CN114720360A - 研究碳酸盐岩溶蚀特征时空演化规律的试验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供的研究碳酸盐岩溶蚀特征时空演化规律的试验方法及装置，包括：将若干碳酸盐岩试块分层堆叠形成堆叠体，在其中设置管道；向堆叠体表面渗入酸液，测定反应后酸液中Ca2+和Mg2+的浓度；在反应后的管道入口端通入标定液，测定管道出口端流量，计算管道流量损失；将酸蚀反应后的堆叠体按照堆叠顺序拆分，称重并获取各试块的表面结构特征；利用三维建模方法重构堆叠体；重复上述步骤，分析得到碳酸盐岩溶蚀特征的时空演化规律。本公开通过“整体酸蚀+拆分测试”的思路，探究孔隙、裂隙、溶洞等在岩溶过程中的作用，解决了大尺寸岩样内部结构溶蚀演化规律难以获取的问题。
Description
技术领域
本公开涉及地质分析技术领域，特别涉及一种研究碳酸盐岩溶蚀特征时空演化规律的试验方法及装置。
背景技术
岩溶，是受控于岩性、岩体构造特征、水文地质条件等多种因素的复杂化学过程，其中，可溶岩是岩溶发育的物质基础，水文地质条件是岩溶发育的必要条件，而孔隙、裂隙、节理、管道等天然存在的岩体构造不仅对水文地质条件起到决定性作用，更主导了岩溶非均质性发育的方向。岩溶演化的特异性导致不同岩溶区的构造薄弱位置千差万别，进而形成了多样化的破坏特征，对岩溶区地质灾害的防治技术提出了较高要求。
为获取构造特征对岩溶发育特征及演化规律的相关关系，目前主要存在两类研究思路，其一，对出露于地表的节理等构造进行数理统计分析进而探究其对溶蚀过程的影响，其二，在小尺度碳酸盐岩试样(最大尺寸小于100mm)表面预制裂隙等构造，通过试样质量损失率等参数的变化规律反映不同构造变量控制下的溶蚀效果，进而探究其对溶蚀过程的影响。上述思路的共同缺点在于仅能研究表面构造，岩体内部构造特征的影响难以确定，且以质量损失率等常规参数确定溶蚀效果的评价体系也较为单一。
随着CT技术的不断普及，岩体内部构造特征获取的技术问题得到了一定程度的解决，但是CT技术伴随着造价较高、对试样尺寸存在限制、扫描精度随试样尺寸上升而下降、扫描噪声难以消除等缺陷。
发明内容
本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本公开第一方面实施例提供的研究碳酸盐岩溶蚀特征时空演化规律的试验方法，包括：
S1：将多个碳酸盐岩试块分层堆叠形成碳酸盐岩堆叠体，获取每个碳酸盐岩试块在碳酸盐岩堆叠体中的位置，在碳酸盐岩堆叠体中设有由贯穿碳酸盐岩堆叠体的通孔所形成的管道，且管道具有入口端和出口端；
S2：对碳酸盐岩堆叠体表面的裂缝流量进行标定，以确定碳酸盐岩堆叠体表面的酸液入渗流量；
S3：按照酸液入渗流量使酸液通过碳酸盐岩堆叠体表面向内入渗，以发生酸蚀反应，待碳酸盐岩堆叠体与酸液接触的各表面均无气泡产生后，测定反应后酸液中的Ca2+和Mg2+的浓度；
S4：在酸蚀反应后的管道入口端通入标定液，测定管道出口端的流量，计算管道流量损失；
S5：确定酸蚀反应后各碳酸盐岩试块在碳酸盐岩堆叠体中的位置；
S6：将酸蚀反应后的碳酸盐岩堆叠体按照堆叠顺序拆分成各碳酸盐岩试块，清洗各碳酸盐岩试块表面的反应残留物，阴干后称取各碳酸盐岩试块的重量并获取各碳酸盐岩试块的表面结构特征；
S7：利用三维建模方法重构碳酸盐岩堆叠体；
S8：不断重复步骤S2～步骤S7，得到碳酸盐岩试块的质量损失、表面结构特征，碳酸盐岩堆叠体经酸蚀反应后溶出的Ca2+、Mg2+浓度，以及管道流量损失随溶蚀发展的变化规律，分析后得到盐酸岩盐溶蚀特征的时空演化规律。
本公开第一方面实施例提供的研究碳酸盐岩溶蚀特征时空演化规律的试验方法，具有以下特点及有益效果：
本公开第一方面实施例通过“整体酸蚀+拆分测试”的整体思路，不仅达到了探究孔隙、裂隙、溶洞等构造在岩溶过程中如何发挥作用的目的，更解决了溶蚀过程中大尺寸岩样内部结构演化规律难以获取的问题。本公开第一方面实施例通过层面扫描及试块顶面匹配确定层内各试块的具体位置，进而可获取整个模型的空间结构。本公开第一方面实施例可获取碳酸盐岩堆叠体在不同空间位置、不同构造特征、不同时间阶段的各试块特征参数，上述参数可对碳酸盐岩堆叠体的岩溶特征及时空演化规律进行具体体现。
在一些实施例中，步骤S1中，将多个碳酸盐岩试块进行分层堆叠时，利用三维激光扫描仪扫描各层表面确定每个碳酸盐岩试块在碳酸盐岩堆叠体中的位置；步骤S5中，利用三维激光扫描仪逐层扫描反应后的碳酸盐岩堆叠体，以确定酸蚀反应后各碳酸盐岩试块在碳酸盐岩堆叠体中的位置。
在一些实施例中，步骤S2具体包括：
在碳酸盐岩堆叠体上方设置渗漏单元，所述渗漏单元包括依次连通的漏斗、支撑管和渗漏管，所述渗漏管包括均匀布设在所述碳酸盐岩堆叠体表面裂隙正上方的若干管段；
将标定液按固定流量注入所述漏斗，测定所述渗漏管各管段的流量，作为碳酸盐岩堆叠体表面裂隙入渗流量。
在一些实施例中，步骤S4具体包括：
在酸蚀反应后的碳酸盐岩堆叠体的管道入口端通入不同流量的标定液，利用体积流量法测定不同入口端流量下管道出口端的流量，测试多次取统计值，将出入口流量之差与入口流量的比值作为管道流量损失率。
在一些实施例中，步骤S6具体包括：
将酸蚀反应后的碳酸盐岩堆叠体进行拆分，清洗各碳酸盐岩试块表面的反应残留物，阴干各碳酸盐岩试块后进行称重并利用三维激光扫描仪获取其外表面结构的点云信息，确定各碳酸盐岩试块的外表面结构特征；对于三维激光扫描仪难以获取点云信息的碳酸盐岩试块内的管道，对管道内表面进行倒模制作，将管道内结构转化为模外结构，从而获取管道内表面结构特征，以此作为碳酸盐岩试块的内表面结构特征；对扫描获取的点云数据进行处理，计算各碳酸盐岩试块的各表面结构特征，包括各碳酸盐岩试块表面的尺寸、倾角、粗糙度、形状曲率和管道构造。
在一些实施例中，步骤S7还包括以下步骤：
利用透明材料对重构得到的碳酸盐岩堆叠体进行3D打印，得到碳酸盐岩堆叠体的3D 模型，对所述3D模型设计不同的渗流工况，并借助工业相机获取渗流流体中有色染料或细微颗粒物在3D模型内的流动规律；
对设计不同的渗流工况下渗流流体在碳酸盐岩堆叠体内的流动规律进行数值模拟，并与所述渗流流体中有色染料或细微颗粒物在3D模型内的流动规律相互对比验证，分析不同工况下溶蚀后碳酸盐岩模型内部的渗流模式。
本公开第二方面实施例提供的研究碳酸盐岩溶蚀特征时空演化规律的试验装置，包括：
酸蚀反应箱，所述酸蚀反应箱的顶端为敞口端，所述酸蚀反应箱内放置有碳酸盐岩堆叠体，所述碳酸盐岩堆叠体通过多个碳酸盐岩试块分层堆叠形成，且在所述碳酸盐岩堆叠体内设有由贯穿所述碳酸盐岩堆叠体的通孔所形成的管道；
渗漏单元，位于所述酸蚀反应箱的敞口端上方，用于向所述碳酸盐岩堆叠体表面的裂缝渗入标定液或者酸液；
酸液收集和测定单元，与所述酸蚀反应箱连接，用于收集酸蚀反应后的酸液并测定其中的Ca2+和Mg2+浓度；
管道流量测定单元，与所述碳酸盐岩堆叠体内的所述管道连接，用于测定不同入口流量下管道出口端的流量；
定位单元，用于确定酸蚀反应前后各碳酸盐岩试块在碳酸盐岩堆叠体中的位置；
重量称取单元，用于称取酸蚀反应前后各碳酸盐岩试块的重量；和
上位机，与各单元电连接，用于根据各单元获取的数据得到碳酸盐岩堆叠体的岩溶特征时空演化规律。
本公开第二方面实施例提供的研究碳酸盐岩溶蚀特征时空演化规律的试验装置，具有以下特点及有益效果：
本公开第二方面实施例中涉及的试验装置将渗漏单元、酸蚀反应单元、酸液收集和测定单元、管道流量测定单元相耦合，各结构拆卸、搭载便利，可实现碳酸盐岩堆叠体结构、酸蚀反应程度等变量的多样化设计，且同时满足各尺寸模型酸蚀反应、酸液循环利用、管道流量测试、碳酸盐岩试块定位等多种需求。
在一些实施例中，所述渗漏单元包括位于所述酸蚀反应箱两侧的两个支架，水平架设在两个支架之间的支撑管，位于酸蚀反应箱敞口端之上的渗漏管，贯穿支撑管后与渗漏管连通的漏斗以及固定在酸蚀反应箱敞口端用于支撑渗漏管的支撑杆；所述渗漏管的底部均匀开设若干渗流孔。
在一些实施例中，所述管道流量测定单元包括位于所述酸蚀反应箱外的蓄水箱，设置于蓄水箱内的抽水泵，穿过所述酸蚀反应箱后与所述管道的入口端连接的上游测试管，连接于所述上游测试管和所述抽水泵之间的连接管，以及连接于所述酸液收集和测定单元与所述蓄水箱之间的下游回水管；所述连接管上设有用于调节所述抽水泵流量的止水夹，所述上游测试管与一外夹式流量计连接，通过测定所述上游测试管的流量来反映所述管道的入口端流量。
在一些实施例中，所述试验装置还包括用于支撑所述酸蚀反应箱的支撑台，所述支撑台的顶面为斜面。
附图说明
图1为本公开第一方面实施例提供的研究碳酸盐岩溶蚀特征时空演化规律的试验方法的流程框图。
图2为本公开第二方面实施例提供的研究碳酸盐岩溶蚀特征时空演化规律的试验装置的整体结构示意图。
图3为本公开第二方面实施例提供的试验装置中渗漏单元的俯视图。
图中：
100-碳酸盐岩堆叠体；
200-酸蚀反应单元，210-酸蚀反应箱；
300-渗漏单元，310-支架，320-支撑管，321-预制孔，330-渗漏管，331-渗流孔，332- 主管，3321-圆孔，333-支管，340-漏斗，350-支撑杆；
400-酸液收集和测定单元，410-集酸管，420-回收桶，430-滤网；
500-管道流量测定单元，510-蓄水箱，520-抽水泵，530-连接管，540-止水夹，550-上游测试管，560-外夹式流量计，570-下游回水管；
600-支撑台。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。
相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。
参见图1，本公开第一方面实施例提供的研究碳酸盐岩溶蚀特征时空演化规律的试验方法，包括：
S1：将多个碳酸盐岩试块分层堆叠形成碳酸盐岩堆叠体，获取每个碳酸盐岩试块在碳酸盐岩堆叠体中的位置，在碳酸盐岩堆叠体中设有由贯穿该碳酸盐岩堆叠体的通孔所形成的管道，且该管道具有入口端和出口端，用于模拟天然岩体中存在的管道；
S2：对碳酸盐岩堆叠体表面的裂缝流量进行标定，以确定碳酸盐岩堆叠体表面的酸液入渗流量；
S3：按照步骤S2测定的酸液入渗流量使酸液通过碳酸盐岩堆叠体表面向内入渗，以发生酸蚀反应，待碳酸盐岩堆叠体与酸液接触的各表面均无气泡产生后，测定反应后酸液中的Ca2+和Mg2+的浓度；
S4：在酸蚀反应后的碳酸盐岩堆叠体的管道的入口端通入标定液，测定管道出口端的流量，计算管道流量损失；
S5：确定酸蚀反应后各碳酸盐岩试块在碳酸盐岩堆叠体中的位置；
S6：将酸蚀反应后的碳酸盐岩堆叠体按照堆叠顺序拆分成各碳酸盐岩试块，清洗各碳酸盐岩试块表面的反应残留物，阴干后称取各碳酸盐岩试块的重量并获取各碳酸盐岩试块的表面结构特征；
S7：利用三维建模方法重构碳酸盐岩堆叠体；
S8：不断重复步骤S2～步骤S7，得到碳酸盐岩试块的质量损失、表面结构特征，碳酸盐岩堆叠体经酸蚀反应后溶出的Ca2+、Mg2+浓度，以及管道流量损失随溶蚀发展的变化规律，分析后得到盐酸岩盐溶蚀特征的时空演化规律。
在一些实施例中，步骤S1中，将多个碳酸盐岩试块进行分层堆叠时，利用三维激光扫描仪扫描各层表面确定每个碳酸盐岩试块在碳酸盐岩堆叠体中的位置。
在一些实施例中，步骤S1中，在碳酸盐岩堆叠体形成的管道的布设位置以及根数无限制，保证管道贯穿碳酸盐岩堆叠体设置即可。
在一些实施例中，步骤S2中，对碳酸盐岩堆叠体表面的裂缝流量进行标定，以确定碳酸盐岩堆叠体表面的酸液入渗流量，具体包括以下步骤：
在碳酸盐岩堆叠体上方设置渗漏单元，该渗漏单元包括依次连通的漏斗、支撑管和渗漏管，渗漏管包括均匀布设在碳酸盐岩堆叠体表面裂隙正上方的若干管段；
将标定液按固定流量注入漏斗，测定渗漏管各管段的流量，由于渗漏管各管段均位于碳酸盐岩堆叠体表面裂隙正上方，故渗漏管各管段的流量即为碳酸盐岩堆叠体表面裂隙入渗流量。在进行酸蚀试验时，确保酸液按相同流量注入漏斗，则标定过程中确定的入渗流量即为酸蚀过程中酸液入渗流量。
在一些实施例中，步骤S4中，管道流量损失按照以下步骤确定：
在酸蚀反应后的碳酸盐岩堆叠体的管道入口端通入不同流量的标定液，利用体积流量法测定不同入口端流量下管道的出口端流量，测试多次(如3～4次)并取统计值(如平均值)，将出入口流量之差与入口流量的比值作为管道流量损失率。
本公开第一方面实施例提出将结构面粗糙度变化及管道流量损失率作为评价岩溶发育程度的指标，并将其与传统的质量损失率相结合，提升了评价体系的科学合理性及完备性。
在一些实施例中，步骤S5中，利用三维激光扫描仪逐层扫描反应后的碳酸盐岩堆叠体，以确定酸蚀反应后各碳酸盐岩试块在碳酸盐岩堆叠体中的位置。
在一些实施例中，各碳酸盐岩试块的表面结构特征包括各碳酸盐岩试块表面的尺寸、倾角、粗糙度、形状曲率和管道构造等。
在一些实施例中，各碳酸盐岩试块的表面结构特征按照以下步骤获取：
将酸蚀反应后的碳酸盐岩堆叠体进行拆分，进一步清洗各碳酸盐岩试块表面的反应残留物，阴干试块后进行称重并利用三维激光扫描仪获取其外表面结构的点云信息，确定各碳酸盐岩试块的外表面结构特征。对于三维激光扫描仪难以获取点云信息的碳酸盐岩试块内的管道，利用具有流动性、可固化性的硅胶溶液进行管道内表面倒模制作，将管道内结构转化为硅胶模外结构，从而获取管道内表面结构特征，以此作为碳酸盐岩试块的内表面结构特征。利用软件对扫描获取的点云数据进行处理，计算各碳酸盐岩试块的各表面的尺寸、倾角、粗糙度、形状曲率和管道构造等参数。
在一些实施例中，步骤S7中，利用三维建模相关软件(如Geomagic)将步骤S6获取的各碳酸盐岩试块的表面结构特征与步骤S5获取的位置信息相匹配，重构碳酸盐岩堆叠体及其内部的空间结构(包括碳酸盐岩堆叠体内的管道及裂隙)，得到该碳酸盐岩堆叠体的三维数值模型。
在一些实施例中，步骤S7还包括以下步骤：
利用透明树脂对重构得到的碳酸盐岩堆叠体进行3D打印，得到碳酸盐岩堆叠体的3D 模型，透明树脂可使该3D模型的内部结构(包括碳酸盐岩堆叠体内的管道及裂隙)可视化。对该3D模型设计不同的渗流工况，并借助工业相机获取渗流流体中有色染料或细微颗粒物在3D模型内的流动规律(有色染料及细微颗粒物可使流体的渗流状况可视化)；
对上述设计不同的渗流工况下渗流流体在碳酸盐岩堆叠体内的流动规律进行数值模拟，并与前述3D打印模型内部流体流动的规律相互对比验证，分析不同工况下溶蚀后碳酸盐岩模型内部的渗流模式，可显著提升研究结果可信度。
为了实现上述方法，本公开第二方面实施例提供的研究碳酸盐岩溶蚀特征时空演化规律的试验装置，参见图2、图3，用于进行碳酸盐岩堆叠体100酸蚀反应、确定酸蚀反应前后碳酸盐岩试块空间位置及反应后管道流量，所述碳酸盐岩堆叠体100通过多个碳酸盐岩试块分层堆叠形成，且在碳酸盐岩堆叠体100内设有由贯穿该碳酸盐岩堆叠体的通孔所形成的管道(如图2中虚线所示结构)，本公开第二方面实施例提供的研究碳酸盐岩溶蚀特性及时空演化规律的试验装置，包括：
酸蚀反应箱200，所述酸蚀反应箱200的顶端为敞口端，碳酸盐岩堆叠体100放置在酸蚀反应箱200内；
渗漏单元300，位于酸蚀反应箱200的敞口端上方，用于向碳酸盐岩堆叠体100表面的裂缝渗入标定液或者酸液；
酸液收集和测定单元400，与酸蚀反应箱200的下游底孔连接，用于收集酸蚀反应后的酸液并测定其中的Ca2+和Mg2+浓度；
管道流量测定单元500，与碳酸盐岩堆叠体100内的管道连接(可通过酸蚀反应箱200 上游侧壁孔伸入碳酸盐岩堆叠体100内的管道入口)，用于测定不同入口流量下管道出口端的流量；
定位单元(该定位单元在图中未示意出)，用于确定酸蚀反应前后各碳酸盐岩试块在碳酸盐岩堆叠体100中的位置；
重量称取单元(该重量称取单元在图中未示意出)，用于称取酸蚀反应前后各碳酸盐岩试块的重量；和
上位机(该上位机在图中未示意出)，与各单元电连接，用于根据各单元获取的数据得到碳酸盐岩堆叠体100的岩溶特征时空演化规律。
在一些实施例中，渗漏单元300包括位于酸蚀反应箱200两侧的两个支架310，水平架设在两个支架310之间的支撑管320，位于酸蚀反应箱200敞口端之上的渗漏管330，贯穿支撑管320后与渗漏管330连通的漏斗340以及通过底部凹槽固定在酸蚀反应箱200 敞口端用于支撑渗漏管330的支撑杆350。渗漏管330的底部均匀开设若干渗流孔331，标定液或者酸液经由漏斗340流入渗漏管330，再由渗漏管330的渗流孔331流入酸蚀反应箱200内碳酸盐岩堆叠体100表面的裂缝中。
在一个实施例中，渗漏单元300内设有两个漏斗340，各漏斗340为玻璃材质，直径100mm、颈长100mm、颈径11mm，漏斗颈向下穿过支撑管320上的预制孔321以使漏斗 340保持稳定，利用玻璃胶对漏斗340和支撑管320的连接处进行固定及密封。支撑管320 为pvc材质，长2000mm、外径50mm，支撑管320的中部开设两组直径15mm的对穿型圆孔，形成预制孔321，两组预制孔321的间距110mm，便于漏斗340放置，支撑管320 的两端搭在位于酸蚀反应箱200两侧的支架310顶端，以保持支撑管320空间位置的固定。渗漏管330为pvc材质，具体为由2根主管332和3组(每组4根)支管333纵横布设形成的网格形排管，2根主管332长1000mm、外径20mm，3组支管333外径12mm，长度分别为8mm、10.5mm、13mm(与碳酸盐岩堆叠体表面裂隙长度相对应)。2根主管332 的轴向垂直于支撑管320，2根主管332的上游(即靠近漏斗340的部分)距管端150mm 位置分别设置一直径12mm的圆孔3321，漏斗340颈底端插入圆孔3321，利用玻璃胶对漏斗340和主管332的连接处进行固定及密封；各主管332和支管333的下部中轴线位置分别设置直径1mm、间距8mm的渗流孔331，便于酸液和标定液下渗；将渗漏管330置于酸蚀反应箱200的敞口端上方。支架310为合金材料，在酸蚀反应箱200的两侧分别利用铁丝将3根长1200mm的钢筋距钢筋端部100mm固定，调整钢筋之间的夹角使支撑管 320可以搭在支架310顶端，并保证支撑管320完全水平。
在一个实施例中，酸蚀反应箱200为玻璃材质，长1000mm、宽700mm、高400mm，壁厚8mm，顶端开敞。酸蚀反应箱200的上游侧壁中轴线处设置两个直径40mm的圆孔，圆心分别距酸蚀反应箱底部100mm、300mm，用于与管道流量测定单元500连接；酸蚀反应箱200的下游侧壁中轴线底端另设一直径32mm的圆孔，圆孔圆心距底边24mm，用于与酸液收集和测定单元400连接。
进一步地，将酸蚀反应箱200放置在一支撑台600上，支撑台600为木质结构，长1400mm、宽900mm、高100mm，顶面平整，借助地形或支撑物使支撑台600沿纵轴方向保持4°夹角，横轴方向保持2°夹角，设置夹角一方面便于酸液向酸蚀反应箱200的下游流动，另一方面使同一层位碳酸盐岩试块存在垂向空间位置差异，夹角可依待研究的自然界真实岩层确定。
在一些实施例中，酸液收集和测定单元400包括与酸蚀反应箱200下游侧壁底孔连通的集酸管410，位于集酸管410出口端正下方的回收桶420，以及用于测定酸蚀反应后的酸液中Ca2+和Mg2+浓度的离子浓度测量仪(该离子浓度测量仪未在图中示意出)。集酸管 410插入酸蚀反应箱200下游侧壁的深度为10mm，在酸蚀反应箱200与集酸管410的连接处利用玻璃胶进行固定及密封。酸蚀反应后的酸液通过集酸管410后流至回收桶420收集，收集的酸液可用于后续的酸蚀反应。
进一步地，在回收桶420的顶部覆盖有滤网430，以防止酸蚀反应后酸液中携带残渣，在新一轮酸蚀反应中堵塞渗漏单元300。
在一个实施例中，集酸管410为pvc材质，长800mm、外径32mm，集酸管410的上游插入酸蚀反应箱200下游段侧壁的底部，集酸管410的下游延伸至回收桶420上方。回收桶420为pvc材质，口径300mm、容积10L。滤网430为不锈钢材质，40目，网格直径 0.5mm，网丝直径0.13mm。
在一些实施例中，管道流量测定单元500包括位于酸蚀反应箱200一侧的蓄水箱510，设置于蓄水箱510内的抽水泵520，连接管530和上游测试管550，以及连接于集酸管410与蓄水箱510之间的下游回水管570。其中，连接管530两端分别与抽水泵520及上游测试管550相连，上游测试管550穿过酸蚀反应箱200上游侧壁的圆孔后与碳酸盐岩堆叠体 100内管道的入口端连接。连接管530上设有用于调节抽水泵520流量的止水夹540，通过调节止水夹540的松紧改变抽水泵520向连接管530泵入的流量。上游测试管550与一外夹式流量计560连接，具体地，该外夹式流量计560的探头通过耦合剂固定在上游测试管550的外表面，通过测定上游测试管550的流量来反映碳酸盐岩堆叠体100内管道的入口端流量。流量测试过程中进入酸蚀反应箱200的液体通过集酸管410及与之相连的下游回水管570排入蓄水箱510中，实现测试所需液体的循环流动，从而无需再测试过程中向蓄水箱510中补充液体。
在一个实施例中，蓄水箱510为pvc材质，长540mm、宽350mm、高300mm，容积 50L，抽水泵520为HG-700S型，恒定功率4000L/h，连接管530为塑胶软管，长1000mm，外径40mm，连接管530一端与抽水泵520的外接管相连，连接处用保鲜膜固定，另一端与上游测试管550相连，止水夹540为金属材质，夹于连接管530中段，外夹式超声波流量计560为DN32-50型，精度为10-4m3/h，通过止水夹540调节连接管530管径可控制上游测试管550流量，观察外夹式流量计560示数，确定管道入口端流量的具体数值；下游回水管570为塑胶软管，长1000mm，外径40mm，其一端与集酸管410出口相连，另一端伸入蓄水箱510，以便实现系统水循环。
在一些实施例中，定位单元包括三维激光扫描仪，利用三维扫描仪扫描确定酸蚀反应前后每个碳酸盐岩试块在碳酸盐岩堆叠体中的位置。
在一些实施例中，上位机通过各个单元得到的数据可获取不同反应阶段各碳酸盐岩试块的质量损失率和表面粗糙度、管道流量损失率和碳酸盐岩堆叠体的溶出离子浓度等参数，分析上述参数在反应阶段、构造特征、试块空间位置等变量控制下的变化规律，最终可获得碳酸盐岩堆叠体的岩溶特征及演化规律。
本公开第二方面实施例提供的研究碳酸盐岩溶蚀特征时空演化规律的试验装置，其结构简洁，操作简便，可以对酸蚀反应程度、碳酸盐岩模型构造特征、碳酸盐岩试块空间位置等进行控制变量试验。通过对大体积碳酸盐岩试样进行切割，并预制不同位置的管道、不同倾角的裂隙等，以“整体酸蚀+拆分测试”的方式获取渗流场、化学场耦合作用下大型碳酸盐岩模型中各试块表面粗糙度、试块质量损失率、管道流量损失率、Ca2+、Mg2+溶出量等参数，对探究碳酸盐岩堆叠模型在内外构造共同作用下的岩溶发育时空规律具有重要的意义。
下面对利用本公开第二方面实施例提供的研究碳酸盐岩溶蚀特征时空演化规律的装置获取碳酸盐岩堆叠体溶蚀特征时空演化规律的具体步骤进行详细说明：
Step1：平台搭建及碳酸盐岩堆叠体表面裂缝流量标定
参照图2形式搭建试验平台，将标定液等量匀速倒入渗漏管上游的两个漏斗，利用体积流量法测定渗漏管各管段的流量，每个管段测试3次后取平均值作为酸蚀反应时碳酸盐岩堆叠体表面裂缝的流量。
Step2：反应前碳酸盐岩堆叠体定位扫描
将待测碳酸盐岩试样堆叠组合成整体模型，并将模型逐层置于酸蚀反应箱底部正中，每层摆放完毕后利用三维激光扫描仪扫描各层表面，确定酸蚀反应前碳酸盐岩试块位置。
Step3：酸蚀反应
将饱和浓盐酸按照与Step1中标定液相同的流量流速倒入排架上游的两个玻璃漏斗，使酸液通过排架下部渗漏孔漏入碳酸盐岩堆叠模型表面的缝隙，反应后的酸液通过反应箱与底孔相连的集酸管流入回收桶，对集酸桶内酸液进行取样，测试Ca2+、Mg2+等浓度。将剩余酸液回收，重复上述操作至酸液与碳酸盐岩接触时完全无气泡产生。反应结束后向酸蚀反应箱内及堆叠模型表面浇水，清洗反应残留物质。
Step4：管道流量测试
安装管道流量测试单元，通过止水夹调节连接管管径改变泵送流量至流量计示数为定值，利用体积流量法测定不同入口流量下管道的出口流量，测试3-4次并取平均。
Step5：反应后碳酸盐岩模型定位扫描
利用三维激光扫描仪逐层扫描反应后碳酸盐岩模型，确定酸蚀反应后碳酸盐岩试块位置。
Step6：碳酸盐岩堆叠体拆分称重及扫描
将反应结束的碳酸盐岩堆叠模型拆分，进一步清洗各试块表面的反应残留物，阴干试块后进行试样称重并利用三维激光扫描仪获取其表面结构的点云信息，确定各表面结构特征。对于三维激光扫描仪难以获取点云信息的模型内预制管道，利用具有流动性、可固化性的硅胶溶液进行管道内表面倒模操作，将管道内结构转化为硅胶模外结构，从而获取管道内表面结构特征。利用软件对扫描获取的点云数据进行处理，计算试样各表面粗糙度等参数。
Step7：碳酸盐岩空间结构数值重构
利用三维建模相关软件(如Geomagic等)将Step6中获取的试块顶面结构信息与Step5 获取的层面结构信息相匹配，对各试块进行逐个定位、组合，进而重构整个堆叠模型酸蚀反应后的空间结构。
Step8：3D打印复现碳酸盐岩空间结构
利用透明树脂及3D打印装置复现溶蚀后碳酸盐岩模型内部空间结构，设计不同渗流工况，并借助工业相机获取流体在结构内部的流动规律。
Step9：碳酸盐岩堆叠模型溶蚀演化数值模拟
利用数值模拟软件模拟Step8中各渗流工况下流体流动规律，并与Step8中试验结果进行对照，分析不同工况下溶蚀后碳酸盐岩模型内部的渗流模式。
Step10：重复Step2～Step9，获取各酸蚀阶段碳酸盐岩模型空间结构变化、试块表面粗糙度、质量损失率、流量损失率、离子溶出量等参数，进而分析上述参数与反应时间、构造特征及试块空间位置的相关关系，同时结合各阶段碳酸盐岩模型内部的渗流模式，分析获取碳酸盐岩模型岩溶的时空特性及演化规律。
进一步地，将Step3中获取的离子浓度与在待研究岩溶区监测获取的Ca2+、Mg2+年溶出量相对比，获得试验环境与真实环境的时间关联关系，进而将试验中获取的碳酸盐岩堆叠模型各参数变化规律转化为自然环境中碳酸盐岩地层的岩溶演化规律。
由于本公开第二方面实施例提供的试验装置结构简单，操作简便，各个单元拆卸、搭载便利，可实现碳酸盐岩模型结构、酸蚀反应程度等变量的多样化设计。其“整体酸蚀+拆分测试”的试验思路对获取碳酸盐岩模型内部构造变化情况具有显着优势，本公开提出的用于探究碳酸盐岩模型溶蚀特性及时空演化规律的试验方法可以较好的达到预期效果，具体体现在：本公开在对大体积碳酸盐岩试样进行切割分块的同时预制不同位置的管道、不同倾角的裂隙等构造，通过“整体酸蚀+拆分测试”的方式获取渗流场、化学场耦合作用下大型碳酸盐岩模型中各试块表面粗糙度、试块质量损失率、管道流量损失率、Ca2+、 Mg2+溶出量等参数，研究大模型在不同时间阶段、不同构造特征、不同空间位置的溶蚀特性和演化规律及其与流场的相互作用和影响。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本公开的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本公开的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本公开的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种研究碳酸盐岩溶蚀特征时空演化规律的试验方法，其特征在于，包括：
S1：将多个碳酸盐岩试块分层堆叠形成碳酸盐岩堆叠体，获取每个碳酸盐岩试块在碳酸盐岩堆叠体中的位置，在碳酸盐岩堆叠体中设有由贯穿碳酸盐岩堆叠体的通孔所形成的管道，且管道具有入口端和出口端；
S2：对碳酸盐岩堆叠体表面的裂缝流量进行标定，以确定碳酸盐岩堆叠体表面的酸液入渗流量；
S3：按照酸液入渗流量使酸液通过碳酸盐岩堆叠体表面向内入渗，以发生酸蚀反应，待碳酸盐岩堆叠体与酸液接触的各表面均无气泡产生后，测定反应后酸液中的Ca2+和Mg2+的浓度；
S4：在酸蚀反应后的管道入口端通入标定液，测定管道出口端的流量，计算管道流量损失；
S5：确定酸蚀反应后各碳酸盐岩试块在碳酸盐岩堆叠体中的位置；
S6：将酸蚀反应后的碳酸盐岩堆叠体按照堆叠顺序拆分成各碳酸盐岩试块，清洗各碳酸盐岩试块表面的反应残留物，阴干后称取各碳酸盐岩试块的重量并获取各碳酸盐岩试块的表面结构特征；
S7：利用三维建模方法重构碳酸盐岩堆叠体；
S8：不断重复步骤S2～步骤S7，得到碳酸盐岩试块的质量损失、表面结构特征，碳酸盐岩堆叠体经酸蚀反应后溶出的Ca2+、Mg2+浓度，以及管道流量损失随溶蚀发展的变化规律，分析后得到盐酸岩盐溶蚀特征的时空演化规律。
2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，步骤S1中，将多个碳酸盐岩试块进行分层堆叠时，利用三维激光扫描仪扫描各层表面确定每个碳酸盐岩试块在碳酸盐岩堆叠体中的位置；步骤S5中，利用三维激光扫描仪逐层扫描反应后的碳酸盐岩堆叠体，以确定酸蚀反应后各碳酸盐岩试块在碳酸盐岩堆叠体中的位置。
3.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
在碳酸盐岩堆叠体上方设置渗漏单元，所述渗漏单元包括依次连通的漏斗、支撑管和渗漏管，所述渗漏管包括均匀布设在所述碳酸盐岩堆叠体表面裂隙正上方的若干管段；
将标定液按固定流量注入所述漏斗，测定所述渗漏管各管段的流量，作为碳酸盐岩堆叠体表面裂隙入渗流量。
4.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，步骤S4具体包括：
在酸蚀反应后的碳酸盐岩堆叠体的管道入口端通入不同流量的标定液，利用体积流量法测定不同入口端流量下管道出口端的流量，测试多次取统计值，将出入口流量之差与入口流量的比值作为管道流量损失率。
5.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，步骤S6具体包括：
将酸蚀反应后的碳酸盐岩堆叠体进行拆分，清洗各碳酸盐岩试块表面的反应残留物，阴干各碳酸盐岩试块后进行称重并利用三维激光扫描仪获取其外表面结构的点云信息，确定各碳酸盐岩试块的外表面结构特征；对于三维激光扫描仪难以获取点云信息的碳酸盐岩试块内的管道，对管道内表面进行倒模制作，将管道内结构转化为模外结构，从而获取管道内表面结构特征，以此作为碳酸盐岩试块的内表面结构特征；对扫描获取的点云数据进行处理，计算各碳酸盐岩试块的各表面结构特征，包括各碳酸盐岩试块表面的尺寸、倾角、粗糙度、形状曲率和管道构造。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的试验方法，其特征在于，步骤S7还包括以下步骤：
利用透明材料对重构得到的碳酸盐岩堆叠体进行3D打印，得到碳酸盐岩堆叠体的3D模型，对所述3D模型设计不同的渗流工况，并借助工业相机获取渗流流体中有色染料或细微颗粒物在3D模型内的流动规律；
对设计不同的渗流工况下渗流流体在碳酸盐岩堆叠体内的流动规律进行数值模拟，并与所述渗流流体中有色染料或细微颗粒物在3D模型内的流动规律相互对比验证，分析不同工况下溶蚀后碳酸盐岩模型内部的渗流模式。
7.一种研究碳酸盐岩溶蚀特征时空演化规律的试验装置，其特征在于，包括：
酸蚀反应箱，所述酸蚀反应箱的顶端为敞口端，所述酸蚀反应箱内放置有碳酸盐岩堆叠体，所述碳酸盐岩堆叠体通过多个碳酸盐岩试块分层堆叠形成，且在所述碳酸盐岩堆叠体内设有由贯穿所述碳酸盐岩堆叠体的通孔所形成的管道；
渗漏单元，位于所述酸蚀反应箱的敞口端上方，用于向所述碳酸盐岩堆叠体表面的裂缝渗入标定液或者酸液；
酸液收集和测定单元，与所述酸蚀反应箱连接，用于收集酸蚀反应后的酸液并测定其中的Ca2+和Mg2+浓度；
管道流量测定单元，与所述碳酸盐岩堆叠体内的所述管道连接，用于测定不同入口流量下管道出口端的流量；
定位单元，用于确定酸蚀反应前后各碳酸盐岩试块在碳酸盐岩堆叠体中的位置；
重量称取单元，用于称取酸蚀反应前后各碳酸盐岩试块的重量；和
上位机，与各单元电连接，用于根据各单元获取的数据得到碳酸盐岩堆叠体的岩溶特征时空演化规律。
8.根据权利要求7所述的试验装置，其特征在于，所述渗漏单元包括位于所述酸蚀反应箱两侧的两个支架，水平架设在两个支架之间的支撑管，位于酸蚀反应箱敞口端之上的渗漏管，贯穿支撑管后与渗漏管连通的漏斗以及固定在酸蚀反应箱敞口端用于支撑渗漏管的支撑杆；所述渗漏管的底部均匀开设若干渗流孔。
9.根据权利要求7所述的试验装置，其特征在于，所述管道流量测定单元包括位于所述酸蚀反应箱外的蓄水箱，设置于蓄水箱内的抽水泵，穿过所述酸蚀反应箱后与所述管道的入口端连接的上游测试管，连接于所述上游测试管和所述抽水泵之间的连接管，以及连接于所述酸液收集和测定单元与所述蓄水箱之间的下游回水管；所述连接管上设有用于调节所述抽水泵流量的止水夹，所述上游测试管与一外夹式流量计连接，通过测定所述上游测试管的流量来反映所述管道的入口端流量。
10.根据权利要求7～9中任一项所述的试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括用于支撑所述酸蚀反应箱的支撑台，所述支撑台的顶面为斜面。
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