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与流程

本发明涉及岩土渗流技术领域，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。

背景技术：

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。本发明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，相比于立方定律本发明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。

技术实现要素：

为解决以上技术问题，本发明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，本发明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发明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，本发明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，相比于立方定律本发明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出实际渗流面积，求取的等效隙宽更加精确。

所述步骤7.5中求出渗流面积a能够模拟在实际工程中测算浆液填充面积，步骤7.6中求出岩石裂隙开度能够模拟在实际工程中测算填充岩石裂隙的浆液填充率。

本发明有如下有益效果：

1、本发明提供的一种测量渗流液体流速矢量的方法，在进行岩石渗流试验过程中，通过高清摄像装置对裂面进行观察记录，获取渗流液体不同时刻渗流矢量图，以此作为渗流现象微观分析基础，实现裂隙面内任意点液体瞬时流速矢量的测量，测量精度高，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；

2、在本发明中经过对步骤6的大量重复得到jrc值与不同时刻下流速矢量、位移和加速度的对应关系，可以模拟测算在实际工程中不同的jrc值与不同时刻下的浆液流速矢量、位移和加速度对应关系，以也可进行空间多角度下的上述实验进行渗流规律的研究，同时，在实际工程中也能根据需要对岩石裂隙面进行不同方向的jrc值测量，得到不同方向下jrc值与流速矢量、位移和加速度的关系。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明进行渗流实验装置时的示意图。其中本发明所用的加压装置由加压气囊7，气瓶阀3，高压气瓶5，高压气管6组成，所用角度调节仪由承压板17，万向转轴13和底部的三根高强度可伸缩支撑杆9组成，可以通过其万向转轴13调节角度来测量任何方向流速矢量；

图2为本发明所用贴合在一起的透明对立面模型和岩石的剖视图；

图3为透明对立面模型和岩石裂面贴合后的进水口与出水口示意图，其中空白部分为渗流液体示意图，填充部分为岩石裂面示意图；

图4为本发明在实例中经过软件图像分帧、ps软件图像处理后的渗流液体部分点流速矢量示意图，包含渗流区域、非渗流区域和在△t(示意图中为0.2s)时间内渗流液体所渗流区域；

图5为用ps将经过三维扫描的到的粗糙度云图与流速矢量图经过图层叠加后的效果图；

图6、7、8、9、分别为本发明在实施实例中各图延后0.2s的图片与本身经过图层叠加、透明化处理后的效果图，其在实施实例中时间间隔1s；

其中，图4、5、6、7、8、9中的黑色部分为岩石的渗流区域，灰色区域为渗流液体在0.2s内的渗流区域。

测算岩石裂隙开度：

图10渗流原图；

图11归一化处理得到灰度图；

图12裂隙面接触面积临界i值求取示意图；

图13裂隙面接触面积分析；

图13中(a)有效渗流面积；

图13中(b)有效渗流+临界接触面积；

图13中(c)非渗流面积；

图14可视化求渗流面积和立方定律求渗流面积的等效图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

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，本实施实例中所用标号均在附图1、2、3中标出：

步骤1：选取实验所需种类的岩石试样，并利用膨胀剂将岩石劈裂得到所需的岩石试样(16)；(实施实例中选用岩石试样为砂岩)；

步骤2：利用硅胶二次翻模精确复刻技术，得到与原岩具有相同弹性模量的透明对立面模型15，将韧性拉伸效果好的材料(本发明实施实例中所用含5％有硬化剂的硅胶)搅拌均匀后倒入放有岩石裂隙面18的模具中硬化后取出，硅胶能够对岩样纹路进行精细复刻，将透明类材料(本发明实施实例中含有0.8％促进剂、0.6％硬化剂、0.6％消泡剂制作的透明zj-k39dg不饱和树脂)倒入四周围筑橡皮泥的硅胶翻模模具中，硬化后的k39树脂具有与岩石裂隙面18相同的纹路和相同的弹性模量，以此来实现岩石裂隙面18渗流情况的可视化处理，得到透明对立面模型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置于岩石裂隙面18上，将实验试样岩石一侧固定在加压装置的加压气囊7上，上方用压力板11、加压钢条14和螺纹杆10固定实验试样，使两者的岩石裂隙面18完全重合，最后将整体固定在角度调节仪的承压板17上，透明对立面模型15和岩石裂隙面18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上方安装可实现毫秒级分帧的高清摄像装置12(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)，装置可以通过水平滑轨1、竖直伸缩杆2调节和万向转轴13位置使得摄像装置12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，通过加压装置向岩石裂隙中注入流动液体，并启动摄像装置12开始渗流实验，待液体从出水口19流出后，停止向进水口20注水并结束摄像；

步骤6：测量渗流速度矢量：

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，得到在每一个时刻渗流液体在实验试样中的流动状况，取岩石裂隙面18上液体渗流边缘某点前后△t(本实施实例中的0.2s)时差下的两张的图片用软件(本发明实施实例中的acd软件)软件进行黑白高亮处理，再用软件(本实验中所用ps软件)进行图片叠加、透明化处理，具体步骤：

(1)在acdsee.v5.0的【文件】中点击【打开】，在文档里点击要编辑的一张图片；

(2)点击【编辑处理器】；

(3)在处理器选择【级别】，会弹出【亮度/对比度/伽马】对话框，调节亮度、对比度、伽马，使图片比原图片更为清晰，点击右下角【确定】；

(4)在颜色中先点击【黑白】，再点击【真彩色】；

(5)在【文件】点击【另存为(a)】或【保存(s)】在文档里；

(6)对要编辑的另一张图片重复1～4步骤，以此完成两张图片的黑白高亮处理；

(7)在ps中的菜单栏中选择【文件】，并在下拉菜单中选择【打开】，选择要叠加的两幅图片；

(8)鼠标左键单击其中一张图片标题栏，选择【移动到新窗口】；

(9)在左侧工具栏中选择【移动工具】，将一张图片移动到另一张图片中；

(10)按“ctrl+t”键调整图片大小和位置，调整完成后单击【应用】按钮；

(11)在图层面板中，选中拖动的图层，单击鼠标右键，选择【混合选项】；

(12)在子菜单中的【混合模式】一栏中选择“正片叠加”，单击【确定】；

(13)点击叠加图层中表面一张图片所在图层；

(14)点击图层上方的【不透明度】选项，调整其下方的滑块来调整图片的透明度到50％～60％范围内；

(15)调整完成后，点击【文件】并点击【另存为】；

(16)在保存文件类型中选择png格式，即可保存带有透明效果的图片；

6.2：计算流速矢量，图6、7、8、9分别为本发明在实施实例中各图延后0.2s的图片与各自本身经过图层叠加、透明化处理后的效果图，再利用软件(本实例中所用ps软件)的测量功能(ps中的标尺功能)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(本实施实例中所选时差为0.2s)，△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，再求得该点的位移和加速度，具体步骤：

(1)右击左侧工具栏上的吸管工具图标，点击【标尺工具】；

(2)点击叠加图层中渗流液体t时渗流边缘任意一点并拖拽到t+△t时刻(本发明实验中△t＝0.2s)渗流边缘的任意一点；

(3)查看顶部工具栏，可以得到两点间的直线距离l，水平距离w，竖直高度h；

(4)测得任意点在该时差渗流液体流动距离与对应帧数的时刻差异，计算在该时差下的任意点的流速矢量，即实现对裂面任意点任意微时段的流速矢量的测量；

(5)利用速率公式：v＝△s/△t，其中△s为利用ps软件测得的任意两点间的距离，△t为两点所对应的时差，同时，也可求得该点的位移和加速度；

6.3：得到整个过程的流速矢量图，多次重复后步骤6.1和6.2即可得到该实验过程中每一时刻下各点的流速矢量，图4所示为在实施实例中一次测算后所得效果图，其中黑色为t时刻渗流区域，灰色为在△t内渗流液体所渗流区域；

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隙面18进行三维扫描并利用软件(本发明实验中所用的origin软件)作出裂隙面粗糙度云图，利用软件(本发明实验中所用的ps软件)进行图片叠加处理获得流动速度与粗糙度的叠加图，具体步骤：

(1)采用三维面结构扫描仪对切割好的的岩石裂面进行三维扫描；

(2)计算裂隙面迹线长度，扫描结果为若干条(本实施实例中280条)横向线和若干条(本实施实例中280条)纵向迹线组成的模拟裂隙面，将模拟裂隙面转为能识别该迹线的软件(本实施实例中所用的autocad)可识别的dxf文件，在该软件(本发明实施实例中所用autocad)中计算横纵各若干条(本实施实例中28条)高精度模拟迹线三维长度；

(3)计算迹线相对起伏度ra，利用公式其中的i为横向或纵向迹线编号，j为第i条迹线所对应z坐标编号，li为第i条横向或纵向迹线的三维长度；

(4)将迹线z坐标计算得出的相对起伏度值，基于迹线相对起伏度标准等级精确jrc值，得出对应的jrc值；

(5)根据对应的jrc值，利用软件(本发明实施实例中所用origin)获得裂隙面粗糙度云图；

(6)裂隙渗流路径与jrc值关系采用可实现图层叠加的软件(本发明实施实例中ps)图层叠加法获取，叠加处理方法与步骤6中的(7)～(12)一致，渗流流经区域所对应颜色即为渗流路径对应的jrc值，如图5所示；

(7)将粗糙度云图与流速矢量图进行叠加，并分析流速矢量与jrc值得关系；

步骤7：量测岩石裂隙开度：

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；

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；

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的comsol软件中，将图像通过视觉分区(如图10)，每个面积区域选取3～5个具有代表性的小区域，在每个小区域中再选取4～6个特征点。

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(如图11)，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。(如图12)

7.5：利用区域面积自识别的方法求得各区域面积a：区域面积自识别：通过输入临界i值，可将所需提取的面积分别选出(图13(a)、(b)、(c))，然后利用photoshop软件的直方图功能提取像素值，运用公式：提取面积＝像素/分辨率²，计算各区域面积。

7.6：通过公式eh＝qt/a可求得裂隙等效隙宽eh：在已知渗流面积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，通过公式eh＝qt/a可求得裂隙等效隙宽eh。

由于裂隙面存在非渗流区，相比于立方定律本发明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。

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)。

(1)利用渗流面积求等效隙宽时水流并未布满整个岩样，存在非渗流区域，根据数字化图像处理技术求取的水流面积s1，所求得的开度eh1为渗流区域的平均开度。

(2)根据立方定理反算求等效隙宽的方法认为水流充满整个岩样，水流面积s2，所求的开度eh2为整个岩样的平均开度。

因为渗流路径长度△l相同，所以w2＞w1(如图14)

根据流量等效方法对s1、s2区域采用立方定律进行反算求取等效隙宽：

因此通过数字化图像处理技术能够真实反映出实际渗流面积，求取的等效隙宽更加精确

同时，步骤7中5可模拟在实际工程中测算浆液填充面积，步骤7中6可模拟在实际工程中测算填充岩石裂隙的浆液填充率。