CN104865372B - 模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统的试验方法，包括以下步骤：步骤1：根据实际工程地质状况，在模型箱中配制模拟实际水文地质条件的土层；步骤2：分别进行定压力回灌和定流量回灌模拟，获取上述两种回灌方式的实测指标；步骤3：针对所获得的实测指标进行对比分析，确定实际的回灌方式。本发明可以模拟定压回灌和定流量回灌里两种回灌模式，可方便的通过试验比选最佳回灌方式，有利于节省工期、费用，并可以通过试验得出的参数，为实际工程实施提供前瞻性的技术依据。

Description

模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统的试验方法

技术领域

本发明涉及室内回灌模型系统，特别涉及一种模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统的试验方法。

背景技术

回灌控制地下水水位，或防止因工程降水导致地面沉降、地下水浪费的有效措施。而由于工程地质情况迥异，合理的选择回灌方式、有效的预估回灌的效果成为当下亟待解决的问题之一。现场回灌试验的时间久、费用高。因此有必要在实验室对回灌的方式及回灌效果进行研究，得出关键参数以指导实际应用。

地表沉降及隆起量、地层的孔隙水压力、回灌注水的影响范围是回灌设计中重要的参考指标，为了得到这些指标数据，现场需要进行局部的试验。然而现场试验往往具有破坏性，一旦原位测试实施，该回灌孔附近的区域就不能恢复原状，也无法重复利用。有些情况下，拟回灌的区域环境复杂，开展局部试验的条件有限。此外现场试验也存在如下不足之处：(1)地层深处的孔隙水压力量测较难；(2)由于现场环境的复杂性，回灌注水的影响范围不宜量测。此外，在实验室对拟回灌的区域进行模拟，得出关键参数进而指导实际操作更显得尤为重要。然而目前的模型试验存在以下缺点：

1、模型试验无法模拟实际回灌时的定水头边界的情况；

2、模型试验无法模拟实际回灌时的定流量边界的情况；

3、模型试验无法模拟实际回灌时的定压回灌的情况；

4、模型试验无法模拟承压水层的情况。

目前的模型试验由于存在上述不足，因此往往难以反映回灌的真实情况，也无法为回灌方式的选择提供指导。

发明内容

为解决现有技术存在的上述不足，本发明提供一种模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统的试验方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：根据实际工程地质状况，在模型箱中配制模拟实际水文地质条件的土层；

步骤2：分别进行定压力回灌和定流量回灌模拟，获取上述两种回灌方式的实测指标；

步骤3：针对所获得的实测指标进行对比分析，确定实际的回灌方式。

其中，步骤1中，通过控制承压水输水管中的水位高度，模拟承压水的水头高度。

步骤1中，通过控制地表层输水管中的水位高度，模拟地表层的水头高度。

步骤2中，变频泵通过控制盒的控制指令，输出指定压力的水流，以实现定压力回灌的模拟。

步骤2中，总控制台控制流量调节阀，输出恒定流量的水流，以实现定流量回灌的模拟。

步骤2中，通过控制抽水管流出的水量来模拟实际土层中的定流量边界。

步骤2中，利用不同位置处的孔压计获取各位置的孔隙水压力值。

步骤2中，利用不同位置处的水位观测计获取不同位置处土层的水位变化值。

步骤2中，利用位于土体表面不同位置处的位移计获取土体的位移值。

步骤3中，通过综合对比两种回灌方式所实测的孔隙水压力值、土层沉降量和各土层的水位情况，指导实际回灌的回灌量及回灌压力，确定实际的回灌方式。

模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统，包括模型箱、回灌管路和水泵；所述模型箱内根据工程地质情况配制包含砂卵石承压水层的土层，所述模型箱的侧壁上设有连接承压水层的用以提供承压水压力的承压层输水管；所述土层中设有连接回灌管路的回灌井，所述回灌管路通过集水箱与水泵连接；所述水泵通过向回灌井中灌水，实现对承压水地层的回灌模拟。

所述水泵为变频泵，所述变频泵通过控制盒与所述回灌管路连接；所述变频泵通过控制盒的控制指令调节转速，输出指定压力水。

所述室内回灌模型试验系统还包括总控制台，所述回灌管路上设有与总控制台进行信息交互的压力传感器、流量传感器和流量调节阀，所述控制系统根据所获得的上述反馈信息，向控制盒和流量调节阀发出指令，控制变频泵输送恒定压力或流量的水流。

所述承压水层为两层，所述承压层输水管的开口高于所述承压水层设定高度；所述承压层输水管上设有刻度、阀门和传感器。

所述模型箱的侧壁上设有连接承压水层的用以控制回灌定流量边界的承压层抽水管，所述承压层抽水管上设有水位调节阀。

所述回灌井的下端位于所述承压水层处。

所述模型箱的侧壁上设有连接表层土的用以提供地表水流的地表层输水管。

所述集水箱为密封式集水箱。

所述回灌井的顶端设有与所述回灌管路密闭接触的端盖，所述端盖上设有抽气孔。

所述模型箱的土层内部，在距离所述回灌井不同位置、不同深度处，设有若干用以测 量孔隙水压力的孔压计。

所述模型箱的土层内部，在距离所述回灌井不同位置处，设有水位观测计。

所述模型箱的土体表面，设有一个或若干个位移计。

模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：总控制台设定回灌压力，并将所设定的数据信号发送至控制盒，所述控制盒控制变频泵通过回灌管路向回灌井内输送所设定压力的水流；

步骤2：设于回灌管路上的压力传感器将所测得的压力值传输至总控制台；

步骤3：所述总控制台根据所接收到的压力值，确定压力调节信号，并将压力调节信号传送至控制盒；

步骤4：所述控制盒根据所接收到的压力调节信号，控制变频泵向集水箱内输送恒定压力的水流。

所述总控制台通过无线网络与所述控制盒及所述压力传感器连接。

模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：总控制台设定回灌流量值，并将所设定的数据信号发送至控制盒，所述控制盒控制变频泵通过回灌管路向回灌井内输送所设定流量的水流；

步骤2：设于回灌管路上的流量传感器将所测得的流量值传输至总控制台；

步骤3：所述总控制台根据所接收到的流量值，确定流量调节信号，并将流量调节信号传输至流量调节阀；

步骤4：所述流量调节阀根据所接收到的流量调节信号来调节流量，控制输出恒定流量的水流。

所述总控制台通过无线网络与所述控制盒及所述流量调节阀连接。

本发明的有益效果为：

配制模拟工程地质现场情况的土层来做回灌试验，地质条件的针对性更强，通过试验模拟所得出的结果更接近工程实际情况，得出的关键参数可以直接指导现场回灌的实际操作；并且避免了现场试验对场地的破坏。所设的承压层输水管解决了承压层水压力不易模拟的技术难题。

利用控制盒控制变频泵输出指定压力的水流，可以实现定压回灌试验的模拟，与解决工程问题的实际方式更加贴近，所得的定压回灌的试验测试指标与实际定压回灌的相关参数更加接近。

设置两层承压水层可以模拟更复杂的土层。如果仅有一层承压水层，那第二层的承压水管关闭即可。

本发明可以模拟定压回灌和定流量回灌里两种回灌模式，可方便的通过试验比选最佳回灌方式，有利于节省工期、费用，并可以通过试验得出的参数，如：由埋置于不同土层处的孔压计量测出的空隙水压力、距离回灌井不同位置处的位移剂量测出的土层沉降量、由距离回灌井一定距离处的观测孔观测到的土层的水位情况等，为实际工程实施提供前瞻性的技术依据。

模型箱内土层按照实际工程地质情况比例配制，回灌影响范围外通过水位调节阀自动调节抽水，使承压水层水位保持不变，更好的保证了试验模拟更趋于工程实际。

智能化的控制系统使得回灌试验过程控制更加快速、高效，减小了由于人为误差导致的试验数据偏差，使通过试验得出的技术结论更加准确。

附图说明

图1为本发明的整体示意图；

图2为本发明的试验方法及控制流程图；

图中:1、变频泵，2、控制盒，3、集水箱，4、模型箱，5、承压层输水管，6、回灌管路，7、流量调节阀，8、压力传感器，9、流量传感器，10、回灌井，11、端盖，12、抽气孔，13、地表层输水管，14、总控制台，15、阀门开关，16、水位调节阀，17、承压层抽水管,18、孔压计，19、位移计，20、水位观测计。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明进一步说明。

模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统主要包括模型箱4、回灌试验用管路、泵及控制系统；

所述模型箱4是根据工程地质情况按比例配制的土层箱，它的箱壁有进出水口，并带有阀门，各进出水管路可以与其连通。

所述回灌试验用管路包括承压层输水管5、地表层输水管13、承压层抽水管17，各管路上都有相应的阀门、传感器。

承压层输水管5用于控制承压水层的水头高度，如果实际地层中没有承压水，则关闭相应的承压水水管。由于承压水上方都会有不透水的土层，那么调节承压水管的水头，即承压水输水管内水位的高度，根据同一深度处，水的压力相等的原理，就可以控制整个承压水层的大小。

地表层输水管13的目的类似。

承压层抽水管17：是为了模拟定流量边界条件的，也即实际土层中，某一边界水是流动的，那么就要打开层压水抽水管(或许叫做输水管更合适)，通过控制抽水管流出的水量 来模拟实际土层中的定流量边界。

相应的传感器就是感受流量的输出、输入值以及水头的高度等。

所述变频泵1可以通过控制盒2的控制指令调节转速，以输出指定压力水。

所述集水箱3为密封式，两端开有出水管接头，可与变频泵1、回灌管路6相连。

所述控制系统可通过无线网络与控制盒2、流量调节阀7、压力传感器8、流量传感器9、水位调节阀16进行信息交互。

模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统的试验方法包括以下步骤：

1、回灌实验前准备

依据地质资料，在模型箱4内依据实际工程地质情况按比例配制土层。用螺旋钻开挖并安置回灌井10，在井端固定端盖11，将回灌管插入回灌井10中，并通过抽气孔12将回灌井10内空气抽空，防止气堵，其他按图1安装各管路、泵等设备。打开阀门开关15，通过承压层输水管5和地表层输水管13分别向承压层、地表层注入自来水，利用管壁上的水位刻度线，观察注入水的水头高度，直到达到试验高度为止，关闭管路上的阀门开关15。以上过程是模拟回灌前地层中的承压水状态，下部承压水承压，上部潜水具有潜水的水位。

2、试验过程

1)定压回灌

变频泵1一端接入自来水，一端与集水箱3连接。总控制台14设定回灌压力，并通过无线网络将数据信号发送至控制盒2，控制盒2控制变频泵1向集水箱3内输送恒定压力的水流，并通过回灌管路6向回灌井10内回灌。同时，压力传感器8实时监测回灌水流压力，并向控制台14发出反馈信号，对压力微调，以保证恒压回灌。

2)定流量回灌

变频泵1将自来水抽至集水箱3储备，总控制台14设定回灌流量值，并通过无线网络将数据信号发送至流量调节阀7，控制阀的开度，以保证回灌水按设定流量值通过回灌管路6流向回灌井10内。同时，流量传感器9实时监测管路内流量情况，并向控制台14发出反馈信号，对流量微调，以保证定流量回灌。

3、回灌的边界条件

为保证达到区域回灌试验的效果，也即在回灌影响范围外的承压水层水位恒定，而回灌区域内水流向承压层同水平面内流动，上述两种方式回灌时，如边界条件为定压边界，则控制承压层输水管5的高度，如为定流量边界则通过打开水位调节阀16使回灌的水量和流出的量相等。

4、试验指标的量测

在定压回灌或定流量回灌的过程中，通过实时记录埋设于距离回灌井10不同位置处、不同深度处的孔压计18的值，可以得出回灌对不同位置处的孔隙水压力的变化影响。通过读取不同位置处的水位观测计20的值可以将回灌过程对不同位置处土层的水位变化的影响予以分析。通过观测土体表面不同位置从的位移计19的变化值，可以分析回灌对周边环境的影响，如对周边建筑物设定报警值的情况下(比如地面变形的预警值)，可以分析回灌的相关压力及流量参数。通过模拟实际的回灌效果，获取了如：孔隙水压力、土层沉降量、回灌注水影响范围等参数，通过对两种回灌方式模拟效果的对比，得到指导用于实际回灌的回灌量及回灌压力。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据实际工程地质状况，在模型箱中配制模拟实际水文地质条件的土层；通过控制输水管中的水位高度，来模拟水头高度；

步骤2：分别进行定压力回灌和定流量回灌模拟，获取上述两种回灌方式的实测指标；所述实测指标包括孔隙水压力值、土层沉降量、各土层的水位情况；所述定流量回灌模拟，通过控制抽水管流出的水量来模拟实际土层中的定流量边界；

步骤3：通过记录距离回灌井不同位置、不同深度孔压计的值，分析回灌对不同位置孔隙水压力变化的影响；通过不同位置处的水位观测计的值，分析回灌过程对不同位置土层的水位变化的影响；通过观测土体表面不同位置位移计的变化，分析回灌对周边环境的影响；通过对两种回灌方式模拟效果的对比，确定实际的回灌方式。

2.根据权利要求1所述的模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统的试验方法，其特征在于：步骤1中，通过控制承压水输水管中的水位高度，模拟承压水的水头高度 。

3.根据权利要求1所述的模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统的试验方法，其特征在于：步骤1中，通过控制地表层输水管中的水位高度，模拟地表层的水头高度。

4.根据权利要求1所述的模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统的试验方法，其特征在于：步骤2中，变频泵通过控制盒的控制指令，输出指定压力的水流，以实现定压力回灌的模拟。

5.根据权利要求1所述的模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统的试验方法，其特征在于：步骤2中，总控制台控制流量调节阀，输出恒定流量的水流，以实现定流量回灌的模拟。

6.根据权利要求1所述的模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统的试验方法，其特征在于：步骤2中，利用不同位置处的孔压计获取各位置的孔隙水压力值。

7.根据权利要求1所述的模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统的试验 方法，其特征在于：步骤2中，利用不同位置处的水位观测计获取不同位置处土层的水位变化值 。

8.根据权利要求1所述的模拟承压水地层的室内回灌模型试验系统的试验方法，其特征在于：步骤2中，利用位于土体表面不同位置处的位移计获取土体的位移值 。