CN105092798A - 一种模拟变水头透水土层潜水地层室内回灌系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟变水头透水土层潜水地层室内回灌系统及试验方法，包括水平设置的模型槽，在模型槽内竖直设有两块透水板，一侧的透水板与模型槽之间形成进水槽，另一侧的透水板与模型槽之间形成出水槽，进水槽和出水槽内的水流量均通过阀门控制，在两块透水板之间填充有砂卵石土层，在砂卵石土层中竖直设有回灌井，回灌井通过回灌管路与水源连接。本发明的有益效果：本试验可模拟实际工程中有代表性的地层进行回灌试验，与实际工程相符，代表性更强，通过实验得出的参数，如水位变化、地表沉降变化值可用作回灌效果分析中，得出结果可指导实际地质情况相似的工程应用，实际应用性较强。

Description

一种模拟变水头透水土层潜水地层室内回灌系统及试验方法

技术领域

本发明涉及室内回灌模型系统，特别涉及一种模拟变水头透水土层潜水地层室内回灌系统及试验方法。

背景技术

工程中基坑降水过程会形成一个以基坑为中心的降落漏斗，进而引起周围建筑物以及地面不均匀沉降，易给建筑物安全带来严重威胁，且降水过程浪费大量水资源。回灌法凭借施工简便、控制地面沉降效果好、节约水资源等显著优点，广泛应用于解决工程降水引起地面沉降的问题。不同地质条件决定回灌方式的不同，因此合理选择回灌方式、回灌压力、回灌量来解决相应的工程问题成为目前研究的重点与难点。现场回灌试验耗时久、费用高、影响因素复杂，很难控制单一变量得到相应的回灌效果，故通过室内模型试验手段研究回灌方式、回灌压力与回灌量对回灌效果的影响是必要的，用试验结果指导工程实践；同时，回灌井设置在降水影响半径以内才能有效控制降水产生的沉降漏，故实际回灌井是在水头变换、有水位差的条件下回灌的，具体如图2所示，基坑21产生沉降漏，回灌井10设置在实际基坑降水产生的沉降漏斗曲线22的斜面上，而现有的试验单纯变水头回灌，不能模拟工程真实情况，得出的结论与实际工程有偏差，不能很好地指导工程实践。

现场试验对地表沉降，回灌影响范围，回灌后的地下水位线的重要参数的控制较为复杂，影响因素多，且耗时耗力。现场试验的回灌井对其地层造成的影响是不可恢复的，不可重复利用。且回灌过程中的一些参数不好观测，如下述：(1)回灌后地下水位的观测较复杂，过多过密的观测井会对地层渗透性造成影响，过少的观测井会影响地下水位线的准确性；(2)现场试验的回灌影响范围较大，且不好确定，无法准确测量大范围内的地表沉降起伏。

相比较模型试验具有易观测、参数好控制等优点，目前有关回灌的模型试验存在以下缺点：

1、模型试验无法模拟真实变水头边界；

2、模型试验无法模拟实际基坑降水产生水位差后的真实回灌情况；

3、模型试验无法模拟实际回灌时的定流量回灌的情况。

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。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种能模拟在水位差作用下回灌井回灌后地层水位变化情况的回灌系统，能控制单一变量的，得出不同变量对回灌效果不同影响的模拟变水头透水土层潜水地层室内回灌系统及试验方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种模拟变水头透水土层潜水地层室内回灌系统，包括水平设置的模型槽，在模型槽内竖直设有两块透水板，一侧的透水板与模型槽之间形成进水槽，另一侧的透水板与模型槽之间形成出水槽，进水槽和出水槽内的水流量均通过阀门控制，在两块透水板之间填充有砂卵石土层，在砂卵石土层中竖直设有回灌井，回灌井通过回灌管路与水源连接；砂卵石土层是透水系数好的土层，可更好地得到回灌试验结果，通过进水槽和出水槽形成水位差，继而形成变水头条件。

进一步地，在所述砂卵石土层中竖直设有若干个水位观测计，用于观测回灌后砂卵石土层水位变化。

进一步地，在所述回灌井的顶端设有回灌井端盖，在回灌井端盖上设有抽真空孔，通过抽气孔将回灌井内的空气抽空，防止气堵，回灌井通过回灌管路与水泵相连。

进一步地，在所述进水槽上设有进水管，在进水管上设有进水管阀门。

进一步地，在所述出水槽上设有出水管，在所述出水管上设有出水管阀门。

进一步地，所述回灌管路与水源之间设有水泵，在回灌管路与水泵之间设有流量控制阀门，水泵可控制注水速率实现回灌量控制。

进一步地，在所述透水板与所述砂卵石土层之间铺设有隔栅和无纺土工布，有效避免了砂卵石土层内砂石进入到进水槽或是出水槽中。

进一步地，在所述回灌管路与所述流量控制阀门之间设有流量传感器和压力传感器，流量传感器、压力传感器和流量控制阀门分别与控制中心单独连接，在所述砂卵石土层的表面设有多个用于测量砂卵石土层沉降值或隆起值的位移计。

进一步地，在所述进水槽和所述出水槽的侧壁上均设有刻度线。

回灌系统的试验方法，具体步骤如下：

1)水从进水管流入到进水槽形成水体，水体渗入到砂卵石层中，通过进水管阀门控制进水槽内的水位高低；

2)打开出水管阀门，使得砂卵石土层两侧形成稳定的水位差，形成实际土层中变水头边界条件；

3)打开水泵和流量控制阀门，通过调节水泵频率保证水流流速恒定；

4)压力传感器、流量传感器将检测到的信号传递至控制中心，控制中心实时监测并调整在回灌管路上的压力和流量；

5)从水位观测计中读取水位，位移计测量砂卵石土层表面的沉降值或隆起值；

6)从出水管中将水全部放出，移动回灌井在砂卵石土层内的位置，重复步骤1)到步骤5)，得到多组试验结果。

本发明的工作原理是：进水箱高于模型槽高度，形成一定压力，水通过进水管压入模型槽内，在模型槽一侧形成水体，水体渗入砂卵石层中，通过进水管阀门控制水位高低，形成潜水含水层水位；模型槽中出水槽右侧下部与右侧壁上通过弯管连接出水管，使砂卵石土层两侧形成稳定的水位差，形成实际土层中变水头边界条件；打开水泵，进行回灌试验，通过水泵向回灌井内提供恒定的注水速率，通过控制注水速率实现回灌量控制；在回灌过程中，实时监测水位观测计中水位值；通过控制回灌水流流速与回灌量控制回灌压力，可以实现定压力回灌；根据位移计监测地表沉降值与隆起值，在一次试验完成后，通过出水管排水后，再进行第二次试验，通过多组试验得出回灌速率与回灌水位线的关系公式，为现场施工提供一定的依据。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本试验可模拟实际工程中有代表性的地层进行回灌试验，通过进水槽和出水槽的设置形成水位差，既形成实际土层中变水头边界条件，与实际工程相符，代表性更强，通过实验得出的参数，如水位变化、地表沉降变化值可用作回灌效果分析中，得出结果可指导实际地质情况相似的工程应用，实际应用性较强。

2)通过回灌管路上的压力传感器与流量传感器所发出信号，控制中心相应实时流量与压力，再通过流量阀与水泵频率控制回灌压力与回灌量，得出不同压力与回灌量下的回灌水位与地表沉降值等准确数据，进而分析得到适宜该土层的回灌压力与回灌量。该方法控制的变量可以为单一变量，研究不同变量对回灌效果的影响，得出试验参数较准确，结果好分析。而现场试验地形条件复杂，影响因素多元，结果不好控制。

3)本发明可以通过移动回灌井的位置，观测不同回灌井的位置对回灌后水位线的变化以及地表沉降值与隆起值的变化，得到回灌井位置对回灌效果的影响，为工程提供指导，试验条件好实现，节省工期与成本，试验材料可重复利用，优势较显著。

4)对回灌过程中的压力与流量进行智能化监测，通过信号传输将实验数据转化为实时流量、实时压力与累计注水量，更加智能，减少人为读数对试验数据造成的误差，使试验结果更可靠。

5)因设置在出水槽底部的出水管可以将回灌系统内的水排出，能重复进行试验，通过多次试验求得回灌压力和回灌量的平均值，更好地指导现场施工。

附图说明

图1为本发明的整体示意图；

图2为实际回灌井设置的示意图；

图中：1、模型槽；2、刻度尺；3、透水板；4、水泵；5、流量控制阀门；6、压力传感器；7、流量传感器；8、回灌井端盖；9、回灌管路；10、回灌井；11、进水箱；12、进水管；13、进水管阀门；14(16)、出水管；15(17)、出水管阀门；18、水位观测计；19、位移计；20、控制中心，21.基坑，22.实际基坑降水产生的沉降漏斗曲线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种模拟变水头透水土层潜水地层室内回灌系统，包括水平设置的模型槽1，模型槽1呈长方体状，前侧的面为钢化玻璃，便于观测透水土层内部的情况，透水土层为透水性较好的土层，可以为砂卵石土层或粗砂层或中砂层或颗粒较大的粉土质砂层。在模型槽1内竖直设有两块透水板3，透水板3打孔的钢板，一侧的透水板与模型槽1之间形成进水槽，另一侧的透水板与模型槽1之间形成出水槽，进水槽和出水槽内的水流量均通过阀门控制，在两块透水板3之间填充有砂卵石土层，根据实际地层情况，通过土工试验与三轴试验配置砂卵石土层，按一定压实度将砂卵石土层填筑到模型槽1内，在砂卵石土层中竖直设有回灌井10，回灌井10通过回灌管路9与水源连接；砂卵石土层是透水系数好的土层，可更好地得到回灌试验结果，通过进水槽和出水槽形成水位差，继而形成变水头条件。

砂卵石土层是根据地层相关情况配制的，在所述透水板3与所述砂卵石土层之间铺设有隔栅和无纺土工布，透水板3、无纺土工布与钢塑格栅作为一个系统对砂卵石土层进行支护与防止砂卵石流失，且不阻碍模型槽1左右侧水体进出砂卵石土层，整个模型槽1为密闭系统。

在所述砂卵石土层中竖直设有若干个水位观测计18，多个水位观测计18间隔距离设置，实时监测砂卵石土层不同位置处的水位值。

所述模型槽1的进水管12上连接进水箱11，水通过进水管12流入进水槽内，进水管12上设有进水管阀门13，进水箱11的高度高于模型槽1的高度，形成一定的压力，进水管设置在模型槽1的底部，可增加进水箱11的压力，进水更加容易，水位变化也比较均匀；模型槽1右侧下部与右侧壁上连接出水管14与16，出水管14与16上分别设有出水管阀门15与17，出水管16的开启，是为了将砂卵石层右侧水位有效控制在出水管16出水口处，出水管14的开启是为了一次试验结束后，将砂卵石土层中的水全部放出，以方便再次进行不同渗透系数的砂卵石土层回灌试验；所述模型槽1左右两侧设有刻度尺2；

所述回灌井10上配置有回灌井端盖8，回灌管路插入到回灌井10内，插入到回灌管路9上的部分是均匀分布有孔的，回灌井10上也均布有流水的孔，回灌井端盖8上设有抽真空孔，防止气体堵塞回灌管路9；所述回灌管路9与水泵4连接，回灌管路上设有流量控制阀5、压力传感器6、流量传感器7，流量控制阀门5和两个传感器分别与控制中心相连，控制中心20根据所获得的上述反馈信息可以得到实时回灌压力与回灌水量；通过调节水泵频率使得水泵4可以输入恒定的注水速率，通过控制注水速率实现回灌量控制；控制中心20是PLC控制系统。

所述潜水含水层的进水管12上设有进水管阀门13，出水管14与16上设有出水管阀门15与17，可控制潜水含水层水位；通过进水管12与出水管14、16可以控制砂卵石土层左右边界的变水头条件与左右边界形成水位差的条件。

一种模拟变水头透水土层潜水地层室内回灌系统的试验方法包括以下步骤：

1)水从进水管12流入到进水槽形成水体，水体渗入到砂卵石土层中，通过进水管阀门13控制进水槽内的水位高低；

2)当透水土层内水位达到预设水位时，打开出水管阀门17，使得砂卵石土层两侧形成稳定的水位差，形成实际土层中变水头边界条件；

3)打开水泵4和流量控制阀门5，通过调节水泵4频率保证水流流速恒定；

4)压力传感器6、流量传感器7将检测到的信号传递至控制中心20，控制中心20实时监测并调整在回灌管路9上的压力和流量；

5)从水位观测计18中监测水位值，位移计19测量砂卵石土层表面的沉降值或隆起值；

6)打开出水管阀门15，从出水管14中将水全部放出，移动回灌井10在砂卵石土层内的位置，重复步骤1)到步骤5)，得到多组试验结果。

在回灌过程中，实时监测水位观测计18中水位值；通过控制回灌水流流速与回灌量控制回灌压力，可以实现定压力回灌；根据位移计19监测地表沉降与隆起值；本模型系统可以通过试验得到回灌后地层浸润线，地表沉降与隆起量等参数，有助于回灌效果评价；综合考虑回灌压力与回灌量对地下水位的影响与地表位移的影响，选择合适的回灌方式与回灌量的组合，指导实际基坑降水中回灌井10的设置。

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 (10)

1.一种模拟变水头透水土层潜水地层室内回灌系统，其特征在于，包括水平设置的模型槽，在模型槽内竖直设有两块透水板，一侧的透水板与模型槽之间形成进水槽，另一侧的透水板与模型槽之间形成出水槽，进水槽和出水槽内的水流量均通过阀门控制，在两块透水板之间填充有砂卵石土层，在砂卵石土层中竖直设有回灌井，回灌井通过回灌管路与水源连接。

2.如权利要求1所述的回灌系统，其特征在于，在所述砂卵石土层中竖直设有若干个水位观测计。

3.如权利要求1所述的回灌系统，其特征在于，在所述回灌井的顶端设有回灌井端盖，在回灌井端盖上设有抽真空孔。

4.如权利要求1所述的回灌系统，其特征在于，在所述进水槽上设有进水管，在进水管上设有进水管阀门。

5.如权利要求1所述的回灌系统，其特征在于，在所述出水槽上设有出水管，在所述出水管上设有出水管阀门。

6.如权利要求1所述的回灌系统，其特征在于，所述回灌管路与水源之间设有水泵，在回灌管路与水泵之间设有流量控制阀门。

7.如权利要求1所述的回灌系统，其特征在于，在所述透水板与所述砂卵石土层之间铺设有隔栅和无纺土工布。

8.如权利要求6所述的回灌系统，其特征在于，在所述回灌管路与所述流量控制阀门之间设有流量传感器和压力传感器，流量传感器、压力传感器和流量控制阀门分别与控制中心单独连接，在所述砂卵石土层的表面设有多个用于测量砂卵石土层沉降值或隆起值的位移计。

9.如权利要求1所述的回灌系统，其特征在于，在所述进水槽和所述出水槽的侧壁上均设有刻度线。

10.如权利要求1-9中任意一项所述的回灌系统的试验方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)水从进水管流入到进水槽形成水体，水体渗入到砂卵石层中，通过进水管阀门控制进水槽内的水位高低；

2)打开出水管阀门，使得砂卵石土层两侧形成稳定的水位差，形成实际土层中变水头边界条件；

3)打开水泵和流量控制阀门，通过调节水泵频率保证水流流速恒定；

4)压力传感器、流量传感器将检测到的信号传递至控制中心，控制中心实时监测并调整在回灌管路上的压力和流量；

5)从水位观测计中监测水位值，位移计测量砂卵石土层表面的沉降值或隆起值；

6)从出水管中将水全部放出，移动回灌井在砂卵石土层内的位置，重复步骤1)到步骤5)，得到多组试验结果。