[發(fā)明專利]分形裂隙面滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810068058.8
• 申請(qǐng)日: 2018-01-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108106982A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張茹;謝晶;覃黎;高明忠;彭媛;賈哲強(qiáng);艾婷;查爾晟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N15/08
• 分類號(hào): G01N15/08;G01N1/28
• 代理公司: 成都點(diǎn)睛專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51232
• 代理人: 葛啟函

分形裂隙面滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法，屬于巖土工程領(lǐng)域。包括儲(chǔ)水箱、導(dǎo)水管及水頭水箱，水頭水箱下方開(kāi)設(shè)有進(jìn)水孔，進(jìn)水孔處設(shè)置有用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滲流水流狀態(tài)的壓力傳感片，水流通過(guò)進(jìn)水孔進(jìn)入空心流道槽中，空心流道槽中設(shè)置有3D打印的分形裂隙面平行板的物理模型，該模型是基于三維激光掃描儀獲得的真實(shí)的裂隙面特征，由軟件根據(jù)上述曲面特征建立三維立體模型，并通過(guò)3D打印設(shè)備打印而成，通過(guò)模型的安裝方向來(lái)改變?cè)撃Ｐ偷臐B流方向；空心流道槽末端連接有集水箱，集水箱中設(shè)置有水位監(jiān)測(cè)器，集水箱下部通過(guò)連通管與儲(chǔ)水箱相連，還包括智能調(diào)控裝置，壓力傳感片及水位監(jiān)測(cè)器分別與智能調(diào)控裝置相連；適用于分形裂隙面滲流實(shí)驗(yàn)的研究。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于巖土工程領(lǐng)域，涉及一種基于3D打印技術(shù)能實(shí)現(xiàn)多重試驗(yàn)工況耦合作用的分形裂隙面滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)

自然界中的大部分巖體介質(zhì)深埋在地下，其賦存環(huán)境復(fù)雜多變，且存在大量產(chǎn)狀不一、性質(zhì)不同、尺度各異的裂隙，而裂隙巖體滲流特性和力學(xué)特性相互作用，共同影響著巖土工程、地質(zhì)工程、礦業(yè)及非常規(guī)天然氣開(kāi)采工程的穩(wěn)定性。巖體裂隙的基本構(gòu)成單元是單裂隙，長(zhǎng)期以來(lái)，研究人員采用光滑構(gòu)形、規(guī)則粗糙構(gòu)形以及非規(guī)則粗糙構(gòu)形等多種類型一維單裂隙開(kāi)展了粗糙裂隙的滲流試驗(yàn)，對(duì)粗糙裂隙滲流的非線性特征、特征隙寬表征等方面有諸多認(rèn)識(shí)。但是在實(shí)際工程中，單裂隙滲流并不是一維狀態(tài)而是復(fù)雜的二維狀態(tài)，滲流路徑展開(kāi)的本質(zhì)是裂隙面滲流。真實(shí)裂隙面是凹凸不平的，這與傳統(tǒng)的光滑平板流體模型具有較大差異，然而，目前對(duì)于真實(shí)裂隙面的滲流特征知之甚少。一維單一裂隙，可以視為二維裂隙面與某一方向截面所產(chǎn)生的裂隙跡線，真實(shí)裂隙面的宏觀滲流路徑卻并非規(guī)則地沿著某一截面進(jìn)行，而是與裂隙面形貌特征分布密切相關(guān)，異常復(fù)雜。針對(duì)真實(shí)裂隙面滲流，如何將有效影響因素概化為數(shù)學(xué)指標(biāo)對(duì)傳統(tǒng)滲流模型進(jìn)行理論修正是目前亟待解決的問(wèn)題。

在非常規(guī)天然氣開(kāi)采工程中，既定增透措施下巖體宏觀破裂的模型往往可以概化為典型張拉破裂和剪切破裂，而不同破壞模式下破裂面的形貌特征存在明顯差異。對(duì)于真實(shí)裂隙面的形貌特征主要有三種描述方法：凸起高度表征法、節(jié)理粗糙度系數(shù)JRC表征法以及分形表征法。由于分形表征法相較于另外兩種方法能夠更加準(zhǔn)確地定量地描述裂隙面，因此，本技術(shù)方案采用分形理論研究真實(shí)破壞模式下裂隙面的形貌特征。嚴(yán)格意義上講，真實(shí)裂隙面是具有雙維度分形特征：第一，在一定尺度內(nèi)，裂隙面空間起伏的確表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)自相似分形特征，存在一個(gè)固定的空間分形維數(shù)；第二，不同截面截取裂隙面形成的跡線展布同樣表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)自相似分形特征，存在一個(gè)跡線分形維數(shù)，但該跡線分維存在明顯各向異性特征。本發(fā)明將在傳統(tǒng)立方定律的基礎(chǔ)上，同時(shí)引入以上兩種分維，從而初步探索適用于分形裂隙面的滲流模型。此外，既然不同方向截面截取裂隙面形成的跡線分形特征存在差異，那么對(duì)于既定的裂隙面是否存在滲流各向異性是值得探究的問(wèn)題。

近年快速發(fā)展起來(lái)的3D打印(3D Printing，3DP)技術(shù)可以快速便捷地制作出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維實(shí)體，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)制造、汽車、航空航天、醫(yī)療事業(yè)等領(lǐng)域。隨著3D打印技術(shù)以及打印材料不斷地發(fā)展和更新，部分學(xué)者開(kāi)始探索性地將3D打印技術(shù)引入了部分巖石力學(xué)的研究工作中。它的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了快速制作復(fù)雜三維固體模型這一技術(shù)。基于已生成的數(shù)字模型文件，使用金屬材料或光敏樹脂等材料，在激光快速固化的技術(shù)條件下，逐層堆積打印材料，最終形成三維固體模型。現(xiàn)有的3D打印技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用，給我們提供了將該技術(shù)運(yùn)用到巖體分形裂隙面物理模型的水滲流實(shí)驗(yàn)中的啟示。

因此，為了填補(bǔ)目前分形裂隙面研究領(lǐng)域的空白，更加準(zhǔn)確地揭示裂隙面滲流特征、滲流狀態(tài)及其各向異性特征，考慮將3D打印技術(shù)運(yùn)用到巖體分形裂隙面物理模型的水滲流實(shí)驗(yàn)中，在構(gòu)建考慮多維度分維的裂隙面滲流模型的基礎(chǔ)上，室內(nèi)尺度下制備了砂巖典型張拉破壞裂隙面和剪切破壞裂隙面，基于大尺度三維激光斷面掃描技術(shù)獲取裂隙面的三維形貌信息，結(jié)合3D打印技術(shù)構(gòu)建了典型破壞模式下的裂隙面物理模型，組裝形成分形裂隙面滲流試驗(yàn)系統(tǒng)，并且按照相應(yīng)的試驗(yàn)方法開(kāi)展不同宏觀滲流方向下裂隙面滲流試驗(yàn)。

發(fā)明內(nèi)容