透明土技术应用于复合含水层结构及其演化的可视化方法技术

本发明专利技术涉及透明土技术应用于复合含水层结构及其演化的可视化方法，包括采用透明土制作复合含水层物理模型，模拟断裂和褶皱等复杂地质构造，模拟复杂岩性地层，设置地下通道、地下硐室、竖井等设施；在所述模型箱周围设置图像采集系统；在所述透明土模型上方进行人工降雨，雨水渗入所述透明土模型内；透明土模型内部的水通过通孔进入采煤设施模拟件，采用所述图像采集系统实现含水层结构及其演化的可视化观测。由于透明土模型为透明材质，实现了含水层结构及其演化的可视化，有助于深入分析因人类工程活动引起的围岩环境改变、含水层结构破坏和水循环的变化。破坏和水循环的变化。破坏和水循环的变化。

【技术实现步骤摘要】
透明土技术应用于复合含水层结构及其演化的可视化方法


[0001]本专利技术属于岩土工程
，尤其是一种将透明土技术应用于复合含水层结构及其演化的可视化方法。

技术介绍

[0002]人类工程活动过程可以改变地下含水层结构，如在采煤过程中形成的巷道、平硐、抽排水井和采空区等，产生新的含水介质并改变原有含水介质特征，含水结构由先前的地质空间逐渐演化为以人工活动区为主；隔水层
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含水层相对关系发生变化，裂隙和管道导通并串通多个含水层(组)，改变了区域的水循环与水动力场；地下水系统也由封闭
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半封闭系统转变为开放系统。
[0003]室内物理模拟是含水层结构及其演化研究的重要方法之一，然而，由于岩土体内部结构的复杂性和不可视性，无法直接观测复杂地下水系统的补
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径
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排关系、流态与动态变化。
[0004]透明土材料是与天然土体工程性质高度相似的人工合成透明模拟材料的统称，由透明骨架材料及与其折射率相匹配的透明孔隙流体所组成的两相介质。基于透明土技术对天然土体的有效模拟，可对土体内部进行非介入式、无损和连续的测量，相比于岩土工程传统测量方法可避免传感器刚度、尺寸等对试验结果的干扰，能更全面地观测到内部的土颗粒的运动特征，相比于电子计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)和核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)等其它非介入式方法，透明土技术更经济、直观且易于操作。目前，透明土技术一般用于地质工程、岩土工程领域的研究，CN201811313074
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一种模拟海底滑坡的透明土变形可视化系统、CN201911073830
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一种基于透明土旋转水槽的海底滑坡演化过程模拟系统及实验方法以及CN202110371146
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一种基于透明胶结土的边坡加载与观测试验方法及装置等，目前有见透明土模型用于水文地质方向的相关报导，如CN201610130987.8
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模拟基坑降水承压含水层地下水渗流的透明土试验方法、CN201610004935.6
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一种基于透明砂土的基坑降水地下水渗流可视化模拟试验方法，但本专利技术可以设置复合含水层，可以模拟断裂和褶皱等复杂地质构造，可以模拟复杂岩性地层，可以设置地下通道、地下硐室、竖井等设施研究其复杂地下水系统的补
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径
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排、流态和动态变化等。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种将透明土技术应用于复合含水层结构及其演化的可视化方法。利用透明土材料构建复合含水层物理模型，可以模拟断裂和褶皱等复杂地质构造，可以模拟复杂岩性地层，可以设置地下通道、地下硐室、竖井等设施，并采用现代光学观测技术和图像捕捉与处理技术实现含水层结构及其演化的可视化观测，有助于深入分析因人类工程活动引起的围岩环境改变、含水层结构破坏和水循环的变化。
[0006]为解决上述问题，本专利技术采用的技术方案为：透明土技术应用于复合含水层结构
及其演化的可视化方法，包括
[0007]采用透明土在透明的模型箱内制作透明土模型，制作所述透明土模型时将透明的地下通道、硐室、竖井等模拟件预埋在透明土模型内，所述模拟件上布设用于透水的通孔；
[0008]在所述模型箱周围设置图像采集系统；
[0009]在所述透明土模型上方进行人工降雨，雨水渗入所述透明土模型内；
[0010]透明土模型内部多个含水层通过模拟件连通，水可以通过通孔在整个含水层结构模型中进行渗流，还原人为活动下新增的含水介质。采用所述图像采集系统监测可视化观测模型内部水的流态和水循环的变化。
[0011]进一步地，所述透明土模型由骨料与孔隙流体组成。
[0012]进一步地，当所述透明土模型表面具有倾斜地层时，在所述倾斜地层的表面铺设黏结剂层。
[0013]进一步地，所述透明土模型的制备过程为：
[0014]将粒径为0.25～0.50mm的熔融石英砂与孔隙流体混合，制得第一透明土；将粒径为0.50～1.00mm的熔融石英砂与孔隙流体混合，制得第二透明土；粒径为1.00～2.00mm的熔融石英砂与孔隙流体混合，制得第三透明土；将粒径为45.00～75.00μm的无定形硅粉与孔隙流体混合，制得第四透明土；
[0015]在模具型腔的底部铺设第一透明土、第二透明土或者第三透明土，得到第一透明土层；在第一透明土层表面铺设第四透明土，得到第二透明土层；在第二透明土层表面铺设第一透明土、第二透明土或者第三透明土，得到第三透明土层，在该过程中，预埋含水层模拟件。
[0016]进一步地，所述第一透明土、第二透明土、第三透明土和第四透明土的制备过程为：
[0017]采用孔隙流体对骨料进行润湿，得到试样a；
[0018]将试样a在真空环境中排气6h，得到试样b；
[0019]在真空环境中，向试样b中加入孔隙流体，直至孔隙流体的液面高于试样b上表面，得到试样c；
[0020]将试样c静置12h以上，得到透明土。
[0021]进一步地，所述黏结剂层由疏水性气相二氧化硅、熔融石英砂和孔隙流体混合而成，所述气相二氧化硅与熔融石英砂的重量比为(1～3)：100，所述孔隙流体与气相二氧化硅的重量比为2.5：1。
[0022]进一步地，所述孔隙流体的制备方法为：将食品级3#白油和15#白油在17.8℃的温度下以体积比1:3混合，然后在真空环境中排除空气，得到折射率为1.4585的孔隙流体。
[0023]进一步地，所述含水层模拟件包括地下硐室模型以及竖井模型，所述地下硐室模型的四面设置通孔，所述竖井模型的下部侧壁设置通孔，设置有通孔的侧壁长度为竖井模型总长度的三分之一；
[0024]在制作所述透明土模型时，将所述地下硐室模型部分或者整体预埋在所述透明土模型内部，将所述竖井模型的下部竖直预埋在所述透明土模型内部，且竖井模型的上端伸出所述透明土模型；
[0025]进一步地，地下硐室、地下通道模型为长方体形的亚克力箱体，所述竖井模型为亚
克力筒体。
[0026]进一步地，在制作所述透明土模型时，将用于模拟裂隙的裂隙模型预埋在透明土模型的顶部，所述裂隙模型为V形的亚克力板，裂隙模型上设置有透水通孔。
[0027]本专利技术的有益效果是：利用透明土模型模拟复合含水层结构，如煤系地层含水层结构，利用透明材料构建模拟件模拟抽排水井、地下通道和地下硐室等设施，还原人为活动条件影响下新增的含水介质，实现人工降雨条件下复杂地下水系统的补
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径
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排关系、流态与动态等演化过程的可视化观测，有助于深入研究因人类工程活动引起的围岩环境改变、含水层结构破坏和水循环的变化。
附图说明
[0028]图1是实施例一制备的透明土模型示意图；
[0029]图2是实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.透明土技术应用于复合含水层结构及其演化的可视化方法，其特征在于，包括采用透明土在透明的模型箱(2)内制作透明土模型(1)，制作所述透明土模型(1)时将透明的模拟件预埋在透明土模型(1)内，所述模拟件上设置有用于透水的通孔；在所述模型箱(2)周围设置动态图像采集系统；在所述透明土模型(1)上方进行人工降雨，雨水渗入所述透明土模型内；透明土模型(1)内部的水通过通孔进入模拟件，模拟件连通多个含水层，采用所述图像采集系统监测可视化观测模型内部水的流态和水循环的变化。2.如权利要求1所述的透明土技术应用于复合含水层结构及其演化的可视化方法，其特征在于：所述透明土模型(1)由骨料与孔隙流体混合而成。3.如权利要求2所述的透明土技术应用于复合含水层结构及其演化的可视化方法，其特征在于：当所述透明土模型(1)表面具有倾斜地层(11)时，在所述倾斜地层(11)的表面铺设黏结剂层(13)。4.如权利要求2或3所述的透明土技术应用于复合含水层结构及其演化的可视化方法，其特征在于：所述透明土模型(1)的制备过程为：将粒径为0.25～0.50mm的熔融石英砂与孔隙流体混合，制得第一透明土；将粒径为0.50～1.00mm的熔融石英砂与孔隙流体混合，制得第二透明土；粒径为1.00～2.00mm的熔融石英砂与孔隙流体混合，制得第三透明土；将粒径为45.00～75.00μm的无定形硅粉与孔隙流体混合，制得第四透明土；在模型箱(2)的底部铺设第一透明土、第二透明土或者第三透明土，得到第一透明土层(14)；在第一透明土层(14)表面铺设第四透明土，得到第二透明土层(15)；在第二透明土层(15)表面铺设第一透明土、第二透明土或者第三透明土，得到第三透明土层(16)，在该过程中，预埋模拟件。5.如权利要求4所述的透明土技术应用于复合含水层结构及其演化的可视化方法，其特征在于：所述第一透明土、第二透明土、第三透明土和第四透明土的制备过程为：采用孔隙流体对骨料进行润湿，得到试样a；将试样a在真空环境中...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈盟，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：