CN105004654A - 仿真模拟坎儿井井口砂土冻融循环破坏的试验机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了仿真模拟坎儿井井口砂土冻融循环破坏的试验机及方法，试验机包括试样、蒸汽补给装置、位移传感器、蒸汽盘、透水石、试样盒、温度传感器、制冷装置、排气孔和循环水出口，试样盒内从上到下依次设置有蒸汽盘、透水石和试样，蒸汽盘与蒸汽补给装置连接，蒸汽盘上设置有位移传感器，试样内部设置有若干温度传感器，制冷装置设置在试样盒底部，排气孔和循环水出口均设置在试样盒底部；方法包括：(1)现场取土样；(2)试样制备；(3)试样恒温；(5)试验数据统计；(6)数据分析及归纳。本发明通过实验室仿真模拟坎儿井冻融循环过程，研究冻融循环后坎儿井井口砂土试样的破坏机制，为坎儿井的保护维修提供理论依据。

Description

仿真模拟坎儿井井口砂土冻融循环破坏的试验机及方法

技术领域

本发明涉及坎儿井保护领域，特别涉及仿真模拟坎儿井井口砂土冻融循环破坏的试验机及方法。

背景技术

新疆坎儿井至今已有2000多年的历史，是当地劳动人民利用地面坡度，将渗入地下的天山雪水不用任何动力引出地表用于生产、生活的古老水利工程设施。

目前我国新疆地区有水坎儿井有500多条，仍浇灌着大片绿洲良田，发挥着极大的社会效益和经济效益，2006年新疆坎儿井被列为全国重点文物保护单位，参照图1，坎儿井结构主要有三部分组成：竖井、暗渠和明渠。

新疆有水的坎儿井数量从1949年的1473条，到2010年第三次全国文物普查时统计的618条。这61年时间里有水坎儿井数量减少了855条，以平均每年14条的速度减少，坎儿井作为人类文化遗产，具有很高的历史文化价值，其日益消亡的状况引起社会广泛关注。

坎儿井快速消亡的主要原因：竖井与地面相交的部位称为竖井口，暗渠距地表5～90m不等。因距地表较深，暗渠内水温常年保持在7℃左右，而1月初戈壁气温为-26℃左右，从暗渠沿竖井上升的湿热空气在竖井口附近遇到戈壁低温环境，会在竖井口附近的砂土中冷凝成冰，气候转暖这部分砂土则会发生冻融循环破坏，破坏的砂土坠落后堵塞暗渠直至坎儿井干涸。

坎儿井干涸速度为平均14条/年，为保护这类“活态”文化遗产，通过实验室仿真模拟湿热蒸汽补给的砂土试样冻融循环过程，研究冻融循环后坎儿井竖井口砂土试样的破坏机制，为坎儿井的保护维修提供理论依据，使坎儿井这一文化遗产得以传承与发展。

发明内容

本发明提出了仿真模拟坎儿井井口砂土冻融循环破坏的试验机及方法，通过实验室仿真模拟湿热蒸汽补给的砂土试样冻融循环过程，研究冻融循环后坎儿井井口砂土试样的破坏机制，为坎儿井的保护维修提供理论依据，解决了现有技术中缺乏模拟坎儿井井口砂土冻融循环破坏的试验机及方法的缺陷。

本发明的技术方案是这样实现的：

仿真模拟坎儿井井口砂土冻融循环破坏的试验机，包括试样、蒸汽补给装置、位移传感器、蒸汽盘、透水石、试样盒、温度传感器、制冷装置、排气孔和循环水出口，试样为坎儿井井口冻融范围内取的土样制做而成；蒸汽补给装置给试样提供带压力的蒸汽，用于模拟坎儿井井壁湿热蒸汽的侵蚀；位移传感器用于记录试验过程中试样位移变化；蒸汽盘用于将蒸汽补给装置输出的一束蒸汽转化成一面蒸汽，均匀的补给到试样上；透水石一方面便于蒸汽均匀的透过，另一方面便于在上部施加荷载后，荷载能均匀的传递到试样上；试样盒用于放置试样；温度传感器用于记录试验过程中试样的温度变化；制冷装置用于提供试样所需有的温度；排气孔排出多余气体防止试样盒内压力过高；蒸汽冷凝后，一部分被试样吸收，一部分多余的通过循环水出口排出；试样盒内从上到下依次设置有蒸汽盘、透水石和试样，蒸汽盘与蒸汽补给装置连接，蒸汽盘上设置有位移传感器，试样内部设置有若干温度传感器，制冷装置设置在试样盒底部，排气孔和循环水出口均设置在试样盒底部。

进一步，所述蒸汽补给装置包括进水口、盛水仓、出水管、增压雾化仓、压力调节阀、压力管，压力油泵、压力表和蒸汽输出管，盛水仓上设有进水口，盛水仓通过出水管与增压雾化仓连接，增压雾化仓通过压力管与压力油泵连接，压力管上设有压力调节阀，增压雾化仓上设有蒸汽输出管，蒸汽输出管与所述蒸汽盘连接，蒸汽输出管上设有压力表。

进一步，所述盛水仓为玻璃缸，玻璃缸上设有刻度。

进一步，所述试样盒为钢化夹层玻璃试样盒。

进一步，所述温度传感器从上到下均匀的设置在所述试样的内部。

仿真模拟坎儿井井口砂土冻融循环破坏的方法，包括以下步骤：

(1)现场取土样：以坎儿井竖井井口为中心，在半径为1.5m，深度为1.5m的范围取土样，该范围是坎儿井井口砂土受冻融循环破坏影响的范围；

(2)试样制备：为使试验更具针对性并消除取土样可能已经发生冻融现象的影响，根据土样物理性质制备重塑土试样，按试验设计含水率要求将土样在蒸馏水中拌匀浸润24h，然后做成块状的试样，确保试样含水率均匀；

(3)试样恒温：将试样放入试样盒，调节试验机温度为5℃，让试样恒温8h，由温度传感器测得试样内部各点温度一致后可开始下一步试验；

(4)冻融循环试验：按试验方案在不同冻结温度和不同蒸汽补给压力条件下进行冻融试验，一次冻、融周期历时24h，冻结和融化各12h，每个冻融周期结束时记录试样高度和试样内部各点温度，共20次冻融周期；

(5)试验数据统计：将第0、2、4、6、10、15、20次冻融周期结束时取出的每组4个试样，其中2个测其孔隙率，另外2个分别将其切成30mm厚的切片，测试样不同高度的含水率；

(6)数据分析及归纳：根据试验数据分析在不同蒸汽补给压力、不同冻结温度条件下，研究土样冻融循环后孔隙率和水分迁移的变化规律。

进一步，所述试样为圆柱状试样，高度为15cm，直径为10cm。

本发明的有益效果：本发明的试验机上端补给蒸汽，模拟坎儿井竖井内壁的湿热蒸汽补给，下端调节制冷装置，模拟坎儿井井口戈壁环境温度变化，蒸汽补给装置可以根据需要，可以调节输出的蒸汽压力，蒸汽盘与透水石的设置可以使蒸汽以面接触的形式补给坎儿井土样，补给更均匀，并且位移传感器和温度传感器在试验中可以记录坎儿井土样的位移变化和温度变化，本发明仿真的模拟了现场实际条件，并配合试验方法，使试验过程更接近真实，数据更准确可靠，指导性和可参考性更高，使试验研究更加具有理论指导意义，可以用于指导坎儿井的保护，使新疆坎儿井这一文化遗产得以传承与发展，使新疆地区更多的劳动人民使用这一绿色环保的水源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为坎儿井的结构示意图；

图2为本发明仿真模拟坎儿井井口砂土冻融循环破坏的试验机的结构示意图；

图3为蒸汽补给装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图2-3，仿真模拟坎儿井井口砂土冻融循环破坏的试验机，包括试样6、蒸汽补给装置1、位移传感器2、蒸汽盘3、透水石4、试样盒5、温度传感器7、制冷装置8、排气孔9和循环水出口10，试样6为坎儿井井口冻融范围内取的土样制做而成；蒸汽补给装置1给试样提供带压力的蒸汽，用于模拟坎儿井井壁湿热蒸汽的侵蚀；位移传感器2用于记录试验过程中试样位移变化；蒸汽盘3用于将蒸汽补给装置输出的一束蒸汽转化成一面蒸汽，均匀的补给到试样上；透水石4一方面便于蒸汽均匀的透过，另一方面便于在上部施加荷载后，荷载能均匀的传递到试样上；试样盒5用于放置试样；温度传感器7用于记录试验过程中试样的温度变化；制冷装置8用于提供试样所需有的温度；排气孔9排出多余气体防止试样盒5内压力过高；蒸汽冷凝后，一部分被试样吸收，一部分多余的通过循环水出口10排出；试样盒5内从上到下依次设置有蒸汽盘3、透水石4和试样6，蒸汽盘3与蒸汽补给装置1连接，蒸汽盘3上设置有位移传感器2，试样6内部设置有若干温度传感器7，制冷装置8设置在试样盒5底部，排气孔9和循环水出口10均设置在试样盒5底部。

本发明的试验机上端补给蒸汽，模拟坎儿井竖井内壁的湿热蒸汽补给，下端调节制冷装置8，模拟坎儿井井口戈壁环境温度变化，蒸汽补给装置1可以根据需要，可以调节输出的蒸汽压力，蒸汽盘3与透水石4的设置可以使蒸汽以面接触的形式补给坎儿井土样，补给更均匀，并且位移传感器2和温度传感器7在试验中可以记录坎儿井土样的位移变化和温度变化，本发明仿真的模拟了现场实际条件，使试验过程更接近真实，数据更准确可靠，指导性和可参考性更高，使试验研究更加具有理论指导意义，可以用于指导坎儿井的保护，使新疆坎儿井这一文化遗产得以传承与发展，使新疆地区更多的劳动人民使用这一绿色环保的水源。

在本实施例中，所述蒸汽补给装置1包括进水口11、盛水仓12、出水管13、增压雾化仓14、压力调节阀15、压力管16，压力油泵17、压力表18和蒸汽输出管19，盛水仓12上设有进水口11，盛水仓12通过出水管13与增压雾化仓14连接，增压雾化仓14通过压力管16与压力油泵17连接，压力管16上设有压力调节阀15，增压雾化仓14上设有蒸汽输出管19，蒸汽输出管19与蒸汽盘3连接，蒸汽输出管19上设有压力表18。盛水仓12用于盛蒸馏水，防止水中矿物对试验的影响；增压雾化仓14用于将蒸馏水增压进行雾化变成蒸汽；压力调节阀15用于根据试验需要调节压力油泵17的压力；压力油泵17用于给增压雾化仓14提供压力；压力表18用于观察蒸汽供给压力。

在本实施例中，所述盛水仓12为玻璃缸，玻璃缸上设有刻度。盛水仓12设置为玻璃缸，并且带有刻度，可以用于能判断有多少水被雾化成蒸汽。

在本实施例中，所述试样盒5为钢化夹层玻璃试样盒。钢化夹层玻璃可以减少试样与外界环境的热传递，钢化夹层玻璃是透明的，能观察试样在冻融循环试验过程中的侵蚀情况。

在本实施例中，所述温度传感器7从上到下均匀的设置在所述试样的内部。

仿真模拟坎儿井井口砂土冻融循环破坏的方法，包括以下步骤：

(1)现场取土样：以坎儿井竖井井口为中心，在半径为1.5m，深度为1.5m的范围取土样，该范围是坎儿井井口砂土受冻融循环破坏影响的范围；

(2)试样制备：为使试验更具针对性并消除取土样可能已经发生冻融现象的影响，根据土样物理性质制备重塑土试样，按试验设计含水率要求将土样在蒸馏水中拌匀浸润24h，然后做成块状的试样，确保试样含水率均匀；

(3)试样恒温：将试样放入试样盒，调节试验机温度为5℃，让试样恒温8h，由温度传感器测得试样内部各点温度一致后可开始下一步试验；

(4)冻融循环试验：按试验方案在不同冻结温度和不同蒸汽补给压力条件下进行冻融试验，一次冻、融周期历时24h，冻结和融化各12h，每个冻融周期结束时记录试样高度和试样内部各点温度，共20次冻融周期；

(5)试验数据统计：将第0、2、4、6、10、15、20次冻融周期结束时取出的每组4个试样，其中2个测其孔隙率，另外2个分别将其切成30mm厚的切片，测试样不同高度的含水率；

(6)数据分析及归纳：根据试验数据分析在不同蒸汽补给压力、不同冻结温度条件下，研究土样冻融循环后孔隙率和水分迁移的变化规律。

在本实施例中，所述试样为圆柱状试样，高度为15cm，直径为10cm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.仿真模拟坎儿井井口砂土冻融循环破坏的试验机，其特征在于，包括：

试样，为坎儿井井口冻融范围内取的土样制做而成；

蒸汽补给装置，给试样提供带压力的蒸汽，用于模拟坎儿井井壁湿热蒸汽的侵蚀；

位移传感器，用于记录试验过程中试样位移变化；

蒸汽盘，用于将蒸汽补给装置输出的一束蒸汽转化成一面蒸汽，均匀的补给到试样上；

透水石，一方面便于蒸汽均匀的透过，另一方面便于在上部施加荷载后，荷载能均匀的传递到试样上；

试样盒，用于放置试样；

温度传感器，用于记录试验过程中试样的温度变化；

制冷装置，用于提供试样所需有的温度；

排气孔，排出多余气体防止试样盒内压力过高；

循环水出口，蒸汽冷凝后，一部分被试样吸收，一部分多余的通过循环水出口排出；

试样盒内从上到下依次设置有蒸汽盘、透水石和试样，蒸汽盘与蒸汽补给装置连接，蒸汽盘上设置有位移传感器，试样内部设置有若干温度传感器，制冷装置设置在试样盒底部，排气孔和循环水出口均设置在试样盒底部。

2.如权利要求1所述的仿真模拟坎儿井井口砂土冻融循环破坏的试验机，其特征在于：所述蒸汽补给装置包括进水口、盛水仓、出水管、增压雾化仓、压力调节阀、压力管，压力油泵、压力表和蒸汽输出管，盛水仓上设有进水口，盛水仓通过出水管与增压雾化仓连接，增压雾化仓通过压力管与压力油泵连接，压力管上设有压力调节阀，增压雾化仓上设有蒸汽输出管，蒸汽输出管与所述蒸汽盘连接，蒸汽输出管上设有压力表。

3.如权利要求2所述的仿真模拟坎儿井井口砂土冻融循环破坏的试验机，其特征在于：所述盛水仓为玻璃缸，玻璃缸上设有刻度。

4.如权利要求1-3中任一项所述的仿真模拟坎儿井井口砂土冻融循环破坏的试验机，其特征在于：所述试样盒为钢化夹层玻璃试样盒。

5.如权利要求4所述的仿真模拟坎儿井井口砂土冻融循环破坏的试验机，其特征在于：所述温度传感器从上到下均匀的设置在所述试样的内部。

6.仿真模拟坎儿井井口砂土冻融循环破坏的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)现场取土样：以坎儿井竖井井口为中心，在半径为1.5m，深度为1.5m的范围取土样，该范围是坎儿井井口砂土受冻融循环破坏影响的范围；

(2)试样制备：为使试验更具针对性并消除取土样可能已经发生冻融现象的影响，根据土样物理性质制备重塑土试样，按试验设计含水率要求将土样在蒸馏水中拌匀浸润24h，然后做成块状的试样，确保试样含水率均匀；

(3)试样恒温：将试样放入试样盒，调节试验机温度为5℃，让试样恒温8h，由温度传感器测得试样内部各点温度一致后可开始下一步试验；

(4)冻融循环试验：按试验方案在不同冻结温度和不同蒸汽补给压力条件下进行冻融试验，一次冻、融周期历时24h，冻结和融化各12h，每个冻融周期结束时记录试样高度和试样内部各点温度，共20次冻融周期；

(5)试验数据统计：将第0、2、4、6、10、15、20次冻融周期结束时取出的每组4个试样，其中2个测其孔隙率，另外2个分别将其切成30mm厚的切片，测试样不同高度的含水率；

(6)数据分析及归纳：根据试验数据分析在不同蒸汽补给压力、不同冻结温度条件下，研究土样冻融循环后孔隙率和水分迁移的变化规律。

7.如权利要求6所述的仿真模拟坎儿井井口砂土冻融循环破坏的方法，其特征在于：所述试样为圆柱状试样，高度为15cm，直径为10cm。