CN106847048B - 模拟承压地下水回灌的仿真边界试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟承压地下水回灌的仿真边界试验系统，它解决了地下水回灌试验模型对于隔水层隔水不好和出水边界不符合实际情况的问题，提升了承压含水层回灌仿真隔水层的封闭性；增加了周围边界的透水性，减小了试验装置对试验时边界条件的影响。其技术方案为：包括供水箱，供水箱通过供水管向回灌井供水，所述回灌井设置于仿真边界集水箱内，所述仿真边界集水箱内设置试验土层，所述试验土层上下两侧均由承压含水层密封部进行隔水，所述仿真边界集水箱底部设置排水部件。

Description

模拟承压地下水回灌的仿真边界试验系统

技术领域

本发明涉及仿真试验技术领域，特别是涉及一种模拟承压地下水回灌的仿真边界试验系统。

背景技术

随着经济快速发展，城市地下工程越来越多，朝着更大更深的方向发展。为保证基坑工程干作业条件，基坑降水成为必不可少的环节。然而基坑降水会带来基坑周围地面的不均匀沉降和水资源的浪费等问题。为了解决上述问题，基坑降水后地下水回灌成为必不可少的环节。如今需要一种结构更加合理的地下水回灌试验模型，获取回灌地下水的曲面形状、空隙水压力、渗透系数、土层沉降值等参数。

目前，对于隔水层的设置和出水边界的设置是承压地下水回灌室内模型的难点，已有模型存在以下缺陷：隔水层用塑料膜等通过结构胶等进行密封，很难做到没有薄弱环节，一旦出现透水通路很难对模型进行修复，导致试验失败。此外，出水边界多为单面或者双面出水边界，与四周均为出水边界的实际情况不相符；其次出水边界多为直接加滤网的洞口，很容易造成堵塞，造成出水困难。

综上，现有技术中地下水回灌试验模型对于隔水层隔水不好和出水边界不符合实际情况的问题，尚缺乏有效的解决方案。目前仍缺少一种具有良好隔水效果的承压水隔水层、四周具有良好透水性的出水边界的承压地下水回灌试验系统。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种模拟承压地下水回灌的仿真边界试验系统，解决了回灌试验装置做承压含水层回灌试验时，上下隔水层设置封闭效果不好，较容易出现透水现象的问题，提升了承压含水层回灌仿真隔水层的封闭性；增加了周围边界的透水性，减小了试验装置对试验时边界条件的影响。试验系统可以通过埋设在土层中的空隙水压力传感器、沉降传感器等原件测试回灌时水的渗流压力、土层沉降等参数，通过数据线传输到电脑终端；并且可以仿真模拟地下水回灌过程，显示并存储回灌压力、回灌量、回灌时间等参数；研究不同土层的回灌难易程度等问题。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

模拟承压地下水回灌的仿真边界试验系统，包括供水箱，供水箱通过供水管向回灌井供水，所述回灌井设置于集水箱内，所述集水箱内设置试验土层，所述试验土层上下两侧均由承压含水层密封部进行隔水，承压含水层密封部形成隔水边界，集水箱四周均为出水边界，所述集水箱底部设置排水部件。本发明的试验系统中，由承压含水层密封部形成隔水边界，避免了做承压含水层回灌试验时，容易发生突涌，隔水效果不好的缺陷，可以起到有效的隔水效果。

所述试验土层设置于集水箱中部，试验土层顶部和底部均设置有辅助土层。由上下的辅助土层将试验土层设于中部，更好的模拟实际工程情况。

所述回灌井在与试验土层配合处设置滤水管，所述滤水管为加设滤网的透水管。回灌井在试验土层处设置成加设滤网的透水管，试验研究试验土层处回灌情况。

所述承压含水层密封部包括隔水弹性板，所述隔水弹性板端部通过止水压边与集水箱连接。止水压边穿过三层反滤网，与集水箱侧壁连接，止水压边为与三级反滤网结合的拐角构件，可以采用钢板压条，通过止水压边固定隔水弹性板。

所述隔水弹性板和止水压边之间设置弹性胶垫，胶垫为柔性橡胶条，增加连接部位的密封效果。

所述隔水弹性板、止水压边和弹性胶垫之间通过连接件紧固连接。保证三者之间连接的可靠稳固性。

所述集水箱包括外部围护体，所述外部围护体内设置多层反滤网，多层反滤网在外部围护体内侧壁逐层布设。集水箱内侧设置多层反滤网，出水阻力较小、不易堵塞、出水容易，与实际情况较接近，可以很好的解决边界出水困难，影响试验效果的缺陷。

所述外部围护体内设置有水位控制管，水位控制管下部与集水箱的排水口相连接，水位控制管上部设置出水口，控制管出水口可调节高度，通过调节管口高度调节集水箱水位。

所述多层反滤网之间均由内支撑间隔。内支撑既可以固定多层反滤网和集水箱，同时内支撑将多层反滤网间隔开设定距离。

所述多层反滤网的出水孔由内至外依次加大。

优选的，所述反滤网为三层，靠近集水箱外侧的反滤网和中间层反滤网之间填设17-19mm粒径的石子，靠近集水箱内侧的反滤网和中间层反滤网之间填设9-11mm粒径的石子，靠近集水箱内侧的反滤网和试验土层之间填设7-9mm粒径的石子。通过三层不同粒径的石子形成反滤层，防止滤网堵塞，减小边界对出水的阻碍作用。

所述供水管上设有水泵，所述水泵与控制器连接，所述供水管上还设置电磁流量表，电磁流量表与控制器连接。在供水管上设置水泵和电磁流量表，通过控制器可精确控制向集水箱内供水的量和速度。

所述回灌井顶部设置有压力表和水气分离阀，水气分离阀用于排出回灌井内的气体，在加压回灌时仍然能保证排气，同时水位到井口时阻止水的排出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的试验系统可以较真实的模拟地下水的回灌过程，对于回灌过程中的回灌压力、回灌水量、土层的回灌难易程度、土层的沉降值等参数可以很好的呈现与记录。

(2)本系统为圆形，周边均为出水边界，可以跟实际回灌工程的出水边界较吻合；并且四周均为三级反滤网，出水阻力较小、不易堵塞、出水容易，与实际情况较接近，可以很好的解决边界出水困难，影响试验效果的缺陷。

(3)试验系统的隔水边界是承压水土层上下均用隔水弹性板通过周边的钢板压条通过螺栓固定，并且隔水弹性板通过钢板压条固定时，上下均垫弹性胶垫，这样可以做到有较好的隔水和固定效果。从而避免了做承压含水层回灌试验时，容易发生突涌，隔水效果不好的缺陷。

(4)本系统设置有控制平台，控制平台的变频恒压控制系统和自动监测系统，实现了试验过程的自动控制、记录和存储，提高了试验系统的智能化。

(5)集水箱的排水口连接水位控制管，可以实现排水的同时，通过调节水位控制管出水口的高低调节集水箱内的水位。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明试验系统的水平剖面结构示意图；

图2为本发明试验系统的正面结构示意图；

图3为本发明试验系统的竖向剖面结构示意图；

图4为本发明的隔水弹性板固定细部图。

图中，1、供水箱，2、控制平台，3、水泵，4、三层反滤网，5、集水箱，6、回灌井，7、供水管，8、内支撑，9、排水渠，10、排水口，11、滤水管，12、隔水弹性板，13、辅助土层，14、试验土层，15、止水压边，16、底座，17、水位控制管，18、压力表，19、螺栓，20、弹性胶垫，21、电磁流量表，22、水气分离阀。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释部分：本发明中止水压边为与反滤网结合的拐角构件，止水压边穿过三层反滤网，与集水箱侧壁连接，止水压边可以采用钢板压条，通过止水压边固定隔水弹性板。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在地下水回灌试验模型对于隔水层隔水不好和出水边界不符合实际情况的问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种模拟承压地下水回灌的仿真边界试验系统。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图4所示，提供了一种模拟承压地下水回灌的仿真边界试验系统，包括供水加压部件、自动监测记录部件、回灌管井部件、仿真边界集水箱、承压含水层密封部件、底座排水部件。

其中，供水加压部件包括供水箱1、控制平台2、水泵3、电磁流量表21。供水箱1与水泵3通过管路相连接，管路上设置电磁流量表21，电磁流量表21通过数据线与控制平台连接，水泵3通过控制平台内变频恒压控制系统调节转速。

自动监测记录部件为设置于水泵3处的控制平台2，控制平台2由变频恒压控制系统和自动监测系统组成。变频恒压控制系统与设置于回灌井6顶部的压力表18连接，通过传输的压力值调节水泵3的转速，从而达到由设定好的压力恒压回灌。自动监测系统与压力表18、变频恒压控制系统和电磁流量表21连接，自动采集回灌压力值，回灌水量、回灌时间等参数，并做存储。

回灌管井部件包括连通水泵3与回灌井6的供水管7及回灌井6，其中回灌井6顶部设置压力表18，压力表18通过数据线与控制平台相连接，控制平台2通过传输的数据自动调节回灌量使回灌压力稳定，并且自动收集压力表数据，时时存储；回灌井6在回灌目标土层(即试验土层14)为滤水管11。

回灌井6为钢管，顶部设置有压力表18和水气分离阀22，试验土层14的滤水管11为加设滤网的透水管。

仿真边界集水箱5包括三层反滤网4和带有水位控制管17的外部围护体组成，三层反滤网4每层间由内支撑8间隔，由内到外反滤网的出水孔依次加大，中间滤料粒径也依次加大；外部围护体设置有排水口10，排水口10与水位控制管17连接，通过调节水位控制管的上部出水口位置调节边界水箱内的水位。集水箱外围尺寸：直径为8m，高3m。

承压含水层密封部件包括隔水弹性板12和周边的止水压边15，两层隔水弹性板12中间是试验土层14，上部及下部为压实的辅助土层13；其中隔水弹性板12起到隔水效果，周边通过止水压边15固定在上下钢板围护结构中间，大大提高了设备的止水效果，且不易损坏；止水压边15通过周圈螺栓19(即连接件)固定，且与隔水弹性板12中间加设一圈弹性胶垫20，起到更好的止水效果。

底座排水部件包括试验设备的底座16和排水渠9；底座16由混凝土浇筑而成，起到支撑整个设备的作用；排水渠9可以将设备内排出的回灌水及时疏散。

本发明的模拟承压地下水回灌的仿真边界试验系统的构建方法，包括以下步骤：

首先加工150mm厚混凝土底座，并在底座周围设置排水水渠。

加工三级过滤网和隔水弹性板，过滤网高度为承压含水层土层厚度，最内侧过滤网采用4mm厚钢板，梅花布置直径5mm圆孔，圆孔边缘水平及垂直间距5mm；中间层过滤网采用4mm厚钢板，梅花布置直径8mm圆孔，圆孔边缘水平及垂直间距8mm；最外层过滤网采用4mm厚钢板，梅花布置直径15mm圆孔，圆孔边缘水平及垂直间距15mm；每层过滤网中间用长度100mm、宽度20mm、高度50mm钢板条内支撑，内支撑水平间距200mm、竖向间距200mm焊接到两侧钢板上均布；在过滤网顶部及底部水平向周圈满布钢板压条，在上下层钢板压条处通过螺栓连接，并在两钢板压条中间部位水平添加一圈弹性胶垫，增加连接处的密封效果，在螺栓固定前需将其下部土层夯实填筑完毕，将隔水弹性板铺设规整，边缘压在周圈上下弹性胶垫之间；在最内侧过滤网附近100mm范围的试验土层用粒径8mm左右的石子置换，在最内层过滤网和中间层过滤网中间空隙处填入10mm左右粒径的石子，在中间层过滤网和最外层过滤网中间空隙处填入18mm左右粒径的石子，通过三层不同粒径的石子形成反滤层，防止滤网堵塞，减小边界对出水的阻碍作用。

加工集水箱侧壁，侧壁由1cm厚钢板焊接而成，并且在侧壁上预留排水口、测试原件数据线孔；排水口连接水位控制管；数据线孔为后期埋设空隙水压力传感器、温度传感器等测试原件铺设数据线留设；集水箱侧壁与内部三级反滤网通过内支撑固定，内支撑尺寸为长500mm，宽20mm，高度同集水箱高度，以水平间距500mm均匀平行布置；内支撑上竖向交错均布300mm*10mm长条状空隙，水平间距100mm，利于集水箱内水流动，保持恒定水头高度。

加工回灌井，回灌井在回灌目的层设置滤水管，在回灌井顶部设置压力表和水气分离阀，顶部与进水管连接。

加工供水箱，供水箱是直径1500mm,高2000mm的圆柱体，由钢板焊接组装而成，供水箱设置有进水口和出水口，出水口管路上连接电磁流量表，可以测量回灌水量；供水箱侧壁设置水位观测管。

加工控制平台，控制平台是回灌装置的中枢部分，由变频恒压控制系统与自动监测记录系统组成，变频恒压控制系统与设置于回灌井顶部的压力表由数据线连接，自动监测系统与电磁流量表、压力表、变频恒压控制系统通过数据线连接。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.模拟承压地下水回灌的仿真边界试验系统，其特征是，包括供水箱，供水箱通过供水管向回灌井供水，所述回灌井设置于集水箱内，所述集水箱内设置试验土层，所述试验土层上下两侧均由承压含水层密封部进行隔水，承压含水层密封部形成隔水边界，集水箱四周均为出水边界，所述集水箱底部设置排水部件；所述承压含水层密封部包括隔水弹性板，所述隔水弹性板端部通过止水压边与集水箱连接；所述隔水弹性板和止水压边之间设置弹性胶垫；所述隔水弹性板、止水压边和弹性胶垫之间通过连接件紧固连接；所述集水箱包括外部围护体，所述外部围护体内设置多层反滤网，多层反滤网在外部围护体内侧壁逐层布设；所述反滤网为三层，靠近集水箱外侧的反滤网和中间层反滤网之间填设17-19mm粒径的石子，靠近集水箱内侧的反滤网和中间层反滤网之间填设9-11mm粒径的石子，靠近集水箱内侧的反滤网和试验土层之间填设7-9mm粒径的石子。

2.如权利要求1所述的试验系统，其特征是，所述试验土层设置于集水箱中部，试验土层顶部和底部均设置有辅助土层。

3.如权利要求1所述的试验系统，其特征是，所述回灌井在与试验土层配合处设置滤水管，所述滤水管为加设滤网的透水管。

4.如权利要求1所述的试验系统，其特征是，所述外部围护体内设置有水位控制管，水位控制管下部与集水箱的排水口相连接，水位控制管上部设置出水口。

5.如权利要求1所述的试验系统，其特征是，所述多层反滤网之间均由内支撑间隔；所述多层反滤网的出水孔由内至外依次加大。

6.如权利要求1所述的试验系统，其特征是，所述供水管上设有水泵，所述水泵与控制器连接，所述供水管上还设置电磁流量表，电磁流量表与控制器连接；所述回灌井顶部设置有压力表和水气分离阀。