一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备及观测方法技术

本发明专利技术提供一种基于3D打印技术的岩体裂隙网络渗流微观特征观测设备，首先采用透明树脂材料经3D打印得到实验所需试样。伺服电机控制器、流量计、电磁阀均与控制主板通过电路连接，构成伺服回路。该伺服回路根据流量计读数，由控制主板控制相应电磁阀的开启与关闭，从而选取量程合适的流量计来显示流量，同时由控制主板对流量计的数据进行采集；当流量计所示流量未达到要求时，由控制主板向伺服电机控制器发送信号，伺服电机控制器控制伺服电机改变抽水泵的转速，增加或减少其供水量，使流量达到实验要求。控制主板在实验过程中自动采集压差、流量等数据，并采用PIV粒子成像测速及核磁共振技术来观测和记录渗流在岩体裂隙网络中运动的微观特征。

An Observation Equipment and Method for Micro-characteristics of Rock Fracture Seepage Based on 3D Printing Technology

The invention provides an observation device for microscopic characteristics of seepage flow in rock mass fracture network based on 3D printing technology. Firstly, the transparent resin material is used to print the required sample in 3D. Servo motor controller, flow meter and solenoid valve are connected with the control motherboard through circuit to form a servo loop. According to the reading of flowmeter, the control motherboard controls the opening and closing of the corresponding solenoid valve, so as to select a flowmeter with suitable range to display the flow, and the control motherboard collects the data of the flowmeter. When the flow shown by the flowmeter does not meet the requirements, the control motherboard sends signals to the servo motor controller, and the servo motor controller controls the change of the servo motor. Variable pump speed, increase or reduce its water supply, make the flow meet the experimental requirements. The control board automatically collects pressure difference, flow rate and other data during the experiment, and uses PIV particle imaging velocimetry and nuclear magnetic resonance technology to observe and record the micro-characteristics of seepage movement in rock mass fracture network.

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备及观测方法
本专利技术涉及岩体裂隙网络渗流观测的领域，尤其是一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备。
技术介绍
岩体裂隙渗流对于岩土工程有着十分重要的影响，主要表现为渗流对岩体的物理、化学以及力学性质的影响。因此，观测岩体裂隙网络渗流具有重要意义。目前已有的岩体裂隙渗流实验设备，通常仍使用岩石试件，只能够测量岩体裂隙网络的渗透系数，不能直观地观测渗流在岩体裂隙中的流动，无法从微观角度分析岩体裂隙渗流特征。本专利技术提出了一种岩体裂隙网络渗流微观特征观测设备，该设备能够在试验中自动采集流量与压差数据，还可以得到岩体裂隙网络中流速分布的图像。本设备可以精确控制试验过程，并具有可视化、自动化的优点。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种基于3D打印技术的岩体裂隙网络渗流微观特征观测设备，以此来实现岩体裂隙网络中渗流微观特征的可视化并精确测量岩体裂隙渗透系数的目的。技术方案：为解决上述技术问题，首先由统计规律得到随机裂隙网络的计算方法，根据此方法生成试样的随机裂隙，并采用透明树脂材料经3D打印得到实验所需试样。伺服电机、伺服电机控制器、流量计、电磁阀均与控制主板通过电路连接，构成伺服回路。该伺服回路是根据流量计读数，由控制主板控制相应电磁阀的开启与关闭，从而选取量程合适的流量计来显示流量，同时由控制主板对流量计的数据进行采集；当流量计所示流量未达到要求时，由控制主板向伺服电机控制器发送信号，伺服电机控制器控制伺服电机改变抽水泵的转速，增加或减少其供水量，使流量达到实验要求。控制主板在实验过程中自动采集压差、流量等数据，并采用PIV粒子成像测速及核磁共振技术来观测和记录渗流在岩体裂隙网络中运动的微观特征。一种基于3D打印技术的岩体裂隙网络渗流微观特征观测设备，包括供水系统、试样装置、控制主板、流量计、电磁阀、压力传感器、微观测量系统、计算机系统、管道系统；所述供水系统包括依次连接的储水箱、抽水泵、伺服电机、和伺服电机控制器，所述储水箱内滴加有色墨水；所述试样装置包括试样支座和放置在试样支座上的透明树脂试样；所述供水系统通过管道系统连接在透明树脂试样的进水面和出水面，所述管道系统包括管径渐变的管道、一般管道，其中与透明树脂试样连接的一端为管径渐变的管道，与供水系统连接的一端为一般管道，所述一般管道上设有流量计以及用于控制管道开启、关闭的电磁阀，与透明树脂试样进水面和出水面相连接的管径渐变的管道上设有测压口；所述储水箱上分别设有出水口、进水口和排气口，水流经过出水口流经管道系统从透明树脂试样的进水面流入透明树脂试样，然后经过出水面流经管道系统从进水口流程储水箱；所述压力传感器设置在与测压口处，用于测量透明树脂试样进水面和出水面两侧的压力；所述微观测量系统设置在透明树脂试样的外围，用于试样裂隙内部的渗流进行图像采集；所述控制主板分别连接和控制伺服电机控制器、电磁阀、流量计和压力传感器；所述控制主板和微观测量系统分别与计算机相连。进一步的，所述流量计包括三个量程不同的椭圆齿轮流量计，小量程流量计、中量程流量计、大量程流量计，三个流量计通过3个管道直径不同的并联管道连接在一般管道上，相应的，并联管道上设有3个电磁阀。进一步的，所述管径渐变的管道与透明树脂试样的进水面和出水面连接处分别设有导流板和滤网，并通过橡胶密封垫和螺栓连接。进一步的，所述微观测量系统包括PIV粒子成像测速系统、核磁共振系统，用于对试样裂隙内部的渗流进行图像采集。进一步的，所述PIV粒子成像测速系统包括PIV高速相机、激光发射器和激光扩束器，所述PIV高速相机与计算机相连接。进一步的，有色墨水为蓝色或红色墨水，以便于观测裂隙网络中的微观流动特征。进一步的，所述透明树脂试样通过如下方式获得，首先由统计规律得到随机裂隙网络的计算方法，根据此方法生成试样的随机裂隙，并采用透明树脂材料经3D打印得到实验所需透明树脂试样。进一步的，所述透明树脂试样为立方体，所述管径渐变的管道，管径较小的一端为圆口，较大的一端是与透明树脂试样侧面相匹配的方形口。本专利技术还提供一种利用上述技术方案中的观测设备进行岩体裂隙渗流微观特征的观测方法，包括如下步骤：步骤1、实验试样的制备；由统计规律得到随机裂隙网络的计算方法，根据此方法生成试样的随机裂隙，并采用透明树脂材料经3D打印得到实验所需试样；步骤2、实验设备的安装；首先将供水系统、透明树脂试样通过管道系统连接成一个循环伺服电路通路，然后安装好压力传感器、电磁阀、流量计、控制主板、微观测量系统以及计算机，同时将各部分电路连接完毕；透明树脂试样在安装时，要在进水面和出水面放置导流板和滤网，然后与两个管径渐变的管道进行连接，连接时，先在试样与该管道的接触面垫上橡胶密封垫，再以螺栓紧固，保证试验中连接处不漏水；步骤3、设备排气；先由循环伺服电路控制抽水泵从储水箱抽水，先慢速通水，将设备内部的大部分空气排出，然后打开储水箱上的排气口，待系统中的残余空气排出后关闭排气口；步骤4、开始试验；待排气完毕后，通过伺服电机控制器改变抽水泵的供水量，调节实验中的渗流流速，测得透明树脂试样在不同流速下的相关数据，同时用PIV粒子成像测速系统或核磁共振系统对透明树脂试样裂隙内部的渗流进行图像采集；步骤5、数据后处理；通过计算机系统对采集到的图像、数据进行处理，求得渗透系数，绘出渗透系数与流速的关系曲线、水力梯度与流速的关系曲线，还可得到试样中裂隙网络内渗流在微观下的流速分布图。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：1、采用了管径逐渐增大的管道，保证流速渐变，湍流少、层流多；2、伺服电机控制器、流量计、电磁阀均与控制主板通过电路连接，构成伺服回路。通过伺服回路控制流量，可控制流量按照正弦波、余弦波等方式进行变化；3、试件采用透明树脂材料经3D打印而成，在水源箱中滴加蓝色或红色墨水使实验渗流有色，可在宏观上清晰地观察到裂隙中的渗流状况；4、压力传感器计、流量计、伺服电机控制器均与控制主板连接，可以在实验进行时自动对试件前后的压差、管道中的流量进行数据采集；5、采用PIV粒子成像测速与核磁共振技术，可经后处理得到岩体裂隙网络的微观渗流特征，如裂隙中渗流的三维流速分布图；6、整个实验过程自动化程度高，节省人力物力；7、实现了水的循环利用，大量节约了实验用水。附图说明图1是本设备的整体示意图；图2是本设备的试样装置部分示意图；图3是PIV粒子成像测速系统部分示意图；图4为核磁共振系统部分示意图；图5是实验流程图。图中：1，供水系统；1-1，伺服电机，1-2，抽水泵，1-3，储水箱，1-4，伺服电机控制器；1-3-1，出水口，1-3-2，进水口，1-3-3，排气口；2，试样装置，2-1，透明树脂试样，2-2，螺栓，2-3，橡胶密封垫，2-4，测压口，2-5，导流板，2-6，滤网，2-7，试样支座；3，控制主板；4，流量计，4-1，小量程流量计，4-2，中量程流量计，4-3，大量程流量计；5，电磁阀；6；压力传感器7，微观测量系统，7-1，PIV粒子成像测速系统，7-1-1，PIV高速相机，7-1-2，激光发射器，7-1-3，激光扩束器，7-2，核磁共振系统，7-2-1核磁共振仪；8，计算机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备，其特征在于：包括供水系统、试样装置、控制主板、流量计、电磁阀、压力传感器、微观测量系统、计算机系统、管道系统；所述供水系统包括依次连接的储水箱、抽水泵、伺服电机、和伺服电机控制器，所述储水箱内滴加有色墨水；所述试样装置包括试样支座和放置在试样支座上的透明树脂试样；所述供水系统通过管道系统连接在透明树脂试样的进水面和出水面，所述管道系统包括管径渐变的管道、一般管道，其中与透明树脂试样连接的一端为管径渐变的管道，与供水系统连接的一端为一般管道，所述一般管道上设有流量计以及用于控制管道开启、关闭的电磁阀，与透明树脂试样进水面和出水面相连接的管径渐变的管道上设有测压口；所述储水箱上分别设有出水口、进水口和排气口，水流经过出水口流经管道系统从透明树脂试样的进水面流入透明树脂试样，然后经过出水面流经管道系统从进水口流程储水箱；所述压力传感器设置在与测压口处，用于测量透明树脂试样进水面和出水面两侧的压力；所述微观测量系统设置在透明树脂试样的外围，用于试样裂隙内部的渗流进行图像采集；所述控制主板分别连接和控制伺服电机控制器、电磁阀、流量计和压力传感器；所述控制主板和微观测量系统分别与计算机相连。...

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备，其特征在于：包括供水系统、试样装置、控制主板、流量计、电磁阀、压力传感器、微观测量系统、计算机系统、管道系统；所述供水系统包括依次连接的储水箱、抽水泵、伺服电机、和伺服电机控制器，所述储水箱内滴加有色墨水；所述试样装置包括试样支座和放置在试样支座上的透明树脂试样；所述供水系统通过管道系统连接在透明树脂试样的进水面和出水面，所述管道系统包括管径渐变的管道、一般管道，其中与透明树脂试样连接的一端为管径渐变的管道，与供水系统连接的一端为一般管道，所述一般管道上设有流量计以及用于控制管道开启、关闭的电磁阀，与透明树脂试样进水面和出水面相连接的管径渐变的管道上设有测压口；所述储水箱上分别设有出水口、进水口和排气口，水流经过出水口流经管道系统从透明树脂试样的进水面流入透明树脂试样，然后经过出水面流经管道系统从进水口流程储水箱；所述压力传感器设置在与测压口处，用于测量透明树脂试样进水面和出水面两侧的压力；所述微观测量系统设置在透明树脂试样的外围，用于试样裂隙内部的渗流进行图像采集；所述控制主板分别连接和控制伺服电机控制器、电磁阀、流量计和压力传感器；所述控制主板和微观测量系统分别与计算机相连。2.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备，其特征在于：所述流量计包括三个量程不同的椭圆齿轮流量计，小量程流量计、中量程流量计、大量程流量计，三个流量计通过3个管道直径不同的并联管道连接在一般管道上，相应的，并联管道上设有3个电磁阀。3.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备，其特征在于：所述管径渐变的管道与透明树脂试样的进水面和出水面连接处分别设有导流板和滤网，并通过橡胶密封垫和螺栓连接。4.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备，其特征在于：所述微观测量系统包括PIV粒子成像测速系统、核磁共振系统，用于对试样裂隙内部的渗流进行图像采集。5.如权利要求3所述的一种基于3D打印技术的岩体裂隙渗流微观特征观测设备，其特征在于：所述PIV粒子成像测速系统包括PIV高速相机、激...

【专利技术属性】
技术研发人员：张燕，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42