916 工程科学学报，第43卷，第7期 hydraulic gradients and decreases with the increase in the normal pressure.The results can further clarify the fluid flow through rough fracture surfaces and provide a solid foundation for further research in the fields of rock mass flow characteristics KEY WORDS roughness;permeability coefficient;fracture sample;3D printing;uniaxial compression 裂隙在岩体中广泛存在，流体流经裂隙时会 复杂的裂隙网络模型，为裂隙岩石力学特性分析 对工程活动造成重要影响，如大坝修建、液体废物 提供了参考.Huang等l结合3D打印技术，采用 处理、石油和天然气生产以及核废料埋藏等- 水泥砂浆制备了具有裂缝的岩石样品，研究了裂 统计数据表明，岩体渗水及由此引起的渗透率变 隙的传热性能.采用3D技术打印的试验模型在研 化会导致严重的工程问题，因此，渗透压下岩体渗 究岩体的力学特征方面已经得到了广泛的应用， 流特性的研究已成为岩土工程中亟待解决的前沿 但是，在裂隙岩体渗流特性方面的研究相对较少. 性课题) 大量的实验结果表明，法向压力的作用对粗 目前，对岩体渗流特性的研究，达西定律和立 糙裂隙的渗透能力会造成很大的影响.Zhang与 方定律已经普遍被人们接受和运用在实际工程 Nemcik!研究了砂岩裂隙在1.0~3.5MPa的法向 中.由于天然的岩体裂隙多数是粗糙裂隙，其渗流 压力条件下，粗糙裂隙中流体的流动状态和非线 特性会存在很大的差异，因此，许多学者通过不 性特征.Chen等7分析了围压作用下可变形粗糙 同的方法模拟和重构粗糙裂隙模型，研究粗糙裂 裂隙的几何特征对渗流特性的影响.Yin等u对 隙岩体的渗流特性5-许光祥等)用加工的钢板 9个不同围压和水压条件下的粗糙裂缝进行了大 模拟裂隙粗糙面，用平均隙宽代替水力隙宽，制作 量的水力学试验，发现随着围压和裂隙粗糙度的 出规则或非规则形状的裂隙试样，提出了可以用 增大，裂隙的宽度和渗透率增大.Zhou等u对粗 超立方定律和次方立定律来描述粗糙裂隙的渗流 糙裂隙在压缩载荷作用下的渗流行为进行了研 规律.速宝玉等图通过加粗光滑裂隙制作出裂隙 究，得出法向压力的增加使得隙宽减小，弯曲度增 模型，在模型中夹入厚度均匀的薄片确定裂隙宽 加.这些研究的潜在机制可以归结为裂隙的宽度 度，总结了岩体裂隙渗流特性的室内研究方法，鞠 和流动特性是随着法向压力的变化而变化.因此. 杨等利用分形函数制作出不同分形维数的粗糙 在前人的研究基础上，研制了一套可以直接测出 裂隙，并利用高速摄相机记录粗糙裂隙渗流的全 流体在流经裂隙通道时，裂隙宽度变化情况的试 过程，研究了水渗流性质随裂隙粗糙性的变化规 验装置，通过3D打印技术制备的粗糙裂隙试样， 律及粗糙结构对渗流机制的影响.贺玉龙等0根据 研究在单轴压缩条件下裂隙的粗糙度对渗流特性 Barton提出的JRC标准剖面轮廓曲线，运用数控 的影响 电火花线切割技术，制作出不同粗糙度的裂隙试 本文首先依据Barton提出的JRC标准剖面轮 样，研究裂隙粗糙度对渗透性的影响.段慕白等山 廓线，运用3D打印技术和数字建模方法制备了粗 根据节理粗糙度标准剖面轮廓曲线，采用逆向数 糙度不同的裂隙试样，然后，通过自制的裂隙流动 字化方法，保持裂隙宽度不变，研究了不同粗糙度 试验系统，依次开展了不同水压和不同法向压力 的裂隙渗流规律 条件下裂隙的渗流试验，最后，重点分析了裂隙粗 上述研究在模拟裂隙粗糙度方面，采用的方 糙度对渗透系数的影响，并讨论了粗糙度不同的 法主要是随机劈裂或者人工制作出裂隙面的起伏 裂隙试样在有无法向压力作用下裂隙渗流的差异 度，再或者是通过数控电火花切割，加工钢板以及 性.本文研究成果可以为3D打印技术应用以及变 有机玻璃.然而，这些方法测出裂隙面的粗糙度随 形裂隙岩体水力学特性试验研究提供参考 机性比较大，很难总结出一定的规律性.随着科技 1 裂隙试件的制作 的进步和发展，3D打印技术使得快速制作复杂结 构的三维固体模型成为现实)该技术在岩土工 1.1数字化JRC标准轮廓曲线 程领域的应用也逐渐的引起科学工作者的重视 Barton与ChoubeyP0通过对岩石结构面的轮 鞠杨等1运用3D打印技术制备了与天然煤岩裂 廓线从光滑到粗糙进行分类，提出了10条JRC值 隙结构一致的煤岩模型，直观的显示了岩体复杂的 为0~20的标准剖面线.JRC值小于10的剖面线 内部结构.王培涛等采用3D打印技术制备了 表示裂隙相对光滑，JRC值大于10的剖面线表示hydraulic gradients and decreases with the increase in the normal pressure. The results can further clarify the fluid flow through rough fracture surfaces and provide a solid foundation for further research in the fields of rock mass flow characteristics. KEY WORDS    roughness；permeability coefficient；fracture sample；3D printing；uniaxial compression 裂隙在岩体中广泛存在，流体流经裂隙时会 对工程活动造成重要影响，如大坝修建、液体废物 处理、石油和天然气生产以及核废料埋藏等[1−2] ， 统计数据表明，岩体渗水及由此引起的渗透率变 化会导致严重的工程问题，因此，渗透压下岩体渗 流特性的研究已成为岩土工程中亟待解决的前沿 性课题[3] . 目前，对岩体渗流特性的研究，达西定律和立 方定律已经普遍被人们接受和运用在实际工程 中. 由于天然的岩体裂隙多数是粗糙裂隙，其渗流 特性会存在很大的差异[4] ，因此，许多学者通过不 同的方法模拟和重构粗糙裂隙模型，研究粗糙裂 隙岩体的渗流特性[5−6] . 许光祥等[7] 用加工的钢板 模拟裂隙粗糙面，用平均隙宽代替水力隙宽，制作 出规则或非规则形状的裂隙试样，提出了可以用 超立方定律和次方立定律来描述粗糙裂隙的渗流 规律. 速宝玉等[8] 通过加粗光滑裂隙制作出裂隙 模型，在模型中夹入厚度均匀的薄片确定裂隙宽 度，总结了岩体裂隙渗流特性的室内研究方法. 鞠 杨等[9] 利用分形函数制作出不同分形维数的粗糙 裂隙，并利用高速摄相机记录粗糙裂隙渗流的全 过程，研究了水渗流性质随裂隙粗糙性的变化规 律及粗糙结构对渗流机制的影响. 贺玉龙等[10] 根据 Barton 提出的 JRC 标准剖面轮廓曲线，运用数控 电火花线切割技术，制作出不同粗糙度的裂隙试 样，研究裂隙粗糙度对渗透性的影响. 段慕白等[11] 根据节理粗糙度标准剖面轮廓曲线，采用逆向数 字化方法，保持裂隙宽度不变，研究了不同粗糙度 的裂隙渗流规律. 上述研究在模拟裂隙粗糙度方面，采用的方 法主要是随机劈裂或者人工制作出裂隙面的起伏 度，再或者是通过数控电火花切割，加工钢板以及 有机玻璃. 然而，这些方法测出裂隙面的粗糙度随 机性比较大，很难总结出一定的规律性. 随着科技 的进步和发展，3D 打印技术使得快速制作复杂结 构的三维固体模型成为现实[12] ，该技术在岩土工 程领域的应用也逐渐的引起科学工作者的重视. 鞠杨等[13] 运用 3D 打印技术制备了与天然煤岩裂 隙结构一致的煤岩模型，直观的显示了岩体复杂的 内部结构. 王培涛等[14] 采用 3D 打印技术制备了 复杂的裂隙网络模型，为裂隙岩石力学特性分析 提供了参考. Huang 等[15] 结合 3D 打印技术，采用 水泥砂浆制备了具有裂缝的岩石样品，研究了裂 隙的传热性能. 采用 3D 技术打印的试验模型在研 究岩体的力学特征方面已经得到了广泛的应用， 但是，在裂隙岩体渗流特性方面的研究相对较少. 大量的实验结果表明，法向压力的作用对粗 糙裂隙的渗透能力会造成很大的影响. Zhang 与 Nemcik[16] 研究了砂岩裂隙在 1.0～3.5 MPa 的法向 压力条件下，粗糙裂隙中流体的流动状态和非线 性特征. Chen 等[17] 分析了围压作用下可变形粗糙 裂隙的几何特征对渗流特性的影响. Yin 等[18] 对 9 个不同围压和水压条件下的粗糙裂缝进行了大 量的水力学试验，发现随着围压和裂隙粗糙度的 增大，裂隙的宽度和渗透率增大. Zhou 等[19] 对粗 糙裂隙在压缩载荷作用下的渗流行为进行了研 究，得出法向压力的增加使得隙宽减小，弯曲度增 加. 这些研究的潜在机制可以归结为裂隙的宽度 和流动特性是随着法向压力的变化而变化. 因此， 在前人的研究基础上，研制了一套可以直接测出 流体在流经裂隙通道时，裂隙宽度变化情况的试 验装置，通过 3D 打印技术制备的粗糙裂隙试样， 研究在单轴压缩条件下裂隙的粗糙度对渗流特性 的影响. 本文首先依据 Barton 提出的 JRC 标准剖面轮 廓线，运用 3D 打印技术和数字建模方法制备了粗 糙度不同的裂隙试样，然后，通过自制的裂隙流动 试验系统，依次开展了不同水压和不同法向压力 条件下裂隙的渗流试验，最后，重点分析了裂隙粗 糙度对渗透系数的影响，并讨论了粗糙度不同的 裂隙试样在有无法向压力作用下裂隙渗流的差异 性. 本文研究成果可以为 3D 打印技术应用以及变 形裂隙岩体水力学特性试验研究提供参考. 1    裂隙试件的制作 1.1    数字化 JRC 标准轮廓曲线 Barton 与 Choubey[20] 通过对岩石结构面的轮 廓线从光滑到粗糙进行分类，提出了 10 条 JRC 值 为 0～20 的标准剖面线. JRC 值小于 10 的剖面线 表示裂隙相对光滑，JRC 值大于 10 的剖面线表示 · 916 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期