1.一种利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置,其特征在于:
它包括底板(1),所述底板(1)的顶部支撑有可视化岩样(18),所述可视化岩样(18)和底板(1)之间设置有用于对可视化岩样(18)进行加压的加压气囊(10),所述加压气囊(10)与加压装置相连;所述可视化岩样(18)的一侧预留有注水口(4),另一侧预留有出水口(12),所述注水口(4)与用于产生气泡的注水装置相连,所述出水口(12)与集水装置相连;所述底板(1)和可视化岩样(18)的外部之间通过固定架相连。
2.根据权利要求1所述一种利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置,其特征在于:所述可视化岩样(18)包括岩样(2),所述岩样(2)与通过翻模制作而成的与岩石变形性质一致的透明的类岩石树脂块(3)粘在一起模拟单裂隙,或用多块透明的类岩石树脂块(3)组合模拟多裂隙。
3.根据权利要求1所述一种利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置,其特征在于:所述加压装置包括储气罐,所述储气罐通过加压气管与加压气囊(10)相连,所述加压气管上安装有压力表。
4.根据权利要求1所述一种利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置,其特征在于:所述注水装置包括电动试压泵(6),所述电动试压泵(6)上安装有高精度电子压力表,所述电动试压泵(6)通过水管(5)与注水口(4)相连,所述水管(5)上安装有起泡仪(16)。
5.根据权利要求1所述一种利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置,其特征在于:所述集水装置包括排水管,所述排水管通过硅橡胶(13),所述排水管的另一端通过硅橡胶与接水槽(11)相连。
6.根据权利要求1所述一种利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置,其特征在于:所述固定架包括设置在可视化岩样(18)顶部的盖板(9),所述盖板(9)的顶部两端分别设置有加压条(8),所述加压条(8)的两端分别连接有支柱(7),所述支柱(7)的底端固定安装在底板(1)上,所述支柱(7)的顶部通过螺母(17)压装在加压条(8)的顶部。
7.根据权利要求6所述一种利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置,其特征在于:两根所述加压条(8)的其中一根靠近注水口(4),另一端靠近出水口(12),所述加压条(8)的长度大于可视化岩样(18)的宽度;
所述盖板(9)与岩样(2)的弹性模量和泊松比一致。
8.根据权利要求1所述一种利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置,其特征在于:所述底板(1)整体支撑安装在万向球铰仪(15)的顶部,以模拟岩石裂隙空间多角度。
9.根据权利要求1所述一种利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置,其特征在于:在可视化岩样(18)的顶部通过移动支架安装有摄像机(14)。
10.采用权利要求1-9任意一项所述利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置的实验方法,其特征在于,它包括以下步骤:步骤1:调节顶部万向球铰仪(15)模拟空间多角度,并使得带有可移动支架的摄像机(14)位置与可视化岩样(18)顶部垂直;
步骤2:打开带有压力表的加压气囊(10)的阀门,通过调节阀门开关来控制由加压条(8)施加在盖板(9)顶部的压力,并通过盖板(9)将施加在可视化岩样(18)上的压力转化得到平均法向应力σ,法向应力σ数值可由压力表读取;
步骤3:开启具有高精度电子压力表的电动试压泵(6),向可视化岩样(18)的注水口注水并提供一定渗透压,渗透压的数值由高精度电子压力表读取;
步骤4:人工封堵可视化岩样(18)的注水一侧和出水一侧,留出实验需要的气泡流径;
步骤5:用起泡仪(16)每隔一定时间向装置注入一定量气泡,气泡直径远大于裂隙开度值,气泡的投影面积远小于岩样的表面积,每组实验注入气泡量由实验需要确定,利用无影灯进行照射通过带有可移动支架的摄像机(14)录制整个过程;
步骤6:若气泡在流动过程中未分裂,将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理,根据分帧间隔△t,设置帧数 选取想要研究的图像,再对图像进行黑白高亮化处理;将黑白高亮处理后的图像进行图像图层与纯色图层进行混合选项处理,选中需要求得面积的气泡,通过S=像素/分辨率2×2.542求得单个气泡的投影面积S,其中投影面积S大的气泡反映的该气泡所在区域的平均开度,投影面积S小的气泡反映该气泡所在点的开度;
步骤7:流出的气泡为球体,利用图像数字化技术中的标尺功能得到气泡直径D;由体积公式 求得气泡体积V;
步骤8:气泡在流动路径上体积是恒定的,在岩石裂隙流动过程中气泡形状类似扁平鼓状,在出口处为球体,由于气泡面积S远大于岩石裂隙的开度值d,所以可将扁平鼓状的气泡的侧边用直线代替,根据气泡在各个点的投影面积,采用公式d=V/S可求得该流动路径上各点岩石裂隙的开度;
步骤9:若观察的气泡在途中分裂成n个气泡,将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理,根据分帧间隔△t,设置帧数 选出分裂前的图像,再对图像进行黑白高亮化处理;将黑白高亮处理后的图像进行图像图层与纯色图层进行混合选项处理,选中需要求得面积的气泡,通过S=像素/分辨率2×2.542求得分裂前单个气泡的面积S,其中投影面积S大的气泡反映的该气泡所在区域的平均开度,投影面积S小的气泡反映该气泡所在点的开度;
步骤10:流出的气泡为球体,利用图像数字化技术的标尺功能得到分裂后每个气泡半径D1、D2、…Dn;由体积公式 分别对分裂气泡的体积进行求解,可求得分裂后气泡体积V1、V2…Vn;然后利用求和公式:∑V=V1+V2+......+Vn对分裂后的气泡体积进行求和得到∑V;
步骤11:气泡在流动过程中体积是恒定的,在岩石裂隙流动过程中气泡形状类似扁平鼓状,在出口处近似为球体,由于气泡面积S远大于岩石裂隙的开度值d,所以可将扁平鼓状的气泡的侧边用直线代替,根据各个点气泡面积,采用公式d=∑V/S可求得分裂前各点岩石裂隙的开度;
步骤12:将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理,根据分帧间隔△t,设置帧数 选取想分裂后的图像,再对图像进行黑白高亮化处理,将黑白高亮处理后的图像进行图像图层与纯色图层进行混合选项处理,选中分裂后单条路径上所需求面积的气泡,通过S=像素/分辨率2×2.542求得单个气泡的投影面积Sn,其中投影面积S大的气泡反映的该气泡所在区域的平均开度,投影面积S小的气泡反映该气泡所在点的开度;
步骤13:根据气泡投影面积Sn和气泡对应体积Vn,由公式d=Vn/Sn求得分裂后各点岩石裂隙的开度;
步骤14:将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理,根据分帧间隔△t,设置帧数 选取想要研究的图像,通过气泡在流动过程中投影面积变化,由公式d=V/S可推断出岩石裂隙开度变化,投影面积变化大的地方岩石裂隙开度变化大,投影面积变化小的地方岩石裂隙开度变化小,并得到整个岩面的开度演化场;
步骤15:将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理,根据分帧间隔△t,设置帧数 选取Δt1时间内的两张图片,通过图像叠加利用图像数字化技术中的标尺功能读出两个气泡间中心点的距离L,利用公式 求出气泡流速v,同时还可以根据各条路径上气泡的流速矢量做出整个岩样的流速矢量场;
步骤16:用起泡仪(16)每隔一定时间向装置注入一定量混有荧光剂的液态物质,该物质具有不溶于水并与水密度相似的性质,并加入分散剂是使这种液态物质分散成不易聚合的细小液滴,在黑暗环境下用无影灯照射通过带有可移动支架的摄像机(14)录制整个过程;
步骤17:将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理,根据分帧间隔△t,设置帧数 得到小液滴在岩石中的流动曲线图,通过分析图线得到水流在整个岩面中的稳流层和湍流层。