CN108645993B - 岩土介质中水分湿润锋的识别方法及其验证系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种岩土介质中水分湿润锋的识别方法及其验证系统，该识别方法包括以下步骤：计算以下公式：
其中，T为温度，k为非饱和渗透系数，hc为最大毛细上升高度，hm为含水岩土中微控制体处的基质吸力水头，xyz为坐标；利用红外热像仪获取含水岩土的红外辐射热像图，所述红外辐射热像图中满足
的位置即为湿润锋所在位置。本发明推导了含水岩石的红外辐射温度与含水量的定量描述方程，然后基于该方程推导出水分湿润锋的识别公式，简单而且可以广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及红外辐射特征应用、岩土介质研究技术领域，特别涉及一种岩土介质中水分湿润锋的识别方法。
背景技术
在油气开采领域，油气驱替是提高采收率的有效方法之一，监测驱替锋面在判断气体在油藏中的流动方向、渗流速度、油藏连通性等方面有重要作用，并对油田注气动态监测有重要指导作用；在煤矿瓦斯治理方面，高压空气驱替煤层瓦斯是消除煤与瓦斯突出事故的有效措施之一，其中驱替锋面是高压气体的驱替前缘，研究驱替锋面的运动特征能得到煤层的裂隙发育情况、渗透率以及高压气体在煤层中的流动速率方向等。
在古建筑保护领域，由于水分迁移造成了古建筑渗漏水、泛碱、脱落等病害问题，其中水分浸蚀空间范围，即水分湿润锋所在位置，是评估古建筑水害问题首先需要面临的问题。
在土遗址和岩质文物保护领域，水分及其状态的变化是造成石窟、壁画、遗址病害的直接原因，严重影响文物的外观及寿命。
在盾构隧道养护领域，水害分为渗漏水、衬砌周围积水、潜流冲刷以及涌水四类，水害评估的首要问题为水害侵蚀范围的识别，即湿润锋的识别。另外，堤坝渗漏一直是汛期堤坝最主要的危害之一，在实施抗渗措施之前，应对堤坝中渗漏通道的位置、流量大小、渗漏范围等有比较准确的探测，并监测堤坝渗漏的发展，同样面临着湿润锋空间分布位置的识别。
在农田水利土壤学领域，业界针对诸如自重湿陷性黄土、风沙土、砂壤土等特殊场地条件下的湿润锋推进规律及运动特征等均有一定的研究。
综上所述，有效的识别水分运移湿润锋能为研究岩土介质中水分运移规律提供坚实的基础，同时，水分运移具有非常强的时间依赖性，准确的识别湿润锋，可以为进一步评估水害损坏程度、水害治理等提供重要的基础。可见，采用无损、实时的测试方法进行监测，同时识别水分运移湿润锋及其空间位置，是个关键问题。
但是，目前尚无岩土介质中的水分湿润锋的识别方法，研究湿润锋大多采用经验-半经验公式等方法，其存在以下缺点：
一、因为研究对象及其所处环境的复杂多样，目前对湿润锋的研究多为定性研究且只针对具体问题，难有定量结论，不具有推广性。
二、已有的湿润锋的描述方法一般采用经验-半经验的公式形式，普适性差；
三、缺少针对隧道工程、岩土工程、古建筑及文物保护等相关领域的湿润锋问题研究。
鉴于上述问题，有必要开展识别岩土介质中的水分运移湿润锋的理论方法研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种岩土介质中水分湿润锋的识别方法，以解决现有技术存在的缺少普适性、推广性的描述岩土介质中水分运移湿润锋的理论方法的问题。
本发明的另一目的在于提供一种上述识别方法的验证系统，以确认上述识别方法的正确性。
为了解决上述问题，本发明提供如下技术方案：
一种岩土介质中水分湿润锋的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
计算以下公式：
其中，T为温度，t为时间,k为非饱和渗透系数，hc为最大毛细上升高度，hm为含水岩土中微控制体处的基质吸力水头，xyz为-坐标，Kx、Ky、Kz分别为坐标轴x、y、z方向上的非饱和渗透系数，Kx(hm)、Ky(hm)、Kz(hm)分别为坐标轴x、y、z方向上的非饱和渗透系数函数；
利用红外热像仪获取含水岩土的红外辐射热像图，所述红外辐射热像图中满足
的位置即为湿润锋所在位置。
优选地，参数
的计算步骤如下：
引述热力学第一定律如下：
式中，
为系统的总能量；
为系统从外界吸取的热量；
为系统对外界做的功；
在非饱和多孔岩土介质中取一个六面体微控制体，单位时间微元体具有的总能量：
其中，
为单位质量流体的内能；
为单位质量固体的内能；θ为体积含水量；u，v，w为流体速度的三个分量；ρw是流体的密度，ρs是固体的密度；
假定微控制体与外界的热量交换
微控制体对外界做功
包括体积力和表面力做功两部分，其中表面力做功
体积力做功只考虑流体的重力做功，故：
将式(2)和式(3)代入公式(1)可得：
将单位体积的非饱和多孔岩土介质中所含的内能
和基质吸力势能hmgρwθ等效为同体积均匀连续介质中所含的内能
和基质吸力势能hmg，则有：
ρ为等效密度，即把非饱和多孔岩土介质等效为均匀连续介质时的密度；
单位质量非饱和多孔岩土介质的焓：
同时，H＝CpT (7)
其中，Cp为等压比热容；T为温度，p是压力势能；
将式(6)、(7)代入式(5)，得：
式(8)用于限定非饱和多孔岩土介质的红外辐射温度与含水量关系；
忽略体积力做功，由式(8)可知：
可见，单位时间湿润锋所在的气-水交界面处内能与基质吸力势能之和最大，即：
上式假设Cp和ρ与时间和空间位置无关，可知湿润锋所在的气-水交界面处有：
由非饱和流动中的达西定律可得：
式中，k(hm)为非饱和渗透系数函数，若不考虑渗透压力水头作用，则非饱和岩石中的总水头h等于基质吸力水头hm与位置水头z之和，即
h＝hm+z (13)
将式(12)(13)代入(11)，得：
优选地，在式(14)中，
对于沿z向的一维流动，
且设kz(hm)＝k＝const，hc为最大毛细上升高度，则简化式(14)有
可知，湿润锋处有
即红外热像图中满足
的位置即为湿润锋所在位置，式(15)反应了湿润锋处具有温度变化分布最大值，该最大值由两部分组成：
为温度变化分布的当地项，
为温度变化分布的对流项，也即红外热像中这二项之和达到最大值的位置即为湿润锋所在位置。
另一方面，本发明提供如下技术方案：
一种用于上述识别方法的室内吸水实验分析验证系统，其包括：水箱，用于存储实验用水；电子秤，置于所述水箱下方，用于实时称重所述水箱的重量；岩土试样，为粉砂岩；底座，置于所述岩土试样下方，与所述水箱通过管道连接，用于通过毛细原理浸润所述岩土试样；红外热像仪，对准所述岩土试样，用于获取所述岩土试样的热像图；数据处理装置，与所述电子秤、红外热像仪连接，基于所述红外热像仪获取的热像图，执行权利要求1或2所述的识别方法。
优选地，所述岩土试样、电子秤、水箱位于一柜体中，所述柜体上并在所述岩土试样的前方设有透明窗。
分析可知，本发明利用热力学第一定律推导了含水岩石的红外辐射温度与含水量的定量描述方程，然后基于该方程推导出水分湿润锋的识别公式，简单而且可以广泛应用。此外，本发明还提供一种岩石的室内吸水实验系统，采用红外热像仪监测整个吸水过程，最后，根据室内实验数据对上述识别方法进行验证。
附图说明
图1为岩土中水分运移示意图；
图2为本发明的验证系统实施例的原理结构示意图；
图3为岩土试样吸水量和温度变化曲线；
图4为岩土试样的吸水过程红外辐射温度场(不同时刻)；
图5为差值热像图；
图6为t750时刻对流项温度分布图；
图7为t＝750s湿润锋位置图，其中，(a)利用公式识别的湿润锋位置，(b)t＝750s红外热像图，(c)t＝750s的实验照片；
图8为本发明的实施例的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
在本发明中，如图8所示，需要获取红外热像图以及一判据参数，然后比较二者。具体而言，首先需要建立非饱和多孔介质中的红外辐射温度和含水量关系方程，为了更清楚的描述如何建立该关系方程，引述热力学第一定律如下：
式中，
为系统的总能量；
为系统从外界吸取的热量；
为系统对外界做的功；
在非饱和多孔岩土介质中取一个六面体微控制体，单位时间微元体具有的总能量：
其中，
为单位质量流体的内能；
为单位质量固体的内能；θ为体积含水量；u，v，w为流体速度的三个分量；hm为微控制体处的基质吸力水头，ρw是流体的密度，ρs是固体的密度；
假定微控制体与外界的热量交换
微控制体对外界做功
包括体积力和表面力做功两部分，其中表面力做功
体积力做功只考虑流体的重力做功，故：
代入公式(1)：
将单位体积的非饱和多孔岩土介质中所含的内能
和基质吸力势能hmgρwθ等效为同体积均匀连续介质中所含的内能
和基质吸力势能hmg，则有：
其中，ρ为等效密度，即把非饱和多孔岩土介质等效为均匀连续介质时的密度。单位质量非饱和多孔岩土介质的焓：
同时，H＝CpT (7)
其中，Cp为等压比热容；T为温度；
将式(6)、(7)代入式(5)，得：
式(8)用于限定非饱和多孔岩土介质的红外辐射温度与含水量关系。
如图1所示，湿润锋A处的气-水交界面是质量、动量、能量交换最剧烈的地方，在湿润锋A处单位时间、单位体积的流体具有最大的动能变化率。
忽略体积力做功，由式(8)可知：
可见，单位时间湿润锋所在的气-水交界面处内能与基质吸力势能之和最大，即：
上式假设Cp和ρ与时间和空间位置无关，可知湿润锋所在的气-水交界面处有：
由非饱和流动中的达西定律得：
式中，k(hm)为非饱和渗透系数函数，若不考虑渗透压力水头作用，则非饱和岩石中的总水头h等于基质吸力水头hm与位置水头z之和，即：
h＝hm+z (13)
将式(12)(13)代入(11)，得：
对于沿z向的一维流动：
且设kz(hm)＝k＝const，hc为最大毛细上升高度，则(14)式有：
可知，湿润锋所处有
即红外热像中满足
的位置即为湿润锋所在位置，该式反应了湿润锋处具有温度分布最大值，且这个最大值由两部分组成：
为温度分布的当地项，
为温度分布的对流项。即红外热像中这二项之和达到最大值的位置即为湿润锋所在位置。。
为了验证上述识别方法的正确性和有效性，利用图2所示验证系统进行岩石的室内吸水实验，并采用红外热像仪监测整个吸水过程。在实验中采用红外热像仪观测粉砂岩吸水过程中的红外辐射特征，获得吸水量及粉砂岩表面的红外辐射温度场(如图3-图4)。
图2所示的验证系统具体包括：柜体1、电子秤2、水箱3、管道4、底座5、岩土试样6、透明窗7、红外热像仪8、数据处理装置9。其中，电子秤2、水箱3、管道4、底座5、岩土试样6等位于柜体1中，并且在柜体1的侧壁上设有透明窗7，该透明窗7位于岩土试样6和红外热像仪8之间。水箱3用于存储实验用水。电子秤2置于水箱3下方，用于实时称重水箱3的重量。岩土试样6为粉砂岩(参考图1)。底座5置于岩土试样6下方，与水箱3通过管道4连接，用于通过毛细原理浸润岩土试样6。红外热像仪8对准岩土试样6，用于获取岩土试样6的热像图。数据处理装置9与电子秤2、红外热像仪8连接，基于红外热像仪8获取的热像图，执行本发明提供的识别方法。
实验中记基准时刻(初始时刻)t0，然后选取任意时刻的红外辐射温度场，按上述公式进行计算，判断粉砂岩(岩土试样6)中水分运移湿润锋的位置。以粉砂岩处于变速吸水阶段(CD段)t＝750s时为例识别湿润锋面位置，具体操作过程如下：
由前述公式可知，某时刻的湿润锋A所在位置有
最大值，分别计算实验中t＝750s时刻的
和
值。
为了识别湿润锋A的空间位置，需进行温度分布的当地项和对流项计算。
(1)温度分布的当地项计算：
此式反应了时间对温度分布的影响，取时间增量Δt＝(t+Δt)-t＝t830-t750＝80s，将t＝830s和t＝750s两时刻的热像图做差值得到如图5，然后按式(13)计算每个像素点的当地温度梯度，得到矩阵
如式(14)所示：
其中，i,j像素编号，i＝1,2,3,...,170；j＝1,2,3,...,153。
(2)温度分布的对流项计算：
此式(15)反应的是空间位置对温度分布的影响，实验中取粉砂岩渗透系数k＝5.5*10-6cm/s，取粉砂岩最大毛细上升高度
(D为岩石平均孔隙直径)。
通过计算发现，矩阵式(16)各项数值比(14)小约2个数量级，说明湿润锋处的温度变化，受时间影响比受空间位置的影响大得多，即温度因传质引起的随时间变化是主导因素。
为能清晰展示实验中式(15)的计算结果分布规律，将其扩大200倍，生成矩阵
式(16)所示，热像图如图6所示，从图中可看出粉砂岩在t＝750s时刻时的对流温度分布。
其中，i,j像素编号，i＝1,2,3,...,170；j＝1,2,3,...,153。
根据式(14)、(16)的计算结果，将矩阵
和
相加，并通过matlab软件对数据进行处理，找出最大值所在的像素位置并输出，如图7(a)所示，图中白色区域即为t＝750s时刻湿润锋的空间位置。
在实验中，t＝750s时刻的红外热像和实验照片如图7(b)和图7(c)所示，对比发现图7(a)与二者有很好的一致性，可见，利用本发明可以有效识别出岩石中任意时刻的湿润锋空间位置。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (3)
1.一种岩土介质中水分湿润锋的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
计算以下公式：
其中，T为温度，t为时间，k为非饱和渗透系数，hc为最大毛细上升高度，hm为含水岩土中微控制体处的基质吸力水头，xyz为-坐标，Kx、Ky、Kz分别为坐标轴x、y、z方向上的非饱和渗透系数，Kx(hm)、Ky(hm)、Kz(hm))分别为坐标轴x、y、z方向上的非饱和渗透系数函数；
利用红外热像仪获取含水岩土的红外辐射热像图，所述红外辐射热像图中满足
的位置即为湿润锋所在位置；
参数
的计算步骤如下：
引述热力学第一定律如下：
式中，
为系统的总能量；
为系统从外界吸取的热量；
为系统对外界做的功；
在非饱和多孔岩土介质中取一个六面体微控制体，单位时间微元体具有的总能量：
其中，
为单位质量流体的内能；
为单位质量固体的内能；θ为体积含水量；u，v，w为流体速度的三个分量；ρw是流体的密度，ρs是固体的密度；
假定微控制体与外界的热量交换
微控制体对外界做功
包括体积力和表面力做功两部分，其中表面力做功
体积力做功只考虑流体的重力做功，故：
式(2)和(3)代入公式(1)可得：
将单位体积的非饱和多孔岩土介质中所含的内能
和基质吸力势能hmgρwθ等效为同体积均匀连续介质中所含的内能
和基质吸力势能hmg，则有：
ρ为等效密度，即把非饱和多孔岩土介质等效为均匀连续介质时的密度；
单位质量非饱和多孔岩土介质的焓：
同时，H＝CpT (7)
其中，Cp为等压比热容；T为温度，p是压力势能；
将式(6)、(7)代入式(5)，得：
式(8)用于限定非饱和多孔岩土介质的红外辐射温度与含水量关系；
忽略体积力做功，由式(8)可知：
可见，单位时间湿润锋所在的气-水交界面处内能与基质吸力势能之和最大，即：
上式假设Cp和ρ与时间和空间位置无关，可知湿润锋所在的气-水交界面处有：
由非饱和流动中的达西定律可得：
式中，k(hm)为非饱和渗透系数函数，若不考虑渗透压力水头作用，则非饱和岩石中的总水头h等于基质吸力水头hm与位置水头z之和，即
h＝hm+z (13)
将式(12)(13)代入(11)，得：
在式(14)中，
对于沿z向的一维流动，
且设kz(hm)＝k＝const，hc为最大毛细上升高度，则简化式(14)有
可知，湿润锋处有
即红外热像图中满足
的位置即为湿润锋所在位置，式(15)反应了湿润锋处具有温度变化分布最大值，该最大值由两部分组成：
为温度变化分布的当地项，
为温度变化分布的对流项，也即红外热像中这二项之和达到最大值的位置即为湿润锋所在位置。
2.一种用于权利要求1所述识别方法的室内吸水实验分析验证系统，其特征在于，包括：
水箱，用于存储实验用水；
电子秤，置于所述水箱下方，用于实时称重所述水箱的重量；
岩土试样，为粉砂岩；
底座，置于所述岩土试样下方，与所述水箱通过管道连接，用于通过毛细原理浸润所述岩土试样；
红外热像仪，对准所述岩土试样，用于获取所述岩土试样的热像图；
数据处理装置，与所述电子秤、红外热像仪连接，基于所述红外热像仪获取的热像图，执行权利要求1所述的识别方法。
3.根据权利要求2所述的验证系统，其特征在于，所述岩土试样、电子秤、水箱位于一柜体中，所述柜体上并在所述岩土试样的前方设有透明窗。
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