基于磁共振成像技术进行岩石非饱和渗流定量计算的方法技术

本发明专利技术属于岩石渗流力学领域，涉及一种基于磁共振成像技术进行岩石非饱和渗流定量计算的方法，包括将岩石加工为标准尺寸的圆柱体岩石试样；选取一个岩石试样浸水至质量恒定，表面密封静置48h作为标准岩样，对其他所有岩石试样上下端面进行防水处理；岩石试样浸泡水中不同时间；利用磁共振成像系统直接测量岩石试样在不同浸水时间及浸水3min后不同静置时间的条件下内部水分分布及非饱和渗流过程；提取磁共振灰度图像灰度值，获得水分分布与空间和时间关系曲线；结合获得的非饱和渗流试验数据建立该岩石非饱和渗流理论计算方程；根据推导的非饱和渗流方程建立该岩石非饱和渗流的数值模型。通过本发明专利技术的岩石非饱和渗流定量计算方法，岩石试样内部非饱和渗流特征得到比较直观的描述，水在岩石试样内部分布位置和相应含量能被定量化计算。

【技术实现步骤摘要】
基于磁共振成像技术进行岩石非饱和渗流定量计算的方法
本专利技术属于岩石渗流力学领域，具体而言，涉及一种基于磁共振成像技术进行岩石非饱和渗流定量计算的方法。
技术介绍
自然环境中岩石和地下水总是相互存在相互作用，两者之间发生物理作用和化学作用导致岩石的泥化、崩解或者岩体承载能力及抗变形能力等物理力学性能的降低。而水也是岩体工程中不可避免的环境因素，往往与岩体滑坡、地基失稳、坝基开裂以及矿柱岩爆等自然灾害密切相关，研究水对岩体力学特性的影响对于实际工程具有重要的实际意义。许多国内外专家学者进行了含水量对岩石力学特性的影响研究，例如：HawkinsandMcconnell(1992年)对35组砂岩进行试验，发现含水率与强度之间具有负指数关系；周子龙等(2018年)运用红外线监测水对砂岩的特性影响；邓华锋等(2013年)研究了砂岩在饱水、风干过程中饱水度对抗压强度和纵波波速影响的变化规律，但是，目前的这些研究很少有考虑岩石含水分布对其力学性质的影响以及岩石内部水扩散规律。由于水常常是从岩石的结构表面开始向内部自发渗吸，造成岩石内部的含水量分布不同，不同部位的力学特性也随含水量的不同而存在差异，相同含水率的岩石内部含水分布不均匀时其力学性质是有差别的，岩石含水率不能被精确判断，可能会造成实际岩石强度、弹性模量以及泊松比等力学指标估算误差。因此，对于岩石试样内部非饱和渗流规律及含水分布特性进行研究是有必要的，利用科学合理的方法进行定量描述岩石内部非饱和扩散规律，精确计算岩石内部含水量分布与时间和空间的关系。专利技术内容为定量分析岩石内部非饱和渗流特征及水在岩石内部分布规律，本专利技术公开了一种基于磁共振成像技术进行岩石非饱和渗流定量计算的方法。本专利技术采用下述技术方案：一种基于磁共振成像技术进行岩石非饱和渗流定量计算的方法，包括如下步骤：步骤一：将岩石加工成标准尺寸(高100mm×直径50mm)圆柱体试样，选取其中一个岩样浸泡至质量恒定，取出用塑料保鲜膜进行多层包裹，静置48h作为标准岩样；其他所有岩样上下端面进行防水处理；步骤二：开启磁共振成像系统，将标准岩样放入磁体后，通过磁共振成像确定岩心位置，使其处于磁场中心；对岩样横截面的切片厚度、切片间隔和切片位置进行设置；步骤三：利用标准岩样灰度值图像统一映射。每张磁共振灰度图像通常按照自身信号强弱显示亮暗，为比较不同灰度值图像中的信号强弱，必须把不同灰度值图像按照统一标准进行亮暗显示；步骤四：将上下端面进行过防水处理的岩样浸泡水中不同时间，将浸泡不同时间的岩样取出后立即放入磁共振成像系统进行测量，得到岩石岩样内部的水分布灰度图像。灰度图像通过亮暗表征岩样内部不同位置磁共振信号强弱(信号越强越亮，信号越弱越暗)，反映岩样内部不同位置含水量(图像越亮含水量越多，图像越暗含水量越少)；步骤五：将浸泡3min的岩样取出后进行保鲜膜包裹密封，静置不同时间后放入磁共振成像系统进行测量，得到不同静置时间的岩样内部水；步骤六：利用Matano方法计算水在岩石介质中的非饱和渗流规律，岩石内部水非饱和渗流方程为：式中，θ是体积含水率(cm3cm-3)，D为岩石内水分扩散系数(mm2s-1)，x为岩石侧表面沿径向到润湿峰的距离(mm)，t为浸泡时间(s).通过引入玻尔兹曼变换λ＝x/t-1/2，将式(1)转化为常微分方程:根据Evangelides等人(2010)的研究，式(2)可以用一个具有三个常数(a、b和c)的函数来精确表示:θ(λ)＝-[θ0+atan-1(bλ+c)](3)式中，θ0是岩石试样内部水分达到饱和时的体积含水率。步骤七：根据已获得的标准岩样体积含水率统一映射试验中其他岩石试样侧表面的体积含水率，以定量分析岩石试样内部非饱和渗流规律；步骤八：根据磁共振试验数据确定方程(3)中未知参数，并将计算得到的方程(3)嵌入数值软件中，建立适合该岩石试样内部非饱和渗流的数值模型。所述岩样上下端面进行防水处理过程中的防水剂为有机硅憎水剂；所述磁共振成像系统型号为Expotus0.35T，磁体为0.35T±0.005T，梯度场强度为24MT/M，采用4接收通道谱仪；所述标准岩样被浸水至质量恒定后取出用保鲜膜包裹密封，静置48h后所述标准岩样内部水分分布均匀，其含水量为19.7g；所述岩样放入所述磁共振成像系统的磁场中之后，通过发射一定频率的射频脉冲，使所述岩样内部水分子的氢质子发生共振，所述氢质子吸收射频脉冲能量。当射频脉冲结束之后，所述氢质子会将所吸收的射频能量释放出来，通过专用的线圈就可以检测到所述氢质子释放能量的过程(即磁共振信号)，所述磁共振信号经电脑处理转换为所述灰度值图像；所述磁共振灰度图像采集信号视窗为256mm×256mm的视窗，岩石岩样横截面为直径50mm的圆，提取灰度图像的有效区域。所述数值软件为3DEC，利用FISH语言编写程序将所述方程(3)嵌入所述3DEC软件中模拟与现有技术相比，本专利技术具有如下突出的实质性特点和显著的优点：本专利技术采用磁共振成像技术研究水在岩石介质中非饱和渗流特征，将岩石非饱和渗流试验和磁共振成像技术有机结合起来，使水在岩石中的非饱和渗流特征得到直观的描述和定量的计算。另外，结合上述岩石非饱和渗流试验数据，采用3DEC数值计算软件反演岩石试样非饱和渗流过程，为研究岩石非饱和渗流规律及水分不均匀分布对岩石力学强度影响提供一条新思路。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术的限定。在附图中：图1为标准岩样内部水分布灰度图像；图2为不同浸泡时间含水试件横截面图；其中，图2-a浸泡0.5min；图2-b浸泡1.5min；图2-c浸泡3min；图2-d浸泡5min；图2-e浸泡8min；图2-f浸泡12min；图2-g浸泡20min；图3为浸泡3min后不同静置时间岩石试样横截面图；其中，图3-a静置2min；图3-b静置4min；图3-c静置8min；图3-d静置12min；图3-e静置16min；图3-f静置20min；图3-g静置24min；图3-h静置28min；图4为岩石试样不同浸泡时间体积含水率与时间和空间关系曲线；图5为岩石浸泡3min后取出表面密封，静置不同时间时体积含水率与时间和空间关系曲线；图6为岩样内部体积含水率与玻尔兹曼变换λ的关系图以及拟合得到的关系曲线(图中的拟合曲线)；图7为非饱和渗流数值模型；图8为数值模拟得到的不同浸泡时间岩样内部内部体积含水率分布横截面图,其中，图8-a浸泡0.5min；图8-b浸泡1.5min；图8-c浸泡3min；图8-d浸泡5min；图8-e浸泡8min；图8-f浸泡12min；图8-g浸泡20min。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁共振成像技术进行岩石非饱和渗流定量计算的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)将岩石加工成标准尺寸圆柱体试样，选取其中一个岩样浸泡至质量恒定，取出用塑料保鲜膜进行多层包裹，静置48h作为标准岩样；其他所有岩样上下端面进行防水处理；/n2)开启磁共振成像系统，将标准岩样放入磁体后，通过磁共振成像确定岩心位置，使标准岩样处于磁场中心；对标准岩样横截面的切片厚度、切片间隔和切片位置进行设置；/n3)利用标准岩样灰度值图像统一映射；每张磁共振灰度图像通常按照自身信号强弱显示亮暗，为比较不同灰度值图像中的信号强弱，必须把不同灰度值图像按照统一标准进行亮暗显示；/n4)将上下端面进行过防水处理的岩样浸泡水中不同时间，将浸泡不同时间的岩样取出后立即放入磁共振成像系统进行测量，得到岩石岩样内部的水分布灰度图像；灰度图像通过亮暗表征岩样内部不同位置磁共振信号强弱，信号越强越亮，信号越弱越暗，反映岩样内部不同位置含水量，图像越亮含水量越多，图像越暗含水量越少；/n5)将浸泡3min的岩样取出后进行保鲜膜包裹密封，静置不同时间后放入磁共振成像系统进行测量，得到不同静置时间的岩样内部水；/n6)利用Matano方法计算水在岩石介质中的非饱和渗流规律，岩石内部水非饱和渗流方程为：/n式(1)：...

【技术特征摘要】
1.一种基于磁共振成像技术进行岩石非饱和渗流定量计算的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将岩石加工成标准尺寸圆柱体试样，选取其中一个岩样浸泡至质量恒定，取出用塑料保鲜膜进行多层包裹，静置48h作为标准岩样；其他所有岩样上下端面进行防水处理；
2)开启磁共振成像系统，将标准岩样放入磁体后，通过磁共振成像确定岩心位置，使标准岩样处于磁场中心；对标准岩样横截面的切片厚度、切片间隔和切片位置进行设置；
3)利用标准岩样灰度值图像统一映射；每张磁共振灰度图像通常按照自身信号强弱显示亮暗，为比较不同灰度值图像中的信号强弱，必须把不同灰度值图像按照统一标准进行亮暗显示；
4)将上下端面进行过防水处理的岩样浸泡水中不同时间，将浸泡不同时间的岩样取出后立即放入磁共振成像系统进行测量，得到岩石岩样内部的水分布灰度图像；灰度图像通过亮暗表征岩样内部不同位置磁共振信号强弱，信号越强越亮，信号越弱越暗，反映岩样内部不同位置含水量，图像越亮含水量越多，图像越暗含水量越少；
5)将浸泡3min的岩样取出后...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐涛，付腾飞，杨天鸿，朱万成，于庆磊，齐守良，张鹏海，薛彦超，袁阳，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21