技术领域
[0001] 本
发明涉及
岩石力学试验技术领域，尤其是一种基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成方法，以及模拟粗糙面裂隙的试验系统。
背景技术
[0002] 岩体的天然裂隙结构和渗流行为异常复杂,岩体裂隙渗流机制与定量描述一直是岩土、矿业、地质、石油及
天然气工程高度关注的难点问题，并且岩体中的节理、裂隙等是地下
水渗流的主要通道，岩体裂隙表面粗糙性对
地下水渗流的影响较大。天然岩体中的裂隙长期受复杂的地质作用影响，其表面的粗糙特性千差万别，在数值模拟中很难直观的表征岩体表面的粗糙性，因此将裂隙表面简化为两个平行板，假设裂隙表面光滑，或者应用统计数中的概率
密度函数假定一种概率分布来描述来处理岩体裂隙表面的非均匀性，在一定程度上研究了表面粗糙度对渗流的影响，但对于特定的岩体表面裂隙，目前仍然无法反映其实际的表面起伏结构。岩石各组分的强度不同使得岩石破裂面的粗糙度发生较大差别，只有准确的描述岩石裂隙表面的起伏粗糙性结构才能更客观的反映岩石
应力-渗流耦合特征。
[0003] 数字
图像处理技术作为一种材料细观尺度上的空间结构精确测量和数字表述手段，已经广泛应用于岩土、
混凝土的细观结构定量分析中。数字图像技术通过将数码设备获得的图形信息进行分类提取，通过归一化处理转
化成0-1之间的数值，再根据相应的物理参数实测信息，对物理参数进行还原。该技术现阶段的主要应用包括岩石裂隙宽度非
接触测量和数字表述岩体非均匀性等。
[0004] 现有的天然岩体粗糙裂隙表面模拟，大多采用
树脂材料复制岩石表面特征，利用相似材料重构该裂隙面，这种方法无法避免试验中的不确定因素对裂隙重构的干扰，并且在流固耦合试验中无法对相同裂隙情况的两个试件分别进行不同的试验，并且无法准确的获得节理面水力开度，从细观尺度研究岩石的裂隙岩体流固耦合问题缺乏必要的研究方法及试验手段；为此需要对现有的试验方法及试验系统做进一步的改进。
发明内容
[0005] 为了提供一种研究岩石粗糙裂隙渗流物理力学规律的方法，准确描述岩石裂隙的粗糙性结构，从细观尺度研究岩石的裂隙岩体流固耦合问题提供方便，本发明提供了一种基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成方法及试验系统，具体技术方案如下。
[0006] 一种基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成方法，步骤包括：
[0007] 步骤A.制作岩石试件，并在岩石力学试验机上加载岩石试件，试件内形成贯穿裂隙，然后清除岩石试件表面碎屑；
[0008] 步骤B.通过
扫描仪对粗糙裂隙表面进行扫描，获得粗糙裂隙表面的数字图像；
[0009] 步骤C.处理所述数字图像，包括去除噪声处理和
阀值分割处理；
[0010] 步骤D.对处理后的数字图像RGB值进行归一化处理，获得数字图像表面的归一化矩阵，建立空间
坐标系，测量坐标系原点的起伏高度，获取图像数字矩阵还原比例；
[0011] 步骤E.计算得到数字还原矩阵，包括用所述还原比例乘以所述归一化矩阵；
[0012] 步骤F.利用数字还原矩阵和基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成试验系统，完成粗糙面裂隙的模拟，还原完整的空间裂隙。
[0013] 优选的是，岩石试件包括长方体试件、正方体试件和圆柱形试件，岩石力学试验机包括单轴加载试验机和三轴加载试验机；岩石试件表面的碎屑使用干燥的毛刷清理。扫描仪为激光扫描仪或
CT扫描仪，数字图像为位图或向量图。
[0014] 优选的是，空间坐标系的建立选取裂隙面上的确定点作为原点。
[0015] 进一步优选的是，归一化处理包括对
亮度值I进行归一化处理，区分岩体表面裂隙是下凹还是上凸；当以岩石表面下凹最低点为水平面，则数字图像的I值均大于0。
[0016] 进一步优选的是，原点的I值为hm(x)，选取岩体表面裂隙下凹最低点所在平面为基准面，实测原点与基准面之间的高程值hs(x)，获取还原比例因子。
[0017] 还优选的是，基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成试验系统，包括壳体、立柱、伸缩油缸阵列、控制系统和液压回路，壳体包括上壳体和下壳体，立柱连接上壳体和下壳体，伸缩油缸阵列包括上部伸缩油缸组和下部伸缩油缸组，上部伸缩油缸组和下部伸缩油缸组均设置有多个紧密排列的伸缩油缸，控制系统控制液压回路工作，液压回路控制伸缩油缸的伸缩。
[0018] 还进一步优选的是，上壳体和下壳体的边缘设置有多个立柱，立柱为伸缩结构，立柱同时伸缩调整上壳体和下壳体之间的距离。
[0019] 还进一步优选的是，上部伸缩油缸组和下部伸缩油缸组的边缘设置有
挡板，并且上部伸缩油缸组和下部伸缩油缸组的伸缩油缸相对布置并相互配合；伸缩油缸的截面为矩形。
[0020] 更进一步优选的是，粗糙面裂隙的模拟包括上部粗糙面裂隙的模拟和下部粗糙面裂隙的模拟；
[0021] 具体是，下部粗糙面裂隙的模拟中，先获取下部粗糙面裂隙的数字还原矩阵记为[A]，对[A]进行归一化处理得到 通过Matlab确定出 中一个最小值点和一个最大值点的坐标
位置，确定下部裂隙的基准面与岩石试件底面的距离h1，同时确定最小值点和最大值点相对于基准面的高度分别记为ξ1和ξ2，得到下部粗糙面裂隙表面任意一点的在坐标系中的位态函数：
[0022]
[0023] 上部粗糙面裂隙的模拟中，先获取下部粗糙面裂隙的数字还原矩阵记为[B]，对[B]进行归一化处理得到 通过Matlab确定出 中一个最小值点和一个最大值点的坐标位置，确定上部裂隙的基准面与岩石试件底面的距离h2，同时确定最小值点和最大值点相对于基准面的高度分别记为η1和η2，得到上部粗糙面裂隙表面任意一点的在坐标系中的位态函数：
[0024]
[0025] 将下部粗糙面裂隙和上部粗糙面裂隙合并，在岩石试件底面
选定原点建立新的空间坐标系，则裂隙开度空间分布函数ω(x)为：
[0026]
[0027] 将数字还原矩阵通过控制系统的电脑输入，基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成试验系统还原完整的空间裂隙，得到裂隙空间分布模型；
[0028] 裂隙空间分布模型应用于粗糙面裂隙岩体渗流模拟试验。
[0029] 一种用于粗糙面裂隙生成方法的试验系统，包括壳体、立柱、伸缩油缸阵列、控制系统和液压回路，所述壳体包括上壳体和下壳体，所述立柱连接上壳体和下壳体，所述伸缩油缸阵列包括上部伸缩油缸组和下部伸缩油缸组，上部伸缩油缸组和下部伸缩油缸组均设置有多个紧密排列的伸缩油缸，所述控制系统控制液压回路工作，所述液压回路控制伸缩油缸的伸缩。
[0030] 本发明的有益效果包括：
[0031] (1)提供了一种基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成方法，该方法通过对数字图像的处理，进而精确的重现岩石试件在拉伸、扭转或剪切破坏的粗糙面裂隙形貌特征，并真实的模拟岩体节理粗糙裂隙面起伏变化特征。
[0032] (2)本方法通过获取数字图像，并对数字图像进行
数据处理，得到数字还原矩阵；利用该矩阵在基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成试验系统中，模拟还原粗糙裂隙面；通过该系统还原还具有准确性高、成本低廉、可重复性好、操作简便等优点；并且该系统可以重复多次还原多个不同的粗糙裂隙面，为室内岩石力学试验提供了更为便利的试验方法。
[0033] (3)该方法对裂隙表面图像进行处理，很好的还原了岩体裂隙的分布，利用基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成试验系统，还原完整的空间裂隙得到的裂隙空间分布模型，应用于渗流试验中，可以准确的获得节理面水力开度，有效的模拟裂隙流流动过程，避免了岩石粗糙裂隙离散性大，可重复性差的
缺陷，为从细观尺度研究岩石的裂隙岩体流固耦合问题提供参考。另外本方法及试验系统能够完成不同条件下结构面物理力学性能测试的试验，还在渗流试验中具有广阔的应用前景。
附图说明
[0034] 图1为基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成方法
流程图；
[0035] 图2为粗糙裂隙表面数字图像和归一化图像示意图；
[0036] 图3为采集的粗糙裂隙表面数字图像的灰度分布规律图；
[0037] 图4为粗糙裂隙表面结构剖面示意图；
[0038] 图5为构建空间裂隙分布特征而建立的空间坐标系示意图；
[0039] 图6为上部粗糙面裂隙的模拟和下部粗糙面裂隙的模拟原理示意图；
[0040] 图7为裂隙模拟三维模型图；
[0041] 图8为基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成试验系统示意图；
[0042] 图9为试验系统外部结构示意图；
[0043] 图10为上部伸缩油缸组和下部伸缩油缸组结构示意图；
[0044] 图11为伸缩油缸阵列的局部放大图；
[0045] 图12为模拟粗糙裂隙表面截面拆分图；
[0046] 图中：1-壳体；11-上壳体；12-下壳体；2-立柱；3-伸缩油缸阵列；4-控制系统；5-液压回路。
具体实施方式
[0047] 结合图1至图12所示，本发明提供的一种基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成方法及试验系统具体实施方式如下。
[0048] 岩体粗糙裂隙表面的模拟，大多采用树脂材料复制岩石表面特征，再利用相似材料重构该裂隙面，这种方法无法避免试验中的多次复制及制作过程中不确定因素对裂隙重构的干扰，在流固耦合试验中无法对相同裂隙情况的两个试件分别进行不同的试验，并且难以准确的获得节理面水力开度，从细观尺度研究岩石的裂隙岩体流固耦合问题缺乏必要的研究方法及试验手段。本发明通过获取裂隙面的数字图像，建立数字模型，利用岩石裂隙表面某一点的实际测量结果，得到裂隙面对应点的数据值，获得图像和实际裂隙高差的比例因子对表面起伏信息进行还原，通过数字还原矩阵得到裂隙空间分布模型，裂隙空间分布模型进行流固耦合模拟试验，结果表明裂隙流流动速度明显小于相似材料的模拟，并且岩石裂隙数值模拟中能准确的获得节理面水力开度，有效的模拟裂隙流流动过程。
[0049] 一种基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成方法，如图1所示，其步骤包括：
[0050] 步骤A.
[0051] 制作岩石试件，并在岩石力学试验机上加载岩石试件，试件内形成贯穿裂隙，然后清除岩石试件表面碎屑。
[0052] 岩石试件包括长方体试件、正方体试件和圆柱形试件等多种形状及尺寸的试件，试件由现场岩石取样制作而成，岩石力学试验机包括单轴加载试验机和三轴加载试验机等试验机，试验机加载试件得到贯穿裂隙。岩石试件表面的碎屑使用干燥的毛刷清理，从而消除碎屑对裂隙表面成像的干扰。
[0053] 步骤B.
[0054] 通过扫描仪对粗糙裂隙的表面进行扫描，获得粗糙裂隙表面的数字图像，图像为.jpg格式或.bmp格式及其他可处理的图像格式。其中扫描仪为激光扫描仪、岩石扫描仪或CT扫描仪，数字图像为位图或向量图。
[0055] 步骤C.
[0056] 处理所述数字图像，包括去除噪声处理和阀值分割处理，从而保证裂隙面数字图像
质量。其中，得到的数字图像具有明显的峰值，可以作为确定的分割阀值。图像在生成和传输过程中常因受到各种噪声的干扰和影响而使图像降质，噪声种类很多包括电噪声、机械噪声、信道噪声和其他噪声，这对后续图像的处理(如分割、压缩和图像理解等)将产生不利影响；常用去除图像噪声的方法包括折叠均值
滤波器去噪、折叠自适应维纳滤波器去噪、折叠中值滤波器去噪、形态学噪声滤除器去噪和小波去噪等。
[0057] 步骤D.
[0058] 对处理后的数字图像RGB值进行归一化处理，获得数字图像表面的归一化矩阵，建立空间坐标系，测量坐标系原点的起伏高度，获取图像数字矩阵还原比例。
[0059] 图像RGB值即亮度，并使用整数来表示。通常情况下，RGB各有256级亮度，用数字表示为从0～255。灰度值是指指黑白图像中点的
颜色深度，范围一般从0～255，白色为255，黑色为0。因此获取的数字图像可以为黑白图像或彩色图像，满足该处理条件的图像质量要求即可。
[0060] 其中，空间坐标系的建立选取裂隙面上的确定点作为原点。归一化处理包括对亮度值I进行归一化处理，区分岩体表面裂隙是下凹还是上凸；当以岩石表面下凹最低点为水平面，则数字图像的I值均大于0。原点的I值为hm(x)，选取岩体表面裂隙下凹最低点所在平面为基准面，实测原点与基准面之间的高程值hs(x)，获取还原比例因子。
[0061] 以具体的试验为例，粗糙裂隙表面数字图像灰度图像分布
频率分布如图3所示，对图像的亮度值I进行归一化处理，用来区分岩体表面裂隙是下凹还是上凸。图2给出了三组裂隙表面图像I值归一化分布图，以岩石表面下凹最低点为水平面，该水平面作为参考平面的选取如图4所示，所以图中I值均大于0，I值分布介于0.1-0.9之间，对比图2中给定的裂隙表面和归一化数字图像，得到给定的岩石裂隙表面图像与生成的I值图像完全对等，说明基于该阀值和图像处理技术的I值分割方法在岩石裂隙表面起伏性的表征中表现良好。
[0062] 其中，对获取的I值进行归一化处理后，得到图像数据矩阵Fig(x)，本试验中通过建立300mm×150mm×150mm的计算模型。然后获取图像中某点的I值hm(x)，以模型中的下凹最深度点所在水平面为基准，通过测量方法获得图像中选取点对应的高程实际值hs(x)。
[0063] 步骤E.
[0064] 计算得到数字还原矩阵，包括用所述还原比例乘以所述归一化矩阵。
[0065] 以上述试验为例在计算出还原比例因子后，便可以根据获得的I值函数Fig(x)对裂隙表面图像进行还原，得到裂隙表面的实际函数H(x)，粗糙裂隙表面如图4所示。
[0066] 步骤F.
[0067] 利用数字还原矩阵和基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成试验系统，完成粗糙面裂隙的模拟，还原完整的空间裂隙。
[0068] 其中，粗糙面裂隙的模拟包括上部粗糙面裂隙的模拟和下部粗糙面裂隙的模拟。
[0069] 下部粗糙面裂隙的模拟中，先获取下部粗糙面裂隙的数字还原矩阵记为[A]，对[A]进行归一化处理得到 通过Matlab确定出 中一个最小值点和一个最大值点的坐标位置，确定下部裂隙的基准面与岩石试件底面的距离h1，同时确定最小值点和最大值点相对于基准面的高度分别记为ξ1和ξ2，得到下部粗糙面裂隙表面任意一点的在坐标系中的位态函数：
[0070]
[0071] 上部粗糙面裂隙的模拟中，先获取下部粗糙面裂隙的数字还原矩阵记为[B]，对[B]进行归一化处理得到 通过Matlab确定出 中一个最小值点和一个最大值点的坐标位置，确定上部裂隙的基准面与岩石试件底面的距离h2，同时确定最小值点和最大值点相对于基准面的高度分别记为η1和η2，得到上部粗糙面裂隙表面任意一点的在坐标系中的位态函数：
[0072]
[0073] 将下部粗糙面裂隙和上部粗糙面裂隙合并，在岩石试件底面选定原点建立新的空间坐标系，如图5至图7所示，则裂隙开度空间分布函数ω(x)为：
[0074]
[0075] 将数字还原矩阵通过控制系统的电脑输入，基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成试验系统还原完整的空间裂隙，得到裂隙空间分布模型；该裂隙空间分布模型可以应用于粗糙面裂隙岩体渗流模拟试验。
[0076] 上述基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成方法，通过对数字图像的处理，进而精确的重现岩石试件在拉伸、扭转或剪切破坏的粗糙面裂隙形貌特征，并真实的模拟岩体节理粗糙裂隙面起伏变化特征；还通过获取数字图像，并对数字图像进行数据处理，得到数字还原矩阵；利用该矩阵在基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成试验系统中，模拟还原粗糙裂隙面；通过该系统还原还具有准确性高、成本低廉、可重复性好、操作简便等优点；并且该系统可以重复多次还原多个不同的粗糙裂隙面，为室内岩石力学试验提供了更为便利的试验方法。
[0077] 如图8至图12所示，基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成试验系统，具体结构包括壳体1、立柱2、伸缩油缸阵列3、控制系统4和液压回路5，其壳体1包括上壳体11和下壳体12，立柱2连接上壳体11和下壳体12，伸缩油缸阵列3包括上部伸缩油缸组和下部伸缩油缸组，上部伸缩油缸组和下部伸缩油缸组均设置有多个紧密排列的伸缩油缸，控制系统4控制液压回路5工作，液压回路5控制伸缩油缸的伸缩。壳体1具有稳定的结构，上下壳体组合的结构包覆整个试验装置从而避免该系统受到外界环境的干扰；立柱保证上下壳体的连接和组合，伸缩缸阵列在其面积和体积范围内可以模拟任意组合的粗糙面裂隙，控制系统和控制回路用于伸缩油缸的精准控制。
[0078] 其中上壳体11和下壳体12的边缘设置有多个立柱2，多个立柱2可以沿上壳体11和下壳体12的边缘对称布置，其立柱2可以为伸缩结构，立柱2同时伸缩调整上壳体和下壳体之间的距离，从而方便裂隙模拟的操作和观察。上部伸缩油缸组和下部伸缩油缸组的边缘设置有挡板，对上部伸缩油缸组和下部伸缩油缸组进行限位，并且上部伸缩油缸组和下部伸缩油缸组的伸缩油缸相对布置并相互配合，如图10和图12所示，保证上部伸缩油缸组和下部伸缩油缸组的伸缩油缸能够逐个整齐对应。伸缩油缸的截面为矩形，相连的伸缩油缸之间还需要做放
水处理，方便进行粗糙面裂隙岩体渗流模拟试验。
[0079] 该方法对裂隙表面图像进行处理，很好的还原了岩体裂隙的分布，利用基于数字图像技术的粗糙面裂隙生成试验系统，还原完整的空间裂隙得到的裂隙空间分布模型，若应用于渗流试验中，可以准确的获得节理面水力开度，有效的模拟裂隙流流动过程，避免了岩石粗糙裂隙离散性大，可重复性差的缺陷，为从细观尺度研究岩石的裂隙岩体流固耦合问题提供参考。另外本方法及试验系统能够完成不同条件下结构面物理力学性能测试的试验，还在渗流试验中具有广阔的应用前景。
[0080] 当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，
本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
