本發(fā)明涉及一種確定裂隙巖體表征單元體積的方法，特別涉及一種基于3D打印技術(shù)，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)確定裂隙巖體表征單元體積的方法，適用于不同類型含有復(fù)雜裂隙巖體REV的確定，屬于巖土工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
自然巖體普遍存在著裂隙、節(jié)理、裙皺、斷層等結(jié)構(gòu)面，使得巖體的力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜，由于巖體的結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體的力學(xué)性質(zhì)起著決定性的作用，因此巖體存在著尺寸效應(yīng)，即隨著巖體體積的變化，巖體的力學(xué)參數(shù)(強(qiáng)度、彈性模型、摩擦角、粘聚力和滲透系數(shù)等)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化，但當(dāng)巖體體積超過(guò)一定值時(shí)，巖體的力學(xué)參數(shù)基本保持穩(wěn)定，不再隨體積變化而變化，這個(gè)值稱為巖體的REV(表征單元體積)，即保持巖體的力學(xué)參數(shù)基本穩(wěn)定時(shí)的巖體最小體積。目前在巖石力學(xué)領(lǐng)域的研究中，巖體的力學(xué)模型主要采用等效連續(xù)介質(zhì)模型和離散介質(zhì)模型。在實(shí)際問(wèn)題分析中，如果所研究巖體的REV存在，則可以將巖體視為等效連續(xù)介質(zhì)，釆用等效介質(zhì)模型進(jìn)行計(jì)算；反之，如果巖體的REV不存在或者體積非常大，則說(shuō)明巖體中裂隙離散程度較高，不適合采用等效連續(xù)介質(zhì)模型，需要采用離散介質(zhì)模型進(jìn)行分析，因此，巖體REV是選取巖體力學(xué)介質(zhì)類型、確定分析模型的基礎(chǔ)，對(duì)確定巖體的力學(xué)參數(shù)至關(guān)重要，是巖石力學(xué)領(lǐng)域基本科學(xué)問(wèn)題之一。由于裂隙巖體的REV一般較大，由于受現(xiàn)場(chǎng)條件、試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)費(fèi)用的限制，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原位試驗(yàn)測(cè)量裂隙巖體的REV是十分困難甚至是不可能的，因此目前學(xué)者多采用解析法和數(shù)值模型的方法確定裂隙巖體的REV：(1)文獻(xiàn)“李亞軍，姚軍，黃朝琴，等.裂縫性油藏等效滲透率張量計(jì)算及表征單元體積研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展A輯，2010，1:004.”利用等效滲透張量來(lái)確定巖體表征單元體積。(2)文獻(xiàn)“周創(chuàng)兵，於三大.論巖體表征單元體積REV—巖體力學(xué)參數(shù)取值的一個(gè)基本問(wèn)題[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，1999，7(4):332-336.”利用數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方法體出了計(jì)算簡(jiǎn)單裂隙巖體單元體積的公式。(3)文獻(xiàn)“吳順川，高艷華，高永濤，等.等效節(jié)理巖體表征單元體研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，6:025.”采用有限元數(shù)值模擬方法確定巖體的REV。(4)文獻(xiàn)“寧宇，徐衛(wèi)亞，鄭文棠，等.柱狀節(jié)理巖體隨機(jī)模擬及其表征單元體尺度研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(6):1202-1208.”采用數(shù)值試驗(yàn)的方法確定巖體的REV。(5)公開(kāi)號(hào)為103197042A的中國(guó)發(fā)明專利“一種節(jié)理巖體表征單元體積的取值方法”采用數(shù)值試驗(yàn)的方法確定巖體的REV。但是與通過(guò)試驗(yàn)確定裂隙巖體REV的方法相比，由解析法和數(shù)值模擬的方法確定裂隙巖體的REV難免會(huì)采用很多簡(jiǎn)化的假設(shè)，所得出的巖體模型與實(shí)際裂隙巖體出入較大，不能充分考慮實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)裂隙巖體的特征，所計(jì)算出的裂隙巖體REV與實(shí)際裂隙巖體的REV差異較大，因此迫切需要一種比較有效的確定裂隙巖體REV的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種確定裂隙巖體表征單元體積的方法，通過(guò)本方法能夠精確確定不同類型含有復(fù)雜裂隙巖體的表征單元體積。技術(shù)方案：本發(fā)明涉及一種確定裂隙巖體表征單元體積的方法，包括如下步驟：(1)選取任意體積的實(shí)際裂隙巖體，繪制其三維數(shù)字模型；(2)旋轉(zhuǎn)該三維數(shù)字模型，使其與水平方向成不同傾角，通過(guò)3D打印制得該實(shí)際裂隙巖體不同傾角的相似材料；(3)測(cè)定不同傾角相似材料的滲透率Ka，建立坐標(biāo)軸，以不同傾角方向的值為點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，做出一個(gè)封閉曲線；(4)根據(jù)該封閉曲線與橢圓的近似度，定量分析裂隙巖體不同方向的滲透系數(shù)是否符合滲透張量的規(guī)律；(5)基于滲透張量性質(zhì)，根據(jù)定量分析結(jié)果，擴(kuò)大或縮小選取的實(shí)際裂隙巖體的體積，重復(fù)步驟(1)～(4)，確定所測(cè)實(shí)際裂隙巖體的表征單元體積。其中，步驟(4)中，當(dāng)封閉曲線與橢圓的近似度大于90％時(shí)，說(shuō)明裂隙巖體不同方向的滲透系數(shù)符合滲透張量的規(guī)律。具體的，步驟(5)中，當(dāng)定量分析結(jié)果為裂隙巖體不同方向的滲透系數(shù)符合滲透張量的規(guī)律時(shí)，縮小選取的實(shí)際裂隙巖體的體積，重復(fù)步驟(1)～(4)，直至裂隙巖體不同方向的滲透系數(shù)不符合滲透張量的規(guī)律，最后兩次選取的實(shí)際裂隙巖體體積的平均值即為所測(cè)實(shí)際裂隙巖體的表征單元體積。而當(dāng)定量分析結(jié)果為裂隙巖體不同方向的滲透系數(shù)不符合滲透張量的規(guī)律時(shí)，擴(kuò)大選取的實(shí)際裂隙巖體的體積，重復(fù)步驟(1)～(4)，直至裂隙巖體不同方向的滲透系數(shù)符合滲透張量的規(guī)律，最后兩次選取的實(shí)際裂隙巖體體積的平均值即為所測(cè)實(shí)際裂隙巖體的表征單元體積。此時(shí)，當(dāng)選取的實(shí)際裂隙巖體的體積擴(kuò)大到不合理尺寸時(shí)，裂隙巖體不同方向的滲透系數(shù)仍然不符合滲透張量的規(guī)律，說(shuō)明該實(shí)際裂隙巖體的表征單元體積不存在。較優(yōu)的，步驟(4)中，通過(guò)對(duì)封閉曲線進(jìn)行函數(shù)擬合來(lái)確定其與橢圓的近似度。上述確定封閉曲線與橢圓近似度的方法包括：通過(guò)迭代法算出所述封閉曲線對(duì)應(yīng)的擬合度最高的橢圓方程，然后利用該橢圓方程對(duì)曲線進(jìn)行擬合，得到的擬合度即為近似度。具體的，步驟(3)中，確定第一象限內(nèi)不同傾角方向上到原點(diǎn)距離為的點(diǎn)的位置，連接相應(yīng)點(diǎn)形成開(kāi)放曲線，根據(jù)對(duì)稱性繪制其余象限內(nèi)的開(kāi)放曲線，相鄰開(kāi)放曲線在坐標(biāo)軸上相交形成封閉曲線。確定柱狀節(jié)理裂隙巖體的REV時(shí)，優(yōu)選使用此方式繪制封閉曲線。步驟(3)中，也可以通過(guò)確定第一象限和第二象限內(nèi)不同傾角方向的值為點(diǎn)到原點(diǎn)的距離做出開(kāi)放曲線，根據(jù)對(duì)稱性繪制其余象限內(nèi)的開(kāi)放曲線，相鄰開(kāi)放曲線在坐標(biāo)軸上相交形成封閉曲線。確定一般裂隙巖體的REV時(shí)，優(yōu)選使用此方式繪制封閉曲線。進(jìn)一步的，步驟(2)中，采用所測(cè)實(shí)際裂隙巖體粉末為原材料進(jìn)行3D打印。更進(jìn)一步的，模擬所測(cè)實(shí)際裂隙巖體的力學(xué)性能，配制3D打印的原材料。其相較于使用實(shí)際裂隙巖體粉末為原材料進(jìn)行3D打印更為簡(jiǎn)單易行。發(fā)明原理：根據(jù)滲透張量的性質(zhì)，將以裂隙巖體各方向滲透系數(shù)倒數(shù)的開(kāi)平方為點(diǎn)到原點(diǎn)的距離繪成曲線，如果曲線接近于橢圓，則該裂隙巖體可以采用等效連續(xù)介質(zhì)模型分析其滲流性質(zhì)，該裂隙巖體的體積可認(rèn)為等于或大于表征單元體積。有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)本發(fā)明通過(guò)制備相似材料，并根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得不同柱體傾角相似材料的滲透率，做出相似材料各個(gè)方向滲透率開(kāi)平方倒數(shù)的曲線，并分析該曲線與橢圓的近似度，根據(jù)分析結(jié)果，相應(yīng)放大或縮小相似材料所模擬的裂隙巖體的體積，重復(fù)判斷，可以確定裂隙巖體的表征單元體積，本發(fā)明首次將該滲透張量性質(zhì)用于確定裂隙巖體表征單元體積，開(kāi)創(chuàng)了確定裂隙巖體表征單元體積REV的新方法；(2)本方法充分考慮實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)巖體的特征，首次將3D打印技術(shù)應(yīng)用于裂隙巖體REV的確定，通過(guò)3D打印可以精確控制裂隙巖體的空間尺寸和巖體中裂隙的類型、大小、空間形態(tài)和表面粗糙度，打印出的裂隙巖體相似材料與實(shí)際裂隙巖體符合性較高，所制備的裂隙巖體相似材料與實(shí)際裂隙巖體極為接近，與通過(guò)解析法和數(shù)值模擬的方法確定巖體REV相比，計(jì)算出的巖體REV與實(shí)際裂隙巖體的REV差異很??；(3)采用本發(fā)明的方法，不必進(jìn)行原位試驗(yàn)，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)即可確定裂隙巖體的REV，在測(cè)得的REV精度高的同時(shí)，節(jié)省了大量物力和財(cái)力，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、快捷、高效地確定裂隙巖體的REV。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明的確定裂隙巖體表征單元體積方法的流程圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例中作出的封閉曲線的示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1，本發(fā)明的一種確定裂隙巖體表征單元體積的方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)選取任意體積的實(shí)際裂隙巖體，繪制其三維數(shù)字模型；(2)旋轉(zhuǎn)該三維數(shù)字模型，使其與水平方向成不同傾角，通過(guò)3D打印制得該實(shí)際裂隙巖體不同傾角的相似材料；具體的，可以將該三維數(shù)字模型繞其中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)成與水平方向成0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°的傾斜角，然后分別通過(guò)3D打印得到對(duì)應(yīng)傾角的相似材料；打印相似材料時(shí)，可以所測(cè)實(shí)際裂隙巖體為原材料進(jìn)行3D打印，如將要確定REV的裂隙巖體制成粉末狀作為打印巖塊的材料，將其中裂隙的充填物制成粉末狀作為打印巖體裂隙的材料；也可以模擬所測(cè)實(shí)際裂隙巖體的力學(xué)性能，配制水泥砂漿等原材料用于3D打印。(3)測(cè)定不同傾角相似材料的滲透率Ka，建立坐標(biāo)軸，以不同傾角方向的值為點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，做出一個(gè)封閉曲線；通過(guò)測(cè)定不同傾角相似材料的滲透率Ka，建立坐標(biāo)軸，確定不同傾角方向上到原點(diǎn)距離為的點(diǎn)的位置，連接各象限內(nèi)的相應(yīng)點(diǎn)形成封閉曲線。確定柱狀節(jié)理裂隙巖體的REV時(shí)，可以先確定第一象限內(nèi)不同傾角方向上到原點(diǎn)距離為的點(diǎn)的位置，連接相應(yīng)點(diǎn)形成開(kāi)放曲線，根據(jù)對(duì)稱性繪制第二、第三、第四象限內(nèi)的開(kāi)放曲線，相鄰開(kāi)放曲線在坐標(biāo)軸上相交形成封閉曲線；確定一般裂隙巖體的REV時(shí)，可以先確定第一象限和第二象限內(nèi)不同傾角方向的值為點(diǎn)到原點(diǎn)的距離做出開(kāi)放曲線，根據(jù)對(duì)稱性繪制其余象限內(nèi)的開(kāi)放曲線，相鄰開(kāi)放曲線在坐標(biāo)軸上相交形成封閉曲線。(4)根據(jù)該封閉曲線與橢圓的近似度，定量分析裂隙巖體不同方向的滲透系數(shù)是否符合滲透張量的規(guī)律；當(dāng)封閉曲線與橢圓的近似度大于90％時(shí)，說(shuō)明裂隙巖體不同方向的滲透系數(shù)符合滲透張量的規(guī)律?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)封閉曲線進(jìn)行函數(shù)擬合來(lái)確定其與橢圓的近似度，具體方法為：通過(guò)迭代法算出封閉曲線所對(duì)應(yīng)的擬合度最高的橢圓方程，然后用得出的橢圓方程對(duì)曲線進(jìn)行擬合，得到曲線對(duì)該橢圓方程的擬合度，即曲線與橢圓的近似程度。(5)基于滲透張量性質(zhì)，根據(jù)定量分析結(jié)果，擴(kuò)大或縮小選取的實(shí)際裂隙巖體的體積，重復(fù)步驟(1)～(4)，確定所測(cè)實(shí)際裂隙巖體的表征單元體積。當(dāng)定量分析結(jié)果為裂隙巖體不同方向的滲透系數(shù)符合滲透張量的規(guī)律時(shí)，縮小選取的實(shí)際裂隙巖體的體積，重復(fù)步驟(1)～(4)，直至裂隙巖體不同方向的滲透系數(shù)不符合滲透張量的規(guī)律，最后兩次選取的實(shí)際裂隙巖體體積的平均值即為所測(cè)實(shí)際裂隙巖體的表征單元體積。當(dāng)定量分析結(jié)果為裂隙巖體不同方向的滲透系數(shù)不符合滲透張量的規(guī)律時(shí)，擴(kuò)大選取的實(shí)際裂隙巖體的體積，重復(fù)步驟(1)～(4)，直至裂隙巖體不同方向的滲透系數(shù)符合滲透張量的規(guī)律，最后兩次選取的實(shí)際裂隙巖體體積的平均值即為所測(cè)實(shí)際裂隙巖體的表征單元體積。此時(shí)，當(dāng)選取的實(shí)際裂隙巖體的體積擴(kuò)大到不合理尺寸時(shí)，裂隙巖體不同方向的滲透系數(shù)仍然不符合滲透張量的規(guī)律，說(shuō)明該實(shí)際裂隙巖體的表征單元體積不存在。實(shí)施例以計(jì)算某水電站河床壩基處裂隙巖體的REV為例，本發(fā)明的確定裂隙巖體表征單元體積的方法，包括如下步驟：(1)根據(jù)該水電站河床壩基處裂隙巖體的地質(zhì)資料，確定選取體積為10m×10m×10m的裂隙巖體，設(shè)定比例尺縮小繪制其三維數(shù)字模型；(2)將三維數(shù)字模型輸入雙噴頭3D打印機(jī)，將該水電站河床壩基處的裂隙巖體制成粉末狀作為打印巖塊的材料，將裂隙巖體中裂隙的充填物制成粉末狀作為打印巖體裂隙的材料，并裝入雙噴頭3D打印機(jī)；(3)將裂隙巖體的三維數(shù)字模型繞其中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)成與水平方向成0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°傾斜角，在不同的傾斜角下依次打印，分別打印出與水平方向成0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°傾斜角的標(biāo)準(zhǔn)尺寸的模擬裂隙巖體的相似材料；(4)利用巖石氣體滲透率測(cè)試裝置測(cè)出不同傾角裂隙巖體相似材料的滲透率Ka，以各方向的為點(diǎn)到原點(diǎn)的距離繪出曲線在坐標(biāo)第一象限的部分，并根據(jù)對(duì)稱性在其余各象限內(nèi)補(bǔ)全曲線的剩余部分，如圖2；(5)通過(guò)迭代法算出裂隙巖體各方向繪成的曲線所對(duì)應(yīng)的擬合度最高的橢圓方程是用該方程對(duì)曲線進(jìn)行擬合，得到曲線對(duì)橢圓的擬合度是94.29％，即曲線對(duì)橢圓的近似程度是94.29％，各方向繪成的曲線對(duì)橢圓近似程度很高，說(shuō)明裂隙巖體不同方向的滲透系數(shù)符合滲透張量的規(guī)律，則所選取裂隙巖體體積等于或大于REV；(6)將選取的裂隙巖體實(shí)際尺寸縮小，重復(fù)上述步驟，直到裂隙巖體不同方向的滲透系數(shù)不符合滲透張量規(guī)律，取最后兩次選取的裂隙巖體實(shí)際體積的平均值作為該裂隙巖體的REV，最終確定的巖體REV的值是3.2m×3.2m×3.2m。采用本發(fā)明的方法得到某水電站河床壩基處裂隙巖體的REV為3.2m×3.2m×3.2m，與相關(guān)資料所得出的3m×3m×3m的結(jié)論大體一致。