[发明专利]岩土介质中水分湿润锋的识别方法及其验证系统

权利要求书

1.一种岩土介质中水分湿润锋的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

计算以下公式：

其中，T为温度，t为时间，k为非饱和渗透系数，h_c为最大毛细上升高度，h_m为含水岩土中微控制体处的基质吸力水头，xyz为-坐标，Kx、Ky、Kz分别为坐标轴x、y、z方向上的非饱和渗透系数，Kx(h_m)、Ky(h_m)、Kz(h_m))分别为坐标轴x、y、z方向上的非饱和渗透系数函数；

利用红外热像仪获取含水岩土的红外辐射热像图，所述红外辐射热像图中满足的位置即为湿润锋所在位置；

参数的计算步骤如下：

引述热力学第一定律如下：

式中，为系统的总能量；为系统从外界吸取的热量；为系统对外界做的功；

在非饱和多孔岩土介质中取一个六面体微控制体，单位时间微元体具有的总能量：

其中，为单位质量流体的内能；为单位质量固体的内能；θ为体积含水量；u，v，w为流体速度的三个分量；ρ_w是流体的密度，ρ_s是固体的密度；

假定微控制体与外界的热量交换微控制体对外界做功包括体积力和表面力做功两部分，其中表面力做功体积力做功只考虑流体的重力做功，故：

式(2)和(3)代入公式(1)可得：

将单位体积的非饱和多孔岩土介质中所含的内能和基质吸力势能h_mgρ_wθ等效为同体积均匀连续介质中所含的内能和基质吸力势能h_mg，则有：

ρ为等效密度，即把非饱和多孔岩土介质等效为均匀连续介质时的密度；

单位质量非饱和多孔岩土介质的焓：

同时，H＝C_pT (7)

其中，C_p为等压比热容；T为温度，p是压力势能；

将式(6)、(7)代入式(5)，得：

式(8)用于限定非饱和多孔岩土介质的红外辐射温度与含水量关系；

忽略体积力做功，由式(8)可知：

可见，单位时间湿润锋所在的气-水交界面处内能与基质吸力势能之和最大，即：

上式假设C_p和ρ与时间和空间位置无关，可知湿润锋所在的气-水交界面处有：

由非饱和流动中的达西定律可得：

式中，k(h_m)为非饱和渗透系数函数，若不考虑渗透压力水头作用，则非饱和岩石中的总水头h等于基质吸力水头h_m与位置水头z之和，即

h＝h_m+z (13)

将式(12)(13)代入(11)，得：

在式(14)中，

对于沿z向的一维流动，

且设k_z(h_m)＝k＝const，h_c为最大毛细上升高度，则简化式(14)有

可知，湿润锋处有即红外热像图中满足的位置即为湿润锋所在位置，式(15)反应了湿润锋处具有温度变化分布最大值，该最大值由两部分组成：为温度变化分布的当地项，为温度变化分布的对流项，也即红外热像中这二项之和达到最大值的位置即为湿润锋所在位置。

2.一种用于权利要求1所述识别方法的室内吸水实验分析验证系统，其特征在于，包括：

水箱，用于存储实验用水；

电子秤，置于所述水箱下方，用于实时称重所述水箱的重量；

岩土试样，为粉砂岩；

底座，置于所述岩土试样下方，与所述水箱通过管道连接，用于通过毛细原理浸润所述岩土试样；

红外热像仪，对准所述岩土试样，用于获取所述岩土试样的热像图；

数据处理装置，与所述电子秤、红外热像仪连接，基于所述红外热像仪获取的热像图，执行权利要求1所述的识别方法。

3.根据权利要求2所述的验证系统，其特征在于，所述岩土试样、电子秤、水箱位于一柜体中，所述柜体上并在所述岩土试样的前方设有透明窗。