CN104677592B - 区域地下水流场三维动态模拟试验台 - Google Patents

Abstract

一种区域地下水流场三维动态模拟试验台，具有模拟试验台主体、支撑调节装置、供水装置、控水装置、水位显示装置、形成含水层的相似材料。模拟试验台主体具有框体、前挡板、左右挡板、多个网格体、多个三通接头。供水装置具有水箱、供水阀门、溢流口，水箱上分布有将水分配给含水层的多个分水孔；前挡板、左右挡板、水箱所围成的空间区域内以及每个网格体的腔体内填充有相似材料。控水装置具有控水阀门、泄水阀门。水位显示装置具有胶管、测水位玻璃管、定位框架。它利用物理相似模拟手段真实可靠地实现了地下水流场的三维可视化，还可模拟含水层空间结构非物质演化过程中地下水流场的变化，使试验者能够清晰、准确地把握地下水流场演变规律。

Description

区域地下水流场三维动态模拟试验台

技术领域

本发明涉及一种地下水流场模拟试验台，特别是一种区域地下水流场三维动态模拟试验台，它能在矿区水文地质、工程地质、环境地质等领域广泛应用。

背景技术

地下水流场简单的说，就是一个区域的地下水在宏观的流速、流向、范围等特征的概念。目前，模拟地下水流场的试验设备较少，并且不能真实的模拟地下水流场情况。CN102221447A公开了一种多功能连铸水模型试验装置，该装置包括支架、及安装在支架上的水箱，水箱由A水箱、B水箱和C水箱组成；A水箱、B水箱和C水箱之间通过三通相互联通，三通上AC水箱控制阀和BC水箱控制阀，C水箱通过底部出水口与下端设置模拟容器联通，模拟容器底部设有出水口通过管路与集流管连接，集流管和水泵相接；水泵通过进水管分别与A水箱和B水箱相连，进水管分别设置有A水箱进水控制阀和B水箱进水控制阀。CN103077330A公开了一种存在垂向水量交换情况下的地下水全局流线可视化方法，引入Raviart-Thomas空间作为单元内部的解析流场代替现有技术的达西流速方法，在单元边界流量精确计算基础上，不仅可以实现现有技术单元达西流速算法在不存在天然与人为垂向水量交换特殊情况下的完整连续流线可视化，而且解决了现有技术单元达西流速算法在存在天然与人为垂向水量交换情况下无法实现的完整流线可视化，实现了在存在天然与人为垂向水量交换情况下的流线完整连续且分布均匀的地下水流场的可视化。同时，准确地刻画了由于地下水点源汇的存在而形成的辐射流场特征，也增加了流线的计算精度。

以上这些技术对于如何使区域地下水流场三维动态模拟试验台不仅可以真实的模拟地下水流场，还可以模拟由含水层空间结构非物质演化过程中地下水流场变化情况（或者说是还可以模拟由于开采或破坏而引起的地下水流场变化情况），并未给出具体的指导方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种区域地下水流场三维动态模拟试验台，它不仅可以真实的模拟地下水流场，还可以模拟由于开采或破坏而引起的地下水流场变化情况，从而使试验者能够准确的掌握地下水流场变化规律。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种区域地下水流场三维动态模拟试验台，具有模拟试验台主体，其技术方案在于所述的区域地下水流场三维动态模拟试验台还具有支撑调节装置、供水装置、控水装置、水位显示装置、形成含水层的相似材料；所述的模拟试验台主体具有长方体形的框体、位于框体上面前端的前挡板、位于框体上面左右两侧的左挡板和右挡板、固定于框体内的皆呈正方体形的多个网格体、多个三通接头，多个网格体由18横排和18纵列共324个网格体构成，每个网格体的上端开口，每个网格体的底端中心处的排水孔安装有一个三通接头而使三通接头的数量为324个；所述的供水装置具有位于框体上面后端的水箱（水箱不会遮挡网格体）、安装于水箱的进水口上的用以控制水箱进水流量的供水阀门、设于水箱上的溢流口，水箱上沿其长度方向均匀分布有将水（均匀）分配给含水层的多个分水孔；在上述的前挡板、左挡板、右挡板、水箱所围成的空间区域内以及每个网格体的腔体内填充有上述相似材料而使相似材料形成含水层；相似材料的上面覆盖有压板（可以是钢板），上述前挡板的侧壁上具有连通外界与相似材料之间的多个排水口；所述的支撑调节装置具有两个轴头、左轴承座以及与之配合的轴承、右轴承座以及与之配合的轴承、两个支撑支架、四个调节支架、与四个调节支架一一对应的四个丝杠、与四个丝杠一一对应的四个调整螺母，框体的左右两侧各固定有一个轴头，两个轴头分别由左轴承座和轴承、右轴承座和轴承限位支撑，左轴承座和右轴承座分别固定安装在两个支撑支架上，四个调节支架的上方各安装一个与之螺纹连接的丝杠，每个丝杠螺纹连接一个与之相对应的调整螺母，每个调整螺母将与其对应的一个丝杠锁紧于调节支架的上方，每个丝杠的顶端与框体的底端接触而使框体支撑于四个丝杠的顶端、且使模拟试验台主体处于前端低后端高的倾斜状态；所述的控水装置具有安装于每个三通接头上的与水位显示装置相连接的控水阀门、用以模拟含水层被破坏和地下水被疏干情况的泄水阀门，控水阀门的数量为324个，泄水阀门的数量为324个；所述的水位显示装置具有324个胶管、324个测水位玻璃管、定位框架；对于每个测水位玻璃管，其上端皆带有排气口，其下端皆带有进水口，其外壁上带有显示水位的刻度，每个测水位玻璃管皆安装于定位框架上，定位框架安装于框体上，每个胶管的一端与其对应的一个控水阀门相连接，该胶管的另一端与其对应的一个测水位玻璃管的进水口相连通。

上述技术方案中，所述的区域地下水流场三维动态模拟试验台最好还具有通过调节丝杠升降而确定模拟试验台主体倾斜角度的数个角度仪，每个角度仪具有固定安装在左挡板或者右挡板上的销轴、能绕销轴转动并自然下垂的指针、固定安装在框体上的标有角度值的刻度板，刻度板位于指针的下端与其位置相对。所述的区域地下水流场三维动态模拟试验台最好还具有位于模拟试验台主体前方的、用以收集从前挡板上的多个排水口流出的水的集水槽，该集水槽焊接在框体的前端外侧。所述的区域地下水流场三维动态模拟试验台最好还具有起保护作用的围栏，该围栏的底端与其对应的前挡板的顶端、左挡板的顶端、右挡板的顶端、水箱的顶端固定连接。每个网格体的大小可以为：长15cm，宽15cm，高15cm。水箱上的每个分水孔可以皆是直径为0.5厘米的圆孔，相邻两个分水孔的中心距最好为1.5厘米；水箱上最好安装有用以监测水箱供水压力的压力表。上述相似材料可以为（试验所在地的）沙子或者土壤。上述每个丝杠的顶端与框体的底端接触而使框体支撑于四个丝杠的顶端的具体结构可以是，每个丝杠的顶端与框体的四个端角的底端接触而使框体支撑于四个丝杠的顶端，在每个丝杠与框体的接触部位设置一个底端带开口槽的限位体，限位体固定于框体的底端，每个丝杠的顶部伸入与之相对应的一个限位体的开口槽中并与该开口槽的顶端接触而使框体支撑于四个丝杠的顶端。上述定位框架安装于框体上的具体结构可以是，框体的前端向外伸出多个定位体，定位框架悬挂在这多个定位体上而使水位显示装置中的324个测水位玻璃管位于模拟试验台主体的前方。上述每个测水位玻璃管皆安装于定位框架上的具体结构可以是，定位框架上具有与所述的324个测水位玻璃管一一对应的插入孔，每个测水位玻璃管的外壁上带有环形凸起，每个测水位玻璃管皆插入定位框架上的与其对应的一个插入孔内且定位框架将每个测水位玻璃管上的环形凸起托住而将每个测水位玻璃管皆安装于定位框架上。

本发明具有模拟试验台主体、支撑调节装置、供水装置、控水装置、水位显示装置、形成含水层的相似材料，这样本发明根据相似材料原理模拟地层，选择适合研究含水层的相似材料装填在模拟试验台主体上，利用供水装置和控水装置控制模拟地下水流场，通过水位显示装置显示地下水流场模拟结果。模拟结果能真实的反映含水层流场变化，很好地反映真实的含水层情况，它操作简单方便，结果真实。

本发明的特点是真实的、直观的反映出地下含水层被破坏或地下水被疏干时，地下水流场的变化情况，测量数据能真实的反映实际的地质状况，适合水文地质、工程地质科研人员和工程技术人员使用。

综上所述，本发明不仅真实的模拟了地下水流场，还模拟了由于开采或破坏而引起的地下水流场变化情况，从而使试验者能够准确的掌握地下水流场变化规律。

附图说明

图1为本发明的结构示意图（主视图）。

图2为本发明的结构示意图（俯视图，拆去围栏）。

图3为本发明的结构示意图（右视图）。

图4为图2中沿A-A线的剖视图（带相似材料）。

图5为图2中沿A-A线的剖视图（拆去相似材料及压板）。

图6为本发明中三通接头406、控水阀门701、泄水阀门702、胶管201、测水位玻璃管202相连接的结构示意图。

图7为本发明中的水位显示装置与框体相连接的结构示意图。

图8为本发明中的一个角度仪的结构示意图。

图9为本发明中模拟试验台主体前方安装的的集水槽的结构示意图。

图10为本发明中一个丝杠的顶端与框体的底端接触的结构示意图。

具体实施方式

实施例：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，本发明的区域地下水流场三维动态模拟试验台具有模拟试验台主体4、支撑调节装置1、供水装置5、控水装置7、水位显示装置2、形成含水层的相似材料6。所述的模拟试验台主体4具有长方体形的框体401、位于框体上面前端的前挡板402、位于框体上面左右两侧的左挡板403和右挡板403′、固定于框体内的皆呈正方体形的多个网格体404、多个三通接头（3/8口径）406。框体401、前挡板402、左挡板403、右挡板403′可以由方钢管或者钢板制成，多个网格体404由18横排和18纵列共324个网格体构成，可以由钢板制成，每个网格体404的大小为：长15cm，宽15cm，高15cm。每个网格体404的上端开口，每个网格体的底端中心处的排水孔405安装有一个三通接头406而使三通接头的数量为324个，利用这样的网格体单元对模拟地层进行单元化分析。所述的供水装置5具有位于框体上面后端的水箱501（水箱501不会遮挡网格体）、安装于水箱的进水口上的用以控制水箱进水流量的供水阀门502、安装于水箱上的用以监测水箱供水压力的压力表504、设于水箱上的溢流口503。供水阀门502与外部（外界）的供水管路相连接。水箱上沿其长度方向均匀分布有将水均匀分配给含水层的多个分水孔505。水箱的大小为：长3.0m ，宽30cm，高10cm，每个分水孔505皆是直径为0.5厘米的圆孔，相邻两个分水孔的中心距为1.5厘米。水箱可以由钢板制成，在上述的前挡板402、左挡板403、右挡板403′、水箱501所围成的空间区域内以及每个网格体404的腔体内填充有上述相似材料6而使相似材料形成含水层，相似材料6可以为试验所在地的沙子或者土壤。相似材料6的上面覆盖有压板6′，压板6′可以是钢板，压板6′对相似材料6产生压力，压板6′上还可以带有配重，根据实际情况调节其对相似材料6产生的压力，模拟效果更接近实际。为了更真实地模拟地下水流场补给、径流、排泄之间的关系，上述前挡板402的侧壁上具有连通外界与相似材料之间的多个排水口402a。上述的框体、前挡板、左挡板、右挡板、水箱所形成的模拟试验台主体的外形大小为：长3.0m，宽3.0m，高30cm。所述的支撑调节装置1具有两个轴头105、左轴承座106以及与之配合的轴承、右轴承座106′以及与之配合的轴承、两个支撑支架101、四个调节支架102、与四个调节支架一一对应的四个丝杠103、与四个丝杠一一对应的四个调整螺母104。两个支撑支架101、四个调节支架102可以由方钢管或者钢板制成，框体401的左右两侧各固定有一个轴头105，两个轴头105分别由左轴承座106和轴承、右轴承座106′ 和轴承限位支撑，左轴承座106和右轴承座106′ 分别固定安装在两个支撑支架101上，四个调节支架102的上方各安装一个与之螺纹连接的丝杠103，每个丝杠与其对应的一个调节支架螺纹连接的结构可以是该调节支架上焊接固定螺母，丝杠与固定螺母螺纹连接，每个丝杠的直径为φ70mm，长度为30cm，每个丝杠103螺纹连接一个与之相对应的调整螺母104，每个调整螺母104将与其对应的一个丝杠锁紧于调节支架的上方，每个丝杠103的顶端与框体401的底端接触而使框体支撑于四个丝杠的顶端、且使模拟试验台主体4处于前端低后端高的倾斜状态。上述每个丝杠103的顶端与框体401的底端接触而使框体支撑于四个丝杠的顶端的具体结构是，每个丝杠的顶端与框体的四个端角的底端接触而使框体支撑于四个丝杠的顶端，为使四个丝杠方便支撑框体，在每个丝杠与框体的接触部位设置一个底端带开口槽的限位体10，如图10所示，限位体10固定于框体401的底端，每个丝杠的顶部伸入与之相对应的一个限位体的开口槽中并与该开口槽的顶端接触而使框体支撑于四个丝杠的顶端。所述的控水装置7具有安装于每个三通接头406上的与水位显示装置相连接的控水阀门（3/8口径）701、用以模拟含水层被破坏和地下水被疏干情况的泄水阀门702，控水阀门的数量为324个，泄水阀门的数量为324个（它们可与外界的排水管路相连接）。所述的水位显示装置2具有324个胶管201、324个测水位玻璃管202、定位框架203。每个胶管是直径为φ8mm的聚乙烯软胶管，每个测水位玻璃管的直径为φ9mm，定位框架203由聚苯乙烯高强度材料制成。对于每个测水位玻璃管202，其上端皆带有排气口，其下端皆带有进水口，其外壁上带有显示水位的刻度，每个测水位玻璃管202皆安装于定位框架203上，定位框架203安装于框体401上，每个胶管201的一端与其对应的一个控水阀门701相连接，该胶管的另一端与其对应的一个测水位玻璃管202的进水口相连通，即胶管201分别连通于控水阀门701和测水位玻璃管202。如图7所示，上述定位框架203安装于框体401上的具体结构是，框体401的前端向外伸出多个定位体401a，每个定位体401a皆可以呈平板状，起托起作用，定位框架203悬挂在这多个定位体401a上而使水位显示装置中的324个测水位玻璃管202位于模拟试验台主体4的（正）前方。上述每个测水位玻璃管202皆安装于定位框架203上的具体结构是，定位框架上具有与所述的324个测水位玻璃管一一对应的插入孔，每个测水位玻璃管的外壁上带有环形凸起204，每个测水位玻璃管皆插入定位框架上的与其对应的一个插入孔内且定位框架将每个测水位玻璃管上的环形凸起托住而将每个测水位玻璃管皆安装于定位框架上。本发明工作时，试验者通过水位显示装置可以直观的观测地下水水位变化和含水层被破坏的情况。

如图8所示，本发明还具有通过调节丝杠升降而确定模拟试验台主体倾斜角度的数个角度仪8，每个角度仪8具有固定安装在左挡板403或者右挡板403′上的销轴801、能绕销轴转动并自然下垂的指针802、固定安装在框体401上的标有角度值的刻度板803，刻度板803位于指针802的下端与其位置相对。角度仪的数量可以为1~4个，数个角度仪可以安装在模拟试验台主体4的四个端角（四周），这样调节丝杠103升高或者降低，观察角度仪，可将模拟试验台主体调整到所需要的地层倾角。

如图9所示，本发明还具有位于模拟试验台主体前方的、用以收集从前挡板上的多个排水口402a流出的水的集水槽9，该集水槽用于模拟试验台主体排水，将其焊接在框体401的前端外侧，集水槽的大小为：长3.0m ，宽50cm，高50cm。集水槽9可以由钢板制成。

如图1所示，本发明还具有起保护作用的围栏3，该围栏3的底端与其对应的前挡板402的顶端、左挡板403的顶端、右挡板403′的顶端、水箱501的顶端固定连接。围栏3可以由（较细的）多根圆钢制成。

本发明选择适合研究含水层的相似材料装填在模拟试验台主体上，将供水装置接好供水水源，控制好控水装置，观察水位显示装置，可以观测出不同时间、不同情况下含水层的变化情况。

本发明利用物理相似模拟手段真实可靠地实现了地下水流场的三维可视化，同时还可以模拟含水层空间结构非物质演化过程中地下水流场的变化，从而使试验者能够清晰、准确地把握地下水流场演变规律。

Claims (8)

1.一种区域地下水流场三维动态模拟试验台，具有模拟试验台主体（4），其特征在于所述的区域地下水流场三维动态模拟试验台还具有支撑调节装置（1）、供水装置（5）、控水装置（7）、水位显示装置（2）、形成含水层的相似材料（6）；

所述的模拟试验台主体（4）具有长方体形的框体（401）、位于框体上面前端的前挡板（402）、位于框体上面左右两侧的左挡板（403）和右挡板（403′）、固定于框体内的皆呈正方体形的多个网格体（404）、多个三通接头（406），多个网格体（404）由18横排和18纵列共324个网格体构成，每个网格体（404）的上端开口，每个网格体的底端中心处的排水孔（405）安装有一个三通接头（406）而使三通接头的数量为324个；

所述的供水装置（5）具有位于框体上面后端的水箱（501）、安装于水箱的进水口上的用以控制水箱进水流量的供水阀门（502）、设于水箱上的溢流口（503），水箱上沿其长度方向均匀分布有将水分配给含水层的多个分水孔（505）；

在上述的前挡板（402）、左挡板（403）、右挡板（403′）、水箱（501）所围成的空间区域内以及每个网格体（404）的腔体内填充有上述相似材料（6）而使相似材料形成含水层；相似材料（6）的上面覆盖有压板（6′），上述前挡板（402）的侧壁上具有连通外界与相似材料之间的多个排水口（402a）；

所述的支撑调节装置（1）具有两个轴头（105）、左轴承座（106）以及与之配合的轴承、右轴承座（106′）以及与之配合的轴承、两个支撑支架（101）、四个调节支架（102）、与四个调节支架一一对应的四个丝杠（103）、与四个丝杠一一对应的四个调整螺母（104），框体（401）的左右两侧各固定有一个轴头（105），两个轴头（105）分别由左轴承座（106）和轴承、右轴承座（106′）和轴承限位支撑，左轴承座（106）和右轴承座（106′）分别固定安装在两个支撑支架（101）上，四个调节支架（102）的上方各安装一个与之螺纹连接的丝杠（103），每个丝杠（103）螺纹连接一个与之相对应的调整螺母（104），每个调整螺母（104）将与其对应的一个丝杠锁紧于调节支架的上方，每个丝杠（103）的顶端与框体（401）的底端接触而使框体支撑于四个丝杠的顶端、且使模拟试验台主体（4）处于前端低后端高的倾斜状态；

所述的控水装置（7）具有安装于每个三通接头（406）上的与水位显示装置相连接的控水阀门（701）、用以模拟含水层被破坏和地下水被疏干情况的泄水阀门（702），控水阀门的数量为324个，泄水阀门的数量为324个；

所述的水位显示装置（2）具有324个胶管（201）、324个测水位玻璃管（202）、定位框架（203）；对于每个测水位玻璃管（202），其上端皆带有排气口，其下端皆带有进水口，其外壁上带有显示水位的刻度，每个测水位玻璃管（202）皆安装于定位框架（203）上，定位框架（203）安装于框体（401）上，每个胶管（201）的一端与其对应的一个控水阀门（701）相连接，该胶管的另一端与其对应的一个测水位玻璃管（202）的进水口相连通；

上述定位框架（203）安装于框体（401）上的具体结构是，框体（401）的前端向外伸出多个定位体（401a），定位框架（203）悬挂在这多个定位体（401a）上而使水位显示装置中的324个测水位玻璃管（202）位于模拟试验台主体（4）的前方；

上述每个测水位玻璃管（202）皆安装于定位框架（203）上的具体结构是，定位框架上具有与所述的324个测水位玻璃管一一对应的插入孔，每个测水位玻璃管的外壁上带有环形凸起（204），每个测水位玻璃管皆插入定位框架上的与其对应的一个插入孔内且定位框架将每个测水位玻璃管上的环形凸起托住而将每个测水位玻璃管皆安装于定位框架上。

2.根据权利要求1所述的区域地下水流场三维动态模拟试验台，其特征在于它还具有通过调节丝杠升降而确定模拟试验台主体倾斜角度的数个角度仪（8），每个角度仪（8）具有固定安装在左挡板（403）或者右挡板（403′）上的销轴（801）、能绕销轴转动并自然下垂的指针（802）、固定安装在框体（401）上的标有角度值的刻度板（803），刻度板（803）位于指针（802）的下端与其位置相对。

3.根据权利要求1所述的区域地下水流场三维动态模拟试验台，其特征在于它还具有位于模拟试验台主体前方的、用以收集从前挡板上的多个排水口（402a）流出的水的集水槽（9），该集水槽焊接在框体（401）的前端外侧。

4.根据权利要求1所述的区域地下水流场三维动态模拟试验台，其特征在于它还具有起保护作用的围栏（3），该围栏（3）的底端与其对应的前挡板（402）的顶端、左挡板（403）的顶端、右挡板（403′）的顶端、水箱（501）的顶端固定连接。

5.根据权利要求1所述的区域地下水流场三维动态模拟试验台，其特征在于每个网格体（404）的大小为：长15cm，宽15cm，高15cm。

6.根据权利要求1所述的区域地下水流场三维动态模拟试验台，其特征在于水箱上的每个分水孔（505）皆是直径为0.5厘米的圆孔，相邻两个分水孔的中心距为1.5厘米；水箱（501）上安装有用以监测水箱供水压力的压力表（504）。

7.根据权利要求1所述的区域地下水流场三维动态模拟试验台，其特征在于上述相似材料（6）为沙子或者土壤。

8.根据权利要求1所述的区域地下水流场三维动态模拟试验台，其特征在于上述每个丝杠（103）的顶端与框体（401）的底端接触而使框体支撑于四个丝杠的顶端的具体结构是，每个丝杠的顶端与框体的四个端角的底端接触而使框体支撑于四个丝杠的顶端，在每个丝杠与框体的接触部位设置一个底端带开口槽的限位体（10），限位体（10）固定于框体（401）的底端，每个丝杠的顶部伸入与之相对应的一个限位体的开口槽中并与该开口槽的顶端接触而使框体支撑于四个丝杠的顶端。