亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于3D打印技術(shù)測試節(jié)理粗糙度系數(shù)對裂隙滲流量的影響及關(guān)系研究

        2022-02-04 10:12:36田社斌
        化工裝備技術(shù) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:節(jié)理水力滲流

        田社斌*

        (大族激光智能裝備集團(tuán)有限公司)

        0 引言

        巖體的裂隙滲流問題與深基坑和隧道的開挖、巖體邊坡和壩基的穩(wěn)定性、石油和天然氣的開采等方面有關(guān),裂隙滲流會對巖土工程的安全、穩(wěn)定和使用年限產(chǎn)生較大影響,因此對巖石的裂隙滲流量進(jìn)行研究具有重要的意義。研究裂隙滲流量需確保表征粗糙裂隙的幾何特性的精準(zhǔn)度,本文采用3D打印技術(shù),根據(jù)節(jié)理粗糙度系數(shù)(JRC)標(biāo)準(zhǔn)剖面輪廓曲線試制,可以實現(xiàn)精準(zhǔn)控制裂隙開度以及粗糙度的裂隙試樣,然后搭建實驗環(huán)境組織巖體裂隙滲流實驗,并探究了JRC對裂隙滲流量的影響及關(guān)系。

        1 巖隙滲流的特征

        巖體的節(jié)理特征導(dǎo)致其中產(chǎn)生空隙,這也是地下水流動和滲透的主要渠道,通過分析巖隙的狀態(tài)、形狀、類別以及水流傳導(dǎo)性,進(jìn)一步判斷節(jié)理的滲透模型,其主要特征如下。

        1.1 空間分布特征

        巖隙滲流的空間分布受到巖石節(jié)理的形狀、尺寸、數(shù)量、張開度以及連通性等多種因素影響。由于巖石的天然節(jié)理有不同程度的起伏,且無明顯規(guī)律。隨著時間推移,巖體的裂隙還存在不同程度的變化,導(dǎo)致單點的滲透量一直發(fā)生改變。

        1.2 幾何特征

        巖體受到不同方向的力學(xué)作用(如擠壓、剪切、拉伸等),會對裂隙的大小、狀態(tài)及形狀產(chǎn)生一定影響,在某個時間點對巖隙滲流量進(jìn)行分析時,可以發(fā)現(xiàn)滲流量和裂隙面呈現(xiàn)較強的相關(guān)性,這也是裂隙面特征、計算及分析越來越受重視的原因。

        裂隙面的產(chǎn)狀決定了巖隙三維空間的幾何特征,其分布具有規(guī)律特征,即成組定向、有序排列。計算裂隙滲透量時需要綜合考慮裂隙的密度和間距。

        1.3 導(dǎo)滲特征

        研究巖石裂隙的導(dǎo)滲通道時可以發(fā)現(xiàn),網(wǎng)絡(luò)呈紊流狀態(tài),同時具備高滲透阻力特征,說明水壓和通道形態(tài)是影響巖隙滲流量的兩個關(guān)鍵因素,其特征表現(xiàn)為:在巖隙滲流時其流速和水力變化梯度關(guān)系具有一定規(guī)律,經(jīng)過實測為冪函數(shù)或者二次函數(shù),也就是說當(dāng)保持滲流壓力恒定時,滲流的寬度越大,流速越小。

        在裂隙滲流流經(jīng)途中,滲流壓力一般隨著距離延長而降低,且和滲流遇到巖隙的阻力呈負(fù)相關(guān),巖隙滲流過程中若滲流條件保持不變,滲流途中水力的梯度變化呈衰減趨勢,且變化規(guī)律為類負(fù)指數(shù)。

        2 巖隙滲流研究的必要性

        2.1 工程意義

        巖隙滲流在工程建設(shè)中的應(yīng)用研究比較重要,結(jié)合近十年來大型工程建設(shè)的特點,在隧道挖掘、新建水利水電、新能源建設(shè)項目等工程中,對巖體的特性、滲流組織進(jìn)行大量研究。根據(jù)相關(guān)資料記載,超過30%的水利水電項目的設(shè)施破壞及坍塌與巖體地下滲流呈現(xiàn)較強的關(guān)聯(lián);在礦山事故中這個概率升高到60%,超過90%的隧道事故與巖石破壞、地下水滲透壓力突增有關(guān)。

        巖隙滲流的破壞具有持久、范圍大、損失嚴(yán)重等特點,若施工過程中發(fā)生滲流將會導(dǎo)致大量的人員傷亡及嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。所以工程建設(shè)領(lǐng)域?qū)τ趲r體的邊緣、接觸面、滲流壓力和流速,以及滲流變化規(guī)律的研究一直持續(xù)不斷,該研究和防范措施將對巖體類工程建設(shè)的效果保持和環(huán)境保護(hù),以及水資源的高效利用和開發(fā)有著強烈的現(xiàn)實意義。

        2.2 避免水害

        水害事故除了與水體儲存工程的施工質(zhì)量有關(guān),還受到工程建設(shè)范圍內(nèi)的巖隙滲流影響。根據(jù)調(diào)研顯示,由裂隙導(dǎo)滲壓力變化及流量激增誘發(fā)的水害事故近年來呈現(xiàn)增長趨勢。工程建期間地下水呈現(xiàn)長滲流途徑、高水壓導(dǎo)流的特點,滲流水壓將會加大滲流量和加快滲流速度,在巖體內(nèi)應(yīng)力不變的情況下,巖隙滲流將會持續(xù)破壞裂隙應(yīng)力進(jìn)行,隨著時間推移,滲流量將會在壓力突變的時刻對巖體造成毀滅性的破壞,導(dǎo)致滲流通道變阻,甚至產(chǎn)生水害事故。對巖隙滲流相關(guān)因素對巖體應(yīng)力的作用進(jìn)行研究,可避免一定概率的水害事故。

        2.3 獲取巖隙滲流的水力特性

        巖體是一種由一系列不規(guī)則的巖塊和具有不同連續(xù)特征的巖隙組成,這種裂縫的物理特性決定了其滲流特征,研究滲流可以發(fā)現(xiàn)水力特性對巖石的短期影響和長期影響,并對其破壞力進(jìn)行預(yù)判。

        由于巖體的裂隙分布呈現(xiàn)隨機性,且?guī)r隙的接觸面是不連續(xù)的,使得巖隙導(dǎo)滲途徑也存在無規(guī)律的水力梯度變化。巖體本身也有滲透性,與巖隙本身導(dǎo)滲的作用疊加后,在開展巖體的水力梯度變化、巖體本身的應(yīng)急變化研究時,將會更加容易獲得相關(guān)的研究結(jié)果。

        2.4 確認(rèn)影響因素

        要了解巖體裂隙中介質(zhì)的流動和滲透,不僅需要對巖體應(yīng)力及流體幾何特性開展相關(guān)研究,而且還需在此技術(shù)上開展實驗研究,預(yù)測流動方向并加以超前控制。

        雖然滲流問題相對復(fù)雜,單純的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型無法解決實際應(yīng)用中的各類問題,但是結(jié)合巖體滲流量的力學(xué)、幾何特征,和流固進(jìn)行耦合建模,然后并使用3D有限元分析軟件及非線性模擬,結(jié)合流體中的歐拉系,以及固體分析中的拉式系作為理論基礎(chǔ),對流速和滲流量進(jìn)行非線性耦合建模,得出一定時間段內(nèi)的流體預(yù)測模型,在該模型中可以區(qū)分影響因子的數(shù)量,及各因子的影響強度占比。

        3 3D打印技術(shù)在巖隙滲流研究中的應(yīng)用情況

        3D打印技術(shù)是一種新型的材料應(yīng)用技術(shù),在工程建設(shè)的各個領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。而將3D技術(shù)應(yīng)用在巖石力學(xué)分析、空間幾何特征及巖隙流體力學(xué)中,可以相對準(zhǔn)確地對裂隙巖體本身進(jìn)行力學(xué)及數(shù)學(xué)特征建模,進(jìn)而開展關(guān)于流體、固體之間相互作用的滲流研究。

        研究者們開展了關(guān)于各種材質(zhì)的3D打印試件研究,如采用PLA聚乳酸材質(zhì)打印后進(jìn)行力學(xué)和數(shù)學(xué)分析,得出該材質(zhì)不適合替代巖石進(jìn)行滲流量模型研究的結(jié)論。陸續(xù)又采用光敏樹脂、粉末性石膏來替代巖石,不僅打印制作了和實際巖石類似外形的試中,而且模擬出了內(nèi)部空隙以及邊緣石隙,但根據(jù)試驗結(jié)果來看,雖然外形和巖隙的尺寸及規(guī)??梢阅7拢淞W(xué)特征和實際巖石相比仍然差異較大。最近研究結(jié)果顯示,以聚乳酸材料作為3D基料,然后將其置于和巖石物理特征近似的水泥砂漿中進(jìn)行澆筑,可以獲得與真實巖石力學(xué)特征相似的巖體模型。結(jié)合該模型開展的相關(guān)巖隙滲流研究,目前正在各巖體試驗室進(jìn)行試驗?zāi)M。

        4 節(jié)理粗糙度

        4.1 節(jié)理巖體的廣泛性

        巖體的節(jié)理廣泛存在,且不用節(jié)理導(dǎo)致了巖體的各種變形、以及滲流途徑的不連續(xù)性,在巖隙滲流的途徑中節(jié)理點為非均質(zhì),導(dǎo)致滲流方向存在各異性,而節(jié)理是改變巖體接觸面線性特征的主要因素,使得巖體及接觸面力學(xué)分析復(fù)雜多變,嚴(yán)重地影響了滲流量預(yù)測模型的建立和計算。

        4.2 節(jié)理粗糙度對滲流量的影響

        節(jié)理導(dǎo)致巖體表面不光滑且形狀起伏多變,其不僅存在于天然的巖石表面,在后天施工開挖過程中也會造成形狀各異的節(jié)理,其表面粗糙度不僅影響滲流的方向、流速、阻力及流量,而且凸凹不平的非線性變化也會對工程施工及后續(xù)交付產(chǎn)生影響。

        在實際工程應(yīng)用中,建立合理科學(xué)的滲流規(guī)律數(shù)學(xué)模型是預(yù)測巖石破壞程度的重要基礎(chǔ)。早期研究在光滑巖隙中進(jìn)行滲流實驗,得出了立方體定律,也是目前巖隙滲流的研究基礎(chǔ)。但是不同于光滑接觸面,實際巖隙接觸面具有不同的粗糙度,所以需要在立方體定律的基礎(chǔ)上考慮粗糙度的影響。

        通過大量的試驗證明,流體在巖隙中流動時,巖隙JRC系數(shù)對水力梯度壓力變化值有著顯著的影響,通常構(gòu)建光滑裂隙模型和粗糙裂隙模型進(jìn)行仿真,對比得出巖隙粗糙度和水力壓差相關(guān)系數(shù),進(jìn)而得出在不同的JRC條件下,滲透率和巖體應(yīng)力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。雖然開展了較多研究,但是研究結(jié)果存在較大的差異,這與各個研究人員在模型構(gòu)建時的參數(shù)設(shè)定有關(guān),只能在一定程度上反映滲流模型和JRC之間存在強相關(guān)。

        由于裂隙的力學(xué)特征和幾何特征對滲流模型起到?jīng)Q定性作用,粗糙度比裂隙的其他物理參數(shù)更容易獲得,也更容易替代接觸面數(shù)學(xué)模型的獲取,所以通常在工程實踐中,使用JRC標(biāo)準(zhǔn)剖面輪廓曲線來模擬其對滲流量預(yù)測模型的影響效果排序。

        5 裂隙滲流量試樣研制

        巖體裂隙滲流試驗的關(guān)鍵是研制出相同開度、不同JRC的試樣。試樣的研制主要包括4個步驟。

        5.1 將節(jié)理粗糙度進(jìn)行曲線數(shù)字化

        在Autocad軟件中繪制巖石的JRC,然后獲取JRC的標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲線,然后將其輸出圖形定義為長度6 cm的平面圖形,取6個不同位置的JRC平面曲線,如圖1所示。

        圖1 6個位置的節(jié)理粗糙度標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲線

        5.2 對JRC曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后建模

        再次通過Autocad軟件將輸入的6組不同JRC的輪廓線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后建模,可以看到巖隙的上下兩個組成部分,再次增加進(jìn)水入口、水流出口以及壓力測試口,最終得到6組不同JRC結(jié)構(gòu)的三維模型,如圖2所示。

        圖2 具有同樣開口度不同JRC的巖隙三維模型

        5.3 將巖隙模型導(dǎo)出三維格式

        通過Autocad軟件導(dǎo)出6個位置不同JRC的三維巖隙模型,輸出格式為*.STL。

        5.4 導(dǎo)入三維模型至打印軟件

        將6個三維模型軟件導(dǎo)入至3D打印軟件,設(shè)置參數(shù)后,得到具有不同JRC的試件。

        6 裂隙滲流量試驗系統(tǒng)設(shè)計

        試驗開始前,需要設(shè)計裂隙流量測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括硬件和軟件,其中硬件包括蠕動泵泵體,檢測設(shè)備如壓差計和流量計,以及存儲水的容器設(shè)備,需將試樣放置其中。水流量的大小可以通過調(diào)節(jié)蠕動泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制,泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為0~100 r/min。壓差計的量程為0~2.5 MPa,流量計的量程為500 mL/min。

        使用軟管連接所有的水箱、蠕動泵、試樣、壓差計、流量計,在試驗開始前,首先將試樣水平放置,并將水箱閥門和蠕動泵開關(guān)打開,然后用水注滿裂隙內(nèi)部和所有管路,包括壓差計的安裝位置,使得容器和管路中沒有空氣,確保容積數(shù)據(jù)即為水的體積數(shù)據(jù)。此時打開供電系統(tǒng),然后調(diào)整蠕動泵的轉(zhuǎn)速至合適數(shù)值,將水注入試樣中,在試樣的裂隙段兩端連接壓差計,對通過試樣的兩側(cè)流體的壓力差變化進(jìn)行實時監(jiān)測。在試樣的流體出口位置安裝流量計,對單位時間流過試驗?zāi)P偷牧髁窟M(jìn)行準(zhǔn)確計算。

        7 裂隙滲流試驗結(jié)果分析

        試驗時,逐步打開水箱的閥門,保證水流從左側(cè)緩緩流到右側(cè)。將蠕動泵的轉(zhuǎn)速從0 r/min依次增加5 r/min再逐漸增加到100 r/min,并將各轉(zhuǎn)速時壓差計的示值和流量計的示值進(jìn)行記錄,并計算得到水力梯度和單位寬度的滲流量。

        水力梯度的計算公式為:

        式中:i——水力梯度, m;

        △p——壓差計顯示的壓力差, MPa;

        ρ——試驗用流體的密度, kg/m3;

        g——重力加速度, m/s2;

        △L——裂隙兩端距離, m。

        單位寬度的滲流量計算公式為:式中:q——單位寬度的滲流量, m3;

        Q——流量計示值, m3/h;

        e——裂隙開度,%。

        將試驗結(jié)果進(jìn)行擬合,從而得到不同JRC的單位寬度的滲流量與水力梯度i之間的關(guān)系曲線,如圖3所示。

        圖3 各不同JRC下單位寬度滲流量與水力梯度的關(guān)系曲線圖

        通過圖3可知,在JRC相同的情況下,隨著試樣單位寬度滲流量增加,水力梯度增長與之呈現(xiàn)非線性的關(guān)系,并且曲線的曲率逐漸增加,試樣單位寬度滲流量與水力梯度之間的非線性關(guān)系逐漸增加。通過擬合發(fā)現(xiàn),試樣單位寬度滲流量與水力梯度之間的關(guān)系符合二次函數(shù)的特征,并且其相關(guān)系數(shù)較高,達(dá)到0.99,且無限接近于1。并且隨著試樣JRC增大,試樣單位寬度滲流量與水力梯度之間非線性關(guān)系也明顯增加。

        偏差形成的原因有兩類,一種是線性流動,另一種是非線性流動,當(dāng)水力梯度增高至一定限度,其非線性特征明顯增強,此時立方率將不再適用。

        8 結(jié)語

        3D打印技術(shù)對于材料力學(xué)和材料行業(yè)具有較大的影響。本文基于3D打印技術(shù)研制不同JRC的試樣,并將其置于滲流實驗中進(jìn)行測試,獲得相同開度不同JRC條件下的力學(xué)特性。隨著流體流速的提升,其滲流量和水力梯度呈現(xiàn)出二次函數(shù)非線性關(guān)系,JRC對滲流量的影響十分顯著,在流體入口速度一致,JRC增加的情況下,滲流量和水力梯度的非線性關(guān)聯(lián)呈現(xiàn)增加趨勢。

        猜你喜歡
        節(jié)理水力滲流
        水力全開
        新疆阜康白楊河礦區(qū)古構(gòu)造應(yīng)力場特征
        新疆阜康白楊河礦區(qū)構(gòu)造節(jié)理發(fā)育特征
        中國煤層氣(2018年3期)2018-07-27 11:41:42
        球墨鑄鐵管的水力計算
        Effect of Magnetic Field on Forced Convection between Two Nanofluid Laminar Flows in a Channel
        水力噴射壓裂中環(huán)空水力封隔全尺寸實驗
        簡述滲流作用引起的土體破壞及防治措施
        河南科技(2014年12期)2014-02-27 14:10:26
        關(guān)于渠道滲流計算方法的選用
        河南科技(2014年11期)2014-02-27 14:09:48
        低水力停留時間氧化溝的改造與調(diào)控
        尾礦壩滲流計算及排滲設(shè)計
        金屬礦山(2013年6期)2013-03-11 16:54:05
        亚洲欧美牲交| 日本成年少妇人妻中文字幕| 极品美女调教喷水网站| 日本一二三区视频在线| 人妻丰满熟妇av无码处处不卡| 国产成人精品三上悠亚久久| 亚洲一区二区三区18| 亚洲αv在线精品糸列| 免费xxx在线观看| 久久久久久久国产精品电影| 日本淫片一区二区三区| 国产va免费精品观看精品| 久久精品亚洲乱码伦伦中文| 久久精品女人天堂AV一个| 青青草视频在线观看网| 色综合色狠狠天天综合色| 亚洲午夜精品a区| 日本在线免费一区二区三区| 狂猛欧美激情性xxxx大豆行情| 亚洲色欲综合一区二区三区| 亚洲欧美日韩中文v在线| 粉色蜜桃视频完整版免费观看在线 | 无码精品a∨在线观看| 亚洲ⅤA中文字幕无码| 一本无码人妻在中文字幕免费| 无码在线观看123| 免费看片的网站国产亚洲| 久久精品国产自在天天线| 久久精品日韩av无码| 亚洲成av在线免费不卡| 亚洲av成人综合网成人| 成人午夜特黄aaaaa片男男| 欧美成人免费高清视频| 中文天堂一区二区三区| 亚洲乱码无人区卡1卡2卡3| 亚洲熟妇无码av另类vr影视| 伊人色综合九久久天天蜜桃| 国产激情一区二区三区在线| 精品无码一区在线观看| 无码中文字幕av免费放| 青青草视频网站在线观看|