CN106781962B - 一种非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置 - Google Patents
一种非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置，包括渗流槽，填充于渗流槽中的渗透体，以及与渗流槽连通的水循环单元和示踪单元，示踪单元将示踪剂注入渗透体，渗流槽包括底板、侧板、上游进水组件、入渗组件、下游出水组件和导水组件，上游进水组件通过渗透体与下游出水组件相连接，渗透体上接入渗组件、下接导水组件，水循环单元将水体抽入上游进水组件和入渗组件，水体经渗透体到达下游出水组件和导水组件；渗透体由高渗岩土和低渗岩土构成，低渗岩土与高渗岩土倾斜相交，其竖直方向截面呈倾斜的长条形；本发明可以模拟地下水水平渗流运动和竖向渗流运动，并且能够模拟非均质各向同性含水层地下水渗流过程中的状态变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置，属于水文地质研究装置技术领域。
背景技术
由于人类活动的日益加剧，滑坡、泥石流、地下水污染、海水入侵等一系列地质环境问题日益突出，地下水的研究工作显得更加重要。作为地下水研究工作中的重要研究方法，室内模拟具有很多优点。作为物理模拟的主要工具，地下水模拟装置影响着物理模拟研究的发展，近年来，国内外涌现了一大批这类的装置。
例如，前人研制的流线演示仪(申请号201020647076.0)，它可以模拟渗流过程中流线的变化过程，但是该仪器不能反映地下水实际渗流过程中渗流状态变化。
从前人的研究中反映出如下几个缺陷：其一在模拟野外含水层中，现阶段所使用的物理模拟模型只能模拟均质含水层，而野外情况下大多为非均质含水层，以至于试验结果很难与野外情况吻合；其二现阶段的所有的砂槽大部分都是类似于海水入侵的平面模型，很少有能够既可以模拟横向渗流又可以模拟竖向入渗的模拟装置，且没有模拟装置能够模拟地下水在渗流过程中经过非均质岩土突变界面时所产生的渗流折射现象以及地下水渗流在低渗岩土层端部所产生的绕流现象。其三现阶段关于非均质各向同性地下水渗流过程的模拟都还只在电脑进行模拟阶段，暂没有一台能够在试验室进行物理模拟的设备。
近年来，各个领域都尝试运用系统理论分析解决实际问题。运用地下水在不同含水层水流系统分析地下水渗流问题，构建更接近野外真实水文地质条件的复杂物理模型是物理模拟发展的趋势。
发明内容
本发明的目的在于针对现有地下水渗流模拟装置不能模拟非均质各向同性含水层渗流的问题，提供一种非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置，可以进行水平方向和竖直方向的地下水渗流试验，模拟地下水水平渗流运动和竖向渗流运动，并且能够模拟非均质各向同性含水层地下水渗流过程中的状态变化。
实现本发明目的所采用的技术方案为，一种非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置，至少包括渗流槽，填充于渗流槽中的渗透体，以及与渗流槽连通的水循环单元和示踪单元，沿渗流槽长度方向，一端为上游进水端、另一端为下游出水端，所述渗流槽包括底板、一对侧板、上游进水组件、入渗组件、下游出水组件和导水组件，上游进水组件通过渗透体与下游出水组件相连接，渗透体上接入渗组件、下接导水组件，水循环单元将水体抽入上游进水组件和入渗组件，水体经渗透体到达下游出水组件和导水组件；
所述上游进水组件与下游出水组件均由渗透板、水头控制板和水槽构成，底板、一对侧板和两个水槽构成上端开口的密封槽区，两个水槽分别分布于密封槽区的上游进水端和下游出水端，渗透体位于密封槽区的中部，渗透板和水头控制板位于水槽与渗透体之间，两个渗透板分别与渗透体的上游进水端面和下游出水端面接触，渗透板和水头控制板的高度均低于水槽高度；所述渗透板和水头控制板上均开设有密布的渗透孔，水头控制板上渗透孔的孔径大于渗透板上渗透孔的孔径，下游出水组件的水头控制板的渗透孔中塞有孔塞；
所述入渗部分包括进水隔板、溢水板和两个挡水板，进水隔板位于上游进水组件的渗透板的上部，溢水板位于下游出水组件的渗透板的上部，溢水板中部沿其宽度方向开设有长条形的溢流孔，进水隔板和溢水板均高于水头控制板，两个挡水板沿水平方向分别固定于两个水头控制板的顶端并且封闭进水隔板和溢水板与与之临近的水头控制板之间的空隙；
所述导水组件包括导水渗透板、导水槽、导水管和集流器，其中导水渗透板位于渗流槽底板中并且靠近下游出水端，导水渗透板上同样开设有密布的渗透孔，导水槽位于导水渗透板下方并且通过导水渗透板与渗流槽连通，集流器与导水槽通过导水管连通，导水管上设有止水夹；
所述渗透体由高渗岩土和低渗岩土构成，高渗岩土分层捣实，按照实验要求在高渗岩土中的不同高度处分层捣实低渗岩土，低渗岩土的竖直方向截面呈倾斜角度为15°～45°的长条形；
所述水循环单元包括进水水箱、连通水管、进水管、抽水泵、出水管和出水水箱，其中进水水箱与出水水箱通过连通水管连通，抽水泵安装于抽水管上，抽水管连通进水水箱与上游进水组件的水槽，出水管连通出水水箱与下游出水组件的水槽；
所述示踪单元包括马氏瓶、分流器、示踪管和阀门，其中马氏瓶中灌注示踪剂，马氏瓶、分流器与渗流槽通过示踪管依次连通，渗流槽的前侧侧板中开设有2个以上示踪孔，示踪管接于示踪孔中，示踪孔沿低渗岩土倾斜方向间隔分布并且正对渗透体。
上游进水组件的渗透板的上部为未开孔平面板，该未开孔平面板构成进水隔板，进水隔板的高度为渗透板高度的1/15～1/8倍。
所述下游出水组件的渗透板的上部为开设长条形孔的未开孔平面板，该开设长条形孔的未开孔平面板构成溢水板，长条形孔构成溢流孔。
所述渗透板的高度大于水头控制板，进水隔板和溢水板的高度相同并且均等于渗透板与水头控制板的高度差。
溢流孔与邻近的挡水板的高度差为15～40mm。
还包括控压装置，所述控压装置包括水位传感器、导线和控制器，水位传感器和控制器通过导线连接，水位传感器安装于上游进水组件的水槽槽底。
上游进水组件的水槽槽底从中间分为进水处和测压处，测压处靠近渗透体，其高度相对进水处高度高20～50mm，水位传感器安装于测压处。
上述各管件与板件均通过管接头连接，管接头内部粘接有纱网。
所述渗透体的表面包裹有纱网。
上述各板件的连接处均通过密封胶粘接密封。
由上述技术方案可知，本发明提供的非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置是一种基于地下水流动系统理论的地下水渗流规律的演示装置，包括渗流槽、渗透体、水循环单元和示踪单元四个部分，其中渗透体由高渗岩土和低渗岩土构成，可以模拟非均质各向同性含水层的渗流规律，高渗岩土分层捣实，按照试验要求在高渗岩土中的不同高度处分层捣实低渗岩土，形成倾斜角度为15°～45°的长条形，配合示踪剂，能够清晰显示地下水在渗流过程中经过非均质岩土突变界面时所产生的渗流折射现象和地下水渗流在低渗岩土层端处所产生的绕流现象。
本发明渗流槽包括上游进水组件、入渗组件、下游出水组件和导水组件四个主要功能组件，上游进水组件分布于上游进水端，下游出水组件分布于下游出水端，上游进水组件通过渗透体与下游出水组件相连接，入渗组件位于渗透体顶面上，导水组件位于渗流槽底部，渗透体上接入渗组件、下接导水组件，水循环单元将水体抽入上游进水组件和入渗组件，水体经渗透体到达下游出水组件和导水组件；上游进水组件与下游出水组件中均设置渗透板和水头控制板，其中渗透板用于水体均匀入渗，同时其上部突出于渗透体用于形成进水隔板和溢水板，水头控制板用于控制水槽中水位，通过在下游出水组件的水头控制板的渗透孔中塞孔塞可以调节下游出水组件的水槽水位，入渗组件中溢水板的中部设置溢流孔，保证在渗透体上方形成一定高度的入渗水位，入渗水位高度即溢流孔与邻近的挡水板之间的高差。
由此，本发明可提供两种饱水方式：其一是关闭底部导水组件中所有止水夹，调节上下游水位同时达到最大高度，即上游水位设定在水头控制板最高一个渗透孔处、下游水位只留出最高处渗透孔溢流，一段时间后，按设定要求调节上游水位，下游则将孔塞从上至下打开至设定水位，模拟横向地下水渗流过程；其二是将下游水头控制板渗透孔全部使用孔塞，向上游水槽中始终供水，当水位高于进水隔板时开始饱水，此时将止水夹稍微打开以排出土样中气体，一段时间后，打开止水夹的同时保证入渗处水能够从溢流孔中流出，模拟竖向地下水渗流过程。
与现有技术相比，本发明提供的非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置具有如下优点：其一是可以显示非均质各向同性含水层中地下水渗流，能够清晰显示地下水在渗流过程中经过非均质岩土突变界面时所产生的渗流折射现象和地下水渗流在低渗岩土层端部所产生的绕流现象，并通过示踪剂给予直观显示；其二是既可以模拟横向地下水渗流过程，又可以模拟竖向地下水渗流过程，能够从较多角度反映非均质各向同性含水层的地下水渗流经过非均质岩土突变界面时所产生的渗流折射现象，和地下水渗流在低渗岩土层端部所产生的绕流现象，可为水文地质工作、地下水修复等水文地质、环境地质问题的开展提供解决方案，对地下水系统的研究具有重要的应用价值和科研价值。
附图说明
图1为本发明提供的非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置的整体结构图。
图2为上游进水组件的渗透板的结构示意图。
图3为下游出水组件的渗透板的结构示意图。
图4为水头控制板的结构示意图。
图5为导水组件的结构示意图。
其中：100-渗流槽，200-渗透体；1-进水水箱；2-连通水管；3-进水管；4-抽水泵；5-控制器；6-导线；7-水位传感器；8-渗透孔；9-渗透板；10-水位控制板；11-水槽；12-阀门；13-示踪管；14-马氏瓶；15-分流器；16-进水隔板；17-纱网；18-溢水板；19-挡水板；20-溢流孔；21-侧板；22-导水管；23-孔塞；24-管接头；25-出水管；26-导水渗透板；27-导水槽；28-止水夹；29-出水水箱；30-示踪孔；31-底板；32-高渗岩土；33-低渗岩土；34-集流器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。
参见图1，本发明提供了一种非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置，包括渗流槽100，填充于渗流槽中的渗透体200，与渗流槽连通的水循环单元和示踪单元，以及控制水循环单元运行的控压装置，在沿渗流槽长度方向上，以一端为上游进水端、另一端为下游出水端，所述渗流槽100包括底板31、一对侧板21、上游进水组件、入渗组件、下游出水组件和导水组件，上游进水组件通过渗透体200与下游出水组件相连接，渗透体200上接入渗组件、下接导水组件，水循环单元将水体抽入上游进水组件和入渗组件，水体经渗透体200到达下游出水组件和导水组件；
所述上游进水组件与下游出水组件均由渗透板9、水头控制板10和水槽11构成，水槽的其中一面槽壁缺失，底板31、一对侧板21和两个水槽11构成上端开口的密封槽区，两个水槽11分别分布于密封槽区的上游进水端和下游出水端，渗透体200位于密封槽区的中部，渗透板9和水头控制板10位于水槽11与渗透体200之间，两个渗透板9分别与渗透体200的上游进水端面和下游出水端面接触，渗透板9和水头控制板10相当于水槽缺失的槽壁，底板、侧板、水槽、渗透板和水头控制板均为有机玻璃板，其中底板31规格为厚20mm、宽20cm、长100cm，侧板21厚15mm、高70cm、长100cm，渗透板9厚10mm、高65cm，水头控制板10厚5mm、高60cm，水槽高70cm、宽20cm、壁厚15mm，渗透板9和水头控制板10间隔10mm，各板件的连接处均通过氯仿粘接密封；上游进水组件的水槽11槽底从中间分为进水处和测压处，测压处高度相对进水处高度高50mm并且靠近渗透体200；所述渗透板9和水头控制板10上均开设有密布的渗透孔8，如图4所示，水头控制板10上渗透孔8的孔径为10mm、梅花状分布，渗透板9上渗透孔8的孔径为5mm，下游出水组件的水头控制板10的渗透孔8中塞有孔塞23；
所述入渗部分包括进水隔板16、溢水板18和两个挡水板19，进水隔板16位于上游进水组件的渗透板9的上部，溢水板18位于下游出水组件的渗透板9的上部，溢水板18中部沿其宽度方向开设有长条形的溢流孔20，进水隔板16和溢水板18均高于水头控制板10，两个挡水板19沿水平方向分别固定于水头控制板10的顶端并且封闭进水隔板16和溢水板18与与之临近的水头控制板10之间的空隙，参见图2，上游进水组件的渗透板9的顶端5mm部分为未开孔平面板，该未开孔平面板构成进水隔板16，参见图3，下游出水组件的渗透板9的顶端5mm部分为未开孔平面板，在其水平向对称轴处开有宽度为10mm的长条形孔，该开设长条形孔的未开孔平面板构成溢水板18，该长条形孔即构成溢流孔20；
参见图5，所述导水组件包括导水渗透板26、导水槽27、集流器34和4根导水管22，其中导水渗透板26位于渗流槽底板中并且靠近下游出水端，导水渗透板26上同样开设有密布的渗透孔8，该渗透孔孔径为4mm，导水槽27位于导水渗透板26下方并且通过导水渗透板26与渗流槽连通，4根导水管22中3根为支管、连通集流器34与导水槽27，其上设有止水夹28，剩余一根导水管22为总管、连通集流器34与水循环单元；
所述渗透体200由高渗岩土32和低渗岩土33构成，高渗岩土32分层捣实，按照试验要求在高渗岩土32中的不同高度处分层捣实低渗岩土33，低渗岩土33的竖直方向截面呈倾斜角度为15°～45°的长条形，渗透体200的表面包裹有纱网17，防止渗透水流冲击岩土体变形；
所述水循环单元包括进水水箱1、连通水管2、进水管3、抽水泵4、出水管25和出水水箱29，其中进水水箱1与出水水箱29通过连通水管2连通，抽水泵4安装于抽水管3上，抽水管3连通进水水箱1与上游进水组件的水槽11，出水管连通出水水箱与下游出水组件的水槽11；
所述示踪单元包括马氏瓶14、分流器15、4根示踪管13和3个阀门12，其中马氏瓶中灌注一定浓度红墨水作为示踪剂，马氏瓶14、分流器15与渗流槽100通过示踪管依次连通，渗流槽的前侧侧板中开设有3个示踪孔30，3根分支示踪管13分别接于各示踪孔中，各示踪孔30沿低渗岩土33倾斜方向间隔分布并且正对渗透体200，通过阀门12调节每根分支示踪管13的流速使红墨水呈细线状渗流；
所述控压装置包括水位传感器7、导线6和控制器5，水位传感器7和控制器5通过导线6连接，水位传感器7安装于上游进水组件的水槽11的测压处，水位传感器7测定水压力大小，形成反馈信号传递至控制器5，对抽水泵4的流量进行控制，使水位稳定在设定水位；
上述前侧侧板21与示踪管13、水槽11与进水管3和出水管25均通过管接头24连接，管接头24外直径5mm、内直径为2mm，内部粘接有纱网，防止岩土漏出。
本发明提供的非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置的使用方法为：
(1)填充渗透岩体
本发明装置以模拟非均质各向同性含水层渗流为试验对象，将不同渗透性土样筛选风干后均匀装入渗流槽中，其中低渗透性土样随高渗透性土样进行填充，保证两种土样各自压密度相同。
(2)进行饱水
本发明装置提供两种饱水方式。其一是关闭底部所有止水夹，调节上下游水位同时达到最大高度，即上游水位通过控制器设定在水头控制板最高一个渗透孔处、下游水位只留出最高处渗透孔溢流，一段时间后，上游按设定试验调节控制器至设定水位、下游则将孔塞从上至下打开至设定水位；其二是将渗透孔全部使用孔塞塞紧，将抽水泵直接连接电源，此时抽水泵不受控制器限制，可始终泵水，当水位高于进水隔板时开始饱水，此时将导水组件中止水夹稍微打开以排出土样中气体，一段时间后，打开导水组件中止水夹的同时保证入渗处水能够从溢流孔流出。
(3)进行模拟
将马氏瓶放置在稍高处，调节示踪管阀门，使红墨水能够在渗流场中呈细线状渗流。观察不同水力条件下，渗流状态的变化，在本试验状态下，渗流状态可表现为折射、渗流两种基本状态。
Claims (10)
1.一种非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置，至少包括渗流槽，填充于渗流槽中的渗透体，以及与渗流槽连通的水循环单元和示踪单元，其特征在于：沿渗流槽长度方向，一端为上游进水端、另一端为下游出水端，所述渗流槽包括底板、一对侧板、上游进水组件、入渗组件、下游出水组件和导水组件，上游进水组件通过渗透体与下游出水组件相连接，渗透体上接入渗组件、下接导水组件，水循环单元将水体抽入上游进水组件和入渗组件，水体经渗透体到达下游出水组件和导水组件；
所述上游进水组件与下游出水组件均由渗透板、水头控制板和水槽构成，底板、一对侧板和两个水槽构成上端开口的密封槽区，两个水槽分别分布于密封槽区的上游进水端和下游出水端，渗透体位于密封槽区的中部，渗透板和水头控制板位于水槽与渗透体之间，两个渗透板分别与渗透体的上游进水端面和下游出水端面接触，渗透板和水头控制板的高度均低于水槽高度；所述渗透板和水头控制板上均开设有密布的渗透孔，水头控制板上渗透孔的孔径大于渗透板上渗透孔的孔径，下游出水组件的水头控制板的渗透孔中塞有孔塞；
所述入渗组件包括进水隔板、溢水板和两个挡水板，进水隔板位于上游进水组件的渗透板的上部，溢水板位于下游出水组件的渗透板的上部，溢水板中部沿其宽度方向开设有长条形的溢流孔，进水隔板和溢水板均高于水头控制板，两个挡水板沿水平方向分别固定于两个水头控制板的顶端并且封闭进水隔板和溢水板与与之临近的水头控制板之间的空隙；
所述导水组件包括导水渗透板、导水槽、导水管和集流器，其中导水渗透板位于渗流槽底板中并且靠近下游出水端，导水渗透板上同样开设有密布的渗透孔，导水槽位于导水渗透板下方并且通过导水渗透板与渗流槽连通，集流器与导水槽通过导水管连通，导水管上设有止水夹；
所述渗透体由高渗岩土和低渗岩土构成，高渗岩土分层捣实，按照实验要求在高渗岩土中的不同高度处分层捣实低渗岩土，低渗岩土的竖直方向截面呈倾斜角度为15°～45°的长条形；
所述水循环单元包括进水水箱、连通水管、进水管、抽水泵、出水管和出水水箱，其中进水水箱与出水水箱通过连通水管连通，抽水泵安装于进水管上，进水管连通进水水箱与上游进水组件的水槽，出水管连通出水水箱与下游出水组件的水槽；
所述示踪单元包括马氏瓶、分流器、示踪管和阀门，其中马氏瓶中灌注示踪剂，马氏瓶、分流器与渗流槽通过示踪管依次连通，渗流槽的前侧侧板中开设有2个以上示踪孔，示踪管接于示踪孔中，示踪孔沿低渗岩土倾斜方向间隔分布并且正对渗透体。
2.根据权利要求1所述的非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置，其特征在于：上游进水组件的渗透板的上部为未开孔平面板，该未开孔平面板构成进水隔板，进水隔板的高度为渗透板高度的1/15～1/8倍。
3.根据权利要求1所述的非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置，其特征在于：所述下游出水组件的渗透板的上部为开设长条形孔的未开孔平面板，该开设长条形孔的未开孔平面板构成溢水板，长条形孔构成溢流孔。
4.根据权利要求1或2或3所述的非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置，其特征在于：所述渗透板的高度大于水头控制板的高度，进水隔板和溢水板的高度相同并且均等于渗透板与水头控制板的高度差。
5.根据权利要求1或3所述的非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置，其特征在于：溢流孔与邻近的挡水板的高度差为15～40mm。
6.根据权利要求1所述的非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置，其特征在于：还包括控压装置，所述控压装置包括水位传感器、导线和控制器，水位传感器和控制器通过导线连接，水位传感器安装于上游进水组件的水槽槽底。
7.根据权利要求6所述的非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置，其特征在于：上游进水组件的水槽槽底从中间分为进水处和测压处，测压处靠近渗透体，其高度相对进水处高度高20～50mm，水位传感器安装于测压处。
8.根据权利要求1所述的非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置，其特征在于：上述前侧侧板与示踪管、水槽与进水管和出水管均通过管接头连接，管接头内部粘接有纱网。
9.根据权利要求1所述的非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置，其特征在于：所述渗透体的表面包裹有纱网。
10.根据权利要求1所述的非均质各向同性含水层地下水渗流规律模拟试验装置，其特征在于：上述底板、侧板、水槽、渗透板和水头控制板的连接处均通过密封胶粘接密封。
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