一种基于核磁共振的冻土渗透系数测定系统及方法与流程

本发明属于土壤参数测定技术领域，具体涉及一种基于核磁共振的冻土渗透系数测定系统，还涉及一种基于核磁共振的冻土渗透系数测定方法。

背景技术：

冻土是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩石和土壤。我国具有地域辽阔的季节冻土和多年冻土区，多年冻土主要分布在青藏高原、大、小兴安岭等地区，而大部分地区多为季节性冻土，都具有冬季冻结，夏季融冻特点。在冻土区，土壤冻结作用使冻土区的水文循环机理与过程、工程地质性质等研究变的更加复杂，了解冻土层水理参数的变化，主要为冻土渗透系数的变化等，对揭示冻土水分动态规律、地下水补给过程、正确进行水文水资源计算等具有重要意义，也对冻土区道路工程建设、水库大坝的修建和农业土壤持水等方面有一定的参考意义。

关于冻土土壤渗透系数的测定与常规测定方法有明显差异，而冻土渗透系数的测定相关装置并不完善，且有关冻土渗透系数测定的方法较少。近年来，核磁共振技术由于检测结果精确、可以揭示内部变化过程等优点被广泛用于岩土体细观机理研究与物理力学参数获取。常规的冻土渗透系数测定方法主要为适用于测量一般土的常水头法与变水头法。为了避免实验中水冻结而无法获取结果，常采用惰性溶剂替换水进行的实验。但这改变了渗透过程中的试样中液体，因此改变了实验条件，继而得出的结果在理论上是有瑕疵。这些沿用数十年的实验方法已经无法满足当前对于实验准确度与可靠度的要求。

随着核磁共振技术的发展，如果将其与传统的冻土渗透系数测定方法联系起来，应该可以创造一种适用于当前准确度要求的新型冻土渗透系数测定系统与方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于核磁共振的冻土渗透系数测定系统，其引入核磁共振设备检测渗透长度，使得试验结果的准确性和可靠度大大提高。

本发明的目的还在于提供一种基于核磁共振的冻土渗透系数测定方法。

本发明所采用的一种技术方案是：一种基于核磁共振的冻土渗透系数系测定系统，包括渗透液供给装置和渗透试验设备，所述渗透液供给装置和渗透试验设备之间通过渗透液加压输送器相连，所述渗透试验设备置于低温保温装置中；

还包括核磁共振设备和处理器，所述核磁共振设备用于对试件进行测定，所述处理器用于根据所述核磁共振设备测定的结果计算试件的渗透系数。

进一步的，所述渗透试验设备底部连接有渗透液收集装置。

具体的，所述渗透试验设备包括有侧壁和底板构成的壳体，所述壳体的上部设置有冷浴腔，所述冷浴腔与所述渗透液加压输送器相连，所述冷浴腔覆盖有半透膜，所述壳体的底板为过滤板。

进一步的，所述冷浴腔与所述渗透液加压输送器之间设置有控制阀门。

本发明所采用的另一种技术方案是：一种基于核磁共振的冻土渗透系数系测定方法，包括以下步骤：

制备试样；

将所述试样放置于壳体内，利用核磁共振设备对所述试样的纵剖面进行核磁共振检测，将检测结果传输给处理器；

将渗透试验设备放置于低温保温装置中，通过渗透加压输送器从渗透液供给装置加压向冷浴腔内注入渗透液，所述渗透液穿过半透膜向所述试件中进行渗透；

渗透一段时间后，利用核磁共振设备对所述试样的纵剖面进行核磁共振检测，将检测结果传输给处理器；

所述处理器对比步骤2和步骤4传输的检测结果，获取渗透液渗透长度δl，然后利用下述公式计算所述试样的渗透系数k：

上式中，γw为渗透液的容重，l为试件的长度，t为渗透时间，p为渗透加压输送器传输渗透液时的渗透液压强。

具体的，所述制备试件具体为：

将试件材料烘干、破碎后，利用筛分法筛分试件材料；

将筛分后的试件材料中加入拌合剂(重水)，制成试件坯；

将所述试件坯进行冷冻处理后即得所述试件。

优选的，所述冷浴腔内填充有冷浴液，所述冷浴液用于降低所述渗透液的冰点，所述冷浴液无法穿过所述半透膜。

事例性的，所述冷浴液为温度低于0℃的蔗糖溶液，所述渗透液为水。

进一步的，还包括步骤：利用渗透液收集装置收集从试件渗透而出的渗透液。

本发明的有益效果是：

1)本发明的基于核磁共振的冻土渗透系数系测定系统，采用核磁共振技术，相比于传统的测试设备，测量结果更为精确、可靠，并且可以直接观测到试件内部的水分运移情况，对冻土的一些细观机理研究提供了方便；

2)本发明的基于核磁共振的冻土渗透系数系测定方法，结合核磁共振技术，实现冻土试样渗透过程中水分运移的可视化与精确得出冻土的渗透系数。

附图说明

图1是本发明的基于核磁共振的冻土渗透系数系测定系统的结构示意图；

图2是图1中渗透试验设备的结构示意图。

图中，1.渗透液供给装置，2.渗透液加压输送器，3.渗透试验设备，4.渗透液收集装置，5.低温保温装置，31.半透膜，32.控制阀门，33.冷浴腔，34.支撑框架，35.壳体，36.过滤板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供的基于核磁共振的冻土渗透系数系测定系统的结构如图1所示，包括渗透液供给装置1和渗透试验设备3，所述渗透液供给装置1和渗透试验设备3之间通过渗透液加压输送器2相连，渗透试验设备3置于低温保温装置5中，试件放置于渗透试验设备3中；

还包括核磁共振设备(图未示)和处理器(图未示)，核磁共振设备用于对试件进行测定，处理器用于根据核磁共振设备测定的结果计算试件的渗透系数。

渗透液供给装置1用于存储渗透试验需要的渗透液。

渗透液加压输送器2将渗透液供给装置1中的渗透液以恒定的压力泵送到渗透试验设备3中。

进一步的，渗透试验设备3底部连接有渗透液收集装置4用于收集渗出的渗透液。

参见图2，渗透试验设备3包括有侧壁和底板构成的壳体35，壳体35的上部设置有冷浴腔33，冷浴腔33与渗透液加压输送器2相连，冷浴腔33覆盖有半透膜31，壳体35的底板为过滤板36。冷浴腔33与渗透液加压输送器2之间设置有控制阀门32。壳体35通过支撑框架34进行进一步加固。

冷浴33可以使渗透液降温从而避免引起试样上部融化。优选的，其中的冷浴液选用蔗糖溶液则可以避免低温造成渗透液在冷浴腔33内冻结。

半透膜31可以阻挡冷浴液进入试件，从而避免影响实验结果的准确性。

过滤板36可以使渗透液透过试件流入渗透液收集装置4，并且阻止试件中土颗粒随渗透发生而流失。过滤板36可以为砂板。

低温保温装置5可以为渗透试验提供所需的低温环境，避免冻土试件的融化而造成较大的误差。具体的，低温保温装置5可以为低温保温槽。

核磁共振设备可以对试样进行h核磁共振检测，由于¹h可以很容易的被检测到，²h不易被检测到信号，而重水与常水的理化差异比较小，因此本发明渗透液选择常水，而试件中本身含有重水，从而可以有效的检测出渗透试验中渗透液的渗流长度。

处理器主要用于根据核磁共振设备获得图像得到渗透长度，处理器可以利用已经编写核磁共振图像的后处理程序，识别流体信号和干扰信号，滤除干扰信号，然后进行信号提取、统一映射等，最终得到可以正确反映试样信息的清晰核磁共振图像。

本发明还提供一种基于核磁共振的冻土渗透系数系测定方法，包括以下步骤：

制备试样；具体为：

将试件材料烘干、破碎后，利用筛分法筛分试件材料；

将筛分后的试件材料中加入拌合剂重水，制成试件坯；

将所述试件坯进行冷冻处理后即得试件。

将试样放置于壳体35内，利用核磁共振设备对试样的纵剖面进行核磁共振检测，将检测结果传输给处理器；

然后将整个渗透试验设备3放置于低温保温装置5中，通过渗透加压输送器2从渗透液供给装置1加压向冷浴腔33内注入渗透液，渗透液穿过半透膜31向试件中进行渗透；冷浴腔33内填充有冷浴液，冷浴液用于降低渗透液的冰点，冷浴液无法穿过半透膜31。具体的，本发明的冷浴液为温度低于0℃的蔗糖溶液，渗透液为水。

渗透一段时间后，利用核磁共振设备对试样的纵剖面进行核磁共振检测，将检测结果传输给处理器；在渗透过程中，还利用渗透液收集装置4收集从试件渗透出的渗透液。

处理器对比步骤2和步骤4传输的检测结果，获取渗透液渗透长度δl，然后利用下述公式计算所述试样的渗透系数k：

上式中，γw为渗透液的容重，l为试件的长度，t为渗透时间，p为渗透加压输送器传输渗透液时的渗透液压强。

本发明在渗透试验前后，还可以在试件上选取若干固定位置进行标记，在渗透试验前后对试件的横剖面进行核磁共振检测，通过对比同一标记位置的核磁共振图像获知渗透液在水平面的扩散情况。

下面通过一个具体实施例进行详细说明。

本实施例的基于核磁共振的冻土渗透系数系测定方法按照以下步骤实施：

步骤1，制备试样，具体过程为：

步骤1.1、将备用实验材料在110℃烘干炉中烘干、破碎后用筛分法筛分土料；

步骤1.2、将1.1中得到的实验材料与重水配置出含水量25％的高10cm，底面直径3cm的试件；

步骤1.3、将处理后的试件用保鲜膜包裹后置于冰箱内，在-7℃温度下冷冻24h；

步骤1.4、将砂板置于壳体35底部，将试样放置在砂板上，在试件上部安装半透膜12形成冷浴腔33。

步骤2用核磁共振设备测定试样并将测定结果传输给处理器，具体过程是：

步骤2.1、选定试样一个纵剖面；

步骤2.2、将步骤1得到的含有渗透试件的渗透试验设备3置于核磁共振设备中，对试样选定剖面进行h核磁共振检测；

步骤2.3、将测定结果传输给处理器。

步骤3进行渗透试验，具体过程为：

步骤3.1、将步骤2中的渗透试验设备3置于低温保温槽；

步骤3.2、将渗透试验设备3上部冷浴腔33内注入已降至-7℃的30％浓度的蔗糖溶液；

步骤3.3、将渗透试验设备3下部与渗透液收集装置4联通；

步骤3.4、将渗透液供给装置1与渗透液加压输送器2联通，排空管道中空气，然后将控制阀门32关闭，调整并使渗透液加压输送器2达到3kpa的压强，打开控制阀门32；

步骤3.5、记录试验开始时间。

步骤4结束测试，用核磁共振设备测定试样并将测定结果传输给处理器，具体过程为：

步骤4.1、5分钟后，关闭渗透液加压输送器2与控制阀门32并记录试验结束时间；

步骤4.2、拆除渗透液收集装置4与渗透液加压输送器2，将冷浴液回收处理。

步骤4.3、重复步骤2.2、2.3。

步骤5处理器根据获取的两个核磁共振图像获取渗透长度，并计算动土渗透系数，具体过程如下：

步骤5.1、将步骤2与步骤4的核磁共振图像进行可视化图像处理，计算后可得到能正确反映试样信息的清晰图像，然后获得渗透长度δl；

步骤5.2、根据以下计算公式得到试样的渗透系数k：

结合上面三式，可得：

其中k为渗透系数；v为冻土中水的渗透速率；δl为试验时间段内渗透液渗透长度；i为渗透坡降；l为冻土试件的长度；γw为水的容重；p为渗透加压输送器传输渗透液时的渗透液压强。

本实施例以核磁共振为基础，采用h核磁共振对冻土渗透系数进行检测，相比于传统的常水头法与变水头法检测技术，本方法具有准确、可靠、可视化的优点。