CN111735936A - 一种库区岸坡消落带劣化模拟系统及实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及地质灾害防治领域，具体涉及一种库区岸坡消落带劣化模拟系统及实验方法。其实验方法：(1)将样品放入模拟系统的夹持器内，设定模拟系统的各项实验参数；(2)利用核磁共振系统采集到的数据计算样品的孔隙分布、孔隙度等相关参数；(3)光纤声波传感系统采集的声信号传递给上位机进行反演计算，得到样品破裂的空间位置、破裂时间和破裂能量等参数；(4)根据计算得出的相关参数对岩石劣化过程进行分析。本发明可实时获取岩体在不同工况条件下孔隙分布、孔隙度、渗透率、含水饱和度、岩石破裂位置、裂纹几何特征、压力、温度、湿度等关键参数，对于研究库区岸坡消落带劣化机制及库区岸坡滑坡或崩塌机制具有重要的意义和实用价值。

Description

一种库区岸坡消落带劣化模拟系统及实验方法
技术领域
本发明涉及地质灾害防治领域，具体涉及一种库区岸坡消落带劣化模拟系统及实验方法。
背景技术
三峡库区蓄水以来，库区水位在高程145～175m之间周期性涨落，形成了30m垂直落差的消落带。在江水浸泡、温度急剧变化的周期性循环作用下，岸坡消落带岩体质量、应力和岩石力学性能会快速劣化，引发新的地质灾害。比如2003年发生的千将坪滑坡，滑体堵塞青干河并激起了约40m的巨浪，致使80多栋农舍和4家企业厂房化为废墟；2008年三峡库区175m实验性蓄水时巫山县龚家坊危岩发生崩塌，产生涌浪高度14m，严重威胁了长江航道的安全和人民群众生命财产安全。
当水分通过岩体内部的渗流通道不断充填孔隙，孔隙内的可溶物质逐渐溶蚀，孔隙压力增大，岩石力学性质不断弱化；随着岩体溶蚀作用的加剧和孔隙的逐步连通，产生小的裂隙并逐步扩展连通，岩体的应力平衡状态被打破，容易诱发次生灾害。
中国专利ZL 200420050997公开了《水诱发滑坡模拟实验装置》，包括箱体、透水板、挡网、插板和滑坡体，可针对引起滑坡的多种水工况进行综合研究，也可分别对单一工况进行实验。但该专利没有涉及传感器的布设，不能采集诱发滑坡的相关参数。
中国专利CN 200410042628公开了《一种水诱发滑坡模拟实验装置及坡面位移监测方法》，包括实验台、实验箱、供水系统和设置在实验箱上的滑坡体，能对滑坡体失稳时的临界孔隙水压力、滑坡体失稳与承压水面积的关系进行研究。
中国专利CN201510654838公开了《滑坡模拟系统》，包括模型箱、滑坡模型、施加荷载产生滑动的加载装置和用于检测滑坡滑动的监测模块，监测模块包括用于获取滑坡发生时滑坡模型的运动及变形信号的复合光纤装置和用于监测滑移面表面运动位移的位移监测装置。但该发明需要通过钻孔实现滑坡模拟，破坏了岩土体的本征结构。
中国专利CN 201911063123公开了《一种滑坡模型多物理场时空变化监测系统》，包括模型框体、内置于模型框体内的滑坡模型、设于滑坡模型上方的红外热像仪、设于滑坡模型内部的温度传感器和应力传感器，能够同时监测滑坡模型表面和内部的多物理场信息时空变化。该专利不能实时获取样品的破裂位置和样品渗透率、孔隙结构等关键参数。
中国专利CN201920533476公开了《消落带的信息采集装置》，包括船载平台、信息获取装置(三部相机)和控制系统，信息获取装置固定设置于所述船载平台上，获取消落带图像数据。
中国专利CN201910805560公开了《一种探索降雨诱发滑坡机制的物理实验装置》，包括接水槽、接水槽水位控制门、接水槽滚轮、降雨系统支撑体、旋式降雨模拟系统、滑坡模拟装置、坡面模拟板、液压坡度调节器、漫水模拟装置、漫水装置控制门、抽水泵、输水管、总控制板、底座、全自动摄像头、电线、旋转电机、转轴、三角形导流板、导向滑轮、绳索固定柱，能够模拟不同接触面、不同坡度、不同降雨量下的降雨诱发滑坡及极端情况下的浸水诱发滑坡两种情况。但该发明仅能提供整个滑坡模拟过程的视频信息，没有搭载相关检测传感器，不能采集实验中的相关参数。
上述专利文件所公开的内容均不是一套完整的库区消落带劣化的模拟系统，不能对消落带岩体在不同水位、不同压力、不同温度环境下的岩石重要参数实时采集，也不能反映消落带岩体的微观结构变化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种库区岸坡消落带劣化模拟系统及实验方法，用以模拟系统构建库区消落带岩体的不同工况条件(水位、压力、温度)，并可循环改变工况条件，可实时获取岩体在不同工况条件下的孔隙分布、孔隙度、渗透率、含水饱和度、岩石破裂位置、裂纹几何特征、压力、湿度等关键参数，可用于研究库区岸坡消落带的劣化机理和防护治理工程，减轻库区次生地质灾害风险，提高地质灾害预警预报能力和岸坡的生态修复能力和景观重建能力，保障人民生命财产安全。
为了解决上述的问题，本发明提出一种库区岸坡消落带劣化模拟系统及实验方法，其实验方法包括以下步骤：
(1)将样品放入模拟系统的夹持器内，设定模拟系统的各项实验参数；
(2)利用核磁共振系统采集到的数据进行相关参数的计算，其具体的步骤如下：
1)设定核磁共振系统的采集参数：极化时间、回波间隔、回波个数和扫描次数等；
2)采用反转恢复(IR)序列或CPMG脉冲序列采集核磁共振信号，通过相位旋转得到第i个回波的核磁共振信号S(i)和噪声V(i)；
3)测量样品的初始磁化矢量M(0)和t时刻的磁化矢量M(t)；
4)对相位旋转后的核磁共振信号S(i)进行反演，得到测试样品的纵向弛豫时间T1和横向弛豫时间T2；
5)根据测试样品的初始磁化矢量M(0)，得到样品孔隙度φ；
6)根据测试样品的纵向弛豫时间T1和横向弛豫时间T2，计算样品渗透率k；
7)根据样品测量的T1和T2分布，采用双指数模型计算样品的含水饱和度Sw；
(3)光纤声波传感系统采集的声信号传递给上位机，反演计算样品破裂的空间位置、破裂时间和破裂能量等参数；
(4)根据计算得出的相关参数对岩石劣化过程进行分析。
进一步，所述步骤(2)中的第i个回波的核磁共振信号S(i)和噪声V(i)的计算公式如下，
S(i)＝ER(i)cosφP+EI(i)sinφP＝(Aicosφi+εi R)cosφP+(Aisinφi+εi I)sinφP；
Figure BDA0002626801930000031
Figure BDA0002626801930000032
式中，φi，Ai，ER(i)，EI(i)分别是第i个回波的相位、幅度、实部和虚部，φP为回波的旋转相位角，
Figure BDA0002626801930000033
和
Figure BDA0002626801930000034
分别为第i个回波实部和虚部中的噪声。
进一步，所述步骤(2)中的初始磁化矢量M(0)和t时刻的磁化矢量M(t)的计算公式如下，
Figure BDA0002626801930000035
式中，γ为旋磁比，为42.6MHz/Tesla，I为核自旋数，为1/2；N为切片内自旋原子核核的个数，
Figure BDA0002626801930000036
为普朗克常数，6.6262×10-34J·s，B0为静磁场强度，本发明的拉莫尔频率ω0为12MHz，k为波尔兹曼常数，T为天线的工作温度，n为回波的个数。
进一步，所述步骤(2)中测试样品的纵向弛豫T1和横向弛豫T2分布公式如下，
Figure BDA0002626801930000037
Figure BDA0002626801930000038
Figure BDA0002626801930000039
式中，ρ1和ρ2分别为T1和T2的表面弛豫率，(S/V)为孔隙表面积S和孔隙体积V的比；Dw为水分子的扩散系数，在25℃时为2.5×10-5cm2/s；η为液体的粘度，单位cp；T2,b、T2,s和T2,d分别为孔隙流体的自由、表面和扩散状态的横向弛豫时间；TK为流体的开尔文温度，单位K。
进一步，所述步骤(2)中样品孔隙度刻度公式为，
Figure BDA0002626801930000041
式中，φi为第i个孔隙的孔隙体积，单位V/V，用百分数表示；M100％(0)是指纯净水核磁共振测量初始时刻的磁化矢量，M(0)为样品核磁共振测量初始时刻的磁化矢量。
进一步，步骤(2)中样品渗透率k的计算公式为，
Figure BDA0002626801930000042
式中，FFI为大于T2cut的T2分布面积，BVI为小于T2cut的T2分布面积，对于砂岩T2cut取33ms，对于碳酸盐岩T2cut取92ms，k为样品的渗透率。
进一步，所述步骤(2)中含水饱和度Sw的计算公式为，
Sw＝0.6101exp(-T2,LM/15.9)+0.3688exp(-T2,LM/276.8)。
进一步，所述步骤(3)中，在夹持器2中布设有24个声传感器探头，通过检测不同工况条件下样品破裂产生的声发射信号，可以计算岩石破裂点的空间位置、破裂程度(能量)、破裂时间。计算公式为：
(xi-x0)2+(yi-y0)2+(zi-z0)2＝v2(ti-t0)2
i＝1,2,3.....,24
设第i个三分量高灵敏度光纤声传感器探头接收到的信号分别为xi,yi和zi，接收时间为ti，声波在样品中的传播速度为v(通过样品声波测试实验测定)，需要反演岩石破裂的空间位置(x0,y0,z0)和时间t0，通过取多个解的平均值获得岩石破裂的空间位置和起裂时间(x0,y0,z0,t0)。通过声发射信号的检测和处理，从时间和空间反映测试样品在不同工况条件下的裂纹起裂、扩展方向和过程，预测测试样品破裂点的应力状态、裂纹(或裂缝)的几何尺寸、破裂体积等。
将本发明中所采集到任意时刻的相关数据，带入到上述实验方法中关键参数的计算公式，即可获取岩体在不同工况条件下孔隙分布、孔隙度、渗透率、含水饱和度岩石破裂位置、裂纹几何特征、压力、湿度等关键参数，可直观反映不同环境下岩体内部的溶蚀机制、孔隙和裂隙的时空分布特征、岩体在水化作用下的破裂损伤过程的微观结构变化，从而对样品岩石的劣化过程进行实时监控，这对于研究库区岸坡消落带劣化机制及库区岸坡滑坡或崩塌机制具有重要的意义和实用价值，有助于减轻库区次生地质灾害风险、提高地质灾害预警预报能力，保障人民生命财产安全。此外，该发明对于提高库区岸坡的生态修复能力和景观重建能力具有重要的实用价值。
附图说明
图1为本发明实施例库区岸坡消落带劣化模拟系统示意图。
图2为本发明实施例的夹持器结构示意图。
图3为本发明实施例的为库区岸坡消落带劣化模拟系统实验流程图示意图。
图4为本发明实施例核磁共振系统工作流程图示意图。
图5为本发明实施例光纤声波传感系统工作原理图示意图。
图6为本发明实施例样品在工况变化下的核磁共振纵向弛豫T2分布的变化示意图。
图7为本发明实施例工况循环变化下的样品破裂点空间位置分布示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
需要提前说明的是，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
具体实施过程如下：
图1示例了本发明中库区岸坡消落带劣化模拟系统，主要包括实验箱1、夹持器2、核磁共振信号处理器3、流量控制器4、空气加压加热系统5、液氮系统6、水位控制系统7、泄流系统8、上位机9。
实验箱1由保护外壳11、绝缘屏蔽外壳12、高均匀度永磁体13、无磁铝底板14、铜螺钉151和152、射频线圈16、钢化玻璃管17构成。实验箱1为280×280×480mm3的长方体，与核磁共振信号处理器3和流量控制器4相连，主要实现核磁共振信号、声发射信号、温度、压力、湿度数据的采集和传输。
保护外壳11由厚度为3mm的5Mn15无磁钢锻造为280×280×480mm3的长方体，具有防水、防腐蚀、耐高温的特点。绝缘屏蔽外壳12由厚度为2mm的无磁铝板材料构成，外壳呈密封，用于固定高均匀度永磁体13，屏蔽永磁体漏磁。高均匀度永磁体13由16块N38SH钕铁硼材料组合构成，单块磁体为40×40×360mm3的长方体，剩磁感应强度为1.23～1.27Tesla，矫顽力为876～939kA/m，内禀矫顽力为1600kA/m，最大磁能积为287～310kJ/m3，最高工作温度150℃。每个永磁体块的平面极化方向相同。按照双极磁力线原理将永磁体块沿着圆周方向排列，这样在整个磁体系统内部即可产生均匀的磁场。
无磁铝底板14为圆环形中空的结构，外直径为235mm，内直径为210mm，厚度为3mm，均匀布设了16个8mm的孔，通过铜螺钉15固定高均匀度永磁体13的方向和位置。铜螺钉15为M8铜螺钉，直径8mm，长度为385mm，螺钉两端为螺母。
射频线圈16用于产生拉莫尔频率为12MHz的射频磁场，激发被测样品中的质子发生能级跃迁，之后接收核磁共振信号，观测核磁共振现象。射频线圈采用螺线管结构，为直径0.8mm的铜丝，缠绕在钢化玻璃管17上，线圈匝数50，线间距5mm，长度为300mm。作为谐振电路的一部分，射频线圈与无磁铝底板14的距离为15mm，通过铜螺杆隔离，避免电流振荡造成核磁共振信号接收的不稳定。钢化玻璃管17为厚度为3mm、内直径为190mm的玻璃管，射频线圈16均匀缠绕在玻璃管上。
图2示例了一种库区岸坡消落带劣化模拟系统的夹持器2的结构。主要包括无磁玻璃钢外壳21和无磁玻璃钢内壳22、光纤23、光纤声传感器24、温湿度传感器25、压力传感器26、纤维线传输线27、测试样品28、夹持器螺纹盖29构成。
夹持器2为外直径180mm、内径110mm长度450mm的圆柱形管状结构，被测样品28放置于夹持器的中心腔体内。为了保证实验数据的准确和完整，被测样品28需加工为直径100mm、长度为400mm的圆柱体。无磁玻璃钢外壳21和无磁玻璃钢内壳22间距为250mm，采用厚度为5mm的耐温耐压高性能材料，至少满足温度-40℃～120℃、压力0～60MPa的条件。无磁玻璃钢内壳22内测为顺时针螺纹，与夹持器螺纹盖29相连后封闭测试样品8。外壳21和内壳22中间为光纤23，采用玻璃胶粘在内壳22上。光纤23分别在0度、90度、270度方向各连接有6个光纤声波检波器24，光纤声波检波器24采用光纤布拉格光栅结构，频率响应范围为3Hz～800Hz，动态范围120dB，具有并行、实时、高分辨率、高灵敏度及抗电磁干扰等特点。
温湿度传感器25、压力传感器26均采用MEMS工艺芯片。温湿度传感器25和压力传感器26采用斜对称式安装，分别安装于无磁玻璃钢内壳22顶部和尾部的凹槽内。温湿度传感器25采用SHT11智能化湿度温度传感器，外形尺寸为7.6(mm)×5(mm)×2.5(mm)，测量相对湿度的范围是0～100％，分辨力0.03％RH，最高精度为±2％RH；测量温度的范围是-40℃～+123.8℃，分辨力为0.01℃。压力传感器26采用MEMS工艺芯片，以掺杂多晶硅膜作为应变电阻构成惠斯顿电桥，外直径5mm，压力测试范围为0～6Mpa,工作温度为-40～220℃，测量精度达0.01-0.03％FS。温湿度传感器25、压力传感器26采集的数据通过碳纤维线传输线27与螺纹盖信号传输接头293相连。
夹持器螺纹盖29由高强度钢化尼龙塑料形成两个相互连接的圆柱状，盖帽直径200mm，长度30mm，螺纹部分直径110mm，长度60mm，通过顺时针方向旋转入夹持器2中，拧紧后将测试样品28封闭于夹持器中。夹持器螺纹盖29上分别有光源接头291、光信号出口接头292、信号传输接头293、空气增压加热连接头294、液氮连接头295、液体连接头296、泄流管连接头297。光源接头291采用标准QBH接头，与光纤23相连，接口为锥形导入设计，可轻松与激光器相连，确保光纤能够安全的紧固在10μm之内。光信号出口292采用ST光纤接口，支持热插拔。信号传输接头293采用M12 X-Code型8芯母头，防护等级为IP67，具有防水功能。空气增压加热连接头294、液氮连接头295、液体连接头296、泄流管连接头297均采用直通卡套式不锈钢接头，套管外径12mm，接头内部导流管直径7mm，实现不同类型流体的精准控制。
其中，核磁共振系统用于检测岩体的孔隙度、含水饱和度、渗透率等参数，4条光纤23搭载了24个光纤声传感器24，可用于检测岩体的破裂信号和破裂位置，空气加压加热系统5、液氮系统6、水量控制系统7和泄流系统8用于模拟库区岸坡消落带岩体的水位、压力、温度环境变化引发的消落带岩体软化和劣化条件；夹持器2内的温度、压力单元能实时将夹持器内部的环境参数反馈到流量控制器4，通过程序预设或人工调节实现干湿循环、温压变化条件下的连续实验。
如图3所示，结合图1和图2中的水库消落带劣化的模拟系统结构，本发明中岩石的劣化模拟实验的流程为：
1.接通模拟系统电源，通过流量控制器4预设空气增压加热系统5的参数：预设夹持器2内的温度为35℃，恒温12小时以上，保障实验箱1内的高均匀度永磁体13工作温度处于30℃～35℃；
2.通过流量控制器4设定泄流系统8的流速与空气增压加热系统5的流速相同；
3.旋转封闭夹持器螺纹盖29，通过流量控制器4打开空气增压加热系统电子流量阀53和泄流系统电子流量阀83。加热后的空气通过空气泵52泵入夹持器2中，再通过泄流系统真空泵82抽出，实现夹持器和实验箱磁体的均匀加热；
4.保持加热不低于4小时，直到通过核磁共振信号处理器3测量到射频偏移频率不超过核磁共振中心频率(拉莫尔频率)的2％；实现夹持器内的高均匀磁场分布；
5.样品基本数据(长度、直径、重量等)测量；
6.根据不同工况对库区消落带的岩样进行预处理：
(1)模拟库区135米水位：在电热恒温鼓风干燥箱中烘干岩样，干燥箱温度设置为100℃，在干燥箱中烘干至少16小时，放入干燥器中冷却至室温；
(2)模拟库区175米水位：采用高压岩心饱和仪对样品进行加压饱和，抽取真空时间不低于4个小时，用于样品饱和的水样PH为7、温度为20℃、压力0.3MPa中饱压吸水48小时，用镊子夹取样品使用保鲜膜包裹样品；
(3)模拟库区135米水位以上、175米水位以下的情况：水样PH为7，室温室压下自由浸泡至少24小时；
(4)全样品饱和：采用高压岩心饱和仪对样品进行加压饱和，抽取真空时间不低于4个小时，饱和溶液为纯净水、温度为25℃、压力30MPa中加压饱和至少12小时，用镊子夹取样品使用保鲜膜包裹样品；
7.处理好的样品放入无磁玻璃钢内壳22内，将夹持器螺纹盖29旋转拧紧，测试夹持器内的温度、压力等条件，采集夹持器内部的本底噪声；
8.根据实验目的通过流量控制器4设定空气加压加热系统5、液氮系统6、水位控制系统7、泄流系统8的流速，开始记录实验数据；
9.核磁共振信号处理器3设置为：射频线圈产生的共振频率为12MHz，回波个数8000，增益20，数据累加次数32次；
10.32通道声信号采集仪的参数设置为：动态范围144dB，增益为16，采样率8kHz，24位A/D转换，最低截止频率0.015Hz；
11.温度压力传感器数据通过主控芯片41数字化实时显示；
12.采集的温度、湿度、压力、核磁共振、微地震数据通过信号电缆传输给上位机91；
13.通过上位机91的预置软件，实时解算夹持器内部岩样的孔隙分布、孔隙度、渗透率、束缚水饱和度、岩石破裂位置、裂纹几何特征、压力、湿度等关键参数，并将实时测试数据存入数据存储器92中；
14.通过流量控制器4循环模拟岩样的干湿循环、温度变化、湿度变化和压力变化，直到实验结束；
15.停止空气增压加热系统5、液氮系统6、水位控制系统7，打开泄流系统8，抽出夹持器内的液体；
16.在水位控制系统7的水箱71中加入纯净水，以最大流速将纯净水泵入夹持器中，循环冷却岩样温度30分钟；
17.取出夹持器，拧开夹持器螺纹盖29倒出岩样，清洗夹持器内腔后风干；
18.关闭空气增压加热系统5、液氮系统6、水位控制系统7、泄流系统8的阀门，关闭电源系统。
如图4所示，本发明中核磁共振系统的可实时测量样品的孔隙分布、纵向弛豫T1和横向弛豫T2的分布、孔隙度、渗透率、含水饱和度等参数。具体工作流程如下：
(1)核磁共振系统参数和采集参数设置：
通过流量控制器4预设空气增压加热系统5的参数，加热夹持器2内的温度恒定为35℃。核磁共振系统参数包括核磁共振频率的偏移值，90度脉冲宽度，180度脉冲宽度，仪器接收的增益，采样带宽等。设定磁体工作温度为35℃，核磁共振频率的偏移值≤240KHz，磁场的均匀度≤150ppm。仪器接收增益为20。
采集参数主要包括极化时间，回波间隔，采集回波个数，扫描次数。对于样品的自由感应衰减(free induction decay,FID)测量，建议以下参数：90度脉冲和180度脉冲宽度22μs，采集延迟25μs，采样时间间隔0.5μs，最大反转时间300ms，扫描叠加次数不低于16次；对于CPMG测量，建议以下参数：90度脉冲宽度和180度脉冲宽度均为22μs，回波间隔100μs，回波个数8000，测量时间间隔1s，单个回波16个采样点，扫描叠加次数不低于32次。
(2)回波相位旋转
对CPMG脉冲序列采集的实时数据进行相位旋转，得到第i个回波的核磁共振信号S(i)和噪声V(i)：
S(i)＝ER(i)cosφP+EI(i)sinφP＝(Aicosφi+εi R)cosφP+(Aisinφi+εi I)sinφP；
Figure BDA0002626801930000101
Figure BDA0002626801930000102
式中，φi，Ai，ER(i)，EI(i)分别是第i个回波的相位、幅度、实部和虚部，φP为回波的旋转相位角，
Figure BDA0002626801930000103
和
Figure BDA0002626801930000104
分别为第i个回波实部和虚部中的噪声。
(3)回波幅度测量
在本发明中，测量的核磁共振信号来自于具有磁矩的1H原子核在磁场作用下磁化矢量的变化。核磁共振信号的产生和测量主要分为4个阶段：极化、施加射频脉冲、撤除脉冲、核磁共振信号检测。磁化矢量M0为：
Figure BDA0002626801930000105
γ为旋磁比，为42.6MHz/Tesla，I为核自旋数，为1/2；N为切片内自旋原子核核的个数，
Figure BDA0002626801930000106
为普朗克常数，6.6262×10-34J·s，B0为静磁场强度，本发明的拉莫尔频率ω0为12MHz，k为波尔兹曼常数，T为天线的工作温度，n为回波的个数。
M(t)为样品在t时刻的磁化矢量：
Figure BDA0002626801930000107
(4)T1和T2分布反演
将相位旋转后的核磁共振信号S(i)进行反演，得到测试样品的纵向弛豫T1和横向弛豫T2分布。T1和T2分布反演的方法较多，通常采用算法稳定、反演用时少的奇异值分解SVD(Singular Value Decomposition,SVD)反演方法或Butler、Reeds、Dawson(BRD)提出的模平滑反演方法。
反演后的T1分布主要为样品孔隙流体的自由弛豫时间与孔隙表面弛豫时间之和；T2分布主要为样品孔隙流体的自由弛豫时间、孔隙表面弛豫时间和扩散弛豫时间之和，具体用以下公式表述：
Figure BDA0002626801930000111
Figure BDA0002626801930000112
Figure BDA0002626801930000113
ρ1和ρ2分别为T1和T2的表面弛豫率，(S/V)为孔隙表面积S和孔隙体积V的比；Dw为水分子的扩散系数，在25℃时为2.5×10-5cm2/s；η为液体的粘度，单位cp；T2,b、T2,s和T2,d分别为孔隙流体的自由、表面和扩散状态的横向弛豫时间；TK为流体的开尔文温度，单位K。
(5)样品孔隙度测量
样品孔隙度为样品测量的初始磁化矢量与标准水样的初始磁化矢量的比值，样品孔隙度刻度公式为：
Figure BDA0002626801930000114
φi为第i个孔隙的孔隙体积，单位V/V，用百分数表示；M100％(0)是指纯净水核磁共振测量初始时刻的磁化矢量，M(0)为样品核磁共振测量初始时刻的磁化矢量。
(6)渗透率计算
根据样品测量的T1和T2分布，分别采用Coates/Timur模型或T2对数几何平均值(SDR)模型计算样品的渗透率。Coates/Timur模型的计算公式为：
Figure BDA0002626801930000115
FFI为大于T2cut的T2分布面积，BVI为小于T2cut的T2分布面积，对于砂岩T2cut取33ms，对于碳酸盐岩T2cut取92ms，k为样品的渗透率。
T2对数几何平均值(SDR)模型为：
对于碳酸盐岩：
Figure BDA0002626801930000116
对于砂岩：
Figure BDA0002626801930000117
T1,LM和T2,LM分别为T1分布和T2分布的对数几何平均值；a为T1,LM/T2,LM之比。
(7)含水饱和度计算
根据样品测量的T1和T2分布，采用双指数模型计算样品的含水饱和度，计算公式为：
Sw＝0.6101exp(-T2,LM/15.9)+0.3688exp(-T2,LM/276.8)。
根据纵向弛豫T1和横向弛豫T2的分布特征和相关计算，可反映样品在不同温度、不同压力下的孔隙变化特征，从微观揭示样品孔隙在干湿循环过程中的溶蚀作用。
如图5所示，光纤声传感器24将采集到的参数信息传递给上位机9，由上位机的软件反演计算样品破裂的空间位置、破裂时间、破裂能量等，其工作原理如下：
岩石的破裂类型包括拉张破裂、剪切破裂和混合破裂。岩石的破裂机制受很多因素的影响，其中最主要的是孔隙压力。随着含水量的增加，孔隙压力不断增大，岩石的抗压强度随之降低。随着裂纹尖端应力强度因子的增大，破裂扩展速度不断增加，从而诱发岩石破裂而产生声发射现象。
在夹持器2中布设有24个声传感器探头，通过检测不同工况条件下样品破裂产生的声发射信号，可以计算岩石破裂点的空间位置、破裂程度(能量)、破裂时间，预测破裂点的应力状态、裂纹(或裂缝)的几何尺寸、岩体破裂体积等，进一步可以研究岸坡消落带的劣化机制及库区岸坡滑坡或崩塌机制，有利于岸坡消落带的防治部署和施工设计。
夹持器的光纤接头291和292分别与激光系统相连。激光光源为相位调制光源，通过光纤耦合声光调制器控制激光束强度变化，并生成波长为1550nm的载波。由主控芯片41(MSP430F5299)向声光调制器提供10MHz的时钟频率，产生125kHz、脉冲宽度为1μs的光脉冲，实现激光时间、强度、频率输出的控制；采用的声光调制器插入损耗低于2dB，消光比大于50dB，具有高消光比、低插入损耗、稳定单模和偏振保持的特点。光放大器采用掺铒光纤放大器，对光信号进行放大，光控制输出精度达到±0.1dBm，光功率接收范围宽-10dBm～+10dBm，光功率输出13～26dBm。光分束器通过表面反射，将放大后的光信号分成4束光提供给4条36芯单模光纤23，实现调制的载波信号和声信号的传输。
分离后的光信号通过波长为1550nm的三端口光环形器，经光耦合器实现光信号分路，将光信号分成1×8条信号提供给各声传感器，避免光反射将前端光纤设备损坏。
声传感器接收到的样品破裂信号与光纤中的载波信号混叠，通过光纤出口292输出。混叠的微弱信号经光电探测器检测后转化为电信号，光电探测器采用单模高速InGaAs-APD雪崩光电二极管，光谱范围850～1650nm，灵敏度-20dBm，电信号由SMA端口差分输出；为了消除载波信号，获得样品的破裂信号，采用参考干涉仪相位产生载波技术(PGC)的微分交叉相乘(DCM)对信号解调，由主控芯片41(MSP430F5299)向声光调制器提供10MHz的参考时钟频率，用于消除采集信号的载波和相位漂移。采用的PGC-DCM器件为FA封装，满足插入损耗低于3dB、消光比大于50dB(偏振消光比大于20dB)、光脉冲上升时间小于10ns的要求。经过4个PGC-DCM解调后由32通道声信号采集仪采样和数字转换，并将检测到的声信号封装为segy或seg2通用格式，传输给上位机相关软件进行处理。声信号采集仪为24位ADC，最大采样率为64kHz，动态范围大于125dB，前置最大增益为24dB，仪器本底噪声小于0.15μV RMS，最大内部存储为256G。
采集的声发射信号由采集仪转换为segy，seg2或SAC格式传输给上位机91，由上位机的软件反演计算样品破裂的空间位置、破裂时间、破裂能量等，观测样品的裂纹起裂、扩展方向和过程，研究样品在不同工况条件下的破裂损伤机制及库区岸坡消落带的劣化机制。
岩石破裂声发射信号的处理方法为：设第i个三分量高灵敏度光纤声传感器探头接收到的信号分别为xi,yi和zi，接收时间为ti，声波在样品中的传播速度为v(通过样品声波测试实验测定)，需要反演岩石破裂的空间位置(x0,y0,z0)和时间t0，可用下列计算公式：
(xi-x0)2+(yi-y0)2+(zi-z0)2＝v2(ti-t0)2；
i＝1,2,3.....,24
对于样品的破裂位置，在不同方向和不同角度有24个传感器，由上式可获得多个解，通过取多个解的平均值获得岩石破裂的空间位置和起裂时间(x0,y0,z0,t0)。
实施例2
实施例2为本发明连续8周对岩石样品进行劣化实验，所得到的相关数据及参数分析。
图6为样品在连续8周温度、压力和水位变化下的核磁共振横向弛豫T2分布的变化，分析实验结果，可得出岩石样品受到水的溶蚀作用，在不同的工况条件循环下，样品的孔隙度逐渐增大，小孔隙的分布数量减少、大孔隙的分布数量逐渐增多，样品的孔隙结构发生了变化。
图7为样品在连续8周温度、压力和水位变化下的破裂情况，随着工况的变化，样品的破裂点逐渐增多，说明岩石力学性质弱化，孔隙不断联通，裂纹形成并逐渐扩展。
分析实施例2中不同工况下的岩石样品的参数变化，可实时获取岩体的孔隙分布、孔隙度、渗透率、束缚水饱和度、岩石破裂位置、裂纹几何特征、压力、湿度等关键参数，对于研究库区岸坡消落带劣化机制及库区岸坡滑坡或崩塌机制具有重要的意义和实用价值，有助于减轻库区次生地质灾害风险、提高地质灾害预警预报能力，保障人民生命财产安全。此外，该发明对于提高库区岸坡的生态修复能力和景观重建能力具有重要的实用价值。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种库区岸坡消落带劣化模拟系统及实验方法，其特征在于：其实验方法包括以下步骤，
(1)将样品放入模拟系统的夹持器内，设定模拟系统的各项实验参数；
(2)利用核磁共振系统采集到的数据进行相关参数的计算，其具体的步骤如下：
1)设置核磁共振系统采集参数：极化时间、回波间隔、回波个数和扫描次数等；
2)采用反转恢复(IR)序列或CPMG脉冲序列采集核磁共振信号，对采集到的信号相位旋转，得到第i个回波的核磁共振信号S(i)和噪声V(i)；
3)测量样品的初始磁化矢量M(0)和t时刻的磁化矢量M(t)；
4)对相位旋转后的核磁共振信号S(i)进行反演，得到测试样品的纵向弛豫时间T1和横向弛豫时间T2；
5)根据测试样品的初始磁化矢量M(0)，计算样品的孔隙度φ；
6)根据测试样品的纵向弛豫T1和横向弛豫T2，计算样品的渗透率k；
7)根据样品测量的T1和T2分布，采用双指数模型计算样品的得到含水饱和度Sw；
(3)光纤声波传感系统采集的声信号传递给上位机，反演计算得到样品破裂的空间位置、破裂时间和破裂能量等参数；
(4)根据计算得出的相关参数对岩石劣化过程进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种库区岸坡消落带劣化模拟系统及实验方法，其特征在于：所述步骤(2)中的第i个回波的核磁共振信号S(i)和噪声V(i)的计算公式如下，
S(i)＝ER(i)cosφP+EI(i)sinφP＝(Aicosφi+εi R)cosφP+(Aisinφi+εi I)sinφP；
Figure FDA0002626801920000011
Figure FDA0002626801920000012
式中，φi，Ai，ER(i)，EI(i)分别是第i个回波的相位、幅度、实部和虚部，φP为回波的旋转相位角，
Figure FDA0002626801920000013
和
Figure FDA0002626801920000014
分别为第i个回波实部和虚部中的噪声。
3.根据权利要求1所述的一种库区岸坡消落带劣化模拟系统及实验方法，其特征在于：所述步骤(2)中的初始磁化矢量M(0)和t时刻的磁化矢量M(t)的计算公式如下，
Figure FDA0002626801920000015
式中，γ为旋磁比，为42.6MHz/Tesla，I为核自旋数，为1/2；N为切片内自旋原子核核的个数，
Figure FDA0002626801920000026
为普朗克常数，6.6262×10-34J·s，B0为静磁场强度，本发明的拉莫尔频率ω0为12MHz，k为波尔兹曼常数，T为天线的工作温度，n为回波的个数。
4.根据权利要求1所述的一种库区岸坡消落带劣化模拟系统及实验方法，其特征在于：所述步骤(2)中测试样品的纵向弛豫T1和横向弛豫T2分布公式如下，
Figure FDA0002626801920000021
Figure FDA0002626801920000022
Figure FDA0002626801920000023
式中，ρ1和ρ2分别为T1和T2的表面弛豫率，(S/V)为孔隙表面积S和孔隙体积V的比；Dw为水分子的扩散系数，在25℃时为2.5×10-5cm2/s；η为液体的粘度，单位cp；T2,b、T2,s和T2,d分别为孔隙流体的自由、表面和扩散状态的横向弛豫时间；TK为流体的开尔文温度，单位K。
5.根据权利要求1所述的一种库区岸坡消落带劣化模拟系统及实验方法，其特征在于：所述步骤(2)中样品孔隙度刻度公式为，
Figure FDA0002626801920000024
式中，φi为第i个孔隙的孔隙体积，单位V/V，用百分数表示；M100％(0)是指纯净水核磁共振测量初始时刻的磁化矢量，M(0)为样品核磁共振测量初始时刻的磁化矢量。
6.根据权利要求1所述的一种库区岸坡消落带劣化模拟系统及实验方法，其特征在于：步骤(2)中样品渗透率k的计算公式为，
Figure FDA0002626801920000025
式中，FFI为大于T2cut的T2分布面积，BVI为小于T2cut的T2分布面积，对于砂岩T2cut取33ms，对于碳酸盐岩T2cut取92ms，k为样品的渗透率。
7.根据权利要求1所述的一种库区岸坡消落带劣化模拟系统及实验方法，其特征在于：所述步骤(2)中含水饱和度Sw的计算公式为，
Sw＝0.6101exp(-T2,LM/15.9)+0.3688exp(-T2,LM/276.8)。
8.根据权利要求1所述的一种库区岸坡消落带劣化模拟系统及实验方法，其特征在于：所述步骤(3)中，在夹持器2中布设有24个声传感器探头，通过检测不同工况条件下样品破裂产生的声发射信号，可以计算岩石破裂点的空间位置、破裂程度(能量)、破裂时间。计算公式为：
(xi-x0)2+(yi-y0)2+(zi-z0)2＝v2(ti-t0)2
i＝1,2,3.....,24
设第i个三分量高灵敏度光纤声传感器探头接收到的信号分别为xi,yi和zi，接收时间为ti，声波在样品中的传播速度为v(通过样品声波测试实验测定)，需要反演岩石破裂的空间位置(x0,y0,z0)和时间t0，通过取多个解的平均值获得岩石破裂的空间位置和起裂时间(x0,y0,z0,t0)。通过声发射信号的检测和处理，从时间和空间反映测试样品在不同工况条件下的裂纹起裂、扩展方向和过程，预测样品破裂点的应力状态、裂纹(或裂缝)的几何尺寸、破裂体积等。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115615910A (zh) * 2022-09-30 2023-01-17 福建农林大学 一种模拟多因素下岩溶区植被土边坡失稳破坏装置
CN115753543A (zh) * 2022-11-05 2023-03-07 西南石油大学 考虑概率分布的页岩支撑裂缝相对渗透率测定装置及方法
CN115979923A (zh) * 2023-03-20 2023-04-18 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司 一种尾矿库渗透破坏模拟试验装置及试验方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106153662A (zh) * 2016-06-17 2016-11-23 北京大学 岩心应力敏感性的测量方法
CN106644739A (zh) * 2017-02-21 2017-05-10 湖北工业大学 一种岩石三轴压缩超声实时扫描装置
CN108240942A (zh) * 2016-12-26 2018-07-03 中国科学院地质与地球物理研究所 一种岩石压裂实验系统及实验方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106153662A (zh) * 2016-06-17 2016-11-23 北京大学 岩心应力敏感性的测量方法
CN108240942A (zh) * 2016-12-26 2018-07-03 中国科学院地质与地球物理研究所 一种岩石压裂实验系统及实验方法
CN106644739A (zh) * 2017-02-21 2017-05-10 湖北工业大学 一种岩石三轴压缩超声实时扫描装置

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
中国石油天然气总公司勘探局: "《测井新技术与油气层评价进展》", 30 November 1997, 石油工业出版社 *
吉跃辉: ""周期性饱水砂岩的波电特性试验研究及损伤演化分析"", 《中国优秀博硕士学位论文全文（硕士）工程科技II辑》 *
周瑶琪等: "岩石压裂过程中的声发射信号研究", 《中国矿业》 *
张二锋 等: ""冻融循环作用下砂岩细观损伤演化规律试验研究"", 《煤炭工程》 *
武耀辉等: "蠡县斜坡核磁共振测井评价模型分析", 《石油天然气学报》 *
王智磊等: "基于地下水位变化的滑坡预测时序分析", 《岩石力学与工程学报》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115615910A (zh) * 2022-09-30 2023-01-17 福建农林大学 一种模拟多因素下岩溶区植被土边坡失稳破坏装置
CN115753543A (zh) * 2022-11-05 2023-03-07 西南石油大学 考虑概率分布的页岩支撑裂缝相对渗透率测定装置及方法
CN115753543B (zh) * 2022-11-05 2024-01-23 西南石油大学 考虑概率分布的页岩支撑裂缝相对渗透率测定装置及方法
CN115979923A (zh) * 2023-03-20 2023-04-18 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司 一种尾矿库渗透破坏模拟试验装置及试验方法
CN115979923B (zh) * 2023-03-20 2023-06-27 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司 一种尾矿库渗透破坏模拟试验装置及试验方法

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