一种基于数字化图像处理技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于数字化图像处理技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的方法，能更加精确的测量岩石裂隙开度，同时此方法利用渗流面积求等效隙宽时能精确区分非渗流区域和渗流区域，利用软件面积自识别技术可准确获取渗流面积参数，可行性好，精度高。同时，在实际工程中可以利用本发明专利技术直接求出浆液填充面积和岩石裂隙的浆液填充量。

A method based on digital image processing technology to measure rock fracture opening and velocity vector

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字化图像处理技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的方法
本专利技术涉及岩土渗流
，尤其是一种基于数字化图像处理技术测量岩石裂隙开度、流速矢量、填充面积以及填充率的方法。
技术介绍
近些年来，随着国内基础工程不断发展，各类隧道(洞)工程建设规模也不断扩大，我国已经成为世界上工程建设规模最大、质量要求最严格的国家。在诸多隧道工程，地下管廊，矿产开发工程中，地下水渗流对施工造成了相当大的影响，大大拖慢了施工进度，甚至带来了严重的安全问题。现需一种能够获得岩石裂隙面在不同情况下渗流分析的方法，以便为工程勘探、渗透封堵、施工等提供参考依据，保障生命和财产安全。本专利技术测量渗流液体流速矢量的方法相比较于利用颜色标点法测量流速矢量，此方法能够更为简单的测量任意时刻任意点的流速矢量，在岩石裂隙面有无填充物的情况下都可进行测量；在进行渗流试验时，裂隙几何参数是非常重要的一个参数，对其的监测也是重要环节，就目前来看，施测方法主要有机械方法和光学方法两种主流方法，其它方法还有投影法、电感应法等。其中，机械方法简述如下：岩石裂隙面在发育扩展过程中必然会引起岩石出现细微的位移变形，这种变形不易通过肉眼观测得到，所以，利用千分表等精密长度测量仪器对裂隙面进行逐点量测，最后对测得的数据进行统计分析从而得到岩石裂隙几何参数。该测量方法工作繁琐，较耗费时间，具有较大的局限性。由于裂隙面存在非渗流区，相比于立方定律本专利技术专利能准确的求出渗流区的面积，进而能更准确求得岩石裂隙的开度。
技术实现思路
为解决以上技术问题，本专利技术提供一种基于数字化图像处理技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的方法，本专利技术所提供的利用图像处理技术获取渗流面积量测岩石裂隙开度的方法，能更加精确的测量岩石裂隙开度，同时此方法利用渗流面积求等效隙宽时能精确区分非渗流区域和渗流区域，利用软件面积自识别技术可准确获取渗流面积参数，可行性好，精度高。同时，在实际工程中可以利用本专利技术直接求出浆液填充面积和岩石裂隙的浆液填充量。为了实现上述的技术特征，本专利技术的目的是这样实现的：一种基于数字化图像处理技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的方法，它包括以下步骤：步骤1：选取实验所需种类的岩石试样；步骤2：利用硅胶二次翻模精确复刻技术来精确模拟岩石试样的岩石裂隙面的表面粗糙形态，得到与岩石试样具有相同弹性模量的透明对立面模型；步骤3：利用实验装置模拟实际条件，将透明对立面模型置于岩石试样上，使两者的岩石裂隙面完全重合，将实验试样整体固定在承压板上，并通过万向转轴来进行多角度测量，其边缘处分别留设有相对的进水口和出水口，其余边缘处密封；步骤4：对实验现象进行记录，在透明对立面模型上方安装高清摄像装置，并根据实验需要确定照片间的时间间隔t，其对应帧数为N＝1s/t，通过水平滑轨、竖直伸缩杆和万向转轴调节摄像装置的位置，并使其能够清楚纪录渗流液体流动状况；步骤5：模拟多种实际情况，开展不同应力路径下的可视化渗流实验，并在渗流过程中进行拍摄；步骤6：测量渗流液体流速矢量；步骤7：可视化渗流面积自识别法量测岩石裂隙开度。所述步骤6的具体步骤为：步骤6.1：使得在△t时差始末的两图片能够重叠并清楚显现出渗流状况，对所拍摄的影像用软件进行毫秒级分帧处理，取岩石裂隙面上液体渗流边缘某点前后△t时差下的两张图片用软件进行黑白高亮处理，再用软件进行图片叠加、透明化处理；步骤6.2：计算流速矢量，再利用软件的测量功能测得在该时差始末渗流液体流动边缘某两点距离，利用速率公式v＝△s/△t，△t为该极小时差，△s为该极小时差下渗流液体流动的距离，计算在该时差下的该点的流速矢量，再在该功能中求得该两点的坐标，求出该点的位移、加速度；步骤6.3：得到整个实验过程的流速矢量图，多次重复步骤6.1和6.2后即可得到该实验过程中每一时刻下各点的流速矢量、位移、加速度；步骤6.4：得到粗糙度云图与流速矢量叠加图并分析其对应关系，采用三维结构扫描仪对岩石裂岩石裂隙面进行三维扫描并利用软件作出裂隙面粗糙度云图，利用软件进行图片叠加处理获得流速矢量与粗糙度的叠加图。所述步骤6.1中：所述黑白高亮处理中，用软件调节两张图片的亮度、对比度、伽马，使图片比原图片更为清晰；所述图片透明化处理中，将其中一张图片透明度调节到50％～60％范围内，另一张不变。所述步骤6.2中：测量叠加图层中渗流液体T时渗流边缘任意一点与T+△t时刻渗流边缘的任意一点间的直线距离L，水平距离W，竖直高度H。所述步骤6.4中的具体操作为：步骤6.4.1：扫描结果为若干条横向线和若干条纵向迹线组成的模拟裂隙面，其中将迹线间隔控制在2mm～2cm之间，调节间隔来进行更为精细的三维扫描，将模拟裂隙面转为能够识别该迹线的软件，并能够识别的DXF文件；步骤6.4.2：利用公式计算迹线相对起伏度Ra；步骤6.4.3：基于迹线相对起伏度标准等级精确JRC值，得出对应的JRC值，根据对应的JRC值，利用软件获得裂隙面粗糙度云图；步骤6.4.4：将粗糙度云图与流速矢量图叠加，并分析流速矢量与JRC值的关系。所述步骤7中的具体操作为：步骤7.1：在步骤5中试验前在渗流液体中加入示踪颜料以便更好区分渗流区与非渗流区；步骤7.2：为使各时刻的图像清晰，将所拍摄的影像进行分帧处理；步骤7.3：在开度差异较大的区域分别选取多个特征点：将经分帧得到的图像导入图像处理软件中，将图像通过视觉分区，每个面积区域选取多个具有代表性的小区域，在每个小区域中再选取多个特征点；步骤7.4：求取临界灰度值：利用软件将渗流原图进行灰度归一化处理，分别读取这些特征点的灰度值；通过公式计算出平均灰度I值；将每个小区域的特征点灰度I值求取平均数(b1j、a2i)，由此可得到对应小区域面积平均灰度I值，再将每相邻区域的两个小区域I值再求取平均数即为临界I值；步骤7.5：利用区域面积自识别的方法求得各区域渗流面积A：通过输入临界I值，可将所需提取的面积分别选出，利用I与像素对应关系求出像素，然后运用公式：提取面积＝像素/分辨率2，计算各区域渗流面积A；步骤7.6：通过公式eh＝Qt/A可求得裂隙等效隙宽eh：因为已知渗流面积A、初始阶段水流流经入水口和出水口所用的时间t和渗流量Q，则代入公式即可求得裂隙等效隙宽eh。所述步骤7.6中：由于裂隙面存在非渗流区，相比于立方定律本专利技术能准确的求出渗流区的面积，进而能更准确求得岩石裂隙的开度；根据流量等效的方法，将实验所得裂隙渗流量代入立方定律反求得到裂隙宽度，即等效水力隙宽eh：式中：Q为单位时间流量(m3/s)；μ为水的动力黏度(Pa·s)；ρ为液体密度(kg/m3)；g为重力加速度(g≈9.8m/s2)；ΔL为渗流路径长度(m)；w为渗流路径宽度(m)；ΔH为试样两端水头(m)；由此，通过数字化图像处理技术真实反映本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字化图像处理技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的方法，其特征在于，它包括以下步骤：/n步骤1：选取实验所需种类的岩石试样(16)；/n步骤2：利用硅胶二次翻模精确复刻技术来精确模拟岩石试样(16)的岩石裂隙面(18)的表面粗糙形态，得到与岩石试样(16)具有相同弹性模量的透明对立面模型(15)；/n步骤3：利用实验装置模拟实际条件，将透明对立面模型(15)置于岩石试样(16)上，使两者的岩石裂隙面(18)完全重合，将实验试样整体固定在承压板(17)上，并通过万向转轴(13)来进行多角度测量，其边缘处分别留设有相对的进水口(20)和出水口(19)，其余边缘处密封；/n步骤4：对实验现象进行记录，在透明对立面模型(15)上方安装高清摄像装置(12)，并根据实验需要确定照片间的时间间隔t，其对应帧数为N＝1s/t，通过水平滑轨(1)、竖直伸缩杆(2)和万向转轴(13)调节摄像装置(12)的位置，并使其能够清楚纪录渗流液体流动状况；/n步骤5：模拟多种实际情况，开展不同应力路径下的可视化渗流实验，并在渗流过程中进行拍摄；/n步骤6：测量渗流液体流速矢量；/n步骤7：可视化渗流面积自识别法量测岩石裂隙开度。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于数字化图像处理技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤1：选取实验所需种类的岩石试样(16)；
步骤2：利用硅胶二次翻模精确复刻技术来精确模拟岩石试样(16)的岩石裂隙面(18)的表面粗糙形态，得到与岩石试样(16)具有相同弹性模量的透明对立面模型(15)；
步骤3：利用实验装置模拟实际条件，将透明对立面模型(15)置于岩石试样(16)上，使两者的岩石裂隙面(18)完全重合，将实验试样整体固定在承压板(17)上，并通过万向转轴(13)来进行多角度测量，其边缘处分别留设有相对的进水口(20)和出水口(19)，其余边缘处密封；
步骤4：对实验现象进行记录，在透明对立面模型(15)上方安装高清摄像装置(12)，并根据实验需要确定照片间的时间间隔t，其对应帧数为N＝1s/t，通过水平滑轨(1)、竖直伸缩杆(2)和万向转轴(13)调节摄像装置(12)的位置，并使其能够清楚纪录渗流液体流动状况；
步骤5：模拟多种实际情况，开展不同应力路径下的可视化渗流实验，并在渗流过程中进行拍摄；
步骤6：测量渗流液体流速矢量；
步骤7：可视化渗流面积自识别法量测岩石裂隙开度。


2.根据权利要求1所述一种基于数字化图像处理技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的方法，其特征在于，所述步骤6的具体步骤为：
步骤6.1：使得在△t时差始末的两图片能够重叠并清楚显现出渗流状况，对所拍摄的影像用软件进行毫秒级分帧处理，取岩石裂隙面(18)上液体渗流边缘某点前后△t时差下的两张图片用软件进行黑白高亮处理，再用软件进行图片叠加、透明化处理；
步骤6.2：计算流速矢量，再利用软件的测量功能测得在该时差始末渗流液体流动边缘某两点距离，利用速率公式v＝△s/△t，△t为该极小时差，△s为该极小时差下渗流液体流动的距离，计算在该时差下的该点的流速矢量，再在该功能中求得该两点的坐标，求出该点的位移、加速度；
步骤6.3：得到整个实验过程的流速矢量图，多次重复步骤6.1和6.2后即可得到该实验过程中每一时刻下各点的流速矢量、位移、加速度；
步骤6.4：得到粗糙度云图与流速矢量叠加图并分析其对应关系，采用三维结构扫描仪对岩石裂岩石裂隙面(18)进行三维扫描并利用软件作出裂隙面粗糙度云图，利用软件进行图片叠加处理获得流速矢量与粗糙度的叠加图。


3.根据权利要求2所述一种基于数字化图像处理技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的方法，其特征在于，所述步骤6.1中：
所述黑白高亮处理中，用软件调节两张图片的亮度、对比度、伽马，使图片比原图片更为清晰；
所述图片透明化处理中，将其中一张图片透明度调节到50％～60％范围内，另一张不变。


4.根据权利要求2所述一种基于数字化图像处理技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的方法，其特征在于，所述步骤6.2中：
测量叠加图层中渗流液体T时渗流边缘任意一点与T+△t时刻渗流边缘的任意一点间的直线距离L，水平距离W，竖直高度H。


5.根据权利要求2所述一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘杰，李政，唐洪宇，曾智祥，孙诚，石谦，黎照，邓苑，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42