[发明专利]分形交叉裂隙渗流实验系统及实验方法

说明书

分形交叉裂隙渗流实验系统及实验方法，属于岩土工程领域。包括储水箱、导水管及水头水箱，水头水箱开设有进水孔，水流通过进水孔进入实验主体中，实验主体包括交叉状空心流道槽及其上的盖板，交叉状空心流道槽中设置有3D打印的分形交叉裂隙平行板物理模型，该模型是基于分形函数构造粗糙分形曲线，由软件根据上述曲线建立三维立体模型，并通过3D打印设备打印而成；该模型包括相互交叉的粗糙裂隙与光滑裂隙，粗糙裂隙与光滑裂隙的渗流路径长度相同，出水孔与集水箱相连，集水箱上方设置有水位监测器，集水箱通过连通管与储水箱相连，还包括智能调控装置，压力传感片及水位监测器分别与智能调控装置相连；适用于分形交叉裂缝渗流实验的研究。

技术领域

本发明属于岩土工程领域，涉及一种基于3D打印技术能实现多重试验工况耦合作用的分形交叉裂隙渗流实验系统及实验方法。

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和力学特性相互作用，共同影响着岩土工程、地质工程、矿业及非常规天然气开采工程的稳定性。自然界中，真实的岩体裂隙体结构是相当复杂的，是多组几何结构差异的裂隙单元对完整基质相互叠加、交错、切割的作用结果，在现有技术条件下还难以通过数值手段真实和完整地模拟裂隙岩体的渗流特性。交叉裂隙是组成岩体天然裂隙体结构的基本单元，其基本渗流规律是探索裂隙岩体渗流特征的基本前提，建立正确的交叉裂隙的计算模型是进一步客观描述裂隙网络渗流规律的重要基础。由于自然界中的大部分岩体介质深埋在地下，赋存环境复杂多变，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。

对于天然交叉裂隙而言，单支裂隙构形、裂隙交叉参数、分支裂隙粗糙程度差异等因素均将对交叉裂隙体的渗流特征产生重要影响。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。同时裂隙交叉角度、交叉点压力降损耗也同样引起科研工作者的关注。然而，现有的技术和实验都不能很好地探究不同分维主导、不同复杂程度的分形交叉裂隙体的流体重分配机制以及混流特征。因此，亟需一种能够快速有效研究不同水头、裂隙缝宽、裂隙分形维数条件下分形交叉裂隙渗流特点的实验系统及实验方法。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。

近年快速发展起来的3D打印(3D Printing，3DP)技术可以快速便捷地制作出结构复杂的三维实体，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。随着3D打印技术以及打印材料不断地发展和更新，部分学者开始探索性地将3D打印技术引入了部分岩石力学的研究工作中。它的出现实现了快速制作复杂三维固体模型这一技术。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岩体分形交叉裂隙物理模型的水渗流实验中的启示。

因此，为了填补目前分形交叉裂隙研究领域的空白，考虑将3D打印技术运用到岩体分形交叉裂隙物理模型的水渗流实验中，通过3D打印技术构建了由分形维数主导的不同复杂程度分形交叉裂隙体的物理模型，探究压力降损耗特性对交叉裂隙渗流的关系，提出一种运用3D打印技术实现的分形交叉裂隙渗流实验系统及其实验方法，开展多重耦合工况下裂隙体渗流试验，初步揭示交叉分形裂隙的汇流及重分配机制，为分形交叉裂隙试验研究奠定基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了填补现有技术的空白，提供一种且能够改变多个变量来研究粗糙分形交叉裂隙水渗流的分形交叉裂隙渗流实验系统及实验方法，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缺点，智能环保，易于操作。