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

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，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。

背景技术

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-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-半封闭系统转变为开放系统。

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-径-排关系、流态与动态变化。

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，CN201811313074-一种模拟海底滑坡的透明土变形可视化系统、CN201911073830-一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CN202110371146-一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-模拟基坑降水承压含水层地下水渗流的透明土试验方法、CN201610004935.6-一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，但本发明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-径-排、流态和动态变化等。

发明内容

本发明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。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：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

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；

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。

进一步地，所述透明土模型由骨料与孔隙流体组成。

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。

进一步地，所述透明土模型的制备过程为：

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。

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：

采用孔隙流体对骨料进行润湿，得到试样a；

将试样a在真空环境中排气6h，得到试样b；

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；

将试样c静置12h以上，得到透明土。

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。

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。

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；

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；

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。

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。

本发明的有益效果是：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-径-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

图1是实施例一制备的透明土模型示意图；

图2是实施例二制备的透明土模型示意图；

附图标记：1—透明土模型；11—倾斜地层；12—上部渗流面；13—黏结剂层；14—第一透明土层；15—第二透明土层；16—第三透明土层；2—模型箱；3—地下硐室模型；4—竖井模型；5—裂隙模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明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，包括

采用透明土在透明的模型箱2内制作透明土模型1，制作透明土模型1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1内，模拟件上设置有用于透水的通孔。

模型箱2可采用透明亚克力箱体。透明土模型1以待模拟复合含水层依据相似性原理确定，如图1至图2所示。

透明土模型1采用透明土进行制作，现有的透明土一般采用折射率相同的骨料、孔隙流体以及黏结剂制备而成，如CN201710555610一种胶结透明土及其制备方法，黏结剂虽然能够提高粘聚力和强度，但是会影响土体的渗透性，因此，本发明的透明土模型1由骨料与孔隙流体混合而成，具有良好的透水性，能够保证流体在透明土模型1中渗流。

特别强调的是，透明土模型1设置为倾斜地层11且单斜含水层或褶皱单翼被人工巷道贯通时，透明土材料中必须充满孔隙流体才能够具有较高的透明度。由于透明土模型1岩层倾斜，其内部孔隙流体容易从倾斜地层11流出，将降低透明土模型1的透明度。为解决这一问题，可以把整个透明土模型1置于孔隙流体液面以下，但这一方案会增大孔隙流体用量，且会产生额外浮托力，增加实验难度。因此，本发明在倾斜地层11表面覆盖透明的黏结剂层13，黏结剂层13能够阻隔孔隙流体的流动，从而避免透明土模型1内部的孔隙流体从倾斜地层11流出，保证透明土模型1的透明度，也不需要将整个透明土模型1浸泡在孔隙流体内，从而降低了模型外部的液面高度。将黏结剂层13的厚度设置为0.5cm，是因为渗流时间较长，经过长时间渗流后，可以有水从倾斜地层11流出，更符合天然环境。此时透明土模型1的顶部设置有顶部渗流面12，可供人工降雨渗入透明土模型1内部。雨水从上部渗流面12渗入透明土模型1内部并向下渗流，而不会从倾斜地层11流出，从而圈定渗流边界，以便于渗流观测。

本发明中所说的水、雨水以及人工降雨等均是指在实验过程中使用示踪剂标识的孔隙流体，而非自然界真实的水(H

模拟件用于模拟人工挖掘的地下空间，还原人为活动条件影响下新增的含水介质，如各种硐室和通道等。因此，本发明的采煤设施模拟件包括地下硐室模型3以及竖井模型4，所述地下硐室模型3的四面设置通孔，所述竖井模型4的下部侧壁设置通孔，硐室模型3和竖井模型4上的通孔可以将各个含水层连通。

具体地，地下硐室模型3为长方体形亚克力箱体，亚克力箱体采用4块亚克力板拼接而成，每块亚克力板上布满透水通孔；竖井模型4为亚克力筒体，其断面为圆环形。在制作透明土模型1时，将地下硐室模型3部分或者整体预埋在透明土模型1内部，将竖井模型4的下部竖直预埋在透明土模型1内部，且竖井模型4的上端伸出透明土模型1。

部分含水层裂隙尺度不同，大裂隙可成为地下水渗流的优势通道。为提高模型对真实含水层的还原度，在制作透明土模型1时，将用于模拟裂隙的裂隙模型5预埋在透明土模型1的顶部，裂隙模型5由V形亚克力板构成，其上设置透水通孔。

透明土模型1制作好后，即在模型箱2周围设置图像采集系统，包括激光光源、图像采集装置等，激光光源采用2台520nm、1000mw一字线型激光发射器，设置在透明土模型1的顶部和一侧；图像采集装置采用2～3台单反数码相机配合快门线控制器作为静态拍摄系统，同时采用5台2400万以上像素的智能手机作为动态图像采集系统，单反数码相机和智能手机通过支架安装在模型箱2的周围，安装位置不固定，根据实验环境选择合适的安装位置，以保证尽可能清晰、全面地采集透明土模型1内部水流动态以及土体变形情况。

图像采集系统设置完成后，在透明土模型1上方进行人工降雨，可采用现有的各种室内人工降雨设备进行人工降雨，雨水渗入透明土模型1内。在透明土模型1内埋设用于测量水头差的测压计。

透明土模型1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。人工降雨时，流体可以通过通孔进入水平巷道、硐室、竖孔等模拟件，在贯通的含水层中运移，引起含水层补给径流排泄的改变，进一步影响含水层的演化，引起流体的流速与动态变化。抽排水时，利用抽水泵将地下通道、竖井等内部的水抽出，可观测含水层水体流动路径等。采用所述图像采集系统监测人工影响条件下含水层结构演化过程及水循环的变化。

当含水层结构较为简单时，可以采用一种透明土建立整个透明土模型1，但是待模拟含水层结构较为复杂时，单一一种透明土骨料难以满足模拟要求。为模拟复杂煤系地层含水层结构，所述透明土模型1包括从下至上依次设置的第一透明土层14、第二透明土层15和第三透明土层16，所述第一透明土层14和第三透明土层16的骨料为不同粒径熔融石英砂，第二透明土层15的骨料为无定形硅粉。

具体地，各个透明土层所采用的透明土制备过程为：通过筛分可得到粒径范围不同的熔融石英砂，筛分后的熔融石英砂洗净后用超纯水润洗，然后烘干备用。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。

第一透明土、第二透明土、第三透明土和第四透明土更加具体的制备过程为：

使用孔隙流体对骨料进行润湿，得到试样a，此时只需要将少量的孔隙流体加入骨料并充分搅拌即可，试样a呈白色。

将试样a在真空环境中排气6h，具体可以将试样a放在真空箱中，采用真空泵对真空箱进行抽真空，将试样a排出的气体抽出。排气后即得到试样b，试样b呈浅白色。

在真空环境中，向试样b中加入孔隙流体，真空泵持续抽真空，直到孔隙流体的液面高于试样b上表面，得到试样c，此时试样c呈半透明状且有大量气泡。

将试样c静置12h以上，得到呈透明状态的透明土。

第一透明土、第二透明土、第三透明土和第四透明土所采用的骨料不同，但均采用上述方法制备。

复杂含水层结构的透明土模型1制备过程为：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，预埋采煤设施模拟件。

第一透明土层14和第三透明土层16根据被模拟区域实际地层特征选择第一透明土、第二透明土或者第三透明土，如被模拟地区以脆性岩石为主，基岩裂隙较为发育，如砂岩，则选取骨料粒径较大的第三透明土或第二透明土；如被模拟地区以塑性岩石为主，如粉砂岩，则采用骨料粒径较小的第一透明土。也可以根据被模拟区域地层岩性特征、空隙发育特征和渗透性等将第一透明土、第二透明土和第三透明土进行搭配使用，如第一透明土层14采用第二透明土，第三透明土层16采用第一透明土。

第二透明土层15用于模拟泥岩夹层和软弱夹层滑动面，具有隔水或弱透水的作用，使得模型结构和特性与实际地层更加接近。

本发明将透明土模型1设置为多层结构，并且每层结构的透明土材料可以灵活选择，因此能够建立多种尺度复合含水层物理模型，能够更加真实地模拟多种复杂的地层岩性和地质构造。

在制造多层复杂地层时，需要逐层铺设透明土，每一层的厚度不超过5cm，并且要求每层分别压实、分别排气。当透明土模型1表面具有倾斜地层11时，需通过人工挖掘，在透明土模型1的侧面形成倾斜地层11，透明土模型1的顶部形成上部渗流面12，最后在倾斜地层11表面铺一层黏结剂层13，即制得单斜含水层或褶皱单翼模型。

黏结剂层13采用防水、透明、具有一定黏性的材料，具体地，所述黏结剂层13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。选用粒径为100nm的疏水性气相二氧化硅作为黏结材料，疏水性气相二氧化硅折射率1.4585，与熔融石英砂一致，不会改变透明土折射率。疏水性气相二氧化硅能够吸附到熔融石英砂表面，使熔融石英砂之间相互黏结。疏水性气相二氧化硅与熔融石英砂和少量孔隙流体混合后，在抽真空条件下加入孔隙流体至饱和，然后静置12h后去除多余流体，即得到黏结剂。将黏结剂铺设于倾斜地层11表层可以有效抑制孔隙液体流动，增加表面防渗性和密封性，降低模型外部孔隙流体的液面高度。

孔隙流体可采用目前常见的材料以及制备方式，如采用白油与正十二烷按照一定的比例混合，可参考CN201710555610等现有技术。作为本发明优选的实施方式，所述孔隙流体的成分为3#白油和15#白油，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，使用阿贝折射仪(型号WZS-1)测定孔隙流体的折射率，将其调整至1.4585，与熔融石英砂的折射率相同，然后在真空饱和桶内排气6h以上可减少液体中的气泡。以上实验步骤可以保证光线在经过熔融石英砂和孔隙流体两相介质时，充分降低不同透光介质交界面上光的散射，使模型达到较高透明度。

实施例一

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，得到孔隙流体，使用阿贝折射仪(型号WZS-1)测定孔隙流体折射率，确保其折射率为1.4585，然后在真空饱和桶内排气6h。

采用少量孔隙流体对粒径为0.25～0.50mm的熔融石英砂进行浸润，然后在真空环境中排气12h，接着加入孔隙流体，使孔隙流体淹没熔融石英砂，再静置12h，得到第一透明土；采用少量孔隙流体对粒径为0.50～1.00mm的熔融石英砂进行浸润，然后在真空环境中排气12h，接着加入孔隙流体，使孔隙流体淹没熔融石英砂，再静置12h，得到第二透明土；采用少量孔隙流体对粒径为1.00～2.00的熔融石英砂进行浸润，然后在真空环境中排气12h，接着加入孔隙流体，使孔隙流体淹没熔融石英砂，再静置12h，得到第三透明土；采用少量孔隙流体对粒径为45.00～75.00μm的无定形硅粉进行浸润，然后在真空环境中排气12h，接着加入孔隙流体，使孔隙流体淹没无定形硅粉，再静置12h，得到第四透明土。

模型箱2采用长方体形亚克力箱体，模型箱2的一端通过竖直的隔板将内腔分隔为进水槽和模型腔，进水槽侧壁设置有连通模型腔的过水孔。将第一透明土、第二透明土或第三透明土铺设在模型箱2的模型腔底部，分多层铺设，每层的铺设厚度不超过5cm，并且压实、排气；再铺设第四透明土，铺设厚度不超过5cm，并且压实、排气；接着继续铺设第一透明土、第二透明土或第三透明土，并且压实、排气；在铺设透明土时，将竖井模型4预埋在透明土内，竖井模型4的上端伸出透明土表面，得到表面平整的模型，如图1所示。

在透明土模型1的顶部和正前方布置520nm、1000mw一字线型激光发射器，透明土模型1的周围安装2～3台单反数码相机配合快门线控制器作为静态拍摄系统，安装5台2400万以上像素的智能手机作为动态图像采集系统。

在透明土模型1上方进行人工降雨，雨水采用以示踪剂标识的孔隙流体，雨水渗入所述透明土模型1内，同时将孔隙流体装入进水槽进行侧向补给。

透明土模型1内部的水通过通孔竖井模型4，竖井模型4将多层含水层连通，利用抽水设备将抽排水井模型4内部的水抽出，采用所述图像采集系统监测水的动态变化过程以及含水层结构及其演化过程。

实施例二

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，得到孔隙流体，使用阿贝折射仪(型号WZS-1)测定孔隙流体折射率，确保其折射率为1.4585，然后在真空饱和桶内排气6h。

采用少量孔隙流体对粒径为0.25～0.50mm的熔融石英砂进行浸润，然后在真空环境中排气12h，接着加入孔隙流体，使孔隙流体淹没熔融石英砂，再静置12h，得到第一透明土；采用少量孔隙流体对粒径为0.50～1.00mm的熔融石英砂进行浸润，然后在真空环境中排气12h，接着加入孔隙流体，使孔隙流体淹没熔融石英砂，再静置12h，得到第二透明土；采用少量孔隙流体对粒径为1.00～2.00的熔融石英砂进行浸润，然后在真空环境中排气12h，接着加入孔隙流体，使孔隙流体淹没熔融石英砂，再静置12h，得到第三透明土；采用少量孔隙流体对粒径为45.00～75.00μm的无定形硅粉进行浸润，然后在真空环境中排气12h，接着加入孔隙流体，使孔隙流体淹没无定形硅粉，再静置12h，得到第四透明土。

模型箱2采用长方体形的亚克力箱体，模型箱2的一端通过竖直的隔板将内腔分隔为进水槽和模型腔，进水槽侧壁设置有连通模型腔的过水孔。将第一透明土、第二透明土或第三透明土铺设在模型箱2的模型腔底部，分多层铺设，每层的铺设厚度不超过5cm，并且压实、排气；再铺设第四透明土，铺设厚度不超过5cm，并且压实、排气；接着继续铺设第一透明土、第二透明土或第三透明土，并且压实、排气；在铺设透明土时，将地下硐室模型3水平埋设在模型中，地下硐室模型3的一端伸出透明土，每一层透明土的表面均倾斜。得到倾斜地层11的透明土模型1。

将疏水性气相二氧化硅、熔融石英砂和孔隙流体混合，气相二氧化硅与熔融石英砂的重量比为(1～3)：100，孔隙流体与气相二氧化硅的重量比为2.5：1，制得黏结剂，将黏结剂铺设在倾斜地层11表面，铺设厚度为0.5cm，如图2所示，然后再对模型进行整体排气6h，完成后静置12h。

在透明土模型1的顶部和正前方布置520nm、1000mw一字线型激光发射器，透明土模型1的周围安装2～3台单反数码相机配合快门线控制器作为静态拍摄系统，安装5台2400万以上像素的智能手机作为动态图像采集系统。

在透明土模型1上方进行人工降雨，雨水渗入所述透明土模型1内，同时将孔隙流体装入进水槽进行侧向补给。

透明土模型1内部的水通过通孔进入地下硐室模型3，采用所述图像采集系统监测水的动态变化过程以及含水层结构及其演化过程。

综上，本发明具有以下优势：

1、将透明土模型应用于煤系地层含水层结构演化试验，使含水层结构直接可视化，可以采用图像采集系统对含水层结构及其演化进行直观地观测，有助于认识人为活动下含水层结构演化进而引起水动力条件改变的过程。

2、制备模型本体的透明土由骨料与孔隙流体组成，不含黏结剂，具有良好的透水性，能够模拟雨水的渗流情况，以便于研究含水层内部渗流情况。本发明采用的透明土骨料成分简单(熔融石英砂)，与孔隙流体的折射率匹配度更高，使得模型本体的透明度更高。

3、当透明土模型1存在倾斜地层11时，透明土模型1内部的孔隙流体容易从倾斜地层11溢出，通过在倾斜地层11表面覆盖有黏结剂层13，黏结剂层13具有挡水、阻水的作用，可以对倾斜地层11进行密封，可避免渗入透明土模型1内部的雨水从倾斜地层11表面渗出，从而控制孔隙流体分布范围，实现渗流范围的圈定，同时防止外部流体反流入模型本体，降低了模型外部孔隙流体的液面高度。

4、透明土模型1可以有多层结构，每层结构所采用的骨料可以根据真实岩层、构造进行选择，真实还原复杂含水层结构，从而可以实现复杂地下水系统的补-径-排、流态和动态变化的可视化观测。

5、地下硐室模型3和竖井模型4模拟真实的地下设施，裂隙模型5模拟裂隙，模型还原度更高，可真实还原人为活动下新增的含水介质，得到的试验结果更加准确。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。