CN104318843B - 承压井注水试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明承压井注水试验装置，包括储水箱、有水平隔水底板的模拟箱，模拟箱中有横截面形状为圆心角至少为30°的扇形槽、与扇形槽上的圆弧透水壁相通的排水腔，位于扇形槽中的与圆弧透水壁同圆心的圆弧透水井壁将扇形槽分隔成承压注水井、有含水层的模拟腔，位于模拟箱承压注水井端的定水头溢流箱通过管道分别与储水箱相通、承压注水井相通，位于模拟箱排水腔处的排水箱通过管道分别与储水箱、排水腔相通，在模拟箱顶部相对模拟腔靠近注水井的位置装有注示踪剂水箱，位于注示踪剂水箱顶部有示踪剂箱，至少五组测压管等距离竖直装在模拟腔壁上。本发明可以直观了解向承压井中稳定注水过程中，井中水向承压含水层中运动的特征及水头分布规律，进行相关试验及参数测定。

Description

承压井注水试验装置

技术领域：

本发明与地质学的水文地质学科相关，特别与承压含水层及承压井相关。

背景技术：

承压水是广泛存在于自然界中的地下水，根据其埋藏条件，承压水是指充满于两个隔水层之间的含水层中的地下水。承压水上部的隔水层称为隔水顶板，下部的隔水层称为隔水底板。顶、底板之间的垂直距离为承压含水层的厚度。

井孔揭露承压含水层隔水顶板的底面时，瞬间测得是初见水位。随之，水位升到顶板底面以上一定高度稳定，此时测得的水位称为稳定水位。稳定水位的高程便是该点承压水的测压水位。稳定水位与隔水顶板高程差称为承压高度，即该点承压水的测压高度。

由于隔水顶板的存在，不仅使承压水具有承压性，还限制其补给和排泄范围。阻碍承压水与大气降水、地表水之间的水力联系。承压含水层的地质结构越封闭，其参与水文循环的程度越低，水交替循环越慢，地下水质水量变化越小。承压含水层根据在地下产出状态，可分为单斜承压含水层，水平含水层，若呈U形则称为承压盆地。

承压水通常由于埋藏较深及受地质构造的影响，其水位、水质及水量没有明显的季节性和多年性变化，承压水水交替缓慢，补给资源贫乏，再生能力较差。承压水不容易被污染，常常被人类开采利用作为饮用水资源。但是承压水一旦被污染，难以自净修复。

为研究一个地区的承压水在地层中的运动规律时，尤其是在确定地下水在地层中的渗流速度时，除了利用抽水试验来确定外，有些时候需要开展注水试验。如在野外，钻孔中的地下水位埋深较大或试验层透水却不含水时，可以用注水试验来代替抽水试验，从而近似获取地层渗透系数。

试验室测定承压含水层中地下水的实际流速时，对于均质各向同性的含水介质而言，可用渗透流速与有效孔隙度之比来求得，但往往这种方法测算的流速与其实际流速之间存在差异，这是由于地下水的运动路径复杂，遇到固相介质绕流而致。

承压水通常由于埋藏较深及受地质构造的影响，给人们对承压水的学习和研究，承压水的运动规律研究等带来很大的难度，往往采用勘探、钻探揭露含水层或采用数值模拟的方法，成本高，不直观。

发明内容：

本发明的目的是为了提供一种结构合理、可以直观了解向承压井中稳定注水过程中，井中水向承压含水层中运动的特征及水头分布规律，进行相关试验及参数测定的试验装置。

本发明的目的是这样来实现的：

本发明承压井注水试验装置，包括带水泵的储水箱、有水平隔水底板的模拟箱，模拟箱中有横截面形状为圆心角至少为30°的扇形槽、与扇形槽上的圆弧透水壁相通的排水腔，位于扇形槽中的底部固定在隔水底板上且与圆弧透水壁同圆心的圆弧透水井壁将扇形槽分隔成承压注水井、有含水层的模拟腔，在含水层顶面有与隔水底板平行的隔水顶板，位于模拟箱承压注水井端的能上、下升降的有溢流槽的定水头溢流箱中的位于溢流槽处的溢流回水腔通过管道与储水箱相通，定水头溢流箱中的溢流槽通过管道分别与储水箱水泵和承压注水井相通，位于模拟箱排水腔处的能上、下升降的有排水溢流槽的排水箱中位于排水溢流槽外的排水回水腔通过管道与储水箱相通，排水溢流槽通过管道与排水腔相通，在模拟箱顶部相对模拟腔靠近注水井的位置装有注示踪剂水箱，注示踪剂水箱底部有下部穿过隔水顶板伸入含水层中的示踪剂水管，注示踪剂水箱顶部有示踪剂箱，示踪剂箱上有伸入注示踪剂水箱中的示踪剂管，至少五组测压管等距离竖直装在模拟腔壁上，每组测压管为三根，与每组测压管底部连通的三根测压软管的另一端分别插入含水层中同一断面的上部，中部、下部。

上述的模拟箱上相对承压注水井、排水腔的位置分别设置有升降调节装置，升降调节装置中有装在模拟箱上、下端的带螺纹的螺母、支座，与定水头溢流箱或排水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。

上述的扇形槽中的圆心角为35°。

根据相似原理，将自然界中的承压含水层及钻孔（井）按照一定比例缩小制作成注水试验模型，采用砂槽模拟承压含水层来模拟注水时井中水向承压含水层渗流及地下水在承压含水层中的运动。为了使模型与原型各物理量成一定的比例关系，本发明遵从以下4个条件：①几何相似；模型的长度因次物理量与原型应相似，设X*为相似常数，X*=X_p/X_m，即为原型（p）与模型（m）的相似比，本发明模型的长度（L）、宽度(B)、含水层厚度(M)、及水头值(H)符合关系式：L*=B*=M*=H*。②动力相似；模型和原型渗流相应质点所作用的性质相同的力保持了一定的比例关系。本发明中地下水渗流符合线性渗透定律，其渗透流速（v）和渗透系数（K）符合关系式：v*=K*。③运动相似；时间(t)和有效孔隙度（n_e）满足如下关系：t*=n_e*；④边界条件相似。地表水水头及入渗量等相似。

本发明工作时，先将扇形槽两端的定水头流溢流箱和排水箱通过升降装置保持在同一高度，打开水泵抽水，当发现扇形槽两侧的稳定流溢流系统开始溢出时，关闭水泵电源，待多余的水排出后，扇形槽一侧的多组测压管水头值都在同一水平面上，即模拟注水前承压含水层的天然地下水位。此时，将位于承压注水井一侧的定水头溢流箱通过升降装置升值一定高度后，接通水泵电源，进行定流量注水，随着注水时间的延续承压注水井和排水腔的动水位会达到稳定。待注水井中水位与溢流箱中水位一致时，在承压含水层中以压注水井为中心，测压管的水头逐渐降低。形成了稳定的反向充水漏斗。

承压井注水过程可用承压井抽水稳定运动的裘布依井流方程来描述：

Q=2πKM（h-H）/ln(R/r_w) （1）

q_n-q_n-1/q≤2% （2）

Q=12q （3）

上述3式中，（1）式为注水时井中水向承压含水层稳定运动的裘布依数学方程，其中：Q为360°承压井注水量（ml/s）；K为模拟承压含水层的渗透系数（cm/s）；H为注水前的天然地下水位（cm）；h为承压注水井的动水位（cm）；R为注水影响半径（cm）；r_W为注水井的半径（cm）；（2）式为承压井注水量稳定性判别式，其中：q_n为第n次测定的承压井注水量（ml/s）；q_n-1为第n-1次测定承压井注水量（ml/s）；q为第n次与第n-1次所测注水量的平均值。（3）式为扇形槽稳定注水量与360°井稳定注水量的关系。

当承压井中的动水位为h时，可通过溢流排水箱不断的测定承压井的稳定注水量，可按（2）式判定注水后渗流是否稳定，取q即为稳定后的模拟承压井稳定注水量，然后利用（3）式计算360°承压井注水量Q。再测定这些观测管的承压水位，并将水位用平滑曲线相连从而得到反向充水漏斗。并将充水漏斗与初始水平线对比来确定影响半径R，同时，测定模拟注水前的天然地下水位和井半径r_w，并最终确定承压含水层的渗透系数K。试验过程中，通过靠近井一端的升降装置控制承压井注水量，从而控制反向充水漏斗的形状及承压井中的动水位h等，这样便可获取承压井注水后动水位与承压井注水量Q之间的关系，也能确定承压井注水后动水位与影响半径的关系曲线。通过测定渗透系数可了解承压含水层的透水性能大小，从而评价污染物在地下水中的渗流特征及迁移规律。而R～h曲线则能用于评价承压含水层的排泄的畅通性、富水性，储水性，为区域地下水资源开发利用及评价提供理论依据。

当承压中的动水位为h时，打开示踪剂注入系统，待示踪剂在含水层中形成稳定的流线时，可关闭示踪剂注入阀。

沿流线的切线方向均匀布量待测点，以测定地下水实际流速。

地下水实际流速可采用如下公式来测算，

u₁=V_渗/n_e （4）

u₂=L/Δt （5）

（4）为第理论公式计算的实际流速u₁，V_渗为地下水渗透流速，n_e为试样的有效孔隙度；（5）式为示踪剂法所得地下水实际流速u₂，为地下水迹线长，Δt为地下水质点运动L长度的耗时。试验后，通过对比（4）式及（5）式的地下水实际流速测定结果，可合理确定地下水在含水层中的真实流速，评价承压含水层中地下水的径流、排泄特点。

本发明可清晰、直观展现向承压井注水时地下水的运动过程和特征，通过本发明，可以直观了解承压井中水向承压含水层运动的特征，也可观测注水稳定后承压含水层中的水头分布情况及浸润曲线的变化规律，还可获取地层的渗透系数及注水形成反向充水漏斗的规模与注水量的关系。通过试验，可熟悉承压井注水试验的过程和相关的基础概念，学习注水试验资料整理和分析，为野外原位注水试验的开展打下良好的理论基础。

本发明根据相似模拟的原理，以水平承压含水层注水井为模拟对象，研究承压注水井中注水时承压含水层中地下水的运动规律，清晰直观的呈现水流运动的状态，为研究注水试验提供了一种有效手段，可大大降低研究成本。同时，本发明将为环境水文地质领域研究人员研究污染物在地下水的径流特征和迁移规律提供一种有效的途径，也为水文地质工作者在认识某一特定含水层的人工储能、地下水的人工补给等研究中提供参考依据，在水利水电工程建设中具有重要的工程价值。

附图说明：

图1为本发明结构示意图。

图2为图1中的A向视图。

图3为图2中的H向视图。

图4为图1中的B—B剖视图。

图5为图1中的C—C剖视图。

图6为图1的俯视图。

具体实施方式：

参见图1～图6，本实施例承压井注水试验装置，包括带水泵1的储水箱2、有水平隔水底板3的模拟箱4。模拟箱中有横截面形状为圆心角为35°的扇形槽5、与扇形槽上的圆弧透水壁6相通的排水腔7。位于扇形槽中的底部固定在隔水底板上且与圆弧透水壁同圆心的圆弧透水井壁8将扇形槽分隔成承压注水井9、有含水层10的模拟腔11。在含水层顶面有与隔水底板平行的隔水顶板12。位于模拟箱承压注水井端的能通过升降调节装置上、下升降的有溢流槽13的定水头溢流箱14中的位于溢流槽外的溢流回水腔15通过管道16与储水箱相通。定水头溢流箱中的溢流槽通过带控制阀的管道17、管道17—1分别与储水箱水泵和承压注水井相通。位于模拟箱排水腔处的通过升降调节装置能上、下升降的有排水溢流槽18的排水箱19中位于排水溢流槽外的排水回水腔20通过管道与储水箱相通。排水溢流槽通过管道与排水腔相通。在模拟箱顶部相对模拟腔靠近注水井的位置装有注示踪剂水箱21。注示踪剂水箱底部有下部穿过隔水顶板伸入含水层中的示踪剂水管22。注示踪剂水箱顶部有示踪剂箱23。示踪剂箱上有伸入注示踪剂水箱中的示踪剂管24。六组测压管25等距离竖直装在模拟腔壁上。每组测压管为三根，与每组测压管底部连通的三根测压软管26的另一端分别插入含水层中同一断面的上部，中部、下部。

参见图1，模拟箱上相对承压注水井、排水腔的位置分别设置有升降调节装置27。升降调节装置中有装在模拟箱上、下端的带螺纹的螺母28、支座29，与定水头溢流箱或排水箱连接的带螺纹的支耳30，调节螺杆31一端依次穿过螺母、支耳上的螺纹而伸入支座中且能转动。

参见图1，注示踪剂水箱上有通过带控制阀的水管32与水泵连通。图中序号33为稳定承压面。

参见图3，试验时，带有示踪剂的水流经承压注水井时就可以在圆弧透水井壁侧观察到边壁流效应34。

参见图1、图6，扇形槽的结构：往承压注水井中注水时，井中水向四周发散的承压含水层运动，形成一个反向充水漏斗状的（锥体形）稳定承压面，这个过程可用J·Dupuit稳定井流方程来描述。为了便于观测试验现象，采用35°的扇形槽来代替360°圆柱形地质体。地下水在35°扇形槽中的渗流规律与360°圆柱形地质体相似。扇形槽尺寸为：边长L=1.5m。扇形弧长0.785m，槽高0.5m。再将扇形槽固定在储水箱之上。扇形槽及模拟箱材料均为厚10mm透明有机玻璃材料制作，为满足装置的刚度及强度，有机玻璃均用厚50mm的角钢包边。

参见图1、图6，承压注水井：在扇形槽的圆心设置注水井，注水井下端至隔水底板，上端与大气相通。本发明承压注水井为35°的井，井半径为15cm。圆弧透水井壁圆弧形与扇形槽圆弧形透水壁的圆心一致。

参见图1，承压含水层：根据动力条件相似，选用粒径为0.1～1mm的标准砂用于模拟自然界中的松散孔隙介质，即模拟承压含水层。

参见图1，测压管（相当于自然界中的观测孔）：在扇形槽的一侧，等间距设置6个铅垂断面，在每个断面的上、中、下设置测压管，任意两个断面上、中、下测压管的位置完全一致。测压管下端穿透扇形槽一侧的有机玻璃与承压含水层接通，上端与大气相通。测压管用于观测注水前、注水过程中及注水稳定后的承压位变化情况。

参见图1，储水箱：储水箱位于矩形箱正下方，尺寸：1.8m×0.5m×0.35m。厚10mm的PVC材料制作，用厚50mm的角钢包边。储水箱内有恒流量水泵。用于试验给水。

参见图1，在地质体模拟箱正上方，靠近承压注水井（补给区）处设置了示踪剂测流系统，该系统由示踪剂注入管（φ=0.5cm）、稳定流供示踪剂箱组成。示踪剂注入管上部与稳定流供示踪剂箱连通，下部直接伸入承压含水层。稳定流供示踪剂箱的常水头相对高度大于承压面高程才能保证示踪剂的稳定供给，且稳定流供示踪剂箱的常水头高程（H_w）与承压面高程(H_c)的差值不宜过大。

通过注水试验可以观测到：注水前各观测孔水位相同，承压位连线为一水平线，注水时，以注水井为中心，观测孔水位依次降低，形成反向充水漏斗。根据稳定后的反向充水漏斗可确定注水影响半径R，注水孔内动水位h，确定承压含水层的渗透系数K。

上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应该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本发明的范围。

Claims (3)

1.承压井注水试验装置，包括带水泵的储水箱、有水平隔水底板的模拟箱，模拟箱中有横截面形状为圆心角至少为30°的扇形槽、与扇形槽上的圆弧透水壁相通的排水腔，位于扇形槽中的底部固定在隔水底板上且与圆弧透水壁同圆心的圆弧透水井壁将扇形槽分隔成承压注水井、有含水层的模拟腔，在含水层顶面有与隔水底板平行的隔水顶板，位于模拟箱承压注水井端的能上、下升降的有溢流槽的定水头溢流箱中的位于溢流槽外的溢流回水腔通过管道与储水箱相通，定水头溢流箱中的溢流槽通过管道分别与储水箱水泵和承压注水井相通，位于模拟箱排水腔处的能上、下升降的有排水溢流槽的排水箱中位于排水溢流槽外的排水回水腔通过管道与储水箱相通，排水溢流槽通过管道与排水腔相通，在模拟箱顶部相对模拟腔靠近注水井的位置装有注示踪剂水箱，注示踪剂水箱底部有下部穿过隔水顶板伸入含水层中的示踪剂水管，注示踪剂水箱顶部有示踪剂箱，示踪剂箱上有伸入注示踪剂水箱中的示踪剂管，至少五组测压管等距离竖直装在模拟腔壁上，每组测压管为三根，与每组测压管底部连通的三根测压软管的另一端分别插入含水层中同一断面的上部，中部、下部。

2.如权利要求1所述的承压井注水试验装置，其特征在于模拟箱上相对承压注水井、排水腔的位置分别设置有升降调节装置，升降调节装置中有装在模拟箱上、下端的带螺纹的螺母、支座，与定水头溢流箱或排水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。

3.如权利要求1或2所述的承压井注水试验装置，其特征在于扇形槽中的圆心角为35°。