[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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：Hawkins andMcconnell(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。

发明内容

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，本发明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。

本发明采用下述技术方案：

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：