一种基于图像智能反馈的多功能水土作用实验装置及方法

1.本发明属于岩土特性研究设备技术领域，具体涉及一种基于图像智能反馈的多功能水土作用实验装置及方法。


背景技术：

2.岩土体一直以来都是水利、环境、岩土、农业、林业等领域的重点研究对象，而水土作用试验是研究岩土体各项水文性质的常用试验方法，其具体是通过收集制备各种类型的岩土试样，在实验室内模拟岩土体中流体运动情况、污染物迁移规律、土体水力特性等，并由此测出岩土试样的各种参数。
3.现有技术中的水土作用试验装置功能单一，效率较低且针对部分问题研究尚存在一定困难，无法满足多种实验要求，且无法准确模拟岩土体在真实环境下的状态，导致试验结果存在偏差。
4.针对岩土试样增减湿试验，目前重塑土样多采用人工干扰的配土方法，原状土样多根据毛细作用原理进行增湿，在试验条件下忽略了原状土的应力释放效应，且要达到土样水分均匀需要较长时间，试验效率低下。
5.目前，针对水化学污染岩土体的试验主要有静态浸出试验和动态柱试验，这些试验均难以保证稳态渗流；且上述试验淋滤装置破坏了土柱柱体的结构性，使土柱柱体只适用于当前一种水头高度，不能根据不同实验需求调整水头高度。
6.目前针对水化学污染原状土的研究大多采用浸泡法、渗透法、淋洒法和气压法进行污染模拟，其中：浸泡法和渗透法只能模拟土颗粒及其胶结物被溶蚀情况，忽略了土样自身结构性因素，淋洒法很难保证淋撒过程中污染液与土颗粒充分接触发生化学反应，现有气压法根据湿润锋作为土样制备终止条件，在垂直方向上与水化学溶液接触的均匀性与充分性难以有效保证，在水化学溶液浓度相对含量不大时，使用该方法可能无法污染到土样底部。
7.针对渗透试验，由于部分水化学溶液具有毒性或腐蚀性，无法在常规渗透仪器中试验，污染土渗透特性的试验研究因此受到制约。


技术实现要素：

8.为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于图像智能反馈的水化学污染土样的实验装置及方法，该方法能够尽可能的模拟实际工程中的化学污染，并且在减小土样结构损伤的同时通过轴向气压加快试验速度，同时通过计算机处理系统实现自动化和可视化，可有效提高试验效果和制备速率。
9.本发明是通过下述技术方案来实现的。
10.本发明一方面，提供了一种基于图像智能反馈的多功能水土作用实验装置，包括装置本体、供气装置、供水装置、图像采集系统和计算机处理系统；
11.装置本体内放置土样，底部连通气压装置，顶部连通供水装置，图像采集系统正对
装置本体；计算机处理系统分别连接图像采集系统、气压装置和供水装置；
12.通过调节装置本体内土样的不同压差，控制流入装置本体内水的流量及流速，通过图像采集系统实时获取在负压状态下土样的增减湿、淋滤试验和渗透情况。
13.优选的，所述装置本体内置土样两端放置透水石，土样与透水石之间放置过滤隔层，土样用橡皮膜包裹，装置本体底部设置吸嘴与气压装置连通。
14.优选的，所述吸嘴包括托盘和连通的吸管，托盘带上翻沿口，吸管为中空锥形管。
15.优选的，透水石、过滤隔层的外径与土样的直径相同。
16.优选的，过滤隔层采用ptfe聚四氟乙烯材料制作；吸嘴采用聚烯烃材料；橡皮膜为透明乳胶橡皮膜。
17.优选的，所述气压装置包括气压泵、真空缸、气压控制器和气压表，真空缸通过导管分别连通气压泵和装置本体底部吸嘴，气压控制器设在导管上，气压表设在真空缸上。
18.优选的，真空缸底部设有出液孔，出液孔连通储液瓶。
19.优选的，所述图像采集系统包括与计算机处理系统连接的工业相机，装置本体在工业相机摄像头视场范围内。
20.本发明另一方面，提供了一种所述装置的基于图像智能反馈的多功能水土作用实验方法，包括：
21.控制装置本体内土样的负压气压值；
22.向装置本体内土样上端注入实验所需水溶液，根据需要控制土样含水率；
23.获取土样在负压状态下发生渗透的图像数据；
24.根据任意时刻土样上端面照片灰度值g
tt
和下端面照片灰度值g
tb
，按照拍照顺序逐个计算土样上、下端面的实时照片灰度值偏差；
25.根据土样上、下端面的实时照片灰度值偏差满足的条件，通过计算机处理系统反馈至气压控制器，并关闭供给气压装置停止抽气，完成土样内部均匀增湿过程。
26.本发明再一方面，提供了一种所述装置的基于图像智能反馈的多功能水土作用实验方法，包括：
27.控制装置本体内土样的负压气压值；
28.向装置本体内土样上端注入水化学溶液，控制水流量及流速，模拟渗流水头；
29.获取任意时刻t土样上端面照片灰度值g
rr
和下端面照片灰度值g
rb
，按照拍照顺序逐个计算土样上、下端面的实时照片灰度值偏差；
30.根据土样上、下端面的实时照片灰度值偏差满足的条件，通过计算机处理系统反馈至气压控制器，并关闭供给气压装置，停止抽气；
31.计算土样经水化学溶液渗透污染达到稳态时的渗透系数，收集土样渗出液，得到水化学溶液在岩土体中的真实运动规律。
32.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
33.1.采用供给气压装置连通装置本体、图像采集系统实时采集装置本体内土样在负压状态下的增湿情况反馈至计算机处理系统，通过图像反馈土样化学污染，在减小土样结构损伤的同时通过轴向液压加快土体制备速度，提高土样增湿效果和增湿效率。
34.2.通过控制装置本体内土样的负压气压值；向装置本体内土样上端注入蒸馏水，控制增湿含水率；根据任意时刻土样照片灰度值平均值，计算在增湿过程中使得灰度值方
差，得到土样在负压状态下增湿强度变化，从而反映出岩土体中的水分运动情况、污染物迁移规律、岩土增减湿等多种水土作用下水化学溶液在岩土体中的真实运动规律，满足多种试验要求。
35.3.通过控制装置本体内土样的负压气压值，向装置本体内土样上端注入水溶液，控制水流量及流速，模拟渗流水头；计算污染土的渗透系数，收集土样渗出液，得到污染土中的渗透规律。
36.4.本发明采用自制吸嘴连接装置本体底部与供给气压装置，为实验中土样渗出流体提供汇集与导出通道，并通过自制吸嘴在制作时的尺寸调整，确保自制吸嘴与土样及导管的紧密贴合和密闭连接。
37.5.利用本发明装置可以根据实验目的和要求，设计出不同试验方案，解决了传统水土作用试验装置功能单一、效率低下、干扰土样结构性等问题。
附图说明
38.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
39.图1为本发明装置结构示意图；
40.图2为本发明自制吸嘴结构示意图；
41.图3为本发明计算机处理系统连接框图；
42.图4本发明实施例土样强度对比柱状图。
43.图1中：1-土样；2-透水石；3-过滤隔层；4-橡皮膜；5-吸嘴；6-气压泵；7-气压表；8-气压控制器；9-水流监测器；10-真空缸；11-储液瓶；12-出液孔；13-导管；14-溶液瓶；15-水流控制器；16-计算机处理系统；17-工业相机；18-导线。
44.5-1-托盘；5-2-吸孔；5-3-吸管。
具体实施方式
45.下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
46.参考图1，本发明实施例提供了一种基于图像智能反馈的水化学污染土样实验装置，包括一个装置本体，一个供气装置，一个供水装置，一个图像采集系统和一个计算机处理系统16。装置本体内放置土样，底部通过吸嘴连通供给气压装置，顶部连通供水装置，图像采集系统正对装置本体，并连接计算机处理系统，计算机处理系统分别连接气压装置和供水装置，通过图像采集系统实时获取在负压状态下的土样增减湿、淋滤试验、渗透情况。
47.装置本体包括土样1，土样上下两端放置透水石2，土样1与透水石2之间放置过滤隔层3，将上述土样用橡皮膜4包裹，装置本体底部安设定制吸嘴5。透水石2、过滤隔层3的外径与土样1的直径相同。
48.在本实施例中，橡皮膜4为透明乳胶橡皮膜，橡皮膜4能够为土样提供侧向约束力。过滤隔层3应根据本发明装置使用功能需要，采用滤纸材质透气透水隔层或ptfe聚四氟乙烯材质透气不透水膜。
49.装置本体顶部通过导管13连通供水装置，供水装置包括溶液瓶14和水流控制器
15，水流控制器15设在导管13，水流控制器15连接计算机处理系统16。溶液瓶14上带有刻度，溶液瓶是否透光根据水化学溶液性质确定。
50.装置本体底部通过导管13连通供气装置，供气装置包括气压泵6、气压表7、气压控制器8和真空缸10，真空缸10通过导管13连通气压泵6，气压表7设在真空缸10顶部，连通装置本体的导管13上设有气压控制器8。
51.其中，真空缸可以采用带有刻度的透明缸体。气压泵6可以通过气压控制器8控制在土样1底部施加负压，控制试验土样内液体的渗透速度，同时可以控制试验模拟渗流水头以及大气环境变化。
52.真空缸10底部设有出液孔12，出液孔12连通储液瓶11，出液孔12上设有旋转开关。通过真空缸10底部连通储液瓶11，将试验中土样1底部渗透溢出的液体收集。
53.图像采集系统包括通过导线18与计算机处理系统16连接的工业相机17，装置本体在工业相机17摄像头视场范围内，工业相机包括扩倍镜和变焦镜头，工业相机能够实时追踪土样颜色变化情况。
54.如图2所示，在本发明中，采用的吸嘴5包括托盘5-1、位于托盘5-1正中设有连接下方吸管5-3的吸孔5-2，以及连通吸孔5-2的吸管5-3；托盘5-1带上翻沿口，沿口内径与土样1、透水石2的外直径一致；吸管5-3中空，内、外壁均为圆锥面，内、外径沿纵向长度线性渐变：与托盘连接处内径最大，外径略大于所连接导管内径；外伸端处内径最小，外径略小于所连接导管内径。
55.吸嘴各部分壁厚均保持一致。连接时将定制的吸嘴的吸管部分全部塞入导管，依靠吸管渐变的径向尺寸挤压导管侧壁，确保连接处密闭性。吸嘴采用聚烯烃材料，可采用3d打印完成制作，材质与相连的导管13一致。
56.当气压控制器8控制真空缸10内的气体进入装置本体时，采用该自制的吸嘴能够在有效确保装置密闭性的前提下，汇集从土样1底部渗出的流体，并疏导其进入土样1下端导管13，实现对预期排出流体的收集和测量。
57.如图3所示，在本发明中，工业相机17、水流监测器9、气压控制器8和水流控制器15均连接计算机处理系统16。通过计算机处理系统16控制气压控制器8调节装置本体内真空度，向装置本体上端注入水化学溶液进行增湿处理，启动供给气压装置调节气压控制器8，实现对污染土样增湿。图像采集系统工业相机实时拍摄土样侧面的颜色变化，将实时采集的污染土样增湿情况反馈给计算机处理系统，通过调节向装置本体轴向液压，在尽可能减少土样结构的同时通过轴向液压加快土样制备速度。该方法适用于初始吸力较高且湿润后颜色改变明显的土样。
58.下面通过具体实施例来进一步说明采用上述装置进行基于图像智能反馈的水化学污染土样的实验方法，包括下述步骤：
59.实施例1：
60.本实施例提供了本发明装置应用于岩土试样增湿装置的使用方法，基于试验方法的客观需要，该方法适用于初始吸力较高且湿润后颜色改变明显的土样。
61.第一步，选取西安北郊原状黄土，室内试验测得原状黄土含水率为18％，依据土工试验规范制成圆柱土样(直径39.1mm，高80mm)，在土样1与上端透水石2之间放置滤纸作为透气性材质过滤隔层3，在土样1与下端透水石2之间放置ptfe聚四氟乙烯材质的透气不透
水膜作为透气性材质过滤隔层3，将上述土样用橡皮膜4包裹形成装置本体。装置本体底部安设定制的吸嘴5，并通过导管13与供给气压装置的真空缸10相连。
62.第二步，计算机处理系统16与工业相机17、气压控制器8、水流监测器9、水流控制器15之间通过导线18连接，供气装置、供水装置、装置本体之间通过导管13连接。
63.第三步，打开气压泵6对真空缸10抽真空，调节气压控制器8调控气压对装置本体中的土样1抽气，通过气压控制器控制气压数值0.08mpa。
64.同时打开水流控制器15通过导管13向土样1注水，在土样上端注入蒸馏水增湿至含水率为29％。
65.第四步，通过工业相机17实时拍摄土样1增湿照片，通过导线18传输至计算机处理系统16。
66.第五步，从抽气增湿开始，使用工业相机实时拍摄增湿过程中的土样照片，并选取1张/s连续拍摄的照片传输至计算机处理系统。计算机处理系统提取土样照片灰度值并进行统计分析，得到任意时刻t(按照连续拍摄顺序，以照片中土样上端面灰度值取得极小值的第一张照片拍照时刻为计时零点t＝0)的土样上端面照片灰度值g
tt
和下端面照片灰度值g
tb
。
67.根据任意时刻土样上端面照片灰度值g
tt
和下端面照片灰度值g
tb
，按照拍照顺序逐个计算土样上、下端面的实时照片灰度值偏差δg
t
＝|g
tt-g
tb
|，使δg
t
趋于最小值；
68.当δg
t
＝|g
tt-g
tb
|≤γ
·
|g
0t-g
0b
|时，通过计算机处理系统反馈至气压控制器，并关闭供给气压装置停止抽气。
69.式中，γ为与土样性质有关的经验系数，需要通过增湿试验数据统计处理确定，g
ot
和g
ob
分别为计时零点t＝o时土样上、下端面对应照片灰度值。
70.该步骤能够尽可能使土样内部均匀增湿。
71.第六步，增湿完毕，通过计算机处理系统16关闭气压控制器8和水流控制器15，与此同时，关闭气压泵6。
72.第七步，拆卸土样1完成增湿试验。
73.为了更好的展示本方案的实施效果，请参考表1和图4。其中表1展示了原状黄土在未增湿和增湿达到稳定状态时土样照片灰度值及灰度值方差变化。图4展示了通过原状土样和重塑土样在常规方法和气压控制法增湿前后的强度变化特征。
74.表1增湿前后原状黄土灰度值变化
[0075][0076]
实施例2：
[0077]
本实施例提供了本发明装置应用于岩土试样淋滤及渗透试验的使用方法：
[0078]
第一步，在土样1两端放置透水石2，在土样1与两端透水石2之间放置滤纸作为透气性材质过滤隔层3，将上述土样用橡皮膜4包裹形成装置本体。装置本体底部安设定制的吸嘴5，并通过导管13与供给气压装置的真空缸10相连。
[0079]
第二步，计算机处理系统16与工业相机17、气压控制器8、水流监测器9、水流控制器15之间通过导线18连接，供气装置、供水装置、装置本体之间通过导管13连接。
[0080]
第三步，打开气压泵6对真空缸10抽真空，同时打开水流控制器15通过导管13向土样1注入所需水化学溶液(模拟污染液)，打开水流监测器9。
[0081]
第四步，调节气压控制器8调控气压对土样1抽气，通过气压控制器8调节气压可对土样上下端增加不同压差，模拟渗流水头；通过水流监测器9监测溶液流量及流速，将采集的数据通过导线18传输至计算机处理系统16，
[0082]
第五步，从抽气渗透开始，使用工业相机实时拍摄渗透过程中的土样照片，按照1张/s的速度连续拍摄照片，并传输至计算机处理系统。计算机处理系统提取土样照片灰度值并进行统计分析，得到任意时刻t(按照连续拍摄顺序，以照片中土样上端面灰度值取得极小值的第一张照片拍照时刻为计时零点t＝0)的土样上端面照片灰度值g
rr
和下端面照片灰度值g
rb
。
[0083]
根据任意时刻土样上端面照片灰度值g
tt
和下端面照片灰度值g
tb
，按照拍照顺序逐个计算土样上、下端面的实时照片灰度值偏差δg
t
＝|g
tt-g
tb
|。
[0084]
当δg
t
＝|g
tt-g
tb
|≤γ
·
|g
0t-g
0b
|时，通过计算机处理系统反馈至气压控制器，并关闭供给气压装置停止抽气(可认为此时土样经水化学溶液渗透污染达到稳态)。
[0085]
可计算土样经水化学溶液渗透污染达到稳态时的渗透系数，其计算公式如下：
[0086][0087]
其中：k为土样的渗透系数，v为水流监测器采集的流速，l为土样轴向长度(渗流方向长度)，ρ为渗流液体密度，g为重力加速度，p为气压控制器控制的气压(土样上下端压差)。
[0088]
第五步，随着淋滤的进行，通过真空缸10下端出液孔12收集渗出液至储液瓶11中用于后期水质分析。
[0089]
第六步，通过计算机处理系统16关闭气压控制器8和水流控制器15，与此同时，关闭气压泵6，拆卸土样1完成试验。
[0090]
从以上实施例可以看出，采用本发明方法能够实现对岩土土样增湿，通过土样在气压控制下增湿前后的强度变化特征，得到水分在岩土体中的真实运动规律。另外，采用本发明方法能够实现岩土试样淋滤及渗透试验，通过模拟指定污染液在土样中发生渗透并达到稳态的过程，得到污染液在土中的渗透规律。
[0091]
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。