CN107248361A - 用于模拟岩溶塌陷的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水文地质学实验装置，具体是一种用于模拟岩溶塌陷的实验装置，包括模拟箱、进水箱和排水箱，模拟箱内设置有模拟岩溶，模拟岩溶内设有岩溶洞穴和岩溶洞隙，模拟岩溶上设有覆盖层，模拟箱设有与岩溶洞穴连通的进水管和出水管，进水箱中设有水力转轮、偏心轮、推杆以及推板，排水箱设有内筒、排泥管和疏通装置。本发明岩溶塌陷模拟装置能够使水位自动变化，避免在模拟过程中人工手动重复操作，减轻实验者的工作强度，且能够在排泥管堵塞时，自动疏通排泥管。

Description

用于模拟岩溶塌陷的实验装置

技术领域

本发明涉及一种水文地质学实验装置，具体而言，涉及一种用于模拟岩溶塌陷的实验装置。

背景技术

岩溶塌陷是岩溶地区，特别是隐伏岩溶地区的一种地质灾害。我国是世界上岩溶塌陷发生最广泛、受害严重的国家之一。岩溶塌陷给城市建设、交通运输、矿山开采、农田水利、生态环境及人民生活等都带来了严重的危害，因此对岩溶地区形成岩溶塌陷的影响因素、形成条件、盖层稳定性等的系统研究具有重要的意义和巨大的价值。

岩溶塌陷至少要具备三个条件：岩溶洞穴和洞隙、一定厚度的覆盖层、动力条件。

为了能够对岩溶塌陷进行直观的研究，可以对岩溶塌陷的过程进行模拟，现有的模拟装置，如中国专利CN105810075公开的抽水触发岩溶塌陷过程实验装置，通常包括模拟箱体、进水装置和排水装置，其以水动力作为岩溶坍塌的动力条件，在模拟箱内建立模拟岩溶洞隙，并在洞隙上方设置覆盖层，然后通过对模拟箱内水量的控制，模拟岩溶地区水流流动与水位变化，进而实现岩溶坍塌的模拟和研究。

但是，现有的模拟装置在模拟水位变化时，主要是通过人工控制进水量和出水量的方法实现的，因为水位变化是反复的，模拟这些重复的变化过程会很麻烦；另外，在模拟完成后，覆盖层的泥土与水的混合物散布在模拟箱中，需要人工打开装置进行清理，清理后的混合物还需要单独处置，十分不方便，为此部分现有的模拟装置通过设置排泥管道来排出泥土，但是泥土很容易堵塞管道的入口，影响清理效果。

发明内容

本发明意在提供一种用于模拟岩溶塌陷的实验装置，能够使水位自动以一稳定的频率变化，避免在模拟过程中人来手动重复操作，减轻实验人员的工作强度。

为了解决上述技术问题，本专利提供如下基础技术方案：

一种用于模拟岩溶塌陷的实验装置，包括模拟箱，模拟箱内设置有模拟岩溶，模拟岩溶内设有岩溶洞穴和岩溶洞隙，模拟岩溶上设有覆盖层，模拟箱设有与岩溶洞穴连通的进水管和出水管，还包括：

进水箱，进水箱通过模拟箱的进水管与模拟箱连通，进水箱内设有依次连接的水力转轮、偏心轮、推杆以及推板，进水箱顶部设有供水进入的开口，所述开口与水力转轮位置对应，所述水力转轮能够在水流的推动下转动并能够通过带动偏心轮使推板水平往复运动；

排水箱，排水箱位于模拟箱下方，通过模拟箱的出水管与模拟箱连通，出水管上设有阀门，排水箱内设有内筒，内筒底部与排水箱底部之间通过弹簧连接，内筒底部设有用来连接下水道的排泥管，排水箱底部设有供排泥管穿过的通孔，内筒侧壁设有竖直的齿条，排水箱顶部设有与齿条啮合的齿轮，排水箱顶部还设有与齿轮动力连接的疏通装置，所述齿轮转动时能够驱动疏通装置疏通排泥管入口。

本发明技术方案中，水力转轮用来将水流的动能和势能转化为机械能，偏心轮用来带动推杆和推板往复运动，推板通过往复运动实现岩溶洞穴中水位的调节，进水箱整体用来为模拟箱的岩溶洞穴提供水源，并控制岩溶洞穴内水位自动变化；阀门用来控制模拟箱的出水量，进而控制岩溶洞穴中水的总量；内筒用来盛装模拟箱排出的水和泥土，弹簧用来固定支撑内筒，同时保证内筒能够在重量增加时下降，在重量减轻时上升，齿条通过跟随内筒上下位移使齿轮发生转动，疏通装置用来疏通内筒排泥管入口。

本发明技术方案使用时，首先调节模拟箱出水管阀门使模拟箱岩溶洞穴中存有一定量的水，然后控制阀门使模拟箱出水速度和进水箱进水速度相同，使进水箱和岩溶洞穴中的水的总量保持不变，水流从进水箱开口进入并与水力转轮碰撞，使水力转轮旋转，水力转轮通过偏心轮带动推板往复运动，使推板推动水流，由于进水箱和岩溶洞穴中的水的总量保持不变，往复的推动会使岩溶洞穴中的水位发生变化，水位变化的幅值取决于进水箱和岩溶洞穴中的水的总量，进而实现了岩溶洞穴中的水位的自动变化，控制进水速度恒定，岩溶洞穴的水位便会以一稳定的频率变化，通过设置进水箱进水流量和阀门的出水流量，可以对水力转轮的受力进行控制，进而控制转轮的转速，从而控制推板的往复频率，实现对岩溶在不同水位变化频率下的状态的模拟；当模拟完成后需要清理装置时，加大进水量，然后完全打开模拟箱出水管阀门，水和泥土混合物流入排水箱的内筒中，然后从排泥管到流出进入下水道中，当在排泥管的入口发生堵塞时，内筒内会积累越来越多的水和泥土，内筒的重量就会增加，内筒和箱体之间的弹簧就会压缩，内筒便会产生向下的位移，进而带动齿条移动，齿条又会带动齿轮旋转，然后齿轮带动疏通装置工作，实现对排泥管入口的疏通。

与现有技术相比，本发明的技术方案设置水力转轮、偏心装置以及推板，通过推板的往复运动实现了岩溶洞穴内水位自动变化，避免在模拟过程中人来手动重复操作，减轻实验者的工作强度；由于使用机械控制，水位的变化频率稳定，相比现有需要人工手动控制的模拟装置，在进行与水位变化频率相关的参数的实验研究时，本发明技术方案的模拟装置更加准确；本方案的模拟装置还可以实现岩溶塌陷环境模拟装置内不同频率及不同波幅的水位波动控制，满足不同频率及波动幅度水位变化状态下的岩溶塌陷物理模拟试验的需求；通过设置排水箱实现了对废水和泥土的清理和自动排放,实验者仅需往进水箱中加水，清理过程简单；疏通机构可以在排泥管发生堵塞时自动疏通排泥管；进水箱和排水箱都利用水的能量来驱动工作，实现了能量的回收，不需要额外的能量供应，减少了能源消耗，更加环保。

进一步，在基础方案的基础上，在内筒内设有滤网。

滤网可以先对泥水混合物进行简单过滤，进一步防止排泥管堵塞。

进一步，所述内筒底部为倒锥形，所述排泥管道位于内筒底部中央。

这样的改进有利于泥水混合物聚集和排出，便于装置的清理。

进一步，所述弹簧沿排泥管周向均匀分布。

弹簧周向均匀分布可以使内筒更加稳定，使用多个弹簧可以在单个弹簧损坏时，使装置正常运行。

进一步，所述内筒采用轻质材料。

内筒采用较重的材料时，为了对内筒实现稳固的支撑和有效的复位，需要采用弹性系数较大的弹簧，同样的重量使弹簧的形变就会比较小，进而堵塞时内筒的位移比较小，疏通装置的工作效果会比较差；当内筒采用轻质材料时门，相应的可以采用弹性系数较小的弹簧，同样大小的重量会使弹簧的形变更大，进而堵塞时内筒的位移更大，疏通装置的工作效果会更好。

进一步，还包括检测装置，所述检测装置包括传感器、控制器以及显示器，所述传感器安装在模拟箱内，所述传感器与所述控制器信号输入端连接，所述显示器与所述控制器信号输出端连接，所述控制器能够获取传感器数据，并控制显示器将数据显示出来。

通过设置传感器、控制器和显示器，可以实时显示装置内的相应的参数，便于实验人员记录研究。

进一步，所述传感器包括气压传感器，所述气压传感器安装在所述岩溶洞穴内。

使研究员可以实时了解岩溶洞穴内的气压变化，实现对岩溶塌陷过程中气压相关因素的研究。

进一步，所述传感器包括水压传感器，所述水压传感器安装在所述岩溶洞穴内。

使研究员可以实时了解岩溶洞穴内的水压变化，实现对岩溶塌陷过程中水压相关因素的研究，也便于研究员根据水压变化调整进水箱进水流量的大小。

进一步，所述传感器包括压力传感器，所述压力传感器安装在所述覆盖层与模拟岩溶之间。

使研究员可以实时了解覆盖层的压力变化，实现对岩溶塌陷过程中覆盖层压力因素变化的研究。

附图说明

图1为本发明一种用于模拟岩溶塌陷的实验装置实施例一中的结构示意图；

图2为本发明一种用于模拟岩溶塌陷的实验装置实施例二中结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

实施例一

图1中的附图标记说明：模拟箱1、进水箱2、排水箱3、覆盖层4、岩溶5、岩溶洞穴6、进水管20、水力转轮7、偏心轮8、推杆9、推板10、阀门11、出水管12、内筒13、弹簧14、齿条15、第二偏心轮16、齿轮17、疏通杆18、排泥管19。

如图1所示，本实施例用于模拟岩溶塌陷的实验装置包括模拟箱1、进水箱2和排水箱3，模拟箱1内设置有模拟岩溶5，模拟岩溶5内设有岩溶洞穴6和岩溶5洞隙，模拟岩溶5上设有覆盖层4，模拟箱1上设有与岩溶洞穴6连通的进水管20和出水管12，且进水管20与进水箱2连通，出水管12与排水箱3连通，出水管12上设有阀门11。

进水箱2内设有水力转轮7、偏心轮8、推杆9以及推板10，进水箱2顶部设有供水进入的开口，该开口与水力转轮7位置对应，水力转轮7和偏心轮8上设有皮带槽，两者通过皮带动力连接，推杆9一端与偏心轮8铰接，另一端与推板10铰接，推杆9横向放置，水力转轮7能够在水流的推动下转动并能够通过带动偏心轮8使推板10水平往复运动。

排水箱3位于模拟箱1下方，排水箱3内设有内筒13，内筒13采用轻质塑料制成，内筒13底部与排水箱3底部之间通过弹簧14连接，内筒13底部设有用来连接下水道的排泥管19，弹簧14沿排泥管19道周向均匀分布，排水箱3底部设有供排泥管19穿过的通孔，内筒13内侧壁上设有竖直的齿条15，排水箱3的顶部设有与齿条15啮合的齿轮17，该齿轮17上设有皮带槽，排水箱3顶部还设有疏通装置，该疏通装置包括第二偏心轮16和疏通杆18，齿轮17和第二偏心轮16上设有皮带槽，两者通过皮带动力连接，疏通杆18一端与偏心轮8铰接，另一端插入排泥管19入口中。

本实施例使用时，首先调节模拟箱1出水管12阀门11使模拟箱1岩溶洞穴6中存有一定量的水，然后控制阀门11使模拟箱1出水速度和进水箱2进水速度相同，使进水箱2和岩溶洞穴6中的水的总量保持不变，水流从进水箱2开口进入并与水力转轮7碰撞，使水力转轮7旋转，水力转轮7通过偏心轮8带动推板10往复运动，使推板10推动水流，由于进水箱2和岩溶洞穴6中的水的总量保持不变，往复的推动会使岩溶洞穴6中的水位发生变化，从而实现了对岩溶5在水位反复变化下的状态模拟，如果控制进水速度恒定，岩溶洞穴6的水位便会以一定的频率变化，通过设置进水箱2进水流量和阀门11的出水流量，可以对水力转轮7的受力进行控制，进而控制转轮的转速，从而控制推板10的往复频率，实现对岩溶5在不同水位变化频率下的状态变化的模拟。

当模拟完成后需要清理装置时，加大进水量，然后完全打开模拟箱1出水管12阀门11，水和泥土混合物流入排水箱3的内筒13中，然后从排泥管19到流出进入下水道中，当在排泥管19的入口发生堵塞时，内筒13内会积累越来越多的水和泥土，内筒13的重量就会增加，内筒13和箱体之间的弹簧14就会压缩，使内筒13产生向下的位移，进而带动齿条15移动，齿条15又会带动齿轮17旋转，然后齿轮17带动偏心轮8使疏通杆18上下移动，实现对排泥管19入口的疏通。

实施例二

图2中的附图标记说明：模拟箱1、进水箱2、排水箱3、覆盖层4、岩溶5、岩溶洞穴6、进水管20、水力转轮7、偏心轮8、推杆9、推板10、阀门11、出水管12、内筒13、弹簧14、齿条15、齿轮17、锥形齿轮21、疏通杆18、排泥管19、滤网22。

如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于：本实施例中，齿条15设置在内筒13侧壁的外侧疏通装置包括两个啮合的锥形齿轮21和疏通杆18，所述疏通杆18一端穿进排泥管19内部并设有用来疏通泥土的叉形分支，另一端位于排泥管19外侧与一个锥形齿轮21连接，另一个锥形齿轮21上设有皮带槽，齿轮17和该锥形齿轮21通过皮带动力连接；排水箱3内还设有滤网22；内筒13底部为倒锥形，排泥管19位于其中心。

通过设置两个锥形齿轮21，在内筒13位移时，能够使疏通杆18发生轴向转动，进而使叉形分支疏通堵塞，将疏通机构和齿条15整体设置在内筒13外部可以防止泥水混合物从模拟箱1中流出时阻塞齿轮17，影响疏通装置工作；通过增设一个滤网22可以提前过滤一些大块的泥土，进一步提升防止堵塞的效果，内筒13底部为倒立锥形，有利于将混合物聚集到排泥管19的入口处，便于排出。

实施例三

本实施例在实施例2的基础上，增加设置了检测装置，检测装置包括传感器、控制器以及显示器，传感器安装在模拟箱1内，传感器与控制器信号输入端连接，显示器与控制器信号输出端连接，控制器能够获取传感器数据，并控制显示器将数据显示出来。

具体的，本实施例中的传感器包括压力传感器、水压传感器、气压传感器，水压传感器采用MIKP300水压传感器，气压传感器采用VTI的SCP1000传感器，压力传感器采用Omega PX309系列压力传感器，水压传感器和气压传感器设置在模拟岩溶洞穴6中，压力传感器设置在模拟岩溶5和覆盖层4之间；控制器采用STC12C5A60系列单片机；显示器使用OLED显示屏。

通过设置传感器、控制器和显示器，可以实时检测和显示模拟装置内的气压，水压，覆盖层4压力等参数，使研究员在直观模拟岩溶5塌陷的同时，可以进行量化的研究和记录。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.用于模拟岩溶塌陷的实验装置，包括模拟箱，模拟箱内设置有模拟岩溶，模拟岩溶内设有岩溶洞穴和岩溶洞隙，模拟岩溶上设有覆盖层，模拟箱设有与岩溶洞穴连通的进水管和出水管，其特征在于：还包括：

进水箱，进水箱设置在模拟箱一侧，进水箱通过进水管与模拟箱连通，进水箱内设有依次连接的水力转轮、偏心轮、推杆以及推板，进水箱顶部设有供水进入的开口，所述开口与水力转轮位置对应，所述水力转轮能够在水流的推动下转动并能够通过带动偏心轮使推板水平往复运动；

排水箱，排水箱位于模拟箱下方，排水箱通过出水管与模拟箱连通，出水管上设有阀门，排水箱内设有内筒，内筒底部与排水箱底部之间通过弹簧连接，内筒底部设有用来连接下水道的排泥管，排水箱底部设有供排泥管穿过的通孔，内筒侧壁设有竖直的齿条，排水箱顶部设有与齿条啮合的齿轮，排水箱顶部还设有与齿轮动力连接的疏通装置，所述齿轮转动时能够驱动疏通装置疏通排泥管入口。

2.如权利要求1所述的用于模拟岩溶塌陷的实验装置，其特征在于：所述内筒内设有滤网。

3.如权利要求1所述的用于模拟岩溶塌陷的实验装置，其特征在于：所述内筒底部为倒锥形，所述排泥管道位于内筒底部中央。

4.如权利要求3所述的用于模拟岩溶塌陷的实验装置，其特征在于：所述弹簧沿排泥管周向均匀分布。

5.如权利要求1所述的用于岩溶塌陷模拟装置，其特征在于：所述内筒采用轻质材料。

6.如权利要求1至5任一项所述的用于模拟岩溶塌陷的实验装置，其特征在于：还包括检测装置，所述检测装置包括传感器、控制器以及显示器，所述传感器安装在模拟箱内，所述传感器与所述控制器信号输入端连接，所述显示器与所述控制器信号输出端连接，所述控制器能够获取传感器数据，并控制显示器将数据显示出来。

7.如权利要求6所述的用于模拟岩溶塌陷的实验装置，其特征在于：所述传感器包括气压传感器，所述气压传感器安装在所述岩溶洞穴内。

8.如权利要求6所述的用于模拟岩溶塌陷的实验装置，其特征在于：所述传感器包括水压传感器，所述水压传感器安装在所述岩溶洞穴内。

9.如权利要求6所述的用于模拟岩溶塌陷的实验装置，其特征在于：所述传感器包括压力传感器，所述压力传感器安装在所述覆盖层与模拟岩溶之间。