基于岩石节理透明复制品的溶质迁移过程光学测量装置的制作方法

技术领域

本发明属于岩石渗流与溶质迁移技术领域，特别涉及一种基于岩石节理透明复制品的溶质迁移过程光学测量装置。

背景技术：

近年来，随着我国对环境污染问题的日趋重视，如地下水污染物迁移、核废料处置库的安全及页岩气等新能源的计划开发，使得岩石节理溶质迁移机理相关理论和实验技术成为一个新的研究方向。

与岩石节理溶质迁移相关的试验主要分为野外大尺度的迁移试验以及室内小尺度的单节理试验。国内的溶质迁移试验主要集中于浅层地表，迁移介质主要是土壤。研究问题包括污染物随地下水迁移的测定，土壤有机元素的流失等。该类技术或研究应用于工程领域较少，主要受到技术上和实验场地的限制。野外现场试验投入大，操作困难，迁移试验得到的数值波动性大，针对性强但代表性差，同时试验对测量仪器、示踪剂和量测区域有较高要求。因此国内外学者在开展野外现场试验的同时，也进行了大量的室内单节理的溶质迁移试验。虽然单节理溶质迁移试验所得到的结果往往只能作为现场地层性质的参考，但在对节理中溶质传输微观过程和机制的揭示方面，室内试验有其不可替代的作用。

由于岩石节理的封闭性，其节理开度和溶质随水流迁移发生浓度变化规律的直接测量成为研究裂隙溶质迁移过程的关键技术难题。国内外许多学者进行的节理溶质迁移实验，往往只能控制水流进出口的边界条件，并在出口处得到可测的实验数据。随着岩石节理水流与溶质迁移机理研究的不断深入，研究者逐渐将注意力关注于水流及迁移参数（如溶质弥散系数）同节理面粗糙程度和节理开度之间的关系，单独研究节理出口水流浓度变化已无法满足研究的需求。

目前国内尚未具备可以兼顾测量迁移过程的节理隙宽及监测溶质浓度变化全过程的装置及实验方法。传统的封闭系统测量往往难以提供使人信服的试验数据。已有的节理溶质迁移流程的测量方法为通过植入传感器的方式记录节理中不同位置的浓度变化，该方法会破坏裂隙结构，测量精确性低，成本高还不直观。低成本、针对同一对象可重复试验以及对试验过程全程观测的装置和方法是研究者目前所需要的。

技术实现要素：

本发明主要解决现有技术中无法观测裂隙内部流态及溶质迁移过程的问题，提出一种适用于透明高仿粗糙岩石节理的开度测量及水流溶质迁移过程观察与监测的装置，并给出了该装置的试验方法。该发明主要包含以下几个内容：

一、已有的研究成果表明，岩石节理内的水流和溶质迁移过程主要受节理面形貌和节理空间形态影响。所以，针对岩石节理内水流和溶质迁移过程观察和测量困难的问题，本发明采用硅橡胶和透明水晶硬胶的翻模复制技术，复制粗糙岩石节理面样品，重构出岩石节理的基本构造和表面形貌特征。该复制方法具有很高的复制精度，保证复制节理与原节理的相似性；同时，本发明选择的高透水晶硬胶结合有色溶质的使用可以呈现水流状态以及溶质迁移的全过程。

二、针对复制出的高透节理，本发明提供了一套完整的过流装置。该装置主要为节理过流提供平稳的边界条件（包括进流、出流和封水）以及固定上下节理面的相对位置，同时满足一定的测量需求（进水口测水压）。该装置的设计充分考虑了进出水边界的稳定性：在进水口均匀布置足够多的进水口和一个水槽，模拟水头边界条件；在出水口，布置了通气孔，使流体在节理末端排出顺畅，模拟自由出流状态。

三、针对上文所提到高透复制节理和过流装置，本发明设计了一套相应的控制和测量系统。主要包括水流系统、光学系统和控制分析系统。该系统提供了一套包含水流模拟、实时观察和监测、数据分析处理的具体装置和对应流程。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于岩石节理透明复制品的溶质迁移过程光学测量装置，其特征在于：包括透明节理过流装置、光学监测系统、水流控制及测量系统和数据采集分析系统；所述透明节理过流装置上放置有待试验检测的透明岩石节理复制品，透明节理过流装置通过水流控制及测量系统提供稳定精确流量的水流；所述数据采集分析系统与光学监测系统和水流控制及测量系统相连，数据采集分析系统用于采集水流控制及测量系统的流速数据以及光学监测系统对透明岩石节理复制品拍摄数据。

作为优选，所述透明节理过流装置包括两块有机玻璃压板、进水槽和出水槽，通过两块有机玻璃压板将待研究的透明岩石节理复制夹住并固定，所述进水槽和出水槽分别通过封水胶固定设于透明岩石节理复制品两端，所述进水槽上设有用于测量水压的测压管、以及与水流控制及测量系统相连的进水管；所述出水槽上设有通气管和以及与水流控制及测量系统相连的出水管，所述透明岩石节理复制品两侧设有用于防止节理内水外漏的止水硅胶片，所述止水硅胶片通过侧方压板固定压紧。

作为优选，所述光学监测系统包括平板光源和CCD相机，所述平板光源和CCD相机分别设于透明岩石节理复制品的底部和上方，所述平板光源和CCD相机通过信号线接入数据采集分析系统。

作为优选，所述透明节理过流装置和光学监测系统设于暗室内，所述平板光源为白色LED平板光源，所述透明岩石节理复制品在平板光源上正投影以外的平板光源贴上不透光的黑色硅胶片。

作为优选，所述平板光源设于可调水平底座上，所述可调水平底座顶部设有至少三颗可调高度螺栓，通过调节可调高度螺栓的高度，来调节平板光源和位于其上的透明岩石节理复制品的高度及水平度。

作为优选，所述水流控制及测量系统包括蠕动泵、溶质源、溶液源、以及电子天平及收集器，所述溶质源和溶液源分别通过带阀门的管道与蠕动泵入口相连，所述蠕动泵出口通过管道与透明节理过流装置的进水管相连，所述电子天平及收集器通过管道与透明节理过流装置的出水管相连，所述蠕动泵和电子天平及收集器通过信号线接入数据采集分析系统。

作为优选，所述数据采集分析系统为一台计算机，用于控制和接收光学监测系统和水流控制及测量系的信息，并对光学监测系统拍摄照片信息进行分析。

因此，本发明具有如下优点：本发明可完成高相似性的仿粗糙节理饱和/非饱和水流实验以及溶质迁移实验同时对水流在节理内流动的全过程进行实时直接的观察与监测。该测量装置成本低，可重复性好，精度高，测量过程操作简单直接，显示结果直观清晰。

附图说明

图1为透明岩石节理复制品制过程示意图。

图2为透明节理过流装置俯视示意图。

图3为图2中A-A截面示意图。

图4为图2中B-B截面示意图。

图5为图2中C-C截面示意图。

图6为基于岩石节理透明复制品的溶质迁移过程光学测量装置结构示意图。

1-岩石节理面，2-有机玻璃模框，3-含固化剂的硅橡胶液，4-硅橡胶模具，5-水晶硬胶A和B混合液，6-透明节理面A，7-透明节理面B，8-节理，9-透明岩石节理复制品，10-有机玻璃压板，11-固定压紧螺栓，12-止水硅胶片，13-侧方压板，14-测压管，15-通气管，16-进水槽，17-出水槽，18-进水端封水胶，19-出口端封水胶，20-进水管，21-出水管，22-透明节理过流装置，23-平板光源，24-可调水平底座，25-相机可调支架，26-CCD相机，27-相机固定，28-蠕动泵，29-溶质源，30-溶液源，31-进水软管，32-出水软管，33-电子天平及收集器，34-计算机，35-暗室。

具体实施方式

为了更加清楚明白的解释本发明的目的、技术方案和有点，下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明，

本发明一种基于岩石节理透明复制品的溶质迁移过程光学测量装置，包括透明节理过流装置22、光学监测系统、水流控制及测量系统和数据采集分析系统四部分。其中透明节理过流装置22是整个装置系统的核心。采用水晶硬胶对节理面进行高仿复制，具有高透特性以及类真实节理面的粗糙特性。复制过程简单方便，且成本低廉，可反复进行。透明节理过流装置22增加必要的固定加压配件及进出水端，提供平稳的水头状态模拟；光学监测系统由CCD相机26、平板光源23和暗室35三部分组成；水流控制及测量系统水流控制主要由恒流泵完成；将其通过数据采集分析系统直接控制，方便实验过程的实时测量与操作。各系统详细介绍如下：

1、透明节理过流装置：

该装置包含高透高仿的透明岩石节理复制品9、节理法向固定以及上下游进出水口三部分。

（1）该节理模拟装置的关键是使用硅橡胶和水晶硬胶制作高仿真高透明度的透明岩石节理复制品9。

（2）为保证节理开度满足试验要求（小于0.5mm），在制作的透明岩石节理复制品9上下表面分别加一块透明的有机玻璃压板10，用固定压紧螺栓11固定。在有机玻璃压板10与样品的透明岩石节理复制品9间放置一块尺寸略小与透明岩石节理复制品9尺寸的过度片，用以减小有机玻璃压板10的弯曲变化对透明岩石节理复制品9的节理开度的直接作用，保证节理开度方向变形的均匀性。

（3）节理进/出水端结构主要组成由进水槽16、出水槽17、测压管14和通气管15组成，进水槽16底部设有多个进水管20，出水槽17底部设有多个出水管21，设计进水管20数量以及设计进水管20直径通过等效水力隙宽估算确定，可以满足上游水位稳定均匀、裂隙流量控制的要求；设计出水管21数量依据设计流量大于上游施加最大流量确定。进水管20数量和直径可随实验要求变化。进水槽16上设有测压管14，出水槽17上设置通气管15，保证出流平稳顺畅。

2、光学监测系统：

光学监测系统由CCD相机26、平板光源23、暗室35及辅助支撑构件组成。

（1）所述CCD相机26为科学级CCD彩色相机，是该系统的核心部分。CCD相机26的参数由试验中节理开度预测量级和浓度检测的精度要求确定。CCD相机26基本分辨率同节理面激光扫描分辨率相近，同节理开度处于同一数量级；像素点尺寸同激光点尺寸相同。相机动态范围提供单个像素点的色深值，实际运用于浓度分析的数值范围约为动态范围的四分之一。相机由计算机控制，拍照与图片处理都集成于同一软件中。

（2）为满足透射实验要求，保证光源的稳定性和平行透射的条件，平板光源23选择白色LED平板光源。该光源特点是无频闪，散射光分布均匀，可近似平行光。同时长时间运行受发热影响小，光强稳定。该光源的发光原件为LED贴片，均匀分布于光源板四周。框架使用铝合金型材拉丝边框，镶嵌三层透光材料，从下到上分别为亚克力扩散板，导光板以及反射膜。扩散板保证当光经过透射物时物体上得每一点都有来自众多方向的光线，在无法使用平行光的条件下得到均匀光照射。该光源使用直流驱动，无频闪，为试验需要，在灯板上加装亚克力透明板，四周铝合金表面使用黑色不透光材料密封好。

（3）该测量装置完全置于一罩有遮光布的暗室35内，计算机34等控制系统置于暗室外部。为达到更好的遮光效果，透明岩石节理复制品9在平板光源23上正投影以外部分贴上不透光的黑色硅胶片，仅留透明岩石节理复制品9大小的空间透光。

（4）光学监测系统包含相应的支撑结构。试验用的平板光源23置于一可调节水平底座24上，可调节水平底座24四脚高度均可调节，可调节水平底座24表面有水准气泡校正调节精度。为保证拍摄过程的稳定，CCD相机26固定于一相机可调支架25上。相机可调支架25由底座、竖杆、横杆与相机固定端组成。竖杆可调节高度，横杆可调节长度，同时可绕竖杆360度旋转。固定端设有微调旋钮，用于CCD相机26的手动对焦。

3、水流控制及测量系统

水流控制及测量系统主要有两部分，上游通过蠕动泵28控制流量输出，下游高灵敏度的电子天平进行校正。蠕动泵28的流量由转速和管径控制。电子秤上放置液体收集器皿组成了电子天平及收集器33。两部分外部信号均同计算机联接，实现控制和数据输出同时进行。

4、数据采集分析系统：

数据采集分析系统为计算机，主要用于集成了CCD相机26、蠕动泵28和电子天平及收集器33的控制和输出，以及CCD相机26所拍摄相片的即时处理分析功能。蠕动泵28和电子天平及收集器33的控制主要实现试验初的校正、各种流量状况的测量以及试验后的溶质清理工作。CCD相机26控制主要功能是曝光和动态范围的调节，以及自动实现等时间间距的连续拍摄；处理分析是将图片记录的同时输出像素点色阶值的二维向量，根据一定的公式推导得到各点的相对浓度值。

另外该装置外可依据需要另外增加可见分光光度计作为出口端浓度的校正，在此发明中不另作说明。

实施例：

首先介绍一下本发明采用的仿岩石节理的制作，如图1，准备岩石节理面1，将其置于有机玻璃模框2中，加入含固化剂的硅橡胶液3，固化后拆模框得到硅橡胶模具4，在硅橡胶模具4中加入水晶硬胶A和B混合液5，固化后得到，透明节理面A 6。使用同样的方法得到对应节理面的透明节理面B 7。拼合对应透明节理面A 6和透明节理面B 7形成节理8，这一整体为透明岩石节理复制品9。

所述透明节理过流装置如图2所示，透明岩石节理复制品9由上下两块有机玻璃压板10夹住，两边分别用固定压紧螺栓11固定。在透明岩石节理复制品9两侧的止水边，分别粘一块止水硅胶片12，用侧方压板13压紧。进水端制作一个有进水槽16，进水槽16一边开口直接与透明岩石节理复制品9接触，进水槽16开口的两侧边与透明岩石节理复制品9通过进水端封水胶18密封，起固定和封水效果，进水槽16上方设有测压管14，进水槽16下端接多个进水管20，进水管20数量可根据实验需要调节；节理8出水侧同样用出口端封水胶19连接结构一样的出水槽17，通气管15连接在出水槽17上方，出水槽17底部连接多个出水管21，出水管21数量也可根据实验需要调节。以上得到透明节理过流装置22。

所述透明岩石节理溶质迁移过程光学测量系统为图6所示，透明节理过流装置22固定于光学系统中的平板光源23上，平板光源23安装在一可调水平底座24上。可调水平底座24一侧连接相机可调支架25，CCD相机,26由相机固定27连接在相机可调支架25上。进水槽16的进水管20通过管道连接蠕动泵28。蠕动泵28上游侧通过带阀门的进水软管31分别连接溶质源29和溶液源30。出水槽17的出水管21通过带阀门的出水软管通到电子天平及收集器33。系统中平板光源23、蠕动泵28、CCD相机26和电子天平及收集器33都连接计算机34中。

本发明的具体实施方式如下：

步骤1：采用人工劈裂制作岩石节理，切割200mm×100mm×100mm标准岩石试样，采用经典的人工张节理制作方法在加压装置上人工劈裂得到由上下两岩石节理面组成的岩石节理。用刷子将劈裂过程中产生的附着于岩石节理面的粗糙面上的小颗粒清除。

步骤2：复制岩石节理。首先用硅胶制作单个的节理面模具，避免直接将环氧树脂浇注在节理面造成的脱模困难。将人工劈裂得到花岗岩的岩石节理面（200×100×50（mm））放入有机玻璃模框2中，浇入硅胶液体（含固化剂）至淹没节理面约2cm，使其自流平整。稍后将有机玻璃模框2放入真空干燥箱进行脱泡处理。静止1到2天，待催化固化反应完全，脱模。因在浇注硅胶前已在岩石节理面的表面涂抹脱模剂（如甘油），所以脱模过程将不会产生胶结和残留。取适量环氧树脂AB组分进行混合，加入消泡剂，一次性浇入节理面模具中，静置1到2天固化就可以开模制得透明节理面A6和透明节理面B7。将透明节理面A6和透明节理面B7上下贴合压紧即得到透明岩石节理复制品9，制成透明节理面A6和透明节理面B7的单个透明节理面长宽为200×100（mm），厚度约为15mm，两透明节理面组合后厚度约为30mm。

步骤3：按图2将透明岩石节理复制品9组装成为透明节理过流装置22，固定，透明节理过流装置22两侧止水边界用止水胶密封。按图6将整个装置系统联接完毕。调整可调水平底座24水平。打开电子天平及收集器33、平板光源23、CCD相机26，调节CCD相机26高度进行对焦。

步骤4：将蠕动泵28入口的进水软管31接入溶液源30中（溶液源30内为清水），打开蠕动泵28将转速调到最大，使节理8迅速充水饱和。可在水中加入适量甘油增大粘度，加快排出空气速度；通过监测图片可观察到节理8中亮区为水饱和区域，暗区为气泡存在区；约15分钟后，待大部分气泡排出，每隔一分钟记录一次流量变化，记录五分钟，求得平均值，换算为平均流速。

步骤5：对照步骤4中的平均流速调节蠕动泵28使流速降至约5mm/s，待流量稳定后，每隔一分钟读取流量变化值以及对应水头值；将上游的进水软管31迅速转至溶质源29中（溶质源29为含有色溶质的水溶液），开始迁移实验。CCD相机26以2张每秒的速度拍摄该过程，直至节理8的裂隙中的溶液全部为有色且无明显变化后停止拍照，保存以供分析。关闭蠕动泵28。

步骤6：将进水软管31转至溶液源30中，打开蠕动泵28，冲洗节理8的裂隙内有色溶液，直至裂隙内无明显颜色残留。

步骤7：循环步骤5、6，使实验要求所有流量的迁移实验均完成。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。