印岩块的材料，将其中裂隙的充填物制成粉末状作为打印岩体裂隙的材料;也可以模 拟所测实际裂隙岩体的力学性能，配制水泥砂浆等原材料用于3D打印。
[0039] (3)测定不同倾角相似材料的渗透率Ka，建立坐标轴，以不同倾角方向f的值为 点到原点的距离，做出一个封闭曲线；
[0040] 通过测定不同倾角相似材料的渗透率^，建立坐标轴，确定不同倾角方向上到原 点距离为+的点的位置，连接各象限内的相应点形成封闭曲线。
[0041] 确定柱状节理裂隙岩体的REV时，可以先确定第一象限内不同倾角方向上到原点 距离为^的点的位置，连接相应点形成开放曲线，根据对称性绘制第二、第三、第四象限 内的开放曲线，相邻开放曲线在坐标轴上相交形成封闭曲线；
[0042]确定一般裂隙岩体的REV时，可以先确定第一象限和第二象限内不同倾角方向 的值为点到原点的距离做出开放曲线，根据对称性绘制其余象限内的开放曲线，相邻 开放曲线在坐标轴上相交形成封闭曲线。
[0043] (4)根据该封闭曲线与椭圆的近似度，定量分析裂隙岩体不同方向的渗透系数是 否符合渗透张量的规律；
[0044] 当封闭曲线与椭圆的近似度大于90%时，说明裂隙岩体不同方向的渗透系数符合 渗透张量的规律。
[0045] 可以通过对封闭曲线进行函数拟合来确定其与椭圆的近似度，具体方法为:通过 迭代法算出封闭曲线所对应的拟合度最高的椭圆方程，然后用得出的椭圆方程对曲线进行 拟合，得到曲线对该椭圆方程的拟合度，即曲线与椭圆的近似程度。
[0046] (5)基于渗透张量性质，根据定量分析结果，扩大或缩小选取的实际裂隙岩体的体 积，重复步骤(1)~(4)，确定所测实际裂隙岩体的表征单元体积。
[0047] 当定量分析结果为裂隙岩体不同方向的渗透系数符合渗透张量的规律时，缩小选 取的实际裂隙岩体的体积，重复步骤（1)~(4)，直至裂隙岩体不同方向的渗透系数不符合 渗透张量的规律，最后两次选取的实际裂隙岩体体积的平均值即为所测实际裂隙岩体的表 征单元体积。
[0048] 当定量分析结果为裂隙岩体不同方向的渗透系数不符合渗透张量的规律时，扩大 选取的实际裂隙岩体的体积，重复步骤（1)~(4)，直至裂隙岩体不同方向的渗透系数符合 渗透张量的规律，最后两次选取的实际裂隙岩体体积的平均值即为所测实际裂隙岩体的表 征单元体积。此时，当选取的实际裂隙岩体的体积扩大到不合理尺寸时，裂隙岩体不同方向 的渗透系数仍然不符合渗透张量的规律，说明该实际裂隙岩体的表征单元体积不存在。
[0049] 实施例
[0050] 以计算某水电站河床坝基处裂隙岩体的REV为例，本发明的确定裂隙岩体表征单 元体积的方法，包括如下步骤：
[0051] (1)根据该水电站河床坝基处裂隙岩体的地质资料，确定选取体积为lOmXIOmX l〇m的裂隙岩体，设定比例尺缩小绘制其三维数字模型；
[0052] (2)将三维数字模型输入双喷头3D打印机，将该水电站河床坝基处的裂隙岩体制 成粉末状作为打印岩块的材料，将裂隙岩体中裂隙的充填物制成粉末状作为打印岩体裂隙 的材料，并装入双喷头3D打印机；
[0053] (3)将裂隙岩体的三维数字模型绕其中心点旋转成与水平方向成0°，15°，30°， 45°，60°，75°，90°倾斜角，在不同的倾斜角下依次打印，分别打印出与水平方向成0°，15°， 30°，45°，60°，75°，90°倾斜角的标准尺寸的模拟裂隙岩体的相似材料；
[0054] (4)利用岩石气体渗透率测试装置测出不同倾角裂隙岩体相似材料的渗透率Ka， 以各方向的^为点到原点的距离绘出曲线在坐标第一象限的部分，并根据对称性在其 余各象限内补全曲线的剩余部分，如图2;
[0055] (5)通过迭代法算出裂隙岩体各方向+绘成的曲线所对应的拟合度最高的椭圆 方程是+ = 用该方程对曲线进行拟合，得到曲线对椭圆的拟合度是94.29%，BP 5.19 3.66 曲线对椭圆的近似程度是94.29%，各方向^绘成的曲线对椭圆近似程度很高，说明裂 隙岩体不同方向的渗透系数符合渗透张量的规律，则所选取裂隙岩体体积等于或大于REV;
[0056] (6)将选取的裂隙岩体实际尺寸缩小，重复上述步骤，直到裂隙岩体不同方向的渗 透系数不符合渗透张量规律，取最后两次选取的裂隙岩体实际体积的平均值作为该裂隙岩 体的REV，最终确定的岩体REV的值是3.2m X 3.2m X 3.2m。
[0057] 采用本发明的方法得到某水电站河床坝基处裂隙岩体的REV为3.2m X 3.2m X 3.2m，与相关资料所得出的3m X 3m X 3m的结论大体一致。
【主权项】
1. 一种确定裂隙岩体表征单元体积的方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 选取任意体积的实际裂隙岩体，绘制其=维数字模型； (2) 旋转该=维数字模型，使其与水平方向成不同倾角，通过3D打印制得该实际裂隙岩 体不同倾角的相似材料； (3) 测定不同倾角相似材料的渗透率Ka,建立坐标轴，W不同倾角方向的值为点到 原点的距离，做出一个封闭曲线； (4) 根据该封闭曲线与楠圆的近似度，定量分析裂隙岩体不同方向的渗透系数是否符 合渗透张量的规律； (5) 基于渗透张量性质，根据定量分析结果，扩大或缩小选取的实际裂隙岩体的体积， 重复步骤(1)~(4)，确定所测实际裂隙岩体的表征单元体积。2. 根据权利要求1所述的确定裂隙岩体表征单元体积的方法，其特征在于，步骤(4)中， 当所述封闭曲线与楠圆的近似度大于90%时，说明裂隙岩体不同方向的渗透系数符合渗透 张量的规律。3. 根据权利要求1所述的确定裂隙岩体表征单元体积的方法，其特征在于，步骤(5)中， 当定量分析结果为裂隙岩体不同方向的渗透系数符合渗透张量的规律时，缩小选取的实际 裂隙岩体的体积，重复步骤（1)~(4)，直至裂隙岩体不同方向的渗透系数不符合渗透张量 的规律，最后两次选取的实际裂隙岩体体积的平均值即为所测实际裂隙岩体的表征单元体 积。4. 根据权利要求1所述的确定裂隙岩体表征单元体积的方法，其特征在于，步骤(5)中， 当定量分析结果为裂隙岩体不同方向的渗透系数不符合渗透张量的规律时，扩大选取的实 际裂隙岩体的体积，重复步骤（1)~(4)，直至裂隙岩体不同方向的渗透系数符合渗透张量 的规律，最后两次选取的实际裂隙岩体体积的平均值即为所测实际裂隙岩体的表征单元体 积。5. 根据权利要求4所述的确定裂隙岩体表征单元体积的方法，其特征在于，步骤(5)中， 当选取的实际裂隙岩体的体积扩大到不合理尺寸时，裂隙岩体不同方向的渗透系数仍然不 符合渗透张量的规律，说明该实际裂隙岩体的表征单元体积不存在。6. 根据权利要求1所述的确定裂隙岩体表征单元体积的方法，其特征在于，步骤(4)中， 通过对所述封闭曲线进行函数拟合来确定其与楠圆的近似度。7. 根据权利要求6所述的确定裂隙岩体表征单元体积的方法，其特征在于，确定所述封 闭曲线与楠圆近似度的方法包括:通过迭代法算出所述封闭曲线对应的拟合度最高的楠圆 方程，然后利用该楠圆方程对曲线进行拟合，得到的拟合度即为近似度。8. 根据权利要求1所述的确定裂隙岩体表征单元体积的方法，其特征在于，步骤(3)中，确定第一象限内不同倾角方向 的值为点到原点的距离做出开放曲线，根据对称性绘 制其余象限内的开放曲线，相邻开放曲线在坐标轴上相交形成封闭曲线。9. 根据权利要求1所述的确定裂隙岩体表征单元体积的方法，其特征在于，步骤(3)中， 确定第一象限和第二象限内不同倾角方向的值为点到原点的距离做出开放曲线，根 据对称性绘制其余象限内的开放曲线，相邻开放曲线在坐标轴上相交形成封闭曲线。10.根据权利要求1所述的确定裂隙岩体表征单元体积的方法，其特征在于，步骤（2) 中，采用所测实际裂隙岩体粉末为原材料进行3D打印，或者模拟所测实际裂隙岩体的力学 性能，配制3的T印的原材料。
【专利摘要】本发明涉及一种确定裂隙岩体表征单元体积的方法，包括如下步骤：选取任意尺寸的实际裂隙岩体，绘制其三维数字模型；旋转该三维数字模型，使其与水平方向成不同倾角，通过3D打印制得该实际裂隙岩体不同倾角的相似材料；测定不同倾角相似材料的渗透率Ka，建立坐标轴，以不同倾角方向的值为点到原点的距离，做出一个封闭曲线；根据该封闭曲线与椭圆的相似性，定量分析裂隙岩体不同方向的渗透系数是否符合渗透张量的规律；根据定量分析结果，扩大或缩小选取的实际裂隙岩体的体积，重复上述步骤，确定该实际裂隙岩体的表征单元体积。本发明可充分模拟实际裂隙岩体，得出的REV值与实际裂隙岩体的REV差异很小，与数值方法相比，确定的岩体REV更精确。
【IPC分类】G01N15/08, G01N33/24
【公开号】CN105651964
【申请号】
【发明人】巢志明, 王环玲, 徐卫亚, 吉华, 闫龙, 向志鹏, 王苏生, 杨兰兰, 赵恺, 夏季
【申请人】河海大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2015年12月29日