本發(fā)明涉及一種裂隙仿真模型制作方法，具體涉及一種巖體粗糙裂隙滲流仿真模型及制作方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著一系列大型水利水電工程、采礦和石油工程、核廢料儲(chǔ)存以及大型地下水封石洞油庫等工程的建設(shè)，巖體滲流特性的研究引起廣泛關(guān)注。天然巖體中，石塊體與分割塊體的宏觀裂隙或節(jié)理組成的結(jié)構(gòu)體，塊體的微裂隙和宏觀裂隙為地下水和油氣提供了儲(chǔ)存場所和運(yùn)移通道。而國內(nèi)外目前發(fā)生的水電工程大壩失事、邊坡失穩(wěn)、礦井開挖塌陷、隧道突水突泥等災(zāi)害的發(fā)生大部分與巖層水滲透有關(guān)。因此，研究裂隙巖體的滲流性質(zhì)對(duì)于解決滲流運(yùn)動(dòng)引起的重大工程問題具有重要意義。

巖體裂隙的流體流動(dòng)是工程研究難點(diǎn)，針對(duì)巖體裂隙滲流問題，國內(nèi)外的許多學(xué)者進(jìn)行過大量的研究，典型的做法是將巖體裂隙視為光滑平行板，采用立方定律來描述流體在其中的流動(dòng)，然而這種作法在實(shí)際應(yīng)用中難以成立。而且，天然裂隙形態(tài)極不規(guī)則，裂隙的開度、粗糙性、接觸程度、連通性等特征對(duì)流體滲流具有重要影響。如果能夠根據(jù)巖體裂隙結(jié)構(gòu)面的特性制作符合實(shí)際工程的裂隙試驗(yàn)試件，必將為試驗(yàn)研究提供較大便利，為巖體粗糙裂隙滲流研究提供強(qiáng)有力的支持。

目前，室內(nèi)巖體裂隙滲流試驗(yàn)一般選用有機(jī)玻璃模擬裂隙壁面，或?qū)⑷拥膸r芯劈裂得到隨機(jī)裂隙面等方法，這些模擬方法得到的裂隙與實(shí)際工程差距較大，不足以充分精確反映巖體裂隙結(jié)構(gòu)面特性，所以導(dǎo)致試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與實(shí)際滲流特性存在較大差距。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種制作簡單、試驗(yàn)方便、裂隙參數(shù)可調(diào)、能夠真實(shí)準(zhǔn)確地巖體裂隙滲流的一種巖體粗糙裂隙滲流仿真模型制作方法，所制得的裂隙模型有助于研究粗糙度和裂隙開度對(duì)滲流特性的影響，從而更加準(zhǔn)確地揭示巖體裂隙滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種巖體粗糙裂隙滲流仿真模型制作方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1利用軟件繪制裂隙主板三維模型；

步驟2利用3D打印機(jī)打印步驟1中繪制的裂隙主板；

步驟3制作與裂隙主板向配合的上安裝板、下安裝板、左安裝板和右安裝板；

步驟4在所述的上安裝板上制作與水壓傳感器和安裝螺栓配套的內(nèi)螺紋；在所述的下安裝板上制作與進(jìn)出水管和螺栓配套的內(nèi)螺紋；

步驟5按照裂隙主板上部及兩端凹槽的邊長及厚度裁剪出匹配的矩形橡膠墊；

步驟6組裝裂隙模型。

進(jìn)一步的，步驟1中所述的裂隙主板繪制方法如下：根據(jù)試驗(yàn)所需裂隙參數(shù)，繪制出裂隙輪廓曲線；在裂隙兩端分別繪制楔形的疏水區(qū)和聚水區(qū)，疏水區(qū)和聚水區(qū)的進(jìn)水端和出水端留出安裝鋼制安裝板的長方體凹槽；繪制整個(gè)長方體裂隙主板，在裂隙主板的上、下面繪制出安裝鋼制安裝板的長方體凹槽，在上部凹槽內(nèi)繪制測壓孔。

進(jìn)一步的，步驟2中打印的方法如下：所述的裂隙主板采用PLA材料通過3D打印機(jī)進(jìn)行打印。

進(jìn)一步的，打印模型時(shí)，將模型設(shè)置傾斜30^o打印。

進(jìn)一步的，步驟6的安裝過程如下：將鋼制的安裝板置于裂隙主板的凹槽內(nèi)，并在上部及左右的凹槽周圍墊上矩形橡膠墊進(jìn)行密封，然后將上下安裝板與兩端安裝板的螺孔對(duì)其，用螺栓連接。

一種巖體粗糙裂隙滲流仿真模型，包括一個(gè)裂隙主板、左安裝板、右安裝板、上安裝板和下安裝板；所述的裂隙主板為一個(gè)長方體結(jié)構(gòu)，在長方體結(jié)構(gòu)的一側(cè)設(shè)有疏水區(qū)，相對(duì)的另一側(cè)設(shè)有聚水區(qū)，所述的疏水區(qū)與聚水區(qū)連通，疏水區(qū)的外側(cè)與左安裝板配合，聚水區(qū)的外側(cè)與右安裝板配合；在長方體結(jié)構(gòu)的上表面和下表面分別與上安裝板、下安裝板配合；在所述的上安裝板上設(shè)有與疏水區(qū)和聚水區(qū)之間的聯(lián)通區(qū)相連通的測壓孔。

進(jìn)一步的，所述的裂隙主板的材料為PLA材料。

進(jìn)一步的，所述的左安裝板、右安裝板、上安裝板、下安裝板的材料采用金屬材料。

進(jìn)一步的，所述的上安裝板、下安裝板各自包括一個(gè)長方體板，在所述的長方體板上設(shè)有一個(gè)與裂隙主板的上凹槽或下凹槽配合的長方體凸起；在長方體板還設(shè)有用于連接上安裝板、下安裝板和裂隙主板的螺孔。

進(jìn)一步的，所述的左安裝板、右安裝板包括一個(gè)長方體板，在所述的長方體板上設(shè)有一個(gè)與裂隙主板的左凹槽或右凹槽配合的長方體凸起；同時(shí)還設(shè)有貫通長方體凸起和長方體板的螺孔，所述的螺孔用于安裝出水管。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是：

1、3D打印材料PLA材料強(qiáng)度比金屬低，打印內(nèi)螺紋易損，不宜與金屬螺栓循環(huán)安裝，在裂隙模型上部、下部及左右兩端安裝鋼制安裝板，與金屬水壓傳感器和進(jìn)出水管相連接，克服PLA材料強(qiáng)度低的缺點(diǎn)。

2、可以自由設(shè)置粗糙裂隙粗糙度，可將裂隙壁面輪廓設(shè)置為Barton曲線，正弦曲線，鋸齒曲線，或者根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)設(shè)置為三維粗糙曲面，從而克服常規(guī)試驗(yàn)中描述裂隙結(jié)構(gòu)面粗糙程度問題面臨的局限性。

3、可以自由設(shè)置粗糙裂隙開度，常規(guī)滲流試驗(yàn)試件加工成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的圓柱形進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中裂隙開度不能調(diào)節(jié)，無法研究裂隙開度對(duì)滲流特性的影響；而本發(fā)明克服了這一缺點(diǎn)，可以通過打印不同開度的裂隙主板進(jìn)行試驗(yàn)。

4、基于3D打印技術(shù)快速制作粗糙裂隙主板，制作工期短，精度高，適應(yīng)性強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)快速一體化成型、降低成本、提高試件精度。

5、通過4塊安裝板構(gòu)成整體框架，整體結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，每次只需打印裂隙主板，形成標(biāo)準(zhǔn)化，節(jié)省打印材料，降低試驗(yàn)成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明的模型示意圖；

圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)分解圖；

圖3-1、3-2、3-3、3-4為本發(fā)明裂隙主板的示意圖；

圖4-1、4-2、4-3、4-4為本發(fā)明上安裝板的示意圖；

圖5-1、5-2、5-3、5-4為本發(fā)明下安裝板的示意圖；

圖6-1、6-2、6-3、6-4為本發(fā)明兩端安裝板的示意圖；

圖中：1裂隙主板、2上安裝板、3下安裝板、4左安裝板、5右安裝板、6固定螺栓、7橡膠墊，11左凹槽，12疏水區(qū)，13上凹槽，14裂隙輪廓線，15測壓孔，16下凹槽，17聚水區(qū)，18右凹槽，21螺孔，22測壓孔，41安裝螺孔，42安裝螺孔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

如圖1、圖2所示一種巖體粗糙裂隙滲流仿真模型，包括裂隙主板1、上安裝板2、下安裝板3、左安裝板4、右安裝板5、固定螺栓6以及橡膠墊7；裂隙主板為一個(gè)長方體結(jié)構(gòu)，在長方體結(jié)構(gòu)的上表面和下表面分別與上安裝板、下安裝板配合；左右表面分別與左安裝板4、右安裝板5配合，且上安裝板2、下安裝板3、左安裝板4、右安裝板5與裂隙主板1的配合位置還設(shè)有橡膠墊7，且各自通過固定螺栓6相連；

如圖3-1至圖3-4所示，裂隙主板1為一個(gè)長方體結(jié)構(gòu)，在長方體結(jié)構(gòu)的一側(cè)設(shè)有疏水區(qū)12，相對(duì)的另一側(cè)設(shè)有聚水區(qū)17，所述的疏水區(qū)12與聚水區(qū)17連通，試驗(yàn)時(shí)，疏水區(qū)12與進(jìn)水管相連，所述的聚水區(qū)17與聚水管相連，疏水區(qū)12的外側(cè)設(shè)有左凹槽11，所述的左凹槽11與左安裝板4配合，聚水區(qū)17的外側(cè)設(shè)有右凹槽18，所述的右凹槽18與右安裝板5配合；在長方體結(jié)構(gòu)的上表面和下表面分別設(shè)有與上安裝板2、下安裝板3配合的上凹槽13和下凹槽16；在所述的上安裝板2上設(shè)有與疏水區(qū)12和聚水區(qū)17之間的聯(lián)通區(qū)相連通的測壓孔22；測壓孔用于安裝壓力傳感器，采集流體通過時(shí)產(chǎn)生的壓力信息。

進(jìn)一步的，裂隙主板1的材料為PLA材料。

進(jìn)一步的，左安裝板4、右安裝板5、上安裝板2、下安裝板3的材料采用金屬材料。

如圖4-1至圖4-4、圖5-1至圖5-4所示，上安裝板2、下安裝板3各自包括一個(gè)長方體板，在所述的長方體板上設(shè)有一個(gè)與裂隙主板的上凹槽13或下凹槽16配合的長方體凸起；在長方體板還設(shè)有用于連接上安裝板、下安裝板和裂隙主板的螺孔21。

如圖6-1至圖6-4所示，左安裝板4、右安裝板5包括一個(gè)長方體板，在所述的長方體板上設(shè)有一個(gè)與裂隙主板的左凹槽11或右凹槽18配合的長方體凸起；同時(shí)還設(shè)有貫通長方體凸起和長方體板的螺孔42，所述的螺孔42用于安裝出水管和進(jìn)水管，上下面還分別設(shè)有3個(gè)安裝螺孔41，螺孔41用于連接左安裝板4、右安裝板5和裂隙主板1。

進(jìn)一步的，所述的上凹槽13、下凹槽16、左凹槽11、右凹槽18均為矩形凹槽。

進(jìn)一步的，所述的上安裝板2、下安裝板3、左安裝板4、右安裝板5與裂隙主板1的配合位置還設(shè)有橡膠墊7，橡膠墊7選用0.5mm厚的橡膠墊，按照裂隙主板上部凹槽13及兩端凹槽11和18的結(jié)構(gòu)參數(shù)裁剪出匹配的矩形橡膠墊7。

上述的巖體粗糙裂隙滲流仿真模型制作方法，包括以下步驟：

1)構(gòu)建裂隙主板三維模型；

利用SolidWorks軟件繪制裂隙主板三維模型，如圖3所示，根據(jù)試驗(yàn)所需裂隙參數(shù)，包括裂隙平面的粗糙度、長度、寬度及開度，繪制出裂隙輪廓線14，在裂隙兩端分別繪制楔形的疏水區(qū)12和聚水區(qū)17，；繪制整個(gè)裂隙長方體主板，上下面留出安裝鋼制安裝板的矩形凹槽13和16，進(jìn)水端和出水端也留出安裝鋼制安裝板的矩形凹槽11和18，在上部凹槽內(nèi)有測壓孔15，模型繪制精度為0.01mm；

2)3D打印制作裂隙主板；

通過3D打印技術(shù)完成裂隙主板的制作，在SolidWorks軟件中將構(gòu)建的裂隙主板三維模型文件轉(zhuǎn)化為STL格式文件，用3D打印軟件讀取裂隙主板三維模型的STL格式文件，采用PLA材料通過3D打印機(jī)進(jìn)行打印，設(shè)置模型傾斜30^o，打印精確度要求0.05mm，模型密實(shí)度為100％；

3)制作安裝板；

采用鋼板制作安裝板(安裝板的材料還可以選擇其他的金屬材料)，如圖4-1至4-4所示，上安裝板2為長方體，中部為與裂隙主板上部凹槽匹配的長方體凸起，并在該區(qū)設(shè)置安裝水壓傳感器用的測壓孔22，兩端分別設(shè)有3個(gè)安裝螺孔21；如圖5-1至5-4所示，下安裝板與上安裝板結(jié)構(gòu)相同，沒有安裝水壓傳感器用的測壓孔；如圖6-1至6-4所示，左右安裝板結(jié)構(gòu)相同，整體為長方體板，中部為與裂隙主板兩端凹槽匹配的長方體凸起，并在長方體凸起和長方體板上設(shè)置有用于安裝出水管或進(jìn)水管的安裝螺孔42，上下面分別設(shè)有3個(gè)安裝螺孔41；

4)制作內(nèi)螺紋；

采用機(jī)械絲錐在安裝板上進(jìn)行攻絲，在上安裝板上制作出與水壓傳感器和安裝螺栓配套的內(nèi)螺紋，在下安裝板上制作出與安裝螺栓配套的內(nèi)螺紋，在左右安裝板上制作出與進(jìn)出水管和螺栓配套的內(nèi)螺紋。其中，上安裝板上安裝水壓傳感器的螺紋孔的內(nèi)螺紋為錐螺紋M20×1.5，兩端安裝進(jìn)出水管的螺孔的內(nèi)螺紋為管螺紋ZG1/2。

5)制作橡膠墊；

選用0.5mm厚的橡膠墊，按照裂隙主板上部凹槽13及兩端凹槽11和18的結(jié)構(gòu)參數(shù)裁剪出匹配的矩形橡膠墊7。

6)組裝裂隙模型；

如圖2所示，將上安裝板2置于裂隙主板的凹槽13內(nèi)，將下安裝板3置于裂隙主板的凹槽16內(nèi)，將左安裝板4置于裂隙主板的凹槽11內(nèi)，將右安裝板5置于裂隙主板的凹槽18內(nèi)，并在上部及左右兩端凹槽周圍墊上矩形橡膠墊7進(jìn)行密封，然后將上下安裝板與兩端安裝板的螺孔對(duì)齊，用螺栓6連接，安裝完成即為一種巖體粗糙裂隙仿真模型，如圖1所示。

本發(fā)明基于SolidWorks軟件繪制裂隙主板三維模型，采用3D打印技術(shù)制作出符合實(shí)際裂隙參數(shù)的裂隙主板，然后通過上下左右四塊安裝板進(jìn)行固定，在安裝板上安裝螺栓或水壓傳根器，從而提供一種制作簡單、試驗(yàn)方便、能夠更真實(shí)準(zhǔn)確的反映巖體裂隙滲流特性的一種巖體粗糙裂隙滲流仿真模型制作方法。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。