一种利用频域反射技术原位获取岩石含水率的方法及系统

技术领域

本申请涉及数据监测技术领域，尤其涉及一种利用频域反射技术原位获取岩石含水率的方法及系统。

背景技术

岩石风化是引起石质文物破坏的重要地质过程，有效探明引起岩石风化的水分来源是石质文物保护领域亟需解决的问题。由于岩石具有一定吸湿性，岩石水分含量会体现为岩石含水率变化，对岩石含水率进行监测是调查水分来源的有效手段。然而，无法通过传统称重方式对石质文物含水率进行原位监测，岩石水分的原位动态监测是一个难题。

基于监测介电常数原理的动态监测技术是目前的主要手段。频域反射技术（Frequency-Domain Reflectometry，FDR）和时域反射技术（Time-Domain Reflectometry，TDR）的岩土体含水率动态监测手段是实现多孔介质水分原位监测仅有的有效手段，其基本原理是通过高频电磁波监测得到介质的介电常数，再利用介电常数与含水率之间的经验关系计算出含水率。该类技术应用于土壤时，通常直接将传感器探针直接插入土壤并压实，之后通过较成熟的经验公式将获取的介电常数直接换算为土壤含水率。但该类技术应用于岩石存在的一个首要问题是目前尚无成熟的钻孔、插入探针的安装技术标准，钻孔大小不同，探针与岩体的接触面积不同均会导致将岩体介电常数转换为岩石含水率公式的不同。因此在传感器探针安装工艺难以统一的前提下，如何将野外原位监测得到的岩体介电常数转换为岩石含水率是亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请提供了一种利用频域反射技术原位获取岩石含水率的方法及系统，用以解决如何在野外现场原位将无法移动、称重的岩石的介电常数转换为含水率的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种利用频域反射技术原位获取岩石含水率的方法，包括：

在野外待监测岩石的表面钻孔并插入介电常数传感器的探针，以监测所述野外待监测岩石的介电常数；

获取所述野外待监测岩石的饱和状态对应的第一介电常数；

获取所述野外待监测岩石的残余含水率状态对应的第二介电常数；

选取一块与所述野外待监测岩石的岩性相同的岩样，在实验室内进行实验获得所述岩样的饱和含水率和残余含水率；

根据所述第一介电常数、所述第二介电常数、所述饱和含水率与所述残余含水率，获得将所述野外待监测岩石的介电常数转换为所述野外待监测岩石的含水率的转换公式，其中，所述介电常数和所述含水率之间存在线性映射关系；

获取所述野外待监测岩石的野外监测介电常数，根据所述转换公式和所述野外监测介电常数，获得所述野外监测介电常数对应的岩石含水率。

可选地，所述转换公式如下：

其中，

可选地，所述在野外待监测岩石的表面钻孔并插入介电常数传感器的探针，以监测所述野外待监测岩石的介电常数，包括：

根据所述介电常数传感器的探针的形状，在所述野外待监测岩石的表面以垂直于所述表面的形式进行钻孔，获得钻出的孔洞；

将所述介电常数传感器的探针完全插入至所述钻出的孔洞中，以监测所述野外待监测岩石的介电常数。

可选地，所述获取所述野外待监测岩石的饱和状态对应的第一介电常数，包括：

在通过物理喷水的方式使所述野外待监测岩石持续湿润的条件下，或者，在长时间降雨事件发生条件下，获取所述野外待监测岩石的介电常数稳定峰值；

将所述介电常数稳定峰值作为所述野外待监测岩石的饱和状态对应的第一介电常数。

可选地，所述获取所述野外待监测岩石的残余含水率状态对应的第二介电常数，包括：

获取一年内所述野外待监测岩石的介电常数最小值，将所述介电常数最小值作为所述野外待监测岩石的残余含水率状态对应的第二介电常数。

可选地，所述获取一年内所述野外待监测岩石的介电常数最小值，包括：

当所述野外待监测岩石位于季节性冻结区时，获取一年内冬季发生冻结现象时所述野外待监测岩石的介电常数最小值；

当所述野外待监测岩石位于冬季不能发生冻结的气候区时，获取一年内干燥季节内所述野外待监测岩石的介电常数最小值。

可选地，所述在实验室内进行实验获得所述岩样的饱和含水率和残余含水率，包括：

通过对所述岩样进行烘干，获得所述岩样的干重；

通过将所述岩样置于水中，获得所述岩样的饱和含水率状态质量，其中，将所述岩样置于水中的时长大于第一预设时长；

通过将所述岩样置于室内空气中，获得所述岩样的残余含水率状态质量，其中，将所述岩样置于室内空气中的时长大于第二预设时长；

根据所述干重、所述饱和含水率状态质量以及所述残余含水率状态质量，计算得到所述岩样的饱和含水率以及所述岩样的残余含水率。

可选地，在所述饱和含水率为饱和质量含水率，所述残余含水率为残余质量含水率时，所述岩石含水率为岩石质量含水率；

在所述饱和含水率为饱和体积含水率，所述残余含水率为残余体积含水率时，所述岩石含水率为岩石体积含水率；

所述饱和质量含水率的计算公式如下：

；

所述残余质量含水率的计算公式如下：

；

所述饱和体积含水率和所述饱和质量含水率之间存在预设转换关系；

所述残余体积含水率和所述残余质量含水率之间存在预设转换关系。

第二方面，本申请实施例提供了一种利用频域反射技术原位获取岩石含水率的系统，包括：处理器、存储器和通信总线，其中，处理器和存储器通过通信总线完成相互间的通信；

所述存储器，用于存储计算机程序；

所述处理器，用于执行所述存储器中所存储的程序，实现第一方面所述的利用频域反射技术原位获取岩石含水率的方法。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本申请实施例中，通过在野外现场原位直接监测无法移动、称重的野外待监测岩石的介电常数，获得野外待监测岩石的饱和状态对应的第一介电常数，以及残余含水率状态对应的第二介电常数；在实验室内对与野外待监测岩石的岩性相同的岩样进行实验获得岩样的饱和含水率和残余含水率；根据第一介电常数、第二介电常数、饱和含水率与残余含水率，获得将野外待监测岩石的介电常数转换为野外待监测岩石的含水率的转换公式，其中，介电常数和含水率之间存在线性映射关系；获取野外待监测岩石的野外监测介电常数，根据转换公式和野外监测介电常数，获得野外监测介电常数对应的岩石含水率。

由于无法在野外获取至少三个含水率状态下对应的介电常数，因此只能选取介电常数最大值（饱和状态）与对应的饱和含水率、介电常数最小值（残余含水率状态）与对应的残余含水率建立线性方程并求解，获得将野外待监测岩石的介电常数转换为野外待监测岩石的含水率的转换公式，弥补了岩石含水率用于野外监测时无法将输出的介电常数转换为含水率的技术不足。尽管在岩石上安装传感器探针的工艺难以统一，本申请的方案没有使用固定不变的经验公式，而是根据第一介电常数、第二介电常数、饱和含水率与残余含水率，获得将野外待监测岩石的介电常数转换为野外待监测岩石的含水率的转换公式，转换公式是会随时变化的，针对介电常数传感器任何型号、任何安装细节情况下，均能够将介电常数传感器监测的介电常数转化为岩石含水率，具有实验步骤原位、无损、简单、准确性较高的特点。解决了如何在野外现场原位将无法移动、称重的岩石的介电常数转换为含水率的问题。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中利用频域反射技术原位获取岩石含水率的方法流程示意图；

图2为本申请一个具体实施例中介电常数传感器安装的示意图；

图3为本申请一个具体实施例中转换公式计算过程的示意图；

图4为本申请实施例中利用频域反射技术原位获取岩石含水率的系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例中，提供了一种利用频域反射技术原位获取岩石含水率的方法。如图1所示，利用频域反射技术原位获取岩石含水率的方法流程主要包括：

步骤101，在野外待监测岩石的表面钻孔并插入介电常数传感器的探针，以监测野外待监测岩石的介电常数。

一个具体实施例中，在野外待监测岩石的表面钻孔并插入介电常数传感器的探针，以监测野外待监测岩石的介电常数，包括：根据介电常数传感器的探针的形状，在野外待监测岩石的表面以垂直于表面的形式进行钻孔，获得钻出的孔洞；将介电常数传感器的探针完全插入至钻出的孔洞中，以监测野外待监测岩石的介电常数。

如图2所示，为一个具体实施例中介电常数传感器安装的示意图。图2中，上方矩形框内的圆形为在野外待监测岩石的表面进行钻孔钻出的孔洞，下方叉子形状的为介电常数传感器的探针。

其中，介电常数传感器可以是EC-5TE介电常数传感器，该型号的传感器只是适用于本申请的实验方法的监测技术之一，本申请的实验技术方法适用于任何以监测介电常数为原理的含水率监测技术手段。EC-5TE介电常数传感器，是基于FDR技术，美国DECAGON公司生产的。

根据介电常数传感器的探针的形状，在野外待监测岩石的表面以垂直于表面的形式进行钻孔，应按照《GB/T 20704-2006 岩石钻孔 干式钻杆和钻头 连接尺寸规范》，确保钻出的孔洞垂直于野外待监测岩石的表面且介电常数传感器的探针能够完全插入至钻出的孔洞中。

步骤102，获取野外待监测岩石的饱和状态对应的第一介电常数。

一个具体实施例中，获取野外待监测岩石的饱和状态对应的第一介电常数，包括：在通过物理喷水的方式使野外待监测岩石持续湿润的条件下，或者，在长时间降雨事件发生条件下，获取野外待监测岩石的介电常数稳定峰值；将介电常数稳定峰值作为野外待监测岩石的饱和状态对应的第一介电常数。

步骤103，获取野外待监测岩石的残余含水率状态对应的第二介电常数。

一个具体实施例中，获取野外待监测岩石的残余含水率状态对应的第二介电常数，包括：获取一年内野外待监测岩石的介电常数最小值，将介电常数最小值作为野外待监测岩石的残余含水率状态对应的第二介电常数。

一个具体实施例中，获取一年内野外待监测岩石的介电常数最小值，包括：当野外待监测岩石位于季节性冻结区时，获取一年内冬季发生冻结现象时野外待监测岩石的介电常数最小值；当野外待监测岩石位于冬季不能发生冻结的气候区时，获取一年内干燥季节内野外待监测岩石的介电常数最小值。

其中，获取一年内冬季发生冻结现象时野外待监测岩石的介电常数最小值，此时所有液态水均转化为冰。

步骤104，选取一块与野外待监测岩石的岩性相同的岩样，在实验室内进行实验获得岩样的饱和含水率和残余含水率。

一个具体实施例中，在实验室内进行实验获得岩样的饱和含水率和残余含水率，包括：通过对岩样进行烘干，获得岩样的干重；通过将岩样置于水中，获得岩样的饱和含水率状态质量，其中，将岩样置于水中的时长大于第一预设时长；通过将岩样置于室内空气中，获得岩样的残余含水率状态质量，其中，将岩样置于室内空气中的时长大于第二预设时长；根据干重、饱和含水率状态质量以及残余含水率状态质量，计算得到岩样的饱和含水率以及岩样的残余含水率。

将岩样置于水中的时长大于第一预设时长，确保岩样长时间置于水中。将岩样置于室内空气中的时长大于第二预设时长，确保岩样长时间置于室内空气中。

在实验室内按照《GB/T 50266—2013 工程岩体试验方法标准》，通过对岩样进行烘干，获得岩样的干重；通过将岩样置于水中，获得岩样的饱和含水率状态质量，其中，将岩样置于水中的时长大于第一预设时长；通过将岩样置于室内空气中，获得岩样的残余含水率状态质量，其中，将岩样置于室内空气中的时长大于第二预设时长。

一个具体实施例中，在饱和含水率为饱和质量含水率，残余含水率为残余质量含水率时，岩石含水率为岩石质量含水率；在饱和含水率为饱和体积含水率，残余含水率为残余体积含水率时，岩石含水率为岩石体积含水率；

饱和质量含水率的计算公式如下：

；

残余质量含水率的计算公式如下：

；

饱和体积含水率和饱和质量含水率之间存在预设转换关系；残余体积含水率和残余质量含水率之间存在预设转换关系。

岩石含水率可以是岩石质量含水率，也可以是岩石体积含水率，本申请并不对此作出限制。

步骤105，根据第一介电常数、第二介电常数、饱和含水率与残余含水率，获得将野外待监测岩石的介电常数转换为野外待监测岩石的含水率的转换公式，其中，介电常数和含水率之间存在线性映射关系。

一个具体实施例中，转换公式如下：

其中，

如图3所示，为一个具体实施例中转换公式计算过程的示意图。图3中，

步骤106，获取野外待监测岩石的野外监测介电常数，根据转换公式和野外监测介电常数，获得野外监测介电常数对应的岩石含水率。

综上，由于无法在野外获取至少三个含水率状态下对应的介电常数，因此只能选取介电常数最大值（饱和状态）与对应的饱和含水率、介电常数最小值（残余含水率状态）与对应的残余含水率建立线性方程并求解，获得将野外待监测岩石的介电常数转换为野外待监测岩石的含水率的转换公式，弥补了岩石含水率用于野外监测时无法将输出的介电常数转换为含水率的技术不足。尽管在岩石上安装传感器探针的工艺难以统一，本申请的方案没有使用固定不变的经验公式，而是根据第一介电常数、第二介电常数、饱和含水率与残余含水率，获得将野外待监测岩石的介电常数转换为野外待监测岩石的含水率的转换公式，转换公式是会随时变化的，针对介电常数传感器任何型号、任何安装细节情况下，均能够将介电常数传感器监测的介电常数转化为岩石含水率，具有实验步骤原位、无损、简单、准确性较高的特点。解决了如何在野外现场原位将无法移动、称重的岩石的介电常数转换为含水率的问题。

基于同一构思，本申请实施例中还提供了一种利用频域反射技术原位获取岩石含水率的系统，如图4所示，该系统主要包括：处理器401、存储器402和通信总线403，其中，处理器401和存储器402通过通信总线403完成相互间的通信。其中，存储器402中存储有可被处理器401执行的程序，处理器401执行存储器402中存储的程序，实现如下步骤：

在野外待监测岩石的表面钻孔并插入介电常数传感器的探针，以监测野外待监测岩石的介电常数；获取野外待监测岩石的饱和状态对应的第一介电常数；获取野外待监测岩石的残余含水率状态对应的第二介电常数；选取一块与野外待监测岩石的岩性相同的岩样，在实验室内进行实验获得岩样的饱和含水率和残余含水率；根据第一介电常数、第二介电常数、饱和含水率与残余含水率，获得将野外待监测岩石的介电常数转换为野外待监测岩石的含水率的转换公式，其中，介电常数和含水率之间存在线性映射关系；获取野外待监测岩石的野外监测介电常数，根据转换公式和野外监测介电常数，获得野外监测介电常数对应的岩石含水率。

上述系统中提到的通信总线403可以是外设部件互连标准（PeripheralComponent Interconnect，简称PCI）总线或扩展工业标准结构（Extended IndustryStandard Architecture，简称EISA）总线等。该通信总线403可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图4中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

存储器402可以包括随机存取存储器（Random Access Memory，简称RAM），也可以包括非易失性存储器（non-volatile memory），例如至少一个磁盘存储器。可选地，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器401的存储装置。

上述的处理器401可以是通用处理器，包括中央处理器（Central ProcessingUnit，简称CPU）、网络处理器（Network Processor，简称NP）等，还可以是数字信号处理器（Digital Signal Processing，简称DSP）、专用集成电路（Application SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC）、现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，简称FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

在本申请的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当该计算机程序在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中所描述的利用频域反射技术原位获取岩石含水率的方法。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。该计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行该计算机指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。该计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络或者其他可编程装置。该计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，计算机指令从一个网站站点、计算机、服务器或者数据中心通过有线（例如同轴电缆、光纤、数字用户线（DSL））或无线（例如红外、微波等）方式向另外一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。该计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。该可用介质可以是磁性介质（例如软盘、硬盘、磁带等）、光介质（例如DVD）或者半导体介质（例如固态硬盘）等。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。