岩土介质中水分湿润锋的识别方法及其验证系统技术方案

技术编号:19135401 阅读:1023 留言:0更新日期:2018-10-13 08:01
本发明专利技术提供一种岩土介质中水分湿润锋的识别方法及其验证系统,该识别方法包括以下步骤:计算以下公式:

Identification method and verification system of moisture wetting front in geotechnical media

The invention provides a method for identifying moisture wetting front in geotechnical medium and a verification system thereof. The method comprises the following steps: calculating the following formula:

【技术实现步骤摘要】
岩土介质中水分湿润锋的识别方法及其验证系统
本专利技术涉及红外辐射特征应用、岩土介质研究
,特别涉及一种岩土介质中水分湿润锋的识别方法。
技术介绍
在油气开采领域,油气驱替是提高采收率的有效方法之一,监测驱替锋面在判断气体在油藏中的流动方向、渗流速度、油藏连通性等方面有重要作用,并对油田注气动态监测有重要指导作用;在煤矿瓦斯治理方面,高压空气驱替煤层瓦斯是消除煤与瓦斯突出事故的有效措施之一,其中驱替锋面是高压气体的驱替前缘,研究驱替锋面的运动特征能得到煤层的裂隙发育情况、渗透率以及高压气体在煤层中的流动速率方向等。在古建筑保护领域,由于水分迁移造成了古建筑渗漏水、泛碱、脱落等病害问题,其中水分浸蚀空间范围,即水分湿润锋所在位置,是评估古建筑水害问题首先需要面临的问题。在土遗址和岩质文物保护领域,水分及其状态的变化是造成石窟、壁画、遗址病害的直接原因,严重影响文物的外观及寿命。在盾构隧道养护领域,水害分为渗漏水、衬砌周围积水、潜流冲刷以及涌水四类,水害评估的首要问题为水害侵蚀范围的识别,即湿润锋的识别。另外,堤坝渗漏一直是汛期堤坝最主要的危害之一,在实施抗渗措施之前,应对堤坝中渗漏通道的位置、流量大小、渗漏范围等有比较准确的探测,并监测堤坝渗漏的发展,同样面临着湿润锋空间分布位置的识别。在农田水利土壤学领域,业界针对诸如自重湿陷性黄土、风沙土、砂壤土等特殊场地条件下的湿润锋推进规律及运动特征等均有一定的研究。综上所述,有效的识别水分运移湿润锋能为研究岩土介质中水分运移规律提供坚实的基础,同时,水分运移具有非常强的时间依赖性,准确的识别湿润锋,可以为进一步评估水害损坏程度、水害治理等提供重要的基础。可见,采用无损、实时的测试方法进行监测,同时识别水分运移湿润锋及其空间位置,是个关键问题。但是,目前尚无岩土介质中的水分湿润锋的识别方法,研究湿润锋大多采用经验-半经验公式等方法,其存在以下缺点:一、因为研究对象及其所处环境的复杂多样,目前对湿润锋的研究多为定性研究且只针对具体问题,难有定量结论,不具有推广性。二、已有的湿润锋的描述方法一般采用经验-半经验的公式形式,普适性差;三、缺少针对隧道工程、岩土工程、古建筑及文物保护等相关领域的湿润锋问题研究。鉴于上述问题,有必要开展识别岩土介质中的水分运移湿润锋的理论方法研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种岩土介质中水分湿润锋的识别方法,以解决现有技术存在的缺少普适性、推广性的描述岩土介质中水分运移湿润锋的理论方法的问题。本专利技术的另一目的在于提供一种上述识别方法的验证系统,以确认上述识别方法的正确性。为了解决上述问题,本专利技术提供如下技术方案:一种岩土介质中水分湿润锋的识别方法,其特征在于,包括以下步骤:计算以下公式:其中,T为温度,k为非饱和渗透系数,hc为最大毛细上升高度,hm为含水岩土中微控制体处的基质吸力水头,xyz为z轴坐标;利用红外热像仪获取含水岩土的红外辐射热像图,所述红外辐射热像图中满足的位置即为湿润锋所在位置。优选地,参数的计算步骤如下:引述热力学第一定律如下:式中,为系统的总能量;为系统从外界吸取的热量;为系统对外界做的功;在非饱和多孔岩土介质中取一个六面体微控制体,单位时间微元体具有的总能量:其中,为单位质量流体的内能;为单位质量固体的内能;θ为体积含水量;u,v,w为流体速度的三个分量;ρw是流体的密度,ρs是固体的密度;假定微控制体与外界的热量交换微控制体对外界做功包括体积力和表面力做功两部分,其中表面力做功体积力做功只考虑流体的重力做功,故:代入公式(1):将单位体积的非饱和多孔岩土介质中所含的内能和基质吸力势能hmgρwθ等效为同体积均匀连续介质中所含的内能和基质吸力势能hmg,则有:ρ为等效密度,即把非饱和多孔岩土介质等效为均匀连续介质时的密度;单位质量非饱和多孔岩土介质的焓:同时,H=CpT(7)其中,Cp为等压比热容;T为温度,p是压力势能;将式(6)、(7)代入式(5),得:式(8)用于限定非饱和多孔岩土介质的红外辐射温度与含水量关系;忽略体积力做功,由式(8)可知:可见,单位时间湿润锋所在的气-水交界面处内能与基质吸力势能之和最大,即:上式假设Cp和ρ与时间和空间位置无关,可知湿润锋所在的气-水交界面处有:由非饱和流动中的达西定律可得:式中,k(hm)为非饱和渗透系数函数,若不考虑渗透压力水头作用,则非饱和岩石中的总水头h等于基质吸力水头hm与位置水头z之和,即h=hm+z(13)将式(12)(13)代入(11),得:优选地,在式(14)中,对于沿z向的一维流动,且设kz(hm)=k=const,hc为最大毛细上升高度,则简化(14)式有可知,湿润锋处有即红外热像图中满足的位置即为湿润锋所在位置,式(15)反应了湿润锋处具有温度分布最大值,该最大值由两部分组成:为温度分布的当地项,为温度分布的对流项,也即红外热像中这二项之和达到最大值的位置即为湿润锋所在位置。另一方面,本专利技术提供如下技术方案:一种用于上述识别方法的室内吸水实验分析验证系统,其包括:水箱,用于存储实验用水;电子秤,置于所述水箱下方,用于实时称重所述水箱的重量;岩土试样,为粉砂岩;底座,置于所述岩土试样下方,与所述水箱通过管道连接,用于通过毛细原理浸润所述岩土试样;红外热像仪,对准所述岩土试样,用于获取所述岩土试样的热像图;数据处理装置,与所述电子秤、红外热像仪连接,基于所述红外热像仪获取的热像图,执行权利要求1或2所述的识别方法。优选地,所述岩土试样、电子秤、水箱位于一柜体中,所述柜体上并在所述岩土试样的前方设有透明窗。分析可知,本专利技术利用热力学第一定律推导了含水岩石的红外辐射温度与含水量的定量描述方程,然后基于该方程推导出水分湿润锋的识别公式,简单而且可以广泛应用。此外,本专利技术还提供一种岩石的室内吸水实验系统,采用红外热像仪监测整个吸水过程,最后,根据室内实验数据对上述识别方法进行验证。附图说明图1为岩土中水分运移示意图;图2为本专利技术的验证系统实施例的原理结构示意图;图3为岩土试样吸水量和温度变化曲线;图4为岩土试样的吸水过程红外辐射温度场(不同时刻);图5为差值热像图;图6为t750时刻对流项温度分布图;图7为t=750s湿润锋位置图,其中,(a)利用公式识别的湿润锋位置,(b)t=750s红外热像图,(c)t=750s的实验照片;图8为本专利技术的实施例的流程框图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细说明。在本专利技术中,如图8所示,需要获取红外热像图以及一判据参数,然后比较二者。具体而言,首先需要建立非饱和多孔介质中的红外辐射温度和含水量关系方程,为了更清楚的描述如何建立该关系方程,引述热力学第一定律如下:式中,为系统的总能量;为系统从外界吸取的热量;为系统对外界做的功;在非饱和多孔岩土介质中取一个六面体微控制体,单位时间微元体具有的总能量:其中,为单位质量流体的内能;为单位质量固体的内能;θ为体积含水量;u,v,w为流体速度的三个分量;hm为微控制体处的基质吸力水头,ρw是流体的密度,ρs是固体的密度;假定微控制体与外界的热量交换微控制体对外界做功包括体积力和表面力做功两部分,其中表面力做功体积力做功只考虑流体的重力做功本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种岩土介质中水分湿润锋的识别方法,其特征在于,包括以下步骤:计算以下公式:

【技术特征摘要】
1.一种岩土介质中水分湿润锋的识别方法,其特征在于,包括以下步骤:计算以下公式:其中,T为温度,k为非饱和渗透系数,hc为最大毛细上升高度,hm为含水岩土中微控制体处的基质吸力水头,xyz为z轴坐标;利用红外热像仪获取含水岩土的红外辐射热像图,所述红外辐射热像图中满足的位置即为湿润锋所在位置。2.根据权利要求1所述的岩土介质中水分湿润锋的识别方法,其特征在于,参数的计算步骤如下:引述热力学第一定律如下:式中,为系统的总能量;为系统从外界吸取的热量;为系统对外界做的功;在非饱和多孔岩土介质中取一个六面体微控制体,单位时间微元体具有的总能量:其中,为单位质量流体的内能;为单位质量固体的内能;θ为体积含水量;u,v,w为流体速度的三个分量;ρw是流体的密度,ρs是固体的密度;假定微控制体与外界的热量交换微控制体对外界做功包括体积力和表面力做功两部分,其中表面力做功体积力做功只考虑流体的重力做功,故:代入公式(1):将单位体积的非饱和多孔岩土介质中所含的内能和基质吸力势能hmgρwθ等效为同体积均匀连续介质中所含的内能和基质吸力势能hmg,则有:ρ为等效密度,即把非饱和多孔岩土介质等效为均匀连续介质时的密度;单位质量非饱和多孔岩土介质的焓:同时,H=CpT(7)其中,Cp为等压比热容;T为温度,p是压力势能;将式(6)、(7)代入式(5),得:式(8)用于限定非饱和多孔岩土介质的红外辐射温度与含水量关系;忽略体积力做功,由式(8)可知:可见,单位时间湿润锋所在的气-水交界面处内能与...

【专利技术属性】
技术研发人员:张芳张秀莲付成功
申请(专利权)人:中国矿业大学北京
类型:发明
国别省市:北京,11

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1