CN104389591A - 固液耦合相似材料模拟注水系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种固液耦合相似材料模拟注水系统属于水文地质学与采矿学技术领域。该系统包括模拟含水层子系统和注水子系统，所述的注水子系统给模拟含水层子系统注水，所述的模拟含水层子系统包括：砾石沙子结构，所述的砾石沙子结构中间开有一凹槽；所述的凹槽的一端通过第一软管与注水子系统相连通；所述的第一软管的另一头与2个第二软管连通，所述的第二软管的另一端设有密封头；不透水层结构，所述的不透水层结构包裹在砾石沙子结构的外部；多个水压传感器。该系统具有能向含水层注入适量不同压力条件下的承压水，而且能方便地观测到含水层运移情况，还可以测出含水层中各个点的水压。
Description
技术领域
本发明涉及水文地质学与采矿学技术领域，尤其涉及一种固液耦合相似材料模拟注水系统。
背景技术
目前，关于相似材料模拟注水技术的研究较少且存在诸多难点。
相似材料模拟含水层目前主要存在下面的不足：1、密闭性不好，很难准确实现含水层模拟；2、选用材料不合理，无法有效保障水的储存和沙的运移；3、模拟过程宏观可视化程度低，微观数据采集精度不高。
现有的注水系统主要存在以下缺点：1、操作不够便捷；2、难以实现自动注水；3、不能实时监控水压、水量及渗流时间。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种固液耦合相似材料模拟注水系统，该系统是通过地面注水系统给相似材料模拟含水层注水来进一步研究地下水文地质信息，进而为水文地质研究和采矿提供有益参考信息。该系统不仅能向含水层注入适量不同压力条件下的承压水，而且能方便地观测到含水层变化情况，还可以测出含水层中各个点的水压。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种固液耦合相似材料模拟注水系统，包括模拟含水层子系统和注水子系统，所述的注水子系统给模拟含水层子系统注水，
所述的模拟含水层子系统包括：
砾石沙子结构，所述的砾石沙子结构包括鹅卵石、石英砂和沙子，所述的沙子中放入酸碱指示剂；所述的砾石沙子结构中间开有一凹槽；所述的凹槽的一端通过第一软管与注水子系统相连通；所述的凹槽的另一端与多个第二软管一端连通，所述的第二软管的另一端设有密封头，所述的第二软管上均设有多个第一孔；
不透水层结构，所述的不透水层结构包裹在砾石沙子结构的外部，所述的不透水层结构上设有多个第二孔，所述的多个第二孔设于与砾石沙子结构开有凹槽一面相对的另一面；
多个水压传感器，所述的多个水压传感器均设于模拟含水层子系统中。
所述的注水子系统包括：
一高压氮气罐；
一移动支架；
一容器，所述的容器设于所述的移动支架上；所述的容器内装有碱水；
一进气口，所述的进气口设于所述的容器的上部并与容器内部相连通；所述的进气口通过第三软管与所述的高压氮气罐的出气口相连通；
一出水装置，所述的出水装置设于所述的容器的下部，所述的出水装置包括水管和依序设于水管上的水压传感器、出水口阀门和出水口；
一水位记录刻度表，所述的水位记录刻度表设于所述的容器的外表面；
一水位显示器，所述的水位显示器设于容器的外部；
一渗水时间显示器，所述的渗水时间显示器设于容器的外部；
一水压显示器，所述的水压显示器设于容器的外部；
一压力表，所述的压力表设于容器的外部。
通过上述本发明的技术方案，本发明的固液耦合相似材料模拟注水系统不仅能向含水层注入适量不同压力条件下的承压水，而且能方便地观测到含水层变化情况，还可以测出含水层中各个点的水压。
附图说明
图1为本发明的固液耦合相似材料模拟注水系统的一种实施方式结构示意图；
图2为本发明的模拟含水层子系统不透水层结构的底部结构示意图；
图3为本发明的砾石沙子结构的结构示意图；
图4为本发明的注水子系统的一种实施方式结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明：
如图1所示，一种固液耦合相似材料模拟注水系统，包括模拟含水层子系统100和注水子系统200，所述的注水子系统200给模拟含水层子系统100注水，如图1、图2和图3所示，所述的模拟含水层子系统100包括：
砾石沙子结构10，所述的砾石沙子结构10包括鹅卵石、石英砂(优选白色的石英砂)和沙子，所述的沙子中放入酸碱指示剂。其中，所述的砾石沙子结构10中的鹅卵石、白色石英砂和沙子的粒径分别为：10～30mm、0.75～1.25mm、＜0.56mm；所述的砾石沙子结构中的鹅卵石、石英砂和沙子的质量比为3∶3∶4。使用粒径为10～30mm的鹅卵石作为骨架，不同粒径的石英砂和沙子按级配的原理填充来铺设含水层。所述的酸碱指示剂优选为酚酞。
所述的砾石沙子结构10中间开有一凹槽20，所述的凹槽20贯通石沙子结构10设置。所述的凹槽20的一端通过第一软管40与注水子系统200相连通。所述的凹槽20的另一端与多个第二软管51一端连通，所述的第二软管51的另一端设有密封头52，所述的第二软管51上均设有多个第一孔53。所述的多个第二软管51优选为2个或3个，所述的第二软管51优选为直径为10mm、长度为2m的塑料软管。所述的多个第一孔53的间距优选为3cm。凹槽20的另一端也可以先与一个第二软管50连通，第二软管50可设有多个分管51，所述的分管51的另一端部设有密封头52。分管51可优选2个或3个。
不透水层结构30，所述的不透水层结构30包裹在砾石沙子结构10的外部，所述的不透水层结构30上设有多个第二孔31，所述的多个第二孔31设于与砾石沙子结构10开有凹槽20一面相对的另一面，即多个第二孔31设于不透水层结构30的底部。所述的不透水层结构30优选为塑料纸。
铺设砾石沙子结构10过程中，在沙子中加入酚酞(C20H14O4)，同时用塑料纸包裹住砾石沙子结构10，塑料纸底部打多个第二孔31。
多个水压传感器，所述的多个水压传感器均设于模拟含水层子系统100中。所述的多个水压传感器等间距的均设于砾石沙子结构10上。所述的多个水压传感器优选为30KPa、50KPa、100KPa、200KPa、300KPa等不同量程的微型孔隙水压力传感器。所述的多个水压传感器优选为8个。
如图1和图4所示，所述的注水子系统200包括：
一高压氮气罐23，所述的高压氮气罐23中储存有高压氮气。
一移动支架1，所述的移动支架1下部设有可移动的轮子25。
一容器22，所述的容器22设于所述的移动支架1上，所述的容器22内装有碱水。
一进气口7，所述的进气口7设于所述的容器22的上部并与容器22内部相连通，所述的进气口7通过第三软管24与所述的高压氮气罐23的出气口相连通。
一出水装置，所述的出水装置设于所述的容器22的下部，所述的出水装置包括水管和依序设于水管上的水压传感器4、出水口阀门3和出水口2。
一水位记录刻度表6，所述的水位记录刻度表6设于所述的容器22的外表面。
一水位显示器5，所述的水位显示器5设于容器22的外部。
一渗水时间显示器8，所述的渗水时间显示器8设于容器22的外部。
一水压显示器9，所述的水压显示器设于容器22的外部。
一压力表21，所述的压力表设于容器22的外部。
地面自动注水子系统200采用氮气推水原理，流量、水压可控。容器直径215mm，高度1m，最大压力：80kpa，即8m高水柱，0.8大气压，可模拟真实0～8Mpa的地下承压水，且安装水压、水量及渗流时间传感器和控制仪表等，可精准控制和测量。
本发明通过采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、相似材料模拟注水技术，是由模拟含水层子系统和注水子系统组成。注水子系统是由一个装氮气的高压罐、一个装碱水圆柱型有效高度1300mm、直径215mm的容器罐、采用氮气推水原理，解压阀控制压力，安全便捷。
2、安装水压、水量及渗流时间传感器和控制仪表，便于精确读数，流量、水压可控。
3、含水层由鹅卵石、不同粒径的石英砂和沙子，按级配的原理进行铺设，保障了水的存储和小粒径的沙子的运移。
4、用塑料纸包裹住含水层，塑料纸底部打孔，水从一侧流入，分流到2～3个直径10mm、长度2m塑料软管中，软管的另一头堵死，在软管上每隔3mm等间隔打孔。确保含水层密封性，水可以均匀的加入。
5、在铺设过程中，在沙子中放入酸碱指示剂酚酞(C20H14O4)，水罐中放入食用碱面，使用明显的指示剂，增加了实验的可视性。
6、含水层中等间距铺有8个水压传感器，使用30KPa、50KPa、100KPa、200KPa、300KPa等不同量程的微型孔隙水压力传感器，准确监测水压。
在模拟实验开始前，先配置好含水层。含水层使用直径10～30mm的鹅卵石、粒径0.75～1.25mm的白色的石英砂、粒径＜0.56mm的沙子，按照3∶3∶4的比例进行铺设，砾石沙子结构的铺设厚度为35mm左右，比例及粒径的选择因含水层的渗透性能而定。铺设过程中加入酚酞(C20H14O4)，水从模型的一侧流入，同时用塑料纸包裹住，塑料纸底部打孔，孔径为0.5cm，2根塑料软管每隔3cm打孔。
该系统具体步骤为：1、开启电源；2、打开氮气解压阀，调节罐口的压强仪表，达到一个模拟压力；3、开启装有碱水的容器罐阀门，水进入含水层；4、观察颜色的变化判断水的运移情况；5、记录水位、水压(入口水压和孔隙水压传感器)、渗水时间等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种固液耦合相似材料模拟注水系统，包括模拟含水层子系统和注水子系统，所述的注水子系统给模拟含水层子系统注水，其特征在于：所述的模拟含水层子系统包括：
砾石沙子结构，所述的砾石沙子结构包括鹅卵石、石英砂和沙子，所述的沙子中放入酸碱指示剂；所述的砾石沙子结构中间开有一凹槽；所述的凹槽的一端通过第一软管与注水子系统相连通；所述的第一软管另一端与2个第二软管一端连通，所述的第二软管的另一端设有密封头，所述的第二软管上均设有多个第一孔；
不透水层结构，所述的不透水层结构包裹在砾石沙子结构的外部，所述的不透水层结构上设有四排第二孔，所述的第二孔设于与砾石沙子结构开有凹槽一面相对的另一面；
多个水压传感器，所述的多个水压传感器均设于模拟含水层子系统中。
2.根据权利要求1所述的固液耦合相似材料模拟注水系统，其特征在于，所述的注水子系统包括：
一高压氮气罐；
一移动支架；
一容器，所述的容器设于所述的移动支架上；所述的容器内装有碱水；
一进气口，所述的进气口设于所述的容器的上部并与容器内部相连通；所述的进气口通过第三软管与所述的高压氮气罐的出气口相连通；
一出水装置，所述的出水装置设于所述的容器的下部，所述的出水装置包括水管和依序设于水管上的水压传感器、出水口阀门和出水口；
一水位记录刻度表，所述的水位记录刻度表设于所述的容器的外表面；
一水位显示器，所述的水位显示器设于容器的外部；
一渗水时间显示器，所述的渗水时间显示器设于容器的外部；
一水压显示器，所述的水压显示器设于容器的外部；
一压力表，所述的压力表设于容器的外部。
3.根据权利要求1或2所述的固液耦合相似材料模拟注水系统，其特征在于，所述的酸碱指示剂为酚酞。
4.根据权利要求1或2所述的固液耦合相似材料模拟注水系统，其特征在于，所述的多个第二软管为2个或3个。
5.根据权利要求4所述的固液耦合相似材料模拟注水系统，其特征在于，所述的第二软管为直径为10mm、长度为2m的塑料软管。
6.根据权利要求1或2所述的固液耦合相似材料模拟注水系统，其特征在于，所述的不透水层结构为塑料纸。
7.根据权利要求1或2所述的固液耦合相似材料模拟注水系统，其特征在于，所述的砾石沙子结构中的鹅卵石、石英砂和沙子的粒径分别为：10～30mm、0.75～1.25mm、＜0.56mm；所述的砾石沙子结构中的鹅卵石、石英砂和沙子的质量比为3∶3∶4。
8.根据权利要求1或2所述的固液耦合相似材料模拟注水系统，其特征在于，所述的多个水压传感器等间距的均设于砾石沙子结构上。
9.根据权利要求8所述的固液耦合相似材料模拟注水系统，其特征在于，所述的多个水压传感器为不同量程的微型孔隙水压力传感器。
10.根据权利要求1或2所述的固液耦合相似材料模拟注水系统，其特征在于，所述的多个第一孔的间距为3cm。
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