水孔及排水孔，输水孔设置于多孔消能盒6内，多孔消能盒6是现有的，其作用是为了消减抽上来的水的能量，以保证水头稳定和出水口处水流不受扰动。所述输水孔与排水孔分别设置在可调挡水板5两侧，可调挡水板5垂直设置于上水箱中，其底部与上水箱4的底板相连，可调挡水板的长边与上水箱的宽度相等，且可调挡水板与上水箱边侧密封连接，可调挡水板5包括上板及下板，所述上板侧壁与下板侧壁相贴合，上板能够相对于下板而上下滑动，可调挡水板5用于将上水箱内的水分割开来，其原理类似于木桶原理，用可调挡水板控制水位，调节水的高度，若水的高度高于可调挡水板，则流入排水孔所在的一侧，再通过溢流管进入下水箱12中。上板与下板的固定方式有多种，利用现有技术即可实现，如下板上安装有导轨槽，上板上安装有导轨，导轨可以在导轨槽中滑动，且可以卡接固定在导轨槽中。又或是，下板侧壁设有卡接件，当上板滑动到预定位置后，卡接件固定住上板。实验主体装置2包括连通管7、空心流道及测量筒10。空心流道可以是任意形状的，由于长方形结构简单，也便于不同分形维数打印板的打印本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统，其特征在于，包括水头装置(1)、实验主体装置(2)和循环装置(3)，水头装置(1)包括上水箱(4)，上水箱(4)内设有可调挡水板(5)，可调挡水板(5)用于将上水箱内的水分割开来，上水箱底板上还设有输水孔及排水孔，输水孔设置于多孔消能盒(6)内，所述输水孔与排水孔分别设置在可调挡水板(5)两侧，可调挡水板(5)包括上板及下板，所述上板侧壁与下板侧壁相贴合，上板能够相对于下板而滑动，实验主体装置(2)包括连通管(7)、空心流道及测量筒(10)；连通管(7)的两端分别与上水箱(4)及空心流道相连通，空心流道包括示踪粒子漏斗(8‑1)、可卸玻璃盖(8‑3)、防水绝缘垫板(8‑4)、空心垫台(8‑5)、平行板(8‑6)、进水管(8‑7)和出水管(8‑8)，平行板(8‑6)设置于空心流道内部，所述平行板(8‑6)为利用3D打印技术打印制得，平行板(8‑6)包括位于上方的第一部分和位于下方的第二部分，第一部分和第二部分之间设有裂缝，空心垫台(8‑5)位于平行板(8‑6)第一部分的上方，可卸玻璃盖(8‑3)位于空心垫台(8‑5)上方，防水绝缘垫板为“回”字形，与可卸玻璃盖(8‑3)的四周边侧相匹配，空心流道四周侧板顶部设有放置防水绝缘垫板的槽体，通过在可卸玻璃盖(8‑3)与空心流道侧板上方之间增减防水绝缘垫板(8‑4)的数量来调节平行板(8‑6)的缝宽，示踪粒子漏斗(8‑1)的下部穿过可卸玻璃盖(8‑3)延伸到空心流道内部，其底端高于进水管(8‑7)，示踪粒子漏斗(8‑1)于水平方向的投影位于平行板(8‑6)与进水管(8‑7)之间，进水管(8‑7)与连通管(7)相连，空心流道的出水管(8‑8)延伸到测量筒(10)上方，循环装置(3)包括回水管(11)、下水箱(12)、水泵(13)、供水管(14)及溢流管(15)，回水管(11)的两端分别与测量筒(10)及下水箱(12)相连，下水箱(12)通过溢流管(15)与上水箱(4)的排水孔连接，下水箱(12)内设有水泵(13)，水泵(13)通过供水管(14)与上水箱(4)的输水孔相连，还包括分别设置于连通管(7)、出水管(8‑8)、回水管(11)、溢流管(15)、供水管(14)及示踪粒子漏斗(8‑1)上的阀门(9‑1，9‑2，9‑3，9‑4，9‑5，9‑6)。...

【技术特征摘要】
1.基于3D打印的平行裂隙渗流实验系统，其特征在于，包括水头装置(1)、实验主体装置(2)和循环装置(3)，水头装置(1)包括上水箱(4)，上水箱(4)内设有可调挡水板(5)，可调挡水板(5)用于将上水箱内的水分割开来，上水箱底板上还设有输水孔及排水孔，输水孔设置于多孔消能盒(6)内，所述输水孔与排水孔分别设置在可调挡水板(5)两侧，可调挡水板(5)包括上板及下板，所述上板侧壁与下板侧壁相贴合，上板能够相对于下板而滑动，实验主体装置(2)包括连通管(7)、空心流道及测量筒(10)；连通管(7)的两端分别与上水箱(4)及空心流道相连通，空心流道包括示踪粒子漏斗(8-1)、可卸玻璃盖(8-3)、防水绝缘垫板(8-4)、空心垫台(8-5)、平行板(8-6)、进水管(8-7)和出水管(8-8)，平行板(8-6)设置于空心流道内部，所述平行板(8-6)为利用3D打印技术打印制得，平行板(8-6)包括位于上方的第一部分和位于下方的第二部分，第一部分和第二部分之间设有裂缝，空心垫台(8-5)位于平行板(8-6)第一部分的上方，可卸玻璃盖(8-3)位于空心垫台(8-5)上方，防水绝缘垫板为“回”字形，与可卸玻璃盖(8-3)的四周边侧相匹配，空心流道四周侧板顶部设有放置防水绝缘垫板的槽体，通过在可卸玻璃盖(8-3)与空心流道侧板上方之间增减防水绝缘垫板(8-4)的数量来调节平行板(8-6)的缝宽，示踪粒子漏斗(8-1)的下部穿过可卸玻璃盖(8-3)延伸到空心流道内部，其底端高于进水管(8-7)，示踪粒子漏斗(8-1)于水平方向的投影位于平...

【专利技术属性】
技术研发人员：李兴，刘丽君，刘月，张茹，高明忠，张泽天，李安强，徐晓炼，谢晶，刘倩颖，查尔晟，陈泽华，彭媛，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：新型
国别省市：四川;51