CN108198498B - 地震-海潮作用下近海岸带地下水渗流的模拟装置及模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种地震‑海潮作用下近海岸带地下水渗流的模拟装置及模拟方法，该装置主要由定水头供水装置、渗流槽、潮汐生成器、咸水箱、地震模拟振动台和模拟井钢管组成，槽体沿长度可分为淡水区、含水介质区和海水区，含水介质区加入水和砂构建承压含水层，隔水层介质为粘土，在咸水箱中，加入NaCl和胭脂红色素的自来水模拟着色海水。本方法通过定水头将自来水注入淡水区，以潮汐生成器注入海水区；待海水楔形稳定后，在地震模拟振动台设置振动波的频率、加速度、波形、主震时间，加载振动波开始振动渗流实验，实时采集监测数据，并观测咸淡水界面及测压管水位变化过程。本发明能实现客观模拟和表征地震波‑海潮‑含水介质作用下地下水的动态变化。
Description
技术领域
本发明属于水文地质与水环境研究技术领域，涉及一种能够模拟海潮和地震作用下近海岸带地下水渗流模拟装置及模拟方法，并可用于近海岸带地下水渗流的实验教学。
背景技术
地震是地壳快速释放能量过程中造成振动，期间会产生地震波的一种自然现象。在地震的孕育和发生过程中，含水层受到挤压、拉张和破裂，导致地震近-远场部分水井的水位发生异常响应。地下水位的同震响应以及震后的水位恢复同地震波、含水层的力学和水力特性密切相关。
海潮是在太阳和月球对地球表面的引力差作用下，海洋表面出现的周期性涨落，海平面的一涨一落，人们通常称之为一个潮汐循环。海潮在垂向上表现为海水位的升降，在水平方向上表现为海水进和退。在近海岸带含水层中的一些井中，可以观测到地下水水位随海潮的变化呈现出周期性的波动，这种效应称为潮汐效应。潮汐效应可分为潮汐波动效应和潮汐荷载效应。滨海潜水含水层地下水与海水存在直接的水力联系，当海水位波动时，边界处水压力发生变化，致使含水层中地下水位也相应变化。承压含水层还受海底承压含水层延伸段上覆海水载荷的影响，其会导致含水层弹性变形引起地下水位发生变化。
海岸带是我国经济最发达、人口最聚集的地区。随着社会经济的高速发展，人们对淡水的需求日益增加，迫使近海岸带居民超量开采地下水，引起地下水位大幅度下降，破坏了淡水和海水的平衡状态，造成海水入侵灾害。海水入侵造成了水源地的破坏，严重影响到工农业的生产。潮汐作用影响着地下水动态特征，增强了海水-地下水之间的水量盐分交换作用，增加了密度差异引起的海水-地下水再循环量，对于海水入侵的模式和规模具有不可忽视的影响。海水入侵必须具备海水与地下淡水的“通道”，该“通道”是指具备一定透水性能的第四系松散层、基岩断裂破碎带或岩溶裂隙、溶洞等。一旦有地震发生，入侵通道发生形变和破裂，也会对海岸带海水入侵的程度造成影响。
我国海岸带处于亚欧大陆板块和太平洋板块交界处，海岸带多存在地震中心。历史上海岸带发生地震较多，如1975年的海城地震，1976年的唐山地震等，给人民生命财产造成严重损失。在地下水位微动态观测中，井水位的异常变化往往可以作为地震发展过程的识别信息，而近海岸带井水位所呈现出的潮汐周期变化是海潮、固体潮叠加所产生的复合潮汐作用。在沿海地区的地下水动态监测过程中，需明确海洋潮汐效应对地下水位同震响应特征的影响程度和作用方式，基于此可更有效提取井水位微动态所蕴含的地震信息。
鉴于以上原因，需要开发一种能准确演示、定量研究地震和海潮作用下近海岸带地下水渗流过程的模拟装置，以便于建立或者验证我国近海岸带海水入侵及地震异兆监测的新理论。目前，国内的潮汐作用下近海岸带渗流模拟实验装置多用于演绎海水入侵的演化过程，仅偏重于分析潮汐水压力传递效应导致潜水含水层水位波动现象，不能全面反映潮汐荷载效应对承压含水层地下水位的影响，也不能用来识别海洋潮汐效应下地下水位的同震响应特征。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供一种地震-海潮作用下近海岸带地下水渗流的模拟装置及模拟方法，能够实现客观模拟和表征地震波、海潮和含水介质作用下地下水位的动态变化，方便教师对近海岸带地下水渗流学习的教学演示。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，结合附图说明如下：
一种地震-海潮作用下近海岸带地下水渗流的模拟装置，主要由定水头供水装置1、渗流槽2、潮汐生成器3、咸水箱4、地震模拟振动台5和模拟井钢管15组成；
所述定水头供水装置固定在升降台上，由外层箱体和内层箱式定水头1构成，定水头1底部通过软管与渗流槽2相连；
所述渗流槽2固定在地震模拟振动台5上，渗流槽2内距离左右侧壁10cm处各垂直固定一块带滤网的打孔玻璃挡板，将渗流槽2分成淡水区6、含水介质区7和海水区8，其中含水介质区7从上至下分为隔水层9和承压含水层10，在含水介质区7内分别设置测压孔11、孔压计12和模拟井钢管15，且管内设置Diver水位监测仪，在隔水层9与承压含水层10各设置1个和2个加速度计13；
所述咸水箱4通过潮汐生成器3与渗流槽2连通；
所述地震模拟振动台5由振动台台面及加振器、数字信号输出系统、振动参数控制系统、数据采集和数据处理系统组成。
所述定水头供水装置的外层箱体为有机玻璃箱体。
所述渗流槽2槽体的材质为钢板和钢化玻璃，内壁长140cm，宽度为20cm，高度为70cm，侧壁使用刚性肋条加固。
所述海水区8内设有高度可调节的溢流孔14。
所述承压含水层10以水和泥砂夹粘土构建，隔水层9介质为粘土，在承压含水层10与隔水层9之间加铺防水布。
所述测压孔11呈3行*4列排列设置在含水介质区与水流方向水平的侧壁上。
所述孔压计12呈3行*4列排列垂直设置在承压含水层10。
所述钢管模拟水井为3口，呈1行排列设置在含水介质区7。
上述地震-海潮作用下近海岸带地下水渗流的模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：
A、以自来水模拟地下淡水，以加入NaCl和胭脂红色素的自来水模拟着色海水，将配置好的海水放入咸水箱4中；
B、向含水介质区7加入水和泥砂夹粘土构建承压含水层10，以粘土作为隔水层介质构建隔水层9，在承压含水层10和隔水层9之间加铺防水布，在装样过程中，埋设孔压计12、加速度计13和Diver水位监测仪；
C、开启定水头1，向淡水区6注入淡水达到预期水位；通过潮汐生成器3将咸水箱4中的模拟海水注入海水区8，实验中观测咸淡水界面移动过程，记录测压管的观测数据，并对测压计11和模拟井的Diver水位监测仪的数据进行采集和输出；
D、待海水楔形稳定后，在地震模拟振动台5设置振动波的频率、加速度、波形、主震时间，加载振动波开始振动渗流实验，实验过程中，记录波频和振动时间，实时采集孔压计12、加速度计13和Diver水位监测仪的监测数据，并通过高速摄像机拍摄咸淡水界面移动过程及测压管水位变化；
E、振动结束后，继续进行渗流实验，记录加速度值、孔隙水压力值、模拟水井水位值、测压管水位值，直至监测数据趋于稳定，停止实验。
F、改变振动波的振动频、加速度和主震时间，重复上述步骤；
G、改变淡水区6淡水注入水位，重复上述步骤。
步骤B，孔压计12呈3行*4列垂直设置，模拟井钢管15呈一行排列设置在含水介质区7，模拟井钢管15的管内设置Diver水位监测仪监测井水位变化，隔水层9设置1个加速度计13，承压含水层10设置2个加速度计14。
步骤D，所述振动频为0.5HZ，加速度为0.1g，振动波为正弦波，主震时间为35s。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明模拟装置能客观反映地震、海潮作用下近海岸带地下水渗流过程，精确识别海洋潮汐效应下地下水位的同震响应特征。
附图说明
图1为本发明地震-海潮作用下近海岸带地下水渗流的模拟装置流程图。
图中，1.定水头装置 2.渗流槽 3.潮汐生成器 4.咸水箱 5.地震模拟振动台 6.淡水区 7.含水介质区 8.海水区 9.隔水层 10.承压含水层 11.测压孔 12.孔压计 13.加速度计 14.溢流孔 15.模拟井钢管。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示，本发明所述的一种地震-海潮作用下近海岸带地下水渗流模拟装置主要由定水头供水装置、渗流槽2、潮汐生成器3、咸水箱4、地震模拟振动台5和模拟井钢管15组成。渗流槽2槽体的材质为钢板和钢化玻璃，内壁长140cm，宽度为20cm，高度为70cm，侧壁使用刚性肋条加固，可避免箱体变形。沿槽体长度方向固定两个打孔玻璃挡板，将槽体划分为淡水区6、含水介质区7和海水区8。槽子底板、淡水区6和海水区8侧壁的材料为钢板，含水介质区7侧壁的材料为钢化玻璃。淡水区6位于渗流槽2左侧长度为10cm，海水区8位于渗流槽2右侧长度为10cm。定水头供水装置为在敞口的有机玻璃箱内设置一个较小的箱体定水头1，通过软管将定水头1底部与槽体淡水区6侧面相连，利用连通器的原理控制淡水区6水位，多余的液体从内部箱体流出。定水头1固定在升降台上，可任意调节水位，与自来水管相连向淡水区6注入淡水。潮汐生成器3将咸水箱4中的咸水模仿潮汐的形式注入海水区8。海水区8安装高度可调节溢流口14，用于排出溢流淡水。在含水介质区7两侧设置滤网防止砂流出。在含水介质区7与水流方向水平的一个侧壁打3行*4列12个测压孔11，外接测压管测量测压水头。在含水介质区7的承压含水层10布设12个孔压计12，垂向布置3行*4列。在含水介质区7呈一行排列设置3口模拟井钢管15，管内设置Diver水位监测仪监测井水位变化。为了防止海水水室内海水盐度(色度)发生变化，实验过程中以一定流量向海水水室底部注入配制的着色海水。将渗流槽2固定在地震模拟振动台5上。地震模拟振动台5是一个包括振动台台面及加振器、数字信号输出系统、振动参数控制系统、数据采集和数据处理系统组成的一个完整体系，可设置波形包括正弦波和多种地震波。该模拟教学装置共布设3个加速度计13，振动台面放置1个，隔水层9放1个，承压含水层10放2个，用于监测土体表面加速度。
上述地震-海潮作用下近海岸带地下水渗流模拟装置的模拟方法，包括如下步骤；
A、教学中用自来水模拟地下淡水，用加入NaCl和胭脂红色素的自来水模拟着色海水。将配置好的海水放入咸水箱4中；
B、向含水介质区7加入水和砂构建含水层，填砂前，先在模型箱内加入约10cm高的水，将砂填入水中，边填边搅拌，使砂全部浸没在水中，使用粘土作为隔水层9介质，构造隔水层9，在承压含水层10与隔水层9之间加铺防水布；在装样过程中，埋设孔隙水压力传感器、加速度计、和Diver水位监测仪；
C、开启定水头装置1，向淡水区6注入淡水达到预期水位；通过潮汐生成器3将咸水箱4中的模拟海水注入海水区8；为了防止海水区8内海水盐度(色度)发生变化，实验过程中以一定流量向海水区8注入配制的着色海水；实验中观测咸淡水界面移动过程，记录测压管的观测数据，并对测压计12、孔压计13和模拟井的Diver水位监测仪的数据进行采集和输出；
D、待海水楔形稳定后，通过地震模拟振动台5加载振动波开始振动渗流实验，在操作系统设置振动波为正弦波，振动频为0.5HZ，加速度为0.1g，主震时间为35s，加载振动波开始振动渗流实验，实验过程中，记录波频和振动时间，实时采集孔压计12、加速度计13、Diver水位监测仪的监测数据，并通过高速摄像机拍摄咸淡水界面移动过程及测压管水位变化；
E、振动结束后，继续进行渗流实验，记录加速度值、孔隙水压力值、模拟水井水位值、测压管水位值，直至监测数据趋于稳定，停止实验；
F、改变振动波的振动频、加速度和主震时间，重复上述步骤；
G、改变淡水区6淡水注入水位，重复上述步骤。
Claims (9)
1.一种地震-海潮作用下近海岸带地下水渗流的模拟装置，其特征在于：主要由定水头供水装置(1)、渗流槽(2)、潮汐生成器(3)、咸水箱(4)、地震模拟振动台(5)和模拟井钢管(15)组成；
所述定水头供水装置固定在升降台上，由外层箱体和内层箱式定水头(1)构成，定水头(1)底部通过软管与渗流槽(2)相连；
所述渗流槽(2)固定在地震模拟振动台(5)上，渗流槽(2)内距离左右侧壁10cm处各垂直固定一块带滤网的打孔玻璃挡板，将渗流槽(2)分成淡水区(6)、含水介质区(7)和海水区(8)，其中含水介质区(7)从上至下分为隔水层(9)和承压含水层(10)，在含水介质区(7)内分别设置测压孔(11)、孔压计(12)和模拟井钢管(15)，且管内设置Diver水位监测仪，在隔水层(9)与承压含水层(10)各设置1个和2个加速度计(13)；
所述咸水箱(4)通过潮汐生成器(3)与渗流槽(2)连通；
所述地震模拟振动台(5)由振动台台面及加振器、数字信号输出系统、振动参数控制系统、数据采集和数据处理系统组成。
2.根据权利要求1所述的一种地震-海潮作用下近海岸带地下水渗流的模拟装置，其特征在于：所述定水头供水装置的外层箱体为有机玻璃箱体。
3.根据权利要求1所述的一种地震-海潮作用下近海岸带地下水渗流的模拟装置，其特征在于：所述渗流槽(2)槽体的材质为钢板和钢化玻璃，内壁长140cm，宽度为20cm，高度为70cm，侧壁使用刚性肋条加固。
4.根据权利要求1所述的一种地震-海潮作用下近海岸带地下水渗流的模拟装置，其特征在于：所述海水区(8)内设有高度可调节的溢流孔(14)。
5.根据权利要求1所述的一种地震-海潮作用下近海岸带地下水渗流的模拟装置，其特征在于：所述承压含水层(10)以水和泥砂夹粘土构建，隔水层(9)介质为粘土，在承压含水层(10)与隔水层(9)之间加铺防水布。
6.根据权利要求1所述的一种地震-海潮作用下近海岸带地下水渗流的模拟装置，其特征在于：所述测压孔(11)呈3行*4列排列设置在含水介质区与水流方向水平的侧壁上；所述孔压计(12)呈3行*4列排列垂直设置在承压含水层(10)；所述钢管模拟水井为3口，呈1行排列设置在含水介质区(7)。
7.根据权利要求1所述的一种地震-海潮作用下近海岸带地下水渗流的模拟装置的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、以自来水模拟地下淡水，以加入NaCl和胭脂红色素的自来水模拟着色海水，将配置好的海水放入咸水箱(4)中；
B、向含水介质区(7)加入水和泥砂夹粘土构建承压含水层(10)，以粘土作为隔水层介质构建隔水层(9)，在承压含水层(10)与隔水层(9)之间加铺防水布，在装样过程中，埋设孔压计(12)、加速度计(13)和Diver水位监测仪；
C、开启定水头(1)，向淡水区(6)注入淡水达到预期水位；通过潮汐生成器(3)将咸水箱(4)中的模拟海水注入海水区(8)，实验中观测咸淡水界面移动过程，记录测压管的观测数据，并对测压计(11)和模拟井的Diver水位监测仪的数据进行采集和输出；
D、待海水楔形稳定后，在地震模拟振动台(5)设置振动波的频率、加速度、波形、主震时间，加载振动波开始振动渗流实验，实验过程中，记录波频和振动时间，实时采集孔压计(12)、加速度计(13)和Diver水位监测仪的监测数据，并通过高速摄像机拍摄咸淡水界面移动过程及测压管水位变化；
E、振动结束后，继续进行渗流实验，记录加速度值、孔隙水压力值、模拟水井水位值、测压管水位值，直至监测数据趋于稳定，停止实验；
F、改变振动波的振动频、加速度和主震时间，重复上述步骤；
G、改变淡水区(6)淡水注入水位，重复上述步骤。
8.根据权利要求7所述的一种地震-海潮作用下近海岸带地下水渗流的模拟装置的模拟方法，其特征在于：步骤B，孔压计(12)呈3行*4列垂直设置，模拟井钢管(15)呈一行排列设置在含水介质区(7)，模拟井钢管(15)的管内设置Diver水位监测仪监测井水位变化，在隔水层(9)与承压含水层(10)各设置1个和2个加速度计(13)。
9.根据权利要求7所述的一种地震-海潮作用下近海岸带地下水渗流的模拟装置的模拟方法，其特征在于：步骤D，所述振动频为0.5HZ，加速度为0.1g，振动波为正弦波，主震时间为35s。
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