·918 工程科学学报，第43卷，第7期 kgm3.式(2)是由测量的流量、压差和裂隙宽度 计算得到，单轴压缩条件下的粗糙裂隙试样，粗糙 度和裂隙宽度不同，测量得到的流量也不同，其单 宽渗流流量的表达式为23-4： 9=gem 1 12v1+dle (3) 式中：v为水的动黏滞系数，m2s;4为绝对粗糙 度，m;4/e为相对粗糙度；g为重力加速度，ms-2; J为水力比降；q为单宽流量，m2sl;为系数；k, m,n分别为相对粗糙度，裂隙宽度，水力比降的指 图4 Makebot程序中建立的三维模型 数.法向压力的不同，测量得到的渗透系数也不一 Fig.4 3D model established in Makebot 样，为了区分，施加法向压力的渗透系数用K表示， 没有施加法向压力的渗透系数用Ko表示 2.2试验系统 如图7所示，试验系统包括：流体混合过滤系 统、供压系统、法向加载系统、模拟裂隙系统、流 体收集测量系统、数据采集和图像绘制系统.图8 为法向加载系统，主要是提供垂直于裂缝渗流方 向的法向压力，最大的加载荷载为20kN.图9为 模拟裂隙系统，主要是用于密封和放置裂隙试样， 该装置采用夹持器和密封胶板实现渗流的双重密 封.在实验开始之前，将密封好的试样装在渗流盒 内，在试样的横向和侧向以及渗流盒内用不透水 图5打印成型的三维实体模型 硅树脂和硅橡胶密封，保证流体只能从试样的两 Fig.5 3D solid model of printing molding 端流入和流出.在裂隙模型的法向方向上安装了 位移检测器，能实时测量裂隙宽度的变化.在裂隙 模型上下游设置精密差压传感器，能动态监测渗 流系统水压的变化.供压系统主要是通过气压泵 实现，将流体抽到裂隙通道内，能提供1MPa的压 力，气压泵的最大压力为20MPa.另外，气压泵还 能防止反抽，提供稳定的水压，保证实验能连续 进行. 2.3试验方案 RayBot 为了分析裂隙通道在有无法向压力作用下， 粗糙度对渗流特性的影响以及存在的差异，文中 主要从两个方面进行试验研究：一是裂隙试样在 图6 RayBot3D打印机 无法向压力作用下研究不同水压下粗糙度对渗透 Fig.6 RayBot 3D printer 系数的影响，具体的试验方案如表2所示 A=ew为渗流截面积，m2;e为裂隙宽度，m;w为裂 二是单轴压缩条件下的裂隙试样在恒定的法 隙截面宽度，m;△P为渗流压力差，MPa 向压力情况下，改变水压，研究粗糙度对渗透系数 渗透系数是表征岩体介质渗透性能的重要指 的影响，实验中，根据试验设备中压力表量程的最 标，是岩体水力学的重要参数，表达式为四叫： 大范围以及试验装置的密封性能，具体的试验方 kp OLp K= (2) 案为：水压的取值分别为0.04,0.09,0.14,0.19， =立=AAP 0.24和0.29MPa,法向压力的取值分别为0.25， 式中：K为裂隙渗透系数，ms;p为水的密度， 0.50.0.75和1.00MPa.A = e ·w m2 e w ∆P 为渗流截面积， ； 为裂隙宽度，m； 为裂 隙截面宽度，m； 为渗流压力差，MPa. 渗透系数是表征岩体介质渗透性能的重要指 标，是岩体水力学的重要参数，表达式为[22] ： K = kρ µ = QLρ A∆P （2） m·s −1 式中 ：K 为裂隙渗透系数 ， ； ρ 为水的密度 ， kg ·m−3 . 式（2）是由测量的流量、压差和裂隙宽度 计算得到，单轴压缩条件下的粗糙裂隙试样，粗糙 度和裂隙宽度不同，测量得到的流量也不同，其单 宽渗流流量的表达式为[23−24] ： q = gem 12v 1 1+ξ(∆/e) k J n （3） ν m2 ·s −1 ∆ ∆/e g m·s −2 J q m2 ·s −1 ξ K K0 式中： 为水的动黏滞系数， ； 为绝对粗糙 度 ，m； 为相对粗糙度； 为重力加速度， ； 为水力比降； 为单宽流量， ； 为系数； k， m，n 分别为相对粗糙度，裂隙宽度，水力比降的指 数. 法向压力的不同，测量得到的渗透系数也不一 样，为了区分，施加法向压力的渗透系数用 表示， 没有施加法向压力的渗透系数用 表示. 2.2    试验系统 如图 7 所示，试验系统包括：流体混合过滤系 统、供压系统、法向加载系统、模拟裂隙系统、流 体收集测量系统、数据采集和图像绘制系统. 图 8 为法向加载系统，主要是提供垂直于裂缝渗流方 向的法向压力，最大的加载荷载为 20 kN. 图 9 为 模拟裂隙系统，主要是用于密封和放置裂隙试样， 该装置采用夹持器和密封胶板实现渗流的双重密 封. 在实验开始之前，将密封好的试样装在渗流盒 内，在试样的横向和侧向以及渗流盒内用不透水 硅树脂和硅橡胶密封，保证流体只能从试样的两 端流入和流出. 在裂隙模型的法向方向上安装了 位移检测器，能实时测量裂隙宽度的变化. 在裂隙 模型上下游设置精密差压传感器，能动态监测渗 流系统水压的变化. 供压系统主要是通过气压泵 实现，将流体抽到裂隙通道内，能提供 1 MPa 的压 力，气压泵的最大压力为 20 MPa. 另外，气压泵还 能防止反抽，提供稳定的水压，保证实验能连续 进行. 2.3    试验方案 为了分析裂隙通道在有无法向压力作用下， 粗糙度对渗流特性的影响以及存在的差异，文中 主要从两个方面进行试验研究：一是裂隙试样在 无法向压力作用下研究不同水压下粗糙度对渗透 系数的影响，具体的试验方案如表 2 所示. 二是单轴压缩条件下的裂隙试样在恒定的法 向压力情况下，改变水压，研究粗糙度对渗透系数 的影响，实验中，根据试验设备中压力表量程的最 大范围以及试验装置的密封性能，具体的试验方 案为 ：水压的取值分别 为 0.04， 0.09， 0.14， 0.19， 0.24 和 0.29  MPa，法向压力的取值分别 为 0.25， 0.50，0.75 和 1.00 MPa. 图 4    Makebot 程序中建立的三维模型 Fig.4    3D model established in Makebot 图 5    打印成型的三维实体模型 Fig.5    3D solid model of printing molding 图 6    RayBot 3D 打印机 Fig.6    RayBot 3D printer · 918 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期