CN115496758B - 一种膨润土渗透系数的计算预测方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及岩土工程和土力学领域,具体涉及一种膨润土渗透系数的计算预测方法、装置及系统,用于解决现有技术中膨润土渗透系数计算方法复杂,普适性低的问题,所述方法包括如下步骤:获取膨润土的原始图像;设定图像处理阈值,并将所述原始图像二值化得到二值化图像;根据所述膨润土的所述二值化图像计算所述膨润土孔隙的预测导水系数和视角纠正因子;通过所述视角纠正因子纠正所述预测导水系数得到修正导水系数;利用所述修正导水系数获取所述二值化图像的界面上导水系数的有效值;使用所述有效值得到所述膨润土的渗透系数。本发明提出的方法简单便捷,准确度较高,且具有较高的普适性。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程和土力学领域,具体涉及一种膨润土渗透系数的计算预测方法、装置及系统。
背景技术
膨润土的渗透系数是表征膨润土对水或者气体的渗透能力重要指标,且膨润土的渗透系数是土的基本物理指标之一,它与膨润土的骨架性质、孔隙结构、土中流体的粘滞特性等相关,它是膨润土固结、渗流、沉降等分析计算中的重要参数。在岩土工程、土力学领域有着重要应用,如大坝的坝基膨润土的渗透系数大小影响着大坝的安全,高放射性核废物处置库膨润土渗透系数的大小影响着高放射性核废物的迁移和安全,因此正确确定其数值对渗透计算有着重要的意义。
现有的渗透系数计算方法包含实验室测定法和其他的一些计算预测方法。前者对于粘土来说需要的测试时间较长,如测试膨润土等高膨胀性的粘土需要改造设备至可控制其膨润土体积不变方可进行测量,较为繁琐;后者需要考虑土水特征曲线和膨润土颗粒级配等,均需要提前做较多实验数据,最后再对膨润土渗透系数计算,过程也较为复杂,且均不具有普适性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明提供一种膨润土渗透系数的计算预测方法、装置及系统。
本发明的实施例是这样实现的,第一方面,本发明提供了一种膨润土渗透系数的计算预测方法,所述方法包括如下步骤:获取膨润土的原始图像;设定图像处理阈值,并将所述原始图像二值化得到二值化图像;根据所述膨润土的所述二值化图像计算所述膨润土孔隙的预测导水系数和视角纠正因子;通过所述视角纠正因子纠正所述预测导水系数得到修正导水系数;利用所述修正导水系数获取所述二值化图像的界面上导水系数的有效值;使用所述有效值得到所述膨润土的渗透系数。
可选地,所述二值化图像的大小与所述原始图像的大小相同。
可选地,还包括,所述膨润土中的体积流速遵循如下关系:
可选地,所述预测导水系数满足如下关系:
可选地,所述视角纠正因子满足如下关系:
可选地,所述修正导水系数满足如下关系:
其中,表示某一个所述孔隙,表示第个所述孔隙的所述修正导水系数,表示
所述视角纠正因子,表示第个所述孔隙的所述预测导水系数。由于拍摄视角问题,基于
图像计算的所述预测导水系数可能存在误差,因此可以通过所述视角纠正因子对所述预测
导水系数进行纠正,得到更为准确的所述修正导水系数。
可选地,所述有效值可通过如下关系获得:
其中,表示某一个所述孔隙,表示所述孔隙的总数量,表示与每一个节点连
接的孔隙数量,表示第个所述孔隙的所述修正导水系数,表示所述有效值;进一步
的,通过数学上标准寻根算法来求解所述有效值,将所述有效值即做为所述膨润土最终的
所述导水系数。
可选地,所述渗透系数满足如下关系:
综上所述,本发明通过获取膨润土的原始图像,并基于所述原始图像进行一些的简单的图像处理和计算即可得出准确的膨润土的渗透系数,本发明提出的方法相较于传统的实验测试方法更加简单便捷,准确度较高,且具有较高的普适性。
第二方面,本发明提供了一种膨润土渗透系数的计算预测装置,所述一种膨润土渗透系数的计算预测装置执行上述任意一项所述的方法,所述装置包括:输入设备,所述输入设备用于拍摄原始图像作为输入数据;处理器,所述处理器用于处理数据并得到处理结果,所述处理器与所述输入设备相连接;储存器,所述储存器用于储存所述处理结果,所述储存器与所述处理器相连接;输出设备,所述输出设备输出所述处理结果,所述输出设备与所述储存器相连接。所述装置结构简单,易于实现,适用场景多、范围广。
第三方面,本发明提供了一种膨润土渗透系数的计算预测系统,包括图像获取装置和膨润土渗透系数的计算预测装置:所述图像获取装置拍摄所述膨润土的所述原始图像;所述膨润土渗透系数的计算预测装置用于接收所述原始图像;设定阈值,并将所述原始图像二值化得到二值化图像;根据所述二值化图像得到预测导水系数和视角纠正因子;通过所述视角纠正因子纠正所述预测导水系数得到修正导水系数;利用所述修正导水系数获取所述原始图像的界面上导水系数的有效值;使用所述有效值得到所述膨润土的渗透系数;所述膨润土渗透系数的计算预测装置与所述图像获取装置相连接。所述系统结构简单,易于实现,适用场景多、范围广。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本申请的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
图1为本发明实施例的一种膨润土渗透系数的计算预测方法流程图;
图2为本发明实施例的膨润土原始图像;
图3为本发明实施例的原始图像的二值化图像;
图4为本发明实施例的实验室测定法结果与本方法结果的对比;
图5为本发明实施例的一种膨润土渗透系数的计算预测装置结构图;
图6为本发明实施例的一种膨润土渗透系数的计算预测系统结构图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例,应当注意,这里描述的实施例只用于举例说明,并不用于限制本发明。在以下描述中,为了提供对本发明的透彻理解,阐述了大量特定细节。然而,对于本领域普通技术人员显而易见的是:不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中,为了避免混淆本发明,未具体描述公知的电路,软件或方法。
在整个说明书中,对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着:结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此,在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外,可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外,本领域普通技术人员应当理解,在此提供的示图都是为了说明的目的,并且示图不一定是按比例绘制的。
需要提前说明的是,在一个可选地实施例当中,除了做出独立的说明之外,其它的在所有公式中出现的相同的符号或字母带表的含义相同,所述的用于表示空间位置关系的“垂直”、“水平”、“平行”、“上”或“下”等都是以水平面为参考系。
请参见图1,在一个可选地实施例当中,本发明提供了一种膨润土渗透系数的计算预测方法,具体包含如下步骤:
S1、获取膨润土的原始图像。
具体的,在本实施例中,请参见图2,采用型号为FEI Quanta 650 FEG
的SEM设备对所述膨润土进行拍摄获取SEM图像作为所述原始图像,从图2中可以得知拍摄的所述原始图像的相关数据,其中放大倍数为2500倍,束斑尺寸为3.0,拍摄距离为7.9mm,电子束加速电压为20kv,压力为856Pa,温度为5摄氏度,湿度为97.6%,比例尺为50um。
在其它可选地实施例中当中,还可以根据实际情况选择其它类型的SEM设备或者其它类型的方式获取所述原始图像。
S2、获取所述原始图像的二值化图像。
所述二值化图像的大小与所述原始图像的大小相同,使得所述原始图像上的所述比例尺在所述二值化图像上依旧可以使用,便于计算。
具体的,请参见图3,在本实施例中,选择合适阈值对所述原始图像进行二值化处理得到所述二值化图像,所述二值化图像用于将所述原始图像上的所述膨润土的所述孔隙与土体颗粒区分开来,便于识别,图3中白色区域代表所述土体颗粒,黑色区域代表所述孔隙。
S3、根据所述二值化图像计算预测导水系数、视角纠正因子和导水系数。
其中,S3具体包括如下步骤:
S31、根据所述二值化图像计算所述预测导水系数。
导水系数是计算渗透系数的关键,又由于所述孔隙不止一个且大小不均一,因此需要逐一计算每个所述孔隙的所述导水系数。
所述膨润土中的体积流速遵循如下关系:
所述预测导水系数满足如下关系:
具体的,在本实施例当中,可以借助所述原始图像上的比例尺才计算每个所述孔隙的半径,进而计算出每个所述孔隙的面积和周长,将测量得到的所述半径、所述周长和所述面积带入此步骤中第二个式子当中即可计算出每个所述孔隙的所述预测导水系数。
S32、计算所述视角纠正因子。
由于在使用所述SEM设备获取所述膨润土的所述原始图像时,所述SEM设备中拍摄镜头下方的所述膨润土除了垂直于所述拍摄镜头的区域,还存在不垂直于所述拍摄镜头的区域,导致拍摄所述膨润土的原始图像的截面可能不是所述膨润土中液体垂直渗流的截面,使所述原始图像上所述孔隙的半径、长度和面积与实际的所述孔隙的半径、长度和面积存在误差,进而导致所述预测导水系数存在误差,因此需要对所述预测导水系数进行纠正,借助球坐标系计算视角纠正因子可以很好的解决这一问题,所述视角纠正因子满足如下关系:
具体的,在本实施例当中,以所述拍摄镜头为圆心,为拍摄点与所述拍摄镜头在
垂直方向上的夹角,为拍摄点与所述拍摄镜头在水平方向上的夹角,所述拍摄点为所述
膨润土靠近所述拍摄镜头的一面上的所述孔隙的中心点,所述夹角可以经过测量得到,
将所夹角带入此式子中即可计算出所述视角纠正因子。
S4、计算所述修正导水系数。
在步骤S3中已经说明了所述预测导水系数存在误差,因此需要通过所述视角纠正因子对所述预测导水系数进行纠正进而得到所述修正导水系数。
所述修正导水数系满足如下关系:
具体的,在本实施例当中,由于第个所述孔隙的所述预测导水系数和所述视角
纠正因子分别在步骤S31和步骤S32中已经计算得出,因此只需将它们带入此式子中就可
以计算出对应的经过纠正的预测导水系数,即导水系数,所述修正导水系数比所述预测
导水系数更加精确。
S5、利用所述修正导水系数获取所述原始图像的界面上导水系数的有效值。
由于所述孔隙大小不均一,并不能直接将每个所述修正导水系数相加作为所述膨润土的总导水系数,但是可以求解所述原始图像的界面上所述导水系数的有效值。
所述有效值可以通过如下关系获得:
具体的,在本实施例当中,所述孔隙的数量和每一个节点连接的孔隙数量通过图像识别技术获取,将步骤S4中计算得到的所述修正导水系数带入此式子中,再通过数学上标准寻根算法来求解所述有效值。
在其它可选地实施例当中,所述孔隙的数量还可以通过其它方式获取,例如撰写C++代码统计和人眼识别等,具体的方式在此不做限定。
S6、使用所述有效值得到所述膨润土的渗透系数。
所述渗透系数满足如下关系:
具体的,在本实施例当中,所述原始图像的面积可以根据得到的所述原始图像直接计算得出,即所述原始图像的长与宽的乘积,但需要注意的是所述长和宽应当是基于所述比例尺的,在得到所述原始图像的面积之后,将步骤S5中计算得到的所述有效值带入此式子中即可计算得出所述渗透系数。
为使本实施例更加清晰明了,以便突出本发明相较于现有技术的优势,以下将结合实验测试方法对本实施例的所述渗透系数进行验证。
膨润土的孔隙比和干密度分别满足如下关系:
具体的,在本实施例中,请参见图3,所述孔隙的总面积为图3中黑色区域的总面积,所述孔隙的总面积可以通过图像识别技术获取,同时将步骤S5中得到的所述原始图像的面积带入计算所述孔隙比的式子中,即可计算出所述孔隙比;在计算出所述孔隙比之后,将所述孔隙比的计算结果带入计算所述干密度的式子中,可以计算得出所述干密度的数值。
更为具体的,请参见图4,一般的土体的渗透系数对数坐标与干密度呈线性关系,在验证过程中,通过拍摄不同状态下的所述膨润土并分别计算出对应的所述渗透系数和所述干密度,根据所述渗透系数和所述干密度作图,并选择实验测试方法测量几组不同状态下所述膨润土的所述渗透系数和所述干密度,可以看出本发明提供的方法计算预测的渗透系数在干密度较低区域,与实验测试方法测得的渗透系数线性关系良好,在同一条直线上,因此,基于原始可以准确计算出膨润土的渗透系数。
需要说明的是,在一些情况下,在说明书中记载的动作可以按照不同的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果,在本实施例当中,所给出的步骤顺序仅仅是为了使实施例看起来更加清晰明了,方便说明,而非对其限制。
请参见图5,在一个可选地实施例中,本发明提供了一种膨润土渗透系数的计算预测装置,所述装置用于使用一种膨润土渗透系数的计算预测方法来计算预测所述膨润土的渗透系数,包括输入设备、处理器、储存器和输出设备。
输入设备A1,所述输入设备A1用于输入所述膨润土的原始图像。
处理器A2,所述处理器A2与所述输入设备A1相连接,所述处理器A2在接收到来自输入设备A1的原始图像之后,先将所述原始图像二值化得到二值化图像备用;同时对所述原始图像识别以统计出所述膨润土上孔隙的数量,并根据所述原始图像的比例尺计算出每个所述孔隙的半径、面积和周长,以此为基础计算出每个孔隙的预测导水系数和视角纠正因子,并根据所述视角纠正因子对所述预测导水系数进行纠正得到更为精确的导水系数;利用修正导水系数计算出基于所述原始图像的界面上的所述导水系数的有效值;使用所述有效值计算所述膨润土的所述渗透系数。
储存器A3,所述储存器A3与所述处理器A2相连接,所述储存器A3用于储存所述处理器A2中得出的数据,包括所述二值化图像、所述孔隙的数量、所述孔隙的半径、所述孔隙的面积、所述孔隙的周长、所述预测导水系数、所述纠正因子、所述修正导水系数、所述有效值和所述渗透系数。
输出设备A4,所述输出设备A4与所述储存器A3相连接,所述输出设备A4用于输出所述储存器A3中的所有数据。
请参见图6,在一个可选地实施例中,本发明还提供了一种膨润土渗透系数的计算预测系统,所述系统包括图像获取装置和膨润土渗透系数的计算预测装置。
图像获取装置B1,所述图像获取装置B1拍摄所述膨润土的所述原始图像,并将所述原始图像传递给膨润土渗透系数的计算预测装置B2。
膨润土渗透系数的计算预测装置B2,所述膨润土渗透系数的计算预测装置B2与所述图像获取装置B1相连接,所述膨润土渗透系数的计算预测装置B2用于接收所述原始图像,然后设定阈值并将所述原始图像转化为二值化图像,并基于所述二值化图像计算所述预测导水系数、所述视角纠正因子、所述修正导水系数、所述有效值和所述渗透系数,最后将所述二值化图像和计算所得的所有数据输出。
综上所述,本发明通过获取膨润土的原始图像,并将所述原始图像二值化得到二值化图像,以确保与膨润土孔隙相关的数据的准确性,并以此为基础进行一些的简单计算即可得出膨润土的渗透系数;并且经过实验验证,使用本发明提供的方法计算预测出的膨润土渗透系数的对数与干密度的线性关系良好,说明本发明提供的方法能够准确的计算预测出膨润土的渗透系数。因此,本发明提出的方法相较于传统的渗透系数测试计算方法更加简单便捷,准确度较高,且具有较高的普适性。此外,本发明提供的装置和系统也具有与本发明提供的方法相同的优点。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围,其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (5)
1.一种膨润土渗透系数的计算预测方法,其特征在于,包括如下步骤:
获取膨润土的原始图像;
设定阈值,并将所述原始图像二值化得到二值化图像,所述二值化图像用于将所述原始图像上的所述膨润土的孔隙与土体颗粒区分开来,便于识别;
根据所述二值化图像得到预测导水系数和视角纠正因子,所述预测导水系数和视角纠正因子可通过如下关系获得:
其中,为体积流速,表示所述膨润土的所述孔隙的半径,为所述孔隙两端的压力差,为液体的粘滞系数,为所述孔隙的长度,为所述膨润土的导水系数,表示某一个所述孔隙,表示第个所述孔隙的所述预测导水系数,表示第个所述孔隙的半径,表示第个所述孔隙的面积,表示第个所述孔隙的周长,表示所述视角纠正因子,以拍摄镜头为圆心,为拍摄点与所述拍摄镜头在垂直方向上的夹角,为拍摄点与所述拍摄镜头在水平方向上的夹角,所述拍摄点为所述膨润土靠近所述拍摄镜头的一面上所述孔隙的中心点;
通过所述视角纠正因子纠正所述预测导水系数得到修正导水系数;
利用所述修正导水系数获取所述原始图像的界面上导水系数的有效值,所述有效值可以通过如下关系获得:
使用所述有效值得到所述膨润土的渗透系数。
2.根据权利要求1所述的一种膨润土渗透系数的计算预测方法,其特征在于:所述二值化图像的大小与所述原始图像的大小相同。
5.一种膨润土渗透系数的计算预测装置,其特征在于,包括:
输入设备,所述输入设备用于输入数据;
处理器,所述处理器用于处理数据并得到处理结果,所述处理器与所述输入设备相连接;
储存器,所述储存器用于储存所述处理结果,所述储存器与所述处理器相连接;
输出设备,所述输出设备输出所述处理结果,所述输出设备与所述储存器相连接;
所述处理器执行如权利要求1-4中任一项所述的方法。
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