基于CT扫描的岩体微观结构与渗流特性研究

摘要：岩体内部的微观结构对其渗流特性具有决定性影响，传统观测方法难以实现对内部裂隙网络和孔隙结构的无损可视化。借助CT扫描技术，能够对岩体微观结构进行高精度重建与三维分析，从而揭示裂隙演化过程与流体运移机制。本文从CT影像获取、图像处理、结构分析与渗流建模等方面展开系统研究，探讨岩体孔裂结构特征与渗流路径之间的关系，为岩体渗流规律解析与工程应用提供理论依据与技术支撑。

关键词：CT扫描；岩体结构；渗流特性

一、岩体微观结构CT扫描技术概述

（一）CT扫描在岩体研究中的应用基础

岩体微观结构复杂，裂隙网络、孔隙形态与矿物分布呈现多尺度非均质特征，传统测试手段难以实现对内部空间的完整解析。CT扫描技术作为一种非接触式成像方法，通过对射线穿透衰减的测量，实现对物体内部密度分布的无损获取。在岩体研究中，CT扫描通过获取多角度截面图像，构建三维数字岩心模型，从而精确刻画孔裂发育形态、体积分布与空间拓扑结构。CT数据具有高分辨率、高对比度与层次清晰等优势，可显著提升岩体结构定量表征的精度与广度。影像处理技术的结合使CT图像在后续分割、识别与定量计算中具备良好适应性，为岩体渗流研究提供可靠的输入基础。

（二）图像重建与孔隙识别技术流程

在CT扫描获取原始断层图像后，需借助图像重建算法将灰度矩阵转化为可视化模型。图像重建包括数据归一化、伪影校正与空间插值等多个环节，确保最终影像具备清晰边界与真实灰度对比。通过分割算法将孔隙、裂隙与基质区域分离，构建精细化的二值图像模型，提升结构特征识别的精度。区域增长法、阈值分割法与机器学习图像识别算法等广泛用于孔裂区域的提取，通过逐像素灰度分析与边缘检测技术，识别出连通孔道与孤立空隙。三维重建技术可将二维切片图像叠加，生成真实比例的三维结构模型，便于后续体积计算、连通性分析与结构分类，为建立数值渗流模型奠定图像数据基础。

（三）岩体结构参数的定量提取方法

从重建的岩体图像中提取结构参数是分析岩体渗流行为的前提。常用的结构参数包括孔隙率、比表面积、孔隙体积、连通路径长度与孔径分布等指标。孔隙率通过统计孔隙体素数量与总体体素数量之比获得，可反映岩体整体渗流能力。比表面积作为孔隙内壁与体积的比值，反映了界面复杂程度，与反应速率密切相关。孔径分布则通过拟合孔隙区域的几何形态，评估孔道输运能力与滞留特性。路径分析算法可识别流体通道连通性与主导渗流路径，揭示不同尺度结构对渗流速率的影响。结构参数的准确提取有赖于图像分辨率与算法精度，是构建岩体渗流模型与模拟实验结果的重要依据。

二、岩体微观结构对渗流特性的影响机制分析

（一）孔裂空间结构对渗流通道形成的制约作用

岩体渗流特性受到孔裂空间结构显著影响，结构形态决定了流体路径选择与流动效率。在岩体中，孔隙呈现不规则几何形态，裂隙则多沿弱面展布，形成复杂的网络状通道。孔隙之间的空间间距与连通性决定流体是否能够实现有效迁移，孤立孔隙虽占据一定体积但不参与流动过程。裂隙的张开度、长度与交汇角度共同决定其对流体的主导输运能力，结构紧密区裂隙密集、张开度小，容易形成局部阻流现象，导致压降加剧与渗透速率下降。不同孔裂区域间存在明显的渗流能力差异，孔裂组合结构决定了流场的分布形态与速度梯度。渗流路径在三维空间中的分布具有非均质性与各向异性，空间结构复杂程度直接决定了渗流过程中的非线性行为与非达西特征显现程度。岩体结构的复杂性与可视化图像的匹配度越高，越能真实还原流体在孔裂网络中的运动轨迹。

（二）孔隙尺度对局部渗流速率与滞流效应的控制关系

孔隙尺度分布是影响局部渗流特征的关键因素，在微尺度条件下，孔径大小决定单位时间内的通量水平。较大孔隙具有较低的流动阻力，可形成高通量主流通道，成为流体运移的主路径；微小孔隙则由于毛细作用与流动通道狭窄，容易出现滞流与局部积水现象。孔隙尺度的不均匀分布形成的孔径梯度结构会引起流速突变与压差梯度不稳定，导致局部区域出现涡旋与再分布现象，进而影响整体流动的均匀性与稳定性。孔径过渡区的边界效应明显，对流体颗粒产生滞后拖拽作用，降低迁移效率。滞流区域对污染物运移、热传导与反应物扩散过程具有显著影响，其形成位置与规模与孔隙分布紧密相关。不同尺度孔隙间的流速差异还导致剪切力梯度增强，可能引发结构变形与微裂扩展，对岩体稳定性构成潜在威胁。通过CT图像分析孔隙尺度分布特征，有助于预测不同区域的流速分布与渗流主控单元。

（三）裂隙连通性对整体渗透能力的主导贡献

裂隙连通性作为岩体渗流网络构建的核心因素，在渗流能力形成中起着主导作用。裂隙的存在打破了岩体内部的封闭状态，为流体提供了低阻通道，是高渗透区的主要构成部分。裂隙间的相互连通决定了渗流网络是否具备宏观导通能力，孤立裂缝虽具开度但无传输功能，对整体渗透性贡献有限。高连通裂缝区具有连续的渗流路径，能够有效连接多孔介质区域，形成复合型流动结构，提升整体渗透效率。裂隙交汇区域由于压力重分布，往往成为流速聚集点，是渗流模型中的高通量节点。裂隙网络的拓扑结构如分支密度、节点数量与平均路径长度等参数直接决定流场分布与通量变化。不同取向裂隙之间的角度关系对流体路径选择具有导向性，过小或过大的交汇角均会造成流速扰动与阻力加剧。通过CT图像识别裂隙连通程度并进行拓扑分析，有助于准确评估岩体宏观渗透能力与传输性能。

（四）微观结构变化对渗流路径演化的耦合作用

岩体在受力、浸润与溶蚀等外部因素作用下，其内部微观结构会发生复杂演化，直接影响渗流路径的重构与调节过程。受力作用引起裂隙张开、闭合与贯通，导致原有渗流通道拓宽或封闭，从而改变流体分布范围与主导通路。应力集中区裂缝扩展加剧，形成新连通通道，提升局部渗透性；而低应力区可能因裂隙闭合导致流动受限。浸润作用使得部分矿物发生膨胀或软化，引起孔隙体积变化与结构形变，进一步改变渗流能力分布。长期渗流过程中水化反应、矿物溶蚀与沉淀会引发孔隙闭合与管径变化，形成结构自调节与演化机制。结构演化具有区域性与时序性，流体路径在三维空间中发生非均匀重构，使得渗流系统呈现动态变化状态。微观结构变化通过改变流动边界条件与孔隙连接方式，影响整体流场结构、流速分布与压强梯度。CT扫描结合不同加载与流动工况下的对比分析，可实现对结构演化过程的可视化追踪，为揭示渗流路径动态演变规律提供支持。

三、结束语

基于CT扫描的岩体微观结构分析技术，为研究岩体渗流特性提供了精细化、可视化与定量化的研究手段。通过对孔裂结构的精确刻画与渗流行为的模拟分析，可全面揭示结构特征对渗流机制的影响关系。构建结构参数与流体行为之间的映射关系，不仅提升了岩体渗流研究的科学性，也为工程岩体稳定性分析与地下资源开发提供了坚实基础与数据支撑。

参考文献

[1] 赵云龙. 基于CT技术的岩体微观结构与渗流特征研究 [J]. 岩土工程技术，2023，43（02）：117-120.

[2] 王彦军. 岩石CT图像处理及渗流通道建模研究 [J]. 工程地质学报，2023，43（05）：133-137.