一种基于声光结合的应力-渗流耦合测量系统

1.本发明属于本发明涉及岩石渗流路径示踪与超声无损检测领域，特别是涉及一种基于透明岩石模型的声光结合模式下渗流粒子示踪测速方法。


背景技术：

2.在工程地质中，由于岩体中空隙的存在赋予了地下水在岩体中的储存场所及运移通道，其中岩体裂隙的分布情况、大小、连通性等对岩体的渗透性有重要影响。而随着外界应力场的变化，岩体中赋存的裂隙也会随之扩展，反过来影响到岩体的渗透和力学特性，在应力-渗流耦合作用下促使岩体更快破坏。因此，研究岩体在三轴应力作用下的渗流特性对隧道、采矿、油气田等工程意义重大。目前，国内外最普遍的岩石三轴渗流试验之一是用标准圆柱体岩样进行围压可调的三轴渗流试验，该试验方法虽然操作简单但存在以下缺陷：(1)传统的岩石三轴渗流试验由于试验器械限制且岩样不透光，无法直观了解渗流路径也无法观察到岩石受力破坏过程中内部裂隙的产生；(2)得出的渗流流量数据较为粗糙，无论是通过人工测量或使用流量计，最终结果均存在较大误差；(3)渗透率的计算复杂且其中很多误差无法规避。(4)单一的超声或粒子示踪方法易出现测量失误大，不准确等情况。有鉴于此，本发明提出了一种岩石三轴渗流试验下声光结合的渗流粒子示踪测速方法。


技术实现要素：

3.基于上述现有技术中的不足，本发明提供了一种基于声光结合的应力-渗流耦合测量系统，本发明在透明岩石的基础上通过超声波检测系统与粒子成像技术相结合的方式，实时监测岩石渗流路径及裂隙开度并精确得出渗流流量，以此来计算岩样的渗透率。
4.实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
5.一种基于声光结合的应力-渗流耦合测量系统，至少包括可视化三轴仪，所述可视化三轴仪上连接有超声波检测单元和渗流粒子示踪测速单元；所述可视化三轴仪包括：
6.透明岩石试件，其整体为圆柱形，
7.样品固定单元，将透明岩石试件固定在其内部，且从外部能够透过样品固定单元看到透明岩石试件；
8.加压单元，包括轴向加压模块和围压加压模块，分别用于向透明岩石试件施加轴向的压力和围压；
9.渗流单元，用于向透明岩石试件的顶部注入渗流液并从透明岩石试件的底部收回渗流液，渗流液内添加有示踪粒子；
10.所述超声波检测单元包括超声发射模块、超声接收模块和超声控制处理平台，所述超声发射模块位于透明岩石试件的顶部，超声接收模块位于透明岩石试件的底部，超声控制处理平台通过信号线与超声发射模块、超声接收模块连接；
11.所述渗流粒子示踪测速单元包括数字图像处理平台以及脉冲激光发射器、片光源镜头和高速摄像传感器，其中片光源镜头和高速摄像传感器分别位于样品固定单元的左右
两侧且正对透明岩石试件，脉冲激光发射器位于片光源镜头的正后方，数字图像处理平台通过通讯线缆与脉冲激光发射器和高速摄像传感器连接。
12.透明岩石试件的上方和下方均设置有圆形的透水石，所述透明岩石试件选用树脂为基本材料，再加入提纯后的天然硅石、氟化锆，并混入云母片来模拟岩石内部结构，最后在树脂固化过程中用棉线预制所需角度的贯穿缝。
13.所述样品固定单元包括树脂透明压力缸、缸筒盖和底座，缸筒盖和底座分别位于树脂透明压力缸的顶部和底部，且两者之间通过螺栓连接固定，所述底座的中部设置有凸起的圆台，透明岩石试件位于圆台上并与圆台固定；缸筒盖的中部设置有圆形的通孔，轴向加压模块由通孔穿入并压在透明岩石试件的顶部。
14.所述的树脂透明压力缸的顶部和底部均通过橡胶圈连接有法兰盘，树脂透明压力缸通过法兰盘与缸筒盖和底座密封连接；树脂透明压力缸为帕姆特种透明材料，抗压范围0～20mpa。
15.所述轴向加压模块包括相连接的上压头和下压头，以及提供轴向压力的压机，上压头与压机相连接，上压头穿过缸筒盖中的通孔进入树脂透明压力缸的内部，且两者的接触面上设置有橡胶密封圈；下压头压合在透明岩石试件的顶部，所述下压头、透明岩石试件和圆台的外部共同密封包裹有透明橡胶套。
16.围压加压模块包括围压油液流入通道、围压油液流出通道、围压腔以及围压油泵站，所述围压腔位于树脂透明压力缸的内部且环绕在透明岩石试件的四周，围压油液流入通道位于底座的内部且与围压腔连通，围压油液流出通道位于缸筒盖的内部且与围压腔连通，围压油泵站通过围压油管与围压油液流入通道和围压油液流出通道连接。
17.渗流单元包括渗流液流入管道、渗流液流出管道以及渗流液泵站，所述渗流液流入管道位于上压头和下压头的内部且通向透明岩石试件的顶部，渗流液流出管道位于底座的内部且通向透明岩石试件的底部，渗流液泵站通过渗流液管与渗流液流入管道和渗流液流出管道连接。
18.所述的超声发射模块包括超声波驱动放大器、超声信号输入端口、声波通道和超声波发射探头，其中超声波驱动放大器位于上压头的内部，超声信号输入端口位于上压头的侧面上并与超声波驱动放大器相连接，声波通道位于上压头和下压头的内部，超声波发射探头位于下压头的底面上，超声波发射探头通过声波通道与超声波驱动放大器相连接。
19.所述的超声接收模块包括超声波接收器、声波通道、超声数据输出端口和数据采集卡，其中数据采集卡位于底座的内部，超声数据输出端口位于底座的侧面上并与数据采集卡相连接，声波通道位于底座的内部，超声波接收器位于底座中圆台的顶面上，超声波接收器通过声波通道与数据采集卡相连接。
20.还设置有固定框架，固定框架的顶部与压机连接固定，固定框架的底部与底座连接固定；片光源镜头安装于固定框架的中部。
21.与现有技术相比，本发明提供的基于声光结合的应力-渗流耦合测量系统具有以下优点：1、本发明中采用可视化三轴仪，试验过程全程可视，实现了岩石渗流过程的实时观测，反映了渗流的真实情况，丰富了三轴渗流试验的可视化程度。2、本发明中在可视化三轴仪的基础上充分结合超声波检测系统与粒子成像测速系统的优势，二者互补，使输出结果更加趋于真实状态。3、本技术中的可视化三轴仪中，加压单元、渗流单元和样品固定单元均
采取特殊构造的机械结构，各单元之间相互独立，因此实现了高精度、无干扰测量渗流流速，克服了传统渗流试验误差大的问题。同时还可进一步实现自动化的渗透率计算过程，极大的提高了试验效率和准确性。4、本发明中所采用的渗流粒子示踪测速单元，能够实现渗流过程的瞬态测量，改变了空间单节点测量的局限性。5、本发明提供的基于声光结合的应力-渗流耦合测量系统，系统可靠性高，操作简单，稳定性好，可准确测试不同围压条件下，岩石的渗流特性。
附图说明
22.图1是本发明的透明岩石试件示意图。
23.图2是本发明的基于声光结合的应力-渗流耦合测量系统的整体结构示意图。
24.图3是本发明的样品固定单元结构爆炸图。
25.图4是可视化三轴仪的主体结构示意图。
26.图5是图4的剖面图。
27.图6是本发明的透明岩石试件组装示意图。
28.图7是本发明的上压头剖面图。
29.图8是本发明的底座剖面图。
30.其中：1—固定框架，2—上压头，3—橡胶密封圈，4—声波通道，5—螺栓，6—片光源镜头，7—脉冲激光发射器，8—通讯线缆，9—超声波发射探头，10—圆台，11—底座，12—数字图像处理平台，13—三脚架，14—高速摄像传感器，15—超声波接收器，16—超声数据输出端口，17—树脂透明压力缸，18—缸筒盖，19—超声信号输入端口，20—信号线，21—超声控制处理平台，22—示踪粒子，23—超声波驱动放大器，24—围压油液流出通道，25—渗流液流入管道，26—数据采集卡，27—透水石，28—橡胶圈，29—围压油液流入通道，30—渗流液流出管道，31—透明橡胶套，32—透明岩石试件，33—下压头，34—法兰盘。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。
32.本实施例提供的基于声光结合的应力-渗流耦合测量系统，其整体结构如图2所示，由于篇幅限制，在图2中渗流液泵站和围压油泵站未画出。本发明提供的系统，其主体为可视化三轴仪，可视化三轴仪上连接有超声波检测单元和渗流粒子示踪测速单元。
33.所述可视化三轴仪的结构如图4和图5所示，包括透明岩石试件、样品固定单元、加压单元、渗流单元以及固定框架1。
34.透明岩石试件32其整体为圆柱形，试件尺寸为直径50mm、高100mm。透明岩石试件的上方和下方均设置有圆形的透水石27，所述透明岩石试件选用树脂为基本材料，再加入提纯后的天然硅石、氟化锆，并混入云母片来模拟岩石内部结构，最后在树脂固化过程中用棉线预制所需角度的贯穿缝，如图1所示。
35.样品固定单元用于将透明岩石试件固定在其内部，且从外部能够透过样品固定单元看到透明岩石试件；其结构如图3所示，所述样品固定单元包括树脂透明压力缸17、缸筒盖18和底座11，缸筒盖和底座分别位于树脂透明压力缸的顶部和底部，且两者之间通过螺
栓5连接固定。底座的结构如图8所示，底座的中部设置有凸起的圆台10，透明岩石试件位于圆台上并与圆台固定；缸筒盖的中部设置有圆形的通孔，轴向加压模块由通孔穿入并压在透明岩石试件的顶部。所述的树脂透明压力缸的顶部和底部均通过橡胶圈28连接有法兰盘34，树脂透明压力缸通过法兰盘与缸筒盖和底座密封连接；树脂透明压力缸为帕姆特种透明材料，抗压范围0～20mpa。
36.加压单元包括轴向加压模块和围压加压模块，分别用于向透明岩石试件施加轴向的压力和围压；仪器可提供的最大轴向加载力为1000kn，最大围压为100mpa，孔隙流体压力为50mpa。所述轴向加压模块包括相连接的上压头2和下压头33，以及提供轴向压力的压机，上压头的结构如图7所示，上压头与压机相连接，上压头穿过缸筒盖中的通孔进入树脂透明压力缸的内部，且两者的接触面上设置有橡胶密封圈3；下压头压合在透明岩石试件的顶部，所述下压头、透水石透明岩石试件和圆台的外部共同密封包裹有透明橡胶套31，如图6所示。围压加压模块包括围压油液流入通道29、围压油液流出通道24、围压腔以及围压油泵站，所述围压腔位于树脂透明压力缸的内部且环绕在透明岩石试件的四周，围压油液流入通道位于底座的内部且与围压腔连通，围压油液流出通道位于缸筒盖的内部且与围压腔连通，围压油泵站通过围压油管与围压油液流入通道和围压油液流出通道连接。
37.渗流单元用于向透明岩石试件的顶部注入渗流液并从透明岩石试件的底部收回渗流液，渗流液内添加有示踪粒子22；渗流单元包括渗流液流入管道25、渗流液流出管道30以及渗流液泵站，所述渗流液流入管道位于上压头和下压头的内部且通向透明岩石试件的顶部，渗流液流出管道位于底座的内部且通向透明岩石试件的底部，渗流液泵站通过渗流液管与渗流液流入管道和渗流液流出管道连接。
38.所述超声波检测单元包括超声发射模块、超声接收模块和超声控制处理平台21，所述超声发射模块位于透明岩石试件的顶部，超声接收模块位于透明岩石试件的底部，超声控制处理平台通过信号线20与超声发射模块、超声接收模块连接；所述的超声发射模块包括超声波驱动放大器23、超声信号输入端口19、声波通道4和超声波发射探头9，其中超声波驱动放大器位于上压头的内部，超声信号输入端口位于上压头的侧面上并与超声波驱动放大器相连接，声波通道位于上压头和下压头的内部，超声波发射探头位于下压头的底面上，超声波发射探头通过声波通道与超声波驱动放大器相连接。所述的超声接收模块包括超声波接收器15、声波通道4、超声数据输出端口16和数据采集卡26，其中数据采集卡位于底座的内部，超声数据输出端口位于底座的侧面上并与数据采集卡相连接，声波通道位于底座的内部，超声波接收器位于底座中圆台的顶面上，超声波接收器通过声波通道与数据采集卡相连接。岩样基础数据源于基础超声波测试，超声波测试系统的频率为200khz的超声波，以此来测得岩样的纵波速度和两个同轴面振动方向相互垂直的横波波速。
39.所述渗流粒子示踪测速单元包括数字图像处理平台12以及脉冲激光发射器7、片光源镜头6和高速摄像传感器14，其中片光源镜头和高速摄像传感器分别位于样品固定单元的左右两侧且正对透明岩石试件，片光源镜头安装于固定框架的中部，高速摄像传感器固定在三脚架13上。脉冲激光发射器位于片光源镜头的正后方，数字图像处理平台通过通讯线缆8与脉冲激光发射器和高速摄像传感器连接。示踪粒子22一同渗流液经渗流液入口进入试验区域，数字图像处理平台可以控制脉冲激光发射器发射532nm/527nm的激光，并经由片光源镜头照亮所测透明岩石试验区域，通过连续两次或多次的曝光，由高速摄像传感
器将示踪粒子图像记录在底片上再通过通讯线缆传入数字图像处理平台中处理、计算出渗流过程中各点的流速矢量，最终得出岩石内部渗流过程中的流线图。所用的高速摄像传感器为高速跨帧相机(500万像素，6500fps，曝光间隔为1ms)。
40.本实施例提供的基于声光结合的应力-渗流耦合测量系统在实验开始前将试件按照图6所示用透明橡胶套包裹，放置于特制上底座后用吹风机对透明橡胶套进行热处理，并在橡胶套两头进行密封。将树脂透明压力缸装在底座上，再把缸筒盖盖好后，用螺栓将仪器固定，把上压头压入缸筒盖预留孔内。将围压油液入口、围压油液出口与围压油泵站相连，围压油液采用高透明度油液；将渗流液出口、渗流液入口与渗流液泵站相连。检查保证仪器密闭性良好。
41.其工作流程如下：1、通过数字图像处理平台启动脉冲激光发射器，激光经过片光源镜头照射透明岩石试样内部。调试高速摄像传感器，使得数字图像处理平台可以看到透明岩石试样清晰影像。
42.2、同时启动超声控制处理平台控制超声波驱动放大器使得超声波发射探头发射的超声波缓慢透过岩石试件，对称位于底座内部的超声波接收器接收到声波信号，储存于数据采集卡内，最后将声波信息传送回超声控制处理平台进行加工处理，得到清晰波形。
43.3、加载围压。首先施加一定的轴压使上压头下压至三轴室固定，开启围压系统，将液压油通过围压油液入口抽入树脂透明压力缸中，使其填满，使用恒定荷载控制方式施加围压，并保持围压至4mpa稳定。
44.4、驱替管路空气。打开渗流液入口、渗流液出口，启动渗流液泵站，直到出现稳定水流，关闭出入口。
45.5、开启轴压系统，通过上压头加载轴压至1mpa稳定后开始加载空隙水压。将加有示踪粒子的渗流液通过渗流液入口排入渗流液流入管道以加载空隙水压，当水压达到0.2mpa时停止升压，并保持稳定。同时通过数字图像处理平台、超声控制处理平台观测并记录渗流液在岩石内部渗流的声光信号，计算出渗流场中各点的流速矢量，待到岩石试件饱和后，得到岩石内部渗流过程中的波形图及流线图。将两图对照得出渗流过程的平均渗流流量及渗透率。
46.6、通过调节岩石试件所受围压为5mpa、6mpa、7mpa、8mpa，重复步骤3～5，研究岩石裂隙在不同围压下的渗流试验。