一种基于中子照相平台研究多孔介质非饱和下渗的装置的制作方法

本实用新型涉及多孔介质非饱和渗流领域，尤其涉及一种基于中子照相平台研究多孔介质非饱和下渗的装置。

背景技术：

水圈和岩石圈是人类赖以生存的地球表层的重要组成部分，二者的相互作用即水岩耦合一直是相关领域研究的热点。岩石中的非饱和渗流是多孔介质渗流的典型代表。通过测定水在特定压差下通过岩石的流量，进而利用达西定律测定岩石的渗透率是一种普遍采用的实验手段。这种状态下的岩石往往处于饱和状态，而不论是自然界还是工程界，水在非饱和岩石中的渗流现象更为普遍的存在。在水利水电工程领域涉及降雨入渗条件下岸坡的稳定性，在环境工程领域涉及有毒污染物随地下水在岩石中的迁移；近年来随着注水采油、采气中的水锁损害等问题，水在岩石中的非饱和渗流问题也引起了相关领域研究人员的重视；此外，目前我国神华集团的煤矿地下水库建设，以及二氧化碳地质封存均涉及对该问题的研究。作为水在非饱和岩石中渗流问题的重要组成部分，考虑毛细力和重力双重作用下水在岩石中的下渗问题值得深入研究。综上所述，非饱和岩石的固体力学及水力学性质与其含水饱和度有很大的关系，但目前尚缺乏可靠的手段实时定量化研究水在非饱和岩石中的下渗规律，如饱和度随着入渗时间的推移在岩石内部的空间演化过程。由于中子不带电，能轻易的穿透电子层，仅与原子核发生作用，因此其衰减系数与入射的中子能量和物质的原子核截面有关，而与原子序数无关。中子穿过物体时的吸收系数随原子序数的变化很不规则，中子能够穿透重元素物质，对大部分重元素，如铁、铅、铀等，中子衰减系数小；对某些轻元素如水中的氢等，中子衰减系数反而特别大。由于中子上述特点，使中子照相技术特别适合研究非饱和多孔介质中水的等富氢流体的非饱和下渗问题。但由于优质的中子束流一般依赖于核反应堆提供，造成了中子束流的短缺，目前国内尚未开展相关领域的研究，尤其是配合中子照相技术研究非饱和多孔介质中水的下渗问题的实验设备尚未开发。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提出一种基于中子照相平台研究多孔介质非饱和下渗的装置，实时定量化研究富氢流体在非饱和多孔介质下渗过程中，渗流场、饱和度场随着入渗时间的空间演化过程。

其中，数控泵的泵口与岩心夹持器通过进液胶管相连，岩心夹持器与出液口胶管转换头的单口侧通过出液胶管相连，出液口胶管转换头的双口侧中的一口接排液胶管，双口中的另一口通过胶管与马氏瓶相连，最终利用岩心夹持器下部套帽装置卡住圆柱形固体试样，将岩心夹持器水平固定于固定台上，达到中子射线可从正面照射并通过探测器和电荷耦合器件 (CCD)相机或其他类型相机对水等富氢流体沿多孔介质下渗过程进行实时中子成像及其他数据记录，通过后期图像处理定量化研究水在非饱和多孔介质下渗过程中，渗流场和饱和度场随着入渗时间的空间演化过程的目的。为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于中子照相平台研究多孔介质非饱和下渗的装置，包括：

数控泵、岩心夹持器、固定台、水槽、出液口胶管转换头、马氏瓶、进液胶管、出液胶管和排液胶管，所述数控泵的泵口与岩心夹持器用进液胶管相连，所述岩心夹持器固定于固定台保持水平，所述出液口胶管转换头与岩心夹持器用出液胶管相连，所述水槽置于岩心夹持器和排液胶管下方。

优选地，所述岩心夹持器为铝合金材质做成，所述岩心夹持器具有进液口与出液口，进液口与出液口位于同一水平，岩心夹持器上部为临时储液区，岩心夹持器下部为固体试样固定区，固体试样固定区内径大于固体试样直径，固定固体试样时固体试样裹缠铝制防水纸，使固体试样固定于岩心夹持器下部并将岩心夹持器与固体试样间的隙缝用硅酮胶粘合。

优选地，所述出液口胶管转换头一侧为单口，与岩心夹持器出液口连接；另一侧为双口，双口中的一口与马氏瓶连接，双口中的另一口与排液胶管连接，所述出液口胶管转换头的单口与岩心夹持器进液口、出液口位于同一水平位置。

优选地，所述马氏瓶包含中间玻璃管，中间玻璃管的下开口的液体平面与岩心夹持器的进液口和出液口位于同一水平位置。

与相关装置相比，本实用新型具有如下优点：

本实用新型述及的基于中子照相平台研究多孔介质非饱和下渗的装置，具有供液系统、储液系统、射线成像系统、液面平衡系统、排液系统，设计合理，安装简单，解决了基于中子照相平台研究水沿多孔介质非饱和下渗的问题；本实用新型所选用固体试样为岩石，包括含裂隙构造的岩石，固体试样不局限于岩石，也可以为岩石之外的其他多孔介质；所有流体也不局限于水，也可以为油等其他富氢流体；所选用岩心夹持器为铝合金材质做成，中子射线对铝合金材质极不敏感，但对水的含量变化极为敏感，实时定量化研究水在非饱和岩石下渗过程中，渗流场、饱和度场随着入渗时间的空间演化过程；所选用的数控泵和出液口胶管转换头可以实现远程操控，避免了中子射线照射过程中人直接操作带来的辐射风险；所选用出液口胶管转换头双口侧的排液管可以保证在进液过程中进液过多液体及时排出，双口侧的马氏瓶可以保证在微型泵关停后储液区液面高度的恒定，不因下渗过程中多孔介质吸入水后液面下降而对实验结果造成影响；所选用出液口胶管转换头可以控制单口侧和双口侧的开合，具有良好的密封性，避免了实验装置的组装过程中水的溢出对实验的影响；整体装置操作过程简单，平台搭设小巧方便。

附图说明

图1为本实用新型实施例的基于中子照相平台研究多孔介质非饱和下渗的装置的结构示意图，其中未加水；

图2为本实用新型实施例的工作效果图，其中加入了水；

图3为本实用新型实施例的岩心夹持器的主视方向的结构示意图；

图4为本实用新型实施例的岩心夹持器的侧视方向的结构示意图；

图5为本实用新型实施例的岩心夹持器的俯视方向的结构示意图；

图6为本实用新型实施例的出液口胶管转换接头的主视方向的示意图；

图7为本实用新型实施例的出液口胶管转换接头的单口侧的内部立体结构的示意图；

图8为本实用新型实施例的出液口胶管转换接头的单口侧的外部立体结构的示意图；

图9为本实用新型实施例的出液口胶管转换接头的双口侧的立体结构的示意图；

图中：1—数控(微型)泵；2—固定台；3—岩心夹持器；4—出液口胶管转换头；5—马氏瓶；6—水槽；7—进液胶管；8—固体试样；9—出液胶管；10—排液胶管；11—夹持铁架台；12—木塞；13—固定帽檐；14—进液口；15—出液口；16—临时储液区；17—固体试样固定区； 18—固定口；19—单口侧；20—双口侧。

具体实施方式

下面对本实用新型做进一步描述，但本实用新型的保护范围并不局限于以下所描述具体实施方式的范围。

结合图1、图3、图4、图5，展示了一种基于中子照相平台研究多孔介质非饱和下渗的装置，其中，液体例如为水，但不局限于水，固体例如为多孔介质，但可以为多孔介质之外的其他多孔介质；该基于中子照相平台研究多孔介质非饱和下渗的装置，其中：

所述数控泵1的给液口与所述岩心夹持器3的进液口14通过进液胶管7相连接；本实用新型的岩心夹持器用于夹持岩心或其他固体试样，并可以进行渗透实验，因为岩心夹持器是铝合金做的，所以中子可以穿透岩心夹持器，对岩心内部的水从上往下渗透的状态进行实时成像；所述岩心夹持器3固定于固定台2上，固定时将固定帽檐13水平对齐并将螺母通过固定口18拧紧固定于固定台2上，中子射线发射方向为夹持固体试样8的岩心夹持器3的正前方，有效成像区为下部固体试样固定区17；将待测固体试样8裹缠铝制防水纸，使其恰好固定于下部固体试样固定区17并将岩心夹持器3与固体试样8间的微隙缝用硅酮胶粘合；

所述出液口胶管转换头4(可以为数控型)与所述岩心夹持器3的出液口15通过出液胶管9相连接；结合图6、图7、图8、图9所示，所述出液口胶管转换头4的一侧是单口，另一侧是双口，双口侧20的A口接排液胶管10，双口侧20的B口接马氏瓶5，先封闭B口调整马氏瓶5的固定高度使B口对接单口时马氏瓶5细玻璃管中液面恰好到马氏瓶5的细玻璃管(中间玻璃管)下方，其中细玻璃管贯穿木塞12固紧于马氏瓶上方，马氏瓶高度调整完毕用夹持铁架台11夹持固定，即液面与数控胶管转换头4单口侧19的单口、固体试样下渗装置3的出液口15保持同一水平位置，调整好后转换成A口与单口对接，打开单口与双口侧 20的A口。

结合图2所示，首先开启中子照相设备明场、暗场数据采集，用于后期图像归一化处理；组装完毕本实用新型后，在水槽6中加适量水，人员撤至安全实验设备远程操作区域，远程控制数控泵1、出液口胶管转换头4和中子照相设备进行实验。首先对中子照相成像区内含干燥固体岩心和岩心夹持器等实验装置进行图像采集，以便后期通过图像运算扣除干燥岩心和岩心夹持器等中子照相成像区内的实验装置对中子衰减的贡献，使得到的图像仅反映水的含量变化；再开启数控泵1进行抽液，使水通过进液胶管7进入所述岩心夹持器3的上部临时储液区16，当水液面没过出液口15时，多余水从排液胶管10排出，此时关闭数控泵1，控制所述出液口胶管转换头双口侧20的A口闭合并转换成双口侧20的B口与单口侧19的单口对接，打开B口，马氏瓶5中的水与岩心夹持器3中的水通过数控胶管转换头4流通。通过中子照相设备对多孔介质下渗过程进行实时成像，以期定量化研究水在非饱和岩石下渗过程中渗流场、饱和度场随着入渗时间的空间演化过程，直至实验结束。

本实用新型最终利用岩心夹持器下部套帽装置卡住圆柱形固体试样，将岩心夹持器水平固定于固定台上，达到中子射线可从正面照射达到并通过探测器和CCD相机或其他类型相机对水沿多孔介质下渗过程进行实时成像、通过后期图像处理技术定量化研究流体在非饱和多孔介质下渗过程中，渗流场和饱和度场随着入渗时间的空间演化过程的目的。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。为本实用新型的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。