本實用新型涉及多孔介質(zhì)非飽和滲流領(lǐng)域，尤其涉及一種基于中子照相平臺研究多孔介質(zhì)非飽和下滲的裝置。

背景技術(shù)：

水圈和巖石圈是人類賴以生存的地球表層的重要組成部分，二者的相互作用即水巖耦合一直是相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點。巖石中的非飽和滲流是多孔介質(zhì)滲流的典型代表。通過測定水在特定壓差下通過巖石的流量，進而利用達西定律測定巖石的滲透率是一種普遍采用的實驗手段。這種狀態(tài)下的巖石往往處于飽和狀態(tài)，而不論是自然界還是工程界，水在非飽和巖石中的滲流現(xiàn)象更為普遍的存在。在水利水電工程領(lǐng)域涉及降雨入滲條件下岸坡的穩(wěn)定性，在環(huán)境工程領(lǐng)域涉及有毒污染物隨地下水在巖石中的遷移；近年來隨著注水采油、采氣中的水鎖損害等問題，水在巖石中的非飽和滲流問題也引起了相關(guān)領(lǐng)域研究人員的重視；此外，目前我國神華集團的煤礦地下水庫建設(shè)，以及二氧化碳地質(zhì)封存均涉及對該問題的研究。作為水在非飽和巖石中滲流問題的重要組成部分，考慮毛細力和重力雙重作用下水在巖石中的下滲問題值得深入研究。綜上所述，非飽和巖石的固體力學(xué)及水力學(xué)性質(zhì)與其含水飽和度有很大的關(guān)系，但目前尚缺乏可靠的手段實時定量化研究水在非飽和巖石中的下滲規(guī)律，如飽和度隨著入滲時間的推移在巖石內(nèi)部的空間演化過程。由于中子不帶電，能輕易的穿透電子層，僅與原子核發(fā)生作用，因此其衰減系數(shù)與入射的中子能量和物質(zhì)的原子核截面有關(guān)，而與原子序數(shù)無關(guān)。中子穿過物體時的吸收系數(shù)隨原子序數(shù)的變化很不規(guī)則，中子能夠穿透重元素物質(zhì)，對大部分重元素，如鐵、鉛、鈾等，中子衰減系數(shù)小；對某些輕元素如水中的氫等，中子衰減系數(shù)反而特別大。由于中子上述特點，使中子照相技術(shù)特別適合研究非飽和多孔介質(zhì)中水的等富氫流體的非飽和下滲問題。但由于優(yōu)質(zhì)的中子束流一般依賴于核反應(yīng)堆提供，造成了中子束流的短缺，目前國內(nèi)尚未開展相關(guān)領(lǐng)域的研究，尤其是配合中子照相技術(shù)研究非飽和多孔介質(zhì)中水的下滲問題的實驗設(shè)備尚未開發(fā)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提出一種基于中子照相平臺研究多孔介質(zhì)非飽和下滲的裝置，實時定量化研究富氫流體在非飽和多孔介質(zhì)下滲過程中，滲流場、飽和度場隨著入滲時間的空間演化過程。

其中，數(shù)控泵的泵口與巖心夾持器通過進液膠管相連，巖心夾持器與出液口膠管轉(zhuǎn)換頭的單口側(cè)通過出液膠管相連，出液口膠管轉(zhuǎn)換頭的雙口側(cè)中的一口接排液膠管，雙口中的另一口通過膠管與馬氏瓶相連，最終利用巖心夾持器下部套帽裝置卡住圓柱形固體試樣，將巖心夾持器水平固定于固定臺上，達到中子射線可從正面照射并通過探測器和電荷耦合器件 (CCD)相機或其他類型相機對水等富氫流體沿多孔介質(zhì)下滲過程進行實時中子成像及其他數(shù)據(jù)記錄，通過后期圖像處理定量化研究水在非飽和多孔介質(zhì)下滲過程中，滲流場和飽和度場隨著入滲時間的空間演化過程的目的。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案：

一種基于中子照相平臺研究多孔介質(zhì)非飽和下滲的裝置，包括：

數(shù)控泵、巖心夾持器、固定臺、水槽、出液口膠管轉(zhuǎn)換頭、馬氏瓶、進液膠管、出液膠管和排液膠管，所述數(shù)控泵的泵口與巖心夾持器用進液膠管相連，所述巖心夾持器固定于固定臺保持水平，所述出液口膠管轉(zhuǎn)換頭與巖心夾持器用出液膠管相連，所述水槽置于巖心夾持器和排液膠管下方。

優(yōu)選地，所述巖心夾持器為鋁合金材質(zhì)做成，所述巖心夾持器具有進液口與出液口，進液口與出液口位于同一水平，巖心夾持器上部為臨時儲液區(qū)，巖心夾持器下部為固體試樣固定區(qū)，固體試樣固定區(qū)內(nèi)徑大于固體試樣直徑，固定固體試樣時固體試樣裹纏鋁制防水紙，使固體試樣固定于巖心夾持器下部并將巖心夾持器與固體試樣間的隙縫用硅酮膠粘合。

優(yōu)選地，所述出液口膠管轉(zhuǎn)換頭一側(cè)為單口，與巖心夾持器出液口連接；另一側(cè)為雙口，雙口中的一口與馬氏瓶連接，雙口中的另一口與排液膠管連接，所述出液口膠管轉(zhuǎn)換頭的單口與巖心夾持器進液口、出液口位于同一水平位置。

優(yōu)選地，所述馬氏瓶包含中間玻璃管，中間玻璃管的下開口的液體平面與巖心夾持器的進液口和出液口位于同一水平位置。

與相關(guān)裝置相比，本實用新型具有如下優(yōu)點：

本實用新型述及的基于中子照相平臺研究多孔介質(zhì)非飽和下滲的裝置，具有供液系統(tǒng)、儲液系統(tǒng)、射線成像系統(tǒng)、液面平衡系統(tǒng)、排液系統(tǒng)，設(shè)計合理，安裝簡單，解決了基于中子照相平臺研究水沿多孔介質(zhì)非飽和下滲的問題；本實用新型所選用固體試樣為巖石，包括含裂隙構(gòu)造的巖石，固體試樣不局限于巖石，也可以為巖石之外的其他多孔介質(zhì)；所有流體也不局限于水，也可以為油等其他富氫流體；所選用巖心夾持器為鋁合金材質(zhì)做成，中子射線對鋁合金材質(zhì)極不敏感，但對水的含量變化極為敏感，實時定量化研究水在非飽和巖石下滲過程中，滲流場、飽和度場隨著入滲時間的空間演化過程；所選用的數(shù)控泵和出液口膠管轉(zhuǎn)換頭可以實現(xiàn)遠程操控，避免了中子射線照射過程中人直接操作帶來的輻射風(fēng)險；所選用出液口膠管轉(zhuǎn)換頭雙口側(cè)的排液管可以保證在進液過程中進液過多液體及時排出，雙口側(cè)的馬氏瓶可以保證在微型泵關(guān)停后儲液區(qū)液面高度的恒定，不因下滲過程中多孔介質(zhì)吸入水后液面下降而對實驗結(jié)果造成影響；所選用出液口膠管轉(zhuǎn)換頭可以控制單口側(cè)和雙口側(cè)的開合，具有良好的密封性，避免了實驗裝置的組裝過程中水的溢出對實驗的影響；整體裝置操作過程簡單，平臺搭設(shè)小巧方便。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例的基于中子照相平臺研究多孔介質(zhì)非飽和下滲的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中未加水；

圖2為本實用新型實施例的工作效果圖，其中加入了水；

圖3為本實用新型實施例的巖心夾持器的主視方向的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實用新型實施例的巖心夾持器的側(cè)視方向的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本實用新型實施例的巖心夾持器的俯視方向的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本實用新型實施例的出液口膠管轉(zhuǎn)換接頭的主視方向的示意圖；

圖7為本實用新型實施例的出液口膠管轉(zhuǎn)換接頭的單口側(cè)的內(nèi)部立體結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖8為本實用新型實施例的出液口膠管轉(zhuǎn)換接頭的單口側(cè)的外部立體結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖9為本實用新型實施例的出液口膠管轉(zhuǎn)換接頭的雙口側(cè)的立體結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖中：1—數(shù)控(微型)泵；2—固定臺；3—巖心夾持器；4—出液口膠管轉(zhuǎn)換頭；5—馬氏瓶；6—水槽；7—進液膠管；8—固體試樣；9—出液膠管；10—排液膠管；11—夾持鐵架臺；12—木塞；13—固定帽檐；14—進液口；15—出液口；16—臨時儲液區(qū)；17—固體試樣固定區(qū)； 18—固定口；19—單口側(cè)；20—雙口側(cè)。

具體實施方式

下面對本實用新型做進一步描述，但本實用新型的保護范圍并不局限于以下所描述具體實施方式的范圍。

結(jié)合圖1、圖3、圖4、圖5，展示了一種基于中子照相平臺研究多孔介質(zhì)非飽和下滲的裝置，其中，液體例如為水，但不局限于水，固體例如為多孔介質(zhì)，但可以為多孔介質(zhì)之外的其他多孔介質(zhì)；該基于中子照相平臺研究多孔介質(zhì)非飽和下滲的裝置，其中：

所述數(shù)控泵1的給液口與所述巖心夾持器3的進液口14通過進液膠管7相連接；本實用新型的巖心夾持器用于夾持巖心或其他固體試樣，并可以進行滲透實驗，因為巖心夾持器是鋁合金做的，所以中子可以穿透巖心夾持器，對巖心內(nèi)部的水從上往下滲透的狀態(tài)進行實時成像；所述巖心夾持器3固定于固定臺2上，固定時將固定帽檐13水平對齊并將螺母通過固定口18擰緊固定于固定臺2上，中子射線發(fā)射方向為夾持固體試樣8的巖心夾持器3的正前方，有效成像區(qū)為下部固體試樣固定區(qū)17；將待測固體試樣8裹纏鋁制防水紙，使其恰好固定于下部固體試樣固定區(qū)17并將巖心夾持器3與固體試樣8間的微隙縫用硅酮膠粘合；

所述出液口膠管轉(zhuǎn)換頭4(可以為數(shù)控型)與所述巖心夾持器3的出液口15通過出液膠管9相連接；結(jié)合圖6、圖7、圖8、圖9所示，所述出液口膠管轉(zhuǎn)換頭4的一側(cè)是單口，另一側(cè)是雙口，雙口側(cè)20的A口接排液膠管10，雙口側(cè)20的B口接馬氏瓶5，先封閉B口調(diào)整馬氏瓶5的固定高度使B口對接單口時馬氏瓶5細玻璃管中液面恰好到馬氏瓶5的細玻璃管(中間玻璃管)下方，其中細玻璃管貫穿木塞12固緊于馬氏瓶上方，馬氏瓶高度調(diào)整完畢用夾持鐵架臺11夾持固定，即液面與數(shù)控膠管轉(zhuǎn)換頭4單口側(cè)19的單口、固體試樣下滲裝置3的出液口15保持同一水平位置，調(diào)整好后轉(zhuǎn)換成A口與單口對接，打開單口與雙口側(cè) 20的A口。

結(jié)合圖2所示，首先開啟中子照相設(shè)備明場、暗場數(shù)據(jù)采集，用于后期圖像歸一化處理；組裝完畢本實用新型后，在水槽6中加適量水，人員撤至安全實驗設(shè)備遠程操作區(qū)域，遠程控制數(shù)控泵1、出液口膠管轉(zhuǎn)換頭4和中子照相設(shè)備進行實驗。首先對中子照相成像區(qū)內(nèi)含干燥固體巖心和巖心夾持器等實驗裝置進行圖像采集，以便后期通過圖像運算扣除干燥巖心和巖心夾持器等中子照相成像區(qū)內(nèi)的實驗裝置對中子衰減的貢獻，使得到的圖像僅反映水的含量變化；再開啟數(shù)控泵1進行抽液，使水通過進液膠管7進入所述巖心夾持器3的上部臨時儲液區(qū)16，當水液面沒過出液口15時，多余水從排液膠管10排出，此時關(guān)閉數(shù)控泵1，控制所述出液口膠管轉(zhuǎn)換頭雙口側(cè)20的A口閉合并轉(zhuǎn)換成雙口側(cè)20的B口與單口側(cè)19的單口對接，打開B口，馬氏瓶5中的水與巖心夾持器3中的水通過數(shù)控膠管轉(zhuǎn)換頭4流通。通過中子照相設(shè)備對多孔介質(zhì)下滲過程進行實時成像，以期定量化研究水在非飽和巖石下滲過程中滲流場、飽和度場隨著入滲時間的空間演化過程，直至實驗結(jié)束。

本實用新型最終利用巖心夾持器下部套帽裝置卡住圓柱形固體試樣，將巖心夾持器水平固定于固定臺上，達到中子射線可從正面照射達到并通過探測器和CCD相機或其他類型相機對水沿多孔介質(zhì)下滲過程進行實時成像、通過后期圖像處理技術(shù)定量化研究流體在非飽和多孔介質(zhì)下滲過程中，滲流場和飽和度場隨著入滲時間的空間演化過程的目的。

以上所述僅為本實用新型示意性的具體實施方式，并非用以限定本實用新型的范圍。為本實用新型的各組成部分在不沖突的條件下可以相互組合，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本實用新型的構(gòu)思和原則的前提下所做出的等同變化與修改，均應(yīng)屬于本實用新型保護的范圍。