CN100446052C - 承压完整井抽水模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明承压完整井抽水模拟装置，包括带水泵的储水箱、底板保持水平的模拟箱，模拟箱内有供水腔、有含水层的模拟腔、抽水井，在含水层顶面有与底板平行的隔水顶板，模拟腔的横截面形状为扇形，模拟腔与供水腔、模拟腔与抽水井之间有透水网孔板，位于上游端的定水头溢流箱中的溢流回水腔与储水箱相通而溢流槽分别与储水箱水泵和供水腔相通，位于下游端的抽水溢流箱中的溢流回水腔与储水箱相通而溢流槽与抽水井中连通，至少三组测压玻璃管竖直装在模拟腔壁上，分别与测压管底部连通的测压软管的一端穿过模拟腔壁插入含水层中。能确定水文地质参数和计算含水层出水量，清晰展现自然界无法观测到的地下水渗流状态、含水层及抽水井结构。

Description

承压完整井抽水模拟装置

技术领域：

本发明与研究地下水运动规律的承压完整井抽水模拟装置有关。

背景技术：

在研究地下水运动时，往往采用数学方法，其前提是对含水层或含水系统作了一系列概化和限制条件下所求解的，如果这些概化和限制条件尚能反映出实际含水层的主要特征，那么数学解析解是可用的。

但是对实际含水层，如果它的非均匀性、各向异性以及复杂的边界几何形状不允许作过多的概化，那么，数学方法就难于应用，并且数学方法比较抽象，使初学者难于理解。故而采用模拟方法来研究复杂条件下的地下水运动规律。其中物理模拟是常采用的方法。近些年来，由于生产单位忙于完成自身的生产任务，很难接收院校师生科研和现场教学实习，且野外现场抽水试验耗资巨大，因此有必要加强实验室的科学研究和实践教学，以弥补野外现场试验、实习的不足。特别是一些相似模拟文水地质实体以及地下水渗流方面的实验。

抽水试验是水文地质领域重要的工作内容之一，可以确定水文地质参数，计算含水层出水量。以上参数和含水层的出水量是对地下水进行资源评价，地下水环境容量及污染预测评价教学模型建立是必不可少的重要资料。

发明内容：

本发明的目的是为了提供一种模拟和研究地下承压水在抽水时向完整井稳定渗流的物理模型，即能确定水文地质参数和计算含水层出水量，清晰展现自然界无法观测到的地下水渗流状态、含水层及抽水井结构的承压完整井抽水模拟装置。

本发明承压完整井抽水模拟装置，包括带水泵的储水箱、底板保持水平的模拟箱，模拟箱内有含供水孔的供水腔、有含水层的模拟腔、含抽水孔的抽水井，在含水层顶面有与底板平行的隔水顶板，模拟腔的横截面形状为扇形，模拟腔与供水腔、模拟腔与抽水井底板间有透水网孔板，位于模拟箱上游端的有溢流槽的定水头溢流箱中位于溢流槽外的溢流回水腔有通过管路与储水箱相通的溢流孔，定水头溢流箱的溢流槽中有通过管道分别与储水箱水泵和供水腔相通的进水孔、出水孔，位于模似箱下游端的有溢流槽的抽水溢流箱中位于溢流槽外的溢流回水腔有通过抽水溢流测流管与储水箱相通的溢流孔，抽水溢流箱的溢流槽中有通过管道与抽水井中抽水孔连通的进水孔，至少三组测压管竖直即铅垂装在模拟腔壁上，分别与测压管底部连通的测压软管的一端穿过模拟腔壁插入含水层中，供水腔、模拟腔、抽水井间采用透水网孔板隔离，透水不透砂。

上述的模拟腔横截面形状为圆心角为18°或20°的扇形，使模拟箱长、宽结构合理，可以显示地下水的渗流状态，且便于观察，根据需要，圆心角可适当放大或缩小。

上述的测压管为七组，等间距设置于模拟腔壁上，每组测压管为二根，与每组测压管底部连通的二根测压软管的另一端分别插入含水层的同一断面的上部、下部，可以显示抽水时承压水头面的形态。

上述的模拟箱上、下游处分别有能调节定水头溢流箱、抽水溢流箱高度的水位调节器，从而可调节渗透水流的水力坡度。

上述的水位调节器中有装在模拟箱上、下端的带螺纹的螺母、支座，与溢流箱连接的带螺纹的支耳，调节螺杆一端依次穿过螺母、支耳上的螺纹而与伸入支座。

上述的含水层厚度至少为40cm，最高承压水头为75cm，可满足实验中求得水文地质参数的要求。

上述的模拟装置中有与抽水溢流测流管连通的流量计。

上述的抽水井侧壁装有标尺，便于观测抽水井中的水位。

上述的模拟箱采用透明材料制成，便于观察含水层结构、地下水的渗流状态。

本发明装置可用粒径为0.5～1mm的标准石英砂(也可根据需要采用野外含水层的样品)模拟均质、各向同性含水层。

定水头溢流箱位于模拟箱的上游外侧，可调节定水溢流高度，以满足实验中不同的水头要求，其中溢流槽通过管道与供水腔相连而形成统一的水动力场，溢流槽又通过管道与储水箱中水泵相连。多余的实验用水通过溢流管返回储水箱，通过该供水系统，可以获得不同水头的稳定水流，以满足实验中需求。

抽水井位于模拟腔下游，流经模拟含水层的地下水可以均匀地进入抽水井中，同时抽水井侧面有标尺，可随时测读水位。

抽水溢流箱位于模拟腔的下游外侧，其中溢流槽通过管道与抽水井连通形成统一的水力动场，抽出的地下水通过与溢流回水腔连通的溢流测流管回到储水箱中，也可引入容器测定其流量或连接低水头高精度流量计测定流量，抽水溢流箱可上下调节高度，以满足实验中稳定抽水井的水位和流量。

本发明中用水位调节器可以调控模型中的承压水头面为水平面和不同倾角倾斜面。

本发明中用测压管显示井流实验区内各相应测压断面的承压水头值，同时测压管也相当于抽水井沿渗流方向布设的水位观测孔。

无论是自然界的地下水向承压完整井运动还是模型中的地下水向承压完整井的运动规律都符合裘布依承压水井流理论，都可以用裘布依承压水井流公式求解相关参数。

本发明承压完整井抽水模拟装置严格遵循裘布依承压水井流理论：

(1)采用粒径为0.5～1mm的标准石英砂(也可根据需要采用野外含水层的样品)模拟均质、各向同性含水层。隔水顶板和隔水底板水平。

(2)用定水头水位调节器和抽水井水位调节器的水位控制承压水头面为水平面和倾斜面。

(3)在试验过程中，沿途无水量的补给和排泄，各过水断面流量不变，在影响半径的圆周上由可溢流的水位调节器控制供水腔为定水头补给边界。

(4)设计的含水层厚度至少为40cm，最高承压水头为75cm，可进行至少3次水位降深试验，每次降深5cm-10cm，这样可以保证含水层始终为承压水。

本发明装置遵循相似模拟的原则；

(1)几何相似

本发明装置和自然界渗流区域中所有的长度元素成比例。

若以a_l表示长度比例系数，则有

${\mathrm{\α}}_1=\frac{L_N}{L_M}=\frac{B_N}{B_M}=\frac{M_N}{M_M}=\frac{H_N}{H_M}$

其中L_N、B_N、M_N表示自然界渗流区域的长度、宽度和厚度，L_M、B_M、M_M表示渗流模型的长度、宽度和厚度，H_N为自然界的渗流水头，H_M为渗流模型的水头。

满足式上的本发明装置，将与自然界渗流区域保持几何相似。

(2)动力相似

即本发明装置和自然界渗流中相应液体质点所受到的力的性质相同，且保持一定比例。

由于自然界的渗流绝大部份为层流，地下水的流动是粘滞力在起主要作用，而惯性力比粘滞力要小得多，可以忽略不计。因此，只要使模型中的渗流亦保持层流即可。

(3)边界条件一致

在自然界承压完整井抽水时，水流从360°方向流入井内，如在实验室建一个360°的模拟井，则占地面积大，造价高，可视性不好，而且试验难于调控，为了便于观测及实验的可行性，切取了360°井的1/18或1/20，即20°或18°的一扇形条块作为模拟对象，地下水在其中运动的规律是与在360°井中运动的规律是一致的，而且还便于观察含水层及抽水井的结构、地下水循环途径及运动要素、并且可以方便的调控实验水流，形成承压完整井抽水时地下水的渗流状态。所测得的流量乘以18或20即可代表360°井的流量。

(4)运动规律相似

即本发明装置和自然界渗流中相应液体质点的迹线相似，而且流体质点流经相应迹线段所需时间应成一定比例。承压完整井抽水模拟装置，模拟了钻井打穿隔水顶板和含水层至含水层底板(隔水层)水流从井的四周流入井内，根据裘布依的稳定流理论，当在承压完整井中进行较长时间抽水之后，井中的动水位和出水量都会达到稳定状态，同时在抽水井的周围也会形成有规则的稳定的承压水位降落漏斗，漏斗的R称为影响半径，井中的水面下降值S叫水位降深，从井中抽水的水量Q称单井出水量。

因此无论是自然界的地下水向承压完整井的运动还是模型中的地下水向承压完整井的运动规律都符合裘布依承压水井流理论，都可以用裘布依承压水井流公式求解相关参数。

承压水抽水时向完整井稳定运动的规律可用裘布依承压水井流公式来描述：

$Q=2.732K\frac{\mathrm{MS}}{\lg \frac{R}{r_w}}$

式中：K-渗透系数(cm/s)

M-承压含水层厚度(cm)

S-井中水位下降值(cm)

R-影响半径(cm)

r_W-井半径(cm)

本发明承压完整井抽水模拟装置就是将野外承压完整井抽水试验，按一定比例缩小制成的物理模型，模型可以再现承压完整井抽水的过程，模拟了承压地下水向完整井运动的状态，然后对模型中各运动要求素进行观测，再将观测到的结果按一定比例放大，就可得到与自然界承压完整井抽水时相对应的运动要素。本发明装置能测定相关的水文地质参数和计算含水层出水量，清晰展现自然界无法观测到的渗流状态，含水层和抽水井的结构。为研究地下水向承压完整井运动提供了一种有效的手段，

附图说明：

图1为本发明结构示意图。

图2为图1的A向视图。

图3为图1的B向视图。

图4为图1的C-C剖面图。

具体实施方式：

参见图1～图4，储水箱1中装有水泵2。模拟箱3装于位于储水箱顶部的支架上且底板始终保持水平。模拟箱四壁用有机玻璃制成。二透水网孔板4将模拟箱分隔成位于上、下游的供水腔5、抽水井6，位于供水腔5与抽水井6间的模拟腔7。模拟腔7的横截面形状如图3所示为圆心角α＝20°的扇形，其中有厚度40cm的含水层8。在含水层的顶面有与底板平行的隔水顶板36，隔水顶板上有隔水层37。七组带标尺33的测压管9等距离的竖直装于模拟腔壁上，可测定7个含水层断面的水位。每组二根等径测压管，与每组中测压管底端连通的二根测压软管10的另一端分别穿过模拟腔壁而插入含水层同一断面的上部和底部从而可测定每个含水层断面上部、下部的承压水头值。位于模拟箱上、下游处的调节定水头溢流箱水位调节器11、抽水溢流箱水位调节器12中分别有装在模拟箱上、下端的螺母13、支座14，与定水头溢流箱26或抽水溢流箱27连接的带螺纹的支耳15，调节螺杆16的下端依次螺纹穿过螺母、支耳而伸入支座中且能转动，调节螺杆的上端装有手轮17。正反转动手轮带动调节螺杆转动从而使支耳沿调节螺杆上、下转动，而调节水位调节器的高度。溢流板40将定水头溢流箱26分隔成溢流槽18、溢流回水腔23。溢流槽18底部有分别通过抽水管19、供水管20与储水箱水泵和供水腔相通的进水孔21、出水孔22。溢流槽外的溢流回水腔23底部有溢流孔24，与溢流孔24连通的定水溢流管25的另一端伸入储水箱中。抽水井侧壁上装有标尺而其底部有抽水孔34。抽水溢流板41将抽水溢流箱27分隔成溢流槽42和溢流回水腔28。溢流槽进水孔35通过管道38与抽水井中抽水孔连通，溢流槽的溢流回水腔28底部有溢流孔29，与溢流孔29连通的抽水溢流测流管30的另一端伸入储水箱中。抽水溢流测流管30的另一端测流管31插入低水头高精度流量计32中以测流量。图4中序号39为水位检测点。闭路循环的给排水系统由储水箱、水泵，可升降的定水头的供、抽水溢流箱组成。通过该系统可使模拟含水层获得不同水头稳定的实验用水。实验用水经回水管路回流至储水箱，实验用水可循环使用，不需外接供水、排水管路，使装置结构紧骤，占地少，移动方便，并可节约修建高位水塔和供水、排水管线的土建费用以及节约大量实验用水。使装置的造价和运行费用大大降低。此系统水位扬程3米，流量为1L/s。

本实施例装置以野外抽水时地下水向承压完整稳定运动的水文地质实体为模型对象的一种物理模型，相当于模似了360°井的1/18，即20°的一扇形条块体。地下水在其中运动的规律，是与在360°井中运动的规律是一致的，还便于观察含水层及抽水井的结构、地下水循环途径及运动要素、并且可以方便的调控实验水流，形成承压完整井抽水时地下水的渗流状态。所测得的流量q乘以18即可代表360°井的流量Q即：

Q＝18＝×q

式中：Q——承压完整360°井出水量(cm³/s)

q——承压完整20°井出水量(cm³/s)

承压完整井抽水模拟是通过对模型中各运动要素进行观测，其结果按一定比例放大，以获得与自然界承压完整井相对应的运动要素。本发明遵循了相似模拟的原则。即，几何相似、运动相似、动力相似、边界相似的原则。

采用本实施例装置作抽水试验时：

1、接通电源，打开水阀，调节上游定水头溢流箱的高度，使供水腔的水位略低于模拟箱顶面，试验过程中始终保持供水腔的水位不变。

2、降低抽水溢流箱，使第一次形成井中较小水位降深S，约5cm-10cm。待测压管水位及流量稳定后(注意测压管中不能有气泡或死水位)，观察；

(1)水流过程中各断面水位变化及同一铅垂断面上各测压管水位上高下低的原因。

(2)对比分析上、下游不同断面上相应各测压管水位的差值，下游大于上游的原因。

3、测定仪器参数和测压管水位及流量。

(1)测量抽水井半径r_W、各断面到抽水井中心距离L₁～L₇，并记录。

(2)读出各测压管水位并记录。

(3)保持供水箱腔抽水井溢流箱位置不移动，在抽水井溢流箱的出水口测定流量，记录数据。

(4)测定流量：保持供水腔水位不变，降低抽水井水位两次，每次5cm-10cm，重复(2)及(3)的操作。

(5)测定地下水实际流速：在供水腔注入红色示踪剂，分别观察到达第7～第1断面的时间，并记录。

4、依据实测流量Q、承压含水层厚度M、井中水位下降值S及影响半径R，采用裘布依承压水井流公式来求解渗透系数，并记录。裘布依井流公式为；

$Q=2.732K\frac{\mathrm{MS}}{\lg \frac{R}{r_w}}$

式中：式中：K-渗透系数(cm/s)

M-承压含水层厚度(cm)

S-井中水位下降值(cm)

R-影响半径(cm)

r_W-井半径(cm)

Q——承压完整井出水量(cm³/s)

5、根据h₇、h₁断面观测孔平均水位，用水头方程计算第6～第2断面的承压水头值并记录。

水头方程为：

$h_i=\sqrt{\frac{(h_7^2-h_1^2)\ln (r_i/r_1)}{\ln (r_7/r_1)}+h_1\left(\mathrm{cm}\right)}$

式中：h₁——任意断面的承压水头值

h₇——最上游断面含水层承压水头值

h₁——最下游端断面含水层承压水头值(cm)

r₇——最上游断面观测孔至抽水井中心距离(cm)

r₁——最下游断面观测孔至抽水井中心距离(cm)

通过本实施例装置能求观察抽水过程中地下水的渗流状态，验证裘布依承压水井流公式。通过实测数据求解含水层的相关参数。

上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims (9)

1、承压完整井抽水模拟装置，其特征在于包括带水泵的储水箱、底板保持水平的模拟箱，模拟箱内有含供水孔的供水腔、有含水层的模拟腔、含抽水孔的抽水井、在含水层顶面有与底板平行的隔水顶板，模拟腔的横截面形状为扇形，模拟腔与供水腔、模拟腔与抽水井之间有透水网孔板，位于模拟箱上游端的有溢流槽的定水头溢流箱中位于溢流槽外的溢流回水腔有通过溢流管与储水箱相通的溢流孔，定水头溢流箱的溢流槽中有通过管道分别与储水箱水泵和供水腔相通的进水孔、出水孔，位于模似箱下游的有溢流槽的抽水溢流箱中位于溢流槽外的溢流回水腔有通过抽水溢流测流管与储水箱相通的溢流孔，抽水溢流箱的溢流槽中有通过管道与抽水井中抽水孔连通的进水孔，至少三组测压管竖直装在模拟腔壁上，分别与测压管底部连通的测压软管的一端穿过模拟腔壁插入含水层中。

2、如权利要求1所述的承压完整井抽水模拟装置，其特征在于模拟腔横截面形状为圆心角为18°或20°的扇形。

3、如权利要求1或2所述的承压完整井抽水模拟装置，其特征在于测压管为七组，等间距设置于模拟腔壁上，每组测压管为二根，与每组测压管底部连通的二根测压软管的另一端分别插入含水层的同一断面的上部、下部。

4、如权利要求1或2所述的承压完整井抽水模拟装置，其特征在于模拟箱上、下游处分别有能调节定水头溢流箱、抽水溢流箱高度的水位调节器。

5、如权利要求4所述的承压完整井抽水模拟装置，其特征在于水位调节器中有装在模拟箱上、下端的带螺纹的螺母、支座，与溢流箱连接的带螺纹的支耳，调节螺杆一端依次穿过螺母、支耳上的螺纹而伸入支座中且能转动。

6、如权利要求1或2所述的承压完整井抽水模拟装置，其特征在于含水层厚度至少为40cm，最高承压水头为75cm。

7、如权利要求1或2所述的承压完整井抽水模拟装置，其特征在于有与抽水溢流测流管连通的流量计。

8、如权利要求1或2所述的承压完整井抽水模拟装置，其特征在于抽水井侧壁装有标尺。

9、如权利要求1或2所述的承压完整井抽水模拟装置，其特征在于模拟箱采用透明材料制成。

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