CN108519475A - 一种模拟包气带溶质运移的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水文地质领域，具体而言，涉及一种模拟包气带溶质运移的装置及方法。一种模拟包气带溶质运移的装置，模拟包气带溶质运移的装置包括溶液箱、控制阀、离心箱、降雨盘，溶液箱通过导流管与离心箱连接，控制阀设置于导流管；导流管与降雨盘连接，降雨盘设置于离心箱上端；使溶液箱内的溶液能通过导流管、降雨盘进入离心箱。能模拟非饱和带中的溶质迁移过程，能够对重力场、材料、水文地质条件作较为准确的模拟，能模拟热对流、毛细现象等几个控制污染物迁移的重要控制参数。本发明提供的方法具有实验可重复性好、试验模拟效果好、缩时缩尺效应显著等优点。

Description

一种模拟包气带溶质运移的装置及方法

技术领域

本发明涉及水文地质领域，具体而言，涉及一种模拟包气带溶质运移的装置及方法。

背景技术

近年来，离心模型试验除在传统工程领域如大坝、边坡及挡土墙、地基基础和隧洞、地基处理等方面的研究继续深入外，得益于量测仪器的发展和模型制备技术的提高，在环境岩土工程、地震工程等新的研究领域也取得了很大进展。离心模型在水分溶质迁移方面也应用广泛。非饱和带中水流、化学物质和热流的迁移是一个相当复杂的各种梯度作用交叉影响的耦合流动问题。迄今为止，关于溶质在土壤、非饱和带中的迁移转化规律进行了大量研究工作，取得了大量试验资料和理论进展，为进一步研究奠定了基础。目前研究采用的方法主要有室内土柱试验，现场试验，数值分析方法。但是，这三种方法都有一定的局限性。

因此，发明人发明了一种模拟包气带溶质运移的装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟包气带溶质运移的装置及方法，其旨在对重力场、材料、水文地质条件作准确的模拟。

本发明提供一种技术方案：

一种模拟包气带溶质运移的装置，模拟包气带溶质运移的装置包括溶液箱、控制阀、离心箱、降雨盘，溶液箱通过导流管与离心箱连接，控制阀设置于导流管；导流管与降雨盘连接，降雨盘设置于离心箱上端；使溶液箱内的溶液能通过导流管、降雨盘进入离心箱。

在本发明其他的实施例中，上述离心箱内设置有填充层，填充层包括自上而下设置的第一透水石、填土、第二透水石。

在本发明其他的实施例中，上述离心箱的箱体包括第一壳体、第二壳体，第一壳体与第二壳体可拆卸连接，且第一壳体与第二壳体的连接处设置有密封条。

在本发明其他的实施例中，上述模拟包气带溶质运移的装置还包括控制器，控制器与控制阀连接，控制器控制控制阀的开度大小以及控制阀的开闭时间。

在本发明其他的实施例中，上述模拟包气带溶质运移的装置还包括支架，支架包括间隔设置的第一层、第二层、第三层；溶液箱设置于第一层，控制阀设置于第二层，离心箱相对的两端分别与第二层、第三层连接，降雨盘设置于第二层，且与离心箱配合。

在本发明其他的实施例中，上述离心箱靠近第二层的一端设置有上圆盘、下圆盘；离心箱通过上圆盘与第二层连接；下圆盘与所述降雨盘连接。

在本发明其他的实施例中，模拟包气带溶质运移的装置包括两个控制阀、两个离心箱以及两个降雨盘；两个控制阀、两个离心箱以及两个降雨盘一一对应，且两个离心箱相对独立设置。

在本发明其他的实施例中，上述控制阀为电磁阀。

本发明还提供一种技术方案：

一种模拟包气带溶质运移的系统，模拟包气带溶质运移的系统包括离心机、上述的模拟包气带溶质运移的装置；

模拟包气带溶质运移的装置与离心机匹配，且模拟包气带溶质运移的装置与离心机可拆卸连接。

本发明还提供一种技术方案：

一种包气带溶质运移模拟的方法，使用上述模拟包气带溶质运移的装置进行模拟；

包气带溶质运移模拟的方法包括：

根据离心箱内土层孔隙度和含水量得出离心箱的储放溶液量；

根据储放溶液量控制控制阀，调节溶液箱进入离心箱内溶液的流量、流速以及溶液体积。

本发明实施例提供的模拟包气带溶质运移的装置及方法的有益效果是：

模拟包气带溶质运移的装置能模拟非饱和带中的溶质迁移过程，能够对重力场、材料、水文地质条件作较为准确的模拟，能模拟热对流、毛细现象等几个控制污染物迁移的重要控制参数。本发明提供的方法具有实验可重复性好、试验模拟效果好、缩时缩尺效应显著，为揭示污染物质在非饱和带中的运移规律的一种重要技术手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的模拟包气带溶质运移的装置的结构示意图；

图2示出了本发明实施例提供的支架的结构示意图；

图3示出了本发明实施例提供的控制阀以及溶液箱的结构示意图；

图4示出了本发明实施例提供的离心箱第一视角的结构示意图；

图5示出了本发明实施例提供的离心箱的顶盖的结构示意图；

图6示出了本发明实施例提供的箱本体底座的结构示意图；

图7示出了本发明实施例提供的降雨盘的结构示意图。

图标：100-模拟包气带溶质运移的装置；110-溶液箱；111-导流管；120-控制阀；130-离心箱；131-顶盖；132-箱本体；1321-第一壳体；1322-第二壳体；133-第一透水石；135-第二透水石；140-降雨盘；150-支架；151-第一层；152-第二层；153-第三层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

目前研究采用的离心模型试验方法主要有室内土柱试验，现场试验，数值分析方法。但是，这三种方法都有一定的局限性。

土柱试验虽然易操作，但是不能模拟实际土体的重力效应，也不适于做污染物迁移的长期观测，同时多数土柱试验中装置较小，缺乏与实际情况的类比性；现场试验可以得到较为准确的量测数据，但是由于历时较长，受外界因素影响较大，并且试验本身会造成环境污染，所利用示踪剂受到限制，试验过程中的各种边界条件也不易控制；数值分析的精度主要依赖于输入参数和本构模型的准确性，由于缺少足够的数据，数值模型的检验和校正变得非常困难，也很难对污染物扩散过程作出准确预测。

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种模拟包气带溶质运移的装置及方法。

实施例

图1示出了本发明实施例提供的模拟包气带溶质运移的装置100的结构示意图。请参阅图1，本实施例提供一种模拟包气带溶质运移的装置100，模拟包气带溶质运移的装置100主要用于模拟包气带溶质运移。

详细地，模拟包气带溶质运移的装置100包括溶液箱110、控制阀120、离心箱130、降雨盘140，溶液箱110通过导流管111与离心箱130连接，控制阀120设置于导流管111；导流管111与降雨盘140连接，降雨盘140设置于离心箱130上端；使溶液箱110内的溶液能通过导流管111、降雨盘140进入离心箱130。

模拟包气带溶质运移的装置100置于高速旋转的离心机中，利用大型土工离心机研究非饱和带中的污染溶质迁移过程，针对我国在非饱和带溶质迁移相对落后的局面，以识别非饱和带中溶质迁移规律为目标，对影响非饱和带中溶质迁移规律的各种因素进行定量分析和评价。

土工离心机通过离心加速能够模拟重力场，并且能够对材料和水文地质条件作较为准确的模拟，从而能模拟原型土体中控制污染物在土壤中迁移的几个重要控制参数，模拟重力引起的热对流、毛细现象等。同时，离心机具有缩时缩尺效应，加速度为ng条件下，原型尺寸L_p对应模型尺寸L_m＝L_p/n，原型时间t_p对应模型时间t_m＝t_p/n²，如100g重力加速度下，1d试验时间相当于原型27.4a。所以离心机模拟污染物质在非饱和带中的运移具有很大优势。

模拟包气带溶质运移的装置100大大压缩常规土柱试验的时间，能够通过大量情景试验研究非饱和带中对流，弥散，吸附及解析，扩散作用对溶质迁移的影响，并且能够短时间内完成粘性土中的溶质迁移试验，其研究成果可为垃圾填埋场等场地条件下的污染物阻断技术提供理论依据和设计参考。

在本实施例中，模拟包气带溶质运移的装置100还包括支架150，支架150用于支撑固定溶液箱110、控制阀120、离心箱130、降雨盘140。

图2示出了本发明实施例提供的支架150的结构示意图；请参阅图2。

在本实施例中，支架150由合金钢制造而成，本发明不对支架150的材质进行限定。

支架150包括间隔设置的第一层151、第二层152、第三层153；溶液箱110设置于第一层151，控制阀120设置于第二层152，离心箱130相对的两端分别与第二层152、第三层153连接，降雨盘140设置于第二层152，且与离心箱130配合。

在本实施例中，第一层151、第二层152、第三层153自上而下设置，溶液箱110设置有底座，溶液箱110通过底座与第一层151固定连接。在本实施例中，溶液箱110的上端设置有开口，溶液箱110用以盛放配置好的溶液，在加入溶液后在溶液箱110上端的开口处加一层保鲜膜防止溶液蒸发。

溶液箱110内的溶液通过导流管111流经控制阀120经过降雨盘140进入离心箱130。

控制阀120能够控制导流管111内的流量以及溶液进入降雨盘140的时间，达到的同时等量降雨。

图3示出了本发明实施例提供的控制阀120以及溶液箱110的结构示意图，请参阅图3。

承上所述，控制阀120能够控制导流管111内的流量以及溶液进入降雨盘140的时间，达到的同时等量降雨。

在本实施例中，控制阀120为电磁阀。模拟包气带溶质运移的装置100还包括控制器(图中未示出)，控制器与控制阀120连接，控制器控制控制阀120的开度大小以及控制阀120的开闭时间。

进一步地，控制阀120通过控制控制阀120的开度大小以调节模拟降雨大小，控制阀120通过控制控制阀120的开闭时间以调节模拟降雨时长。

图4示出了本发明实施例提供的离心箱130第一视角的结构示意图；请参阅图4。

在本实施例中，离心箱130靠近第二层152的一端设置有上圆盘、下圆盘(图中未标出)，离心箱130通过上圆盘与第二层152连接；下圆盘与降雨盘140连接。

离心箱130包括顶盖131、箱本体132，顶盖131与箱本体132连接。

图5示出了本发明实施例提供的离心箱130的顶盖131的结构示意图；请参阅图5。

顶盖131通过上圆盘与第二层152连接；下圆盘通过螺丝与降雨盘140连接，上圆盘与下圆盘中间均设置有降雨孔，降雨孔内的溶液流至降雨盘140。

进一步地，在本实施例中，上圆盘直径12cm；下圆盘直径24cm。在其他实施例中，也可以设置为其他尺寸。

离心箱130顶部固定降雨盘140，接收溶液并达到分散溶液，模拟天然降雨的效果；离心箱130两侧对称的开两个排水孔。

请再次参阅图4，在本实施例中，箱本体132包括第一壳体1321、第二壳体1322，第一壳体1321与第二壳体1322可拆卸连接，且第一壳体1321与第二壳体1322的连接处设置有密封条。第一壳体1321与第二壳体1322沿离心箱130的径向分布，密封条具有密封的作用。第一壳体1321与第二壳体1322通过螺栓可拆卸连接，可观察溶质迁移过程，方便取样分析。

可以理解的是，在本发明的其他实施例中，箱本体132也可以一体设置。

离心箱130根据原型土体物理性质进行填土，在本实施例中，离心箱130内设置有填充层，填充层包括自上而下设置的第一透水石133、填土、第二透水石135。

第一透水石133以及第二透水石135的设置，上部透水石保证溶液均匀入渗，下部透水石保证土壤不被流失；准确模拟。

图6示出了本发明实施例提供的箱本体132底座的结构示意图；请参阅图6。

箱本体132底座用于承托箱本体132，箱本体132底座分布两圈螺丝接口，箱本体132的底部开设直径为1cm的排水孔。

图7示出了本发明实施例提供的降雨盘140的结构示意图；请参阅图7。

承上所述，降雨盘140与第二层152连接，溶液箱110内的溶液能通过导流管111、降雨盘140进入离心箱130。降雨盘140接受来自顶部的溶液，为将进入的股状溶液进行分流达到模拟天然降水的效果。

进一步地，在本实施例中，降雨盘140远离第二层152的一侧设置有凸起，便于与离心箱130的连接，在本实施例中，降雨盘140与离心箱130、降雨盘140与第二层152均采用螺栓连接。

在本实施例中，离心箱130内径15cm；填料层高349㎜。本发明实施例不对模拟包气带溶质运移的装置100的形状以及材料做限定。

在本实施例中，模拟包气带溶质运移的装置100包括两个控制阀120、两个离心箱130以及两个降雨盘140；两个控制阀120、两个离心箱130以及两个降雨盘140一一对应，且两个离心箱130相对独立设置。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，模拟包气带溶质运移的装置100也可以包括一个控制阀120、一个离心箱130以及一个降雨盘140。

在本实施例中，图2、图4-图7均示出了各部件的两个视角的结构示意图。

本实施例提供的模拟包气带溶质运移的装置100的主要优点在于：

能模拟非饱和带中的溶质迁移过程，能够对重力场、材料、水文地质条件作较为准确的模拟，能模拟热对流、毛细现象等几个控制污染物迁移的重要控制参数。

实验可重复性好、试验模拟效果好、缩时缩尺效应显著，能很好地揭示污染物质在非饱和带中的运移规律。

既能用于水盐运移实验，也能用于污染物溶质迁移实验，功能全面，适用性强；

可根据试验供水条件的不同，自由选择供水装置；

根据实验背景条件自由设置岩性、结构、容重等填土条件，且包括左右两个柱子，进行对比试验。

结构简单，拆卸组合方便，可重复利用，操作方便。

利用大型土工离心机研究非饱和带中的溶质迁移过程，将大大压缩常规土柱试验的时间，能够通过大量情景试验研究非饱和带中对流，弥散，吸附及解析，扩散作用对溶质迁移的影响；

能够短时间内完成粘性土中的溶质迁移试验，其研究成果将为垃圾填埋场等场地条件下的污染物阻断技术提供理论依据和设计参考；

取样方便，可操作性强。

让模型承受大于重力加速度的离心加速度的作用，补偿因模型缩尺带来的土工构筑物自重的损失。它比通常在静力(重力加速度)条件下的物理模拟更接近于实际。

本发明还提供一种模拟包气带溶质运移的系统，模拟包气带溶质运移的系统包括离心机、上述的模拟包气带溶质运移的装置100；模拟包气带溶质运移的装置100与离心机匹配，且模拟包气带溶质运移的装置100与离心机可拆卸连接。

进一步地，利用大型土工离心机研究非饱和带中的溶质迁移过程，将大大压缩常规土柱试验的时间，能够通过大量情景试验研究非饱和带中对流，弥散，吸附及解析，扩散作用对溶质迁移的影响。

模拟包气带溶质运移的装置100置于高速旋转的离心机中，利用大型土工离心机研究非饱和带中的污染溶质迁移过程，针对我国在非饱和带溶质迁移相对落后的局面，以识别非饱和带中溶质迁移规律为目标，对影响非饱和带中溶质迁移规律的各种因素进行定量分析和评价。

本发明还提供一种包气带溶质运移模拟的方法，使用上述模拟包气带溶质运移的装置100进行模拟；

包气带溶质运移模拟的方法包括：

根据离心箱130内土层孔隙度和含水量得出离心箱130的储放溶液量；

根据储放溶液量控制控制阀120，调节溶液箱110进入离心箱130内溶液的流量、流速以及溶液体积。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种模拟包气带溶质运移的装置，其特征在于，所述模拟包气带溶质运移的装置包括溶液箱、控制阀、离心箱、降雨盘，所述溶液箱通过导流管与所述离心箱连接，所述控制阀设置于所述导流管；所述导流管与所述降雨盘连接，所述降雨盘设置于所述离心箱上端；使所述溶液箱内的溶液能通过所述导流管、所述降雨盘进入所述离心箱。

2.根据权利要求1所述的模拟包气带溶质运移的装置，其特征在于，所述离心箱内设置有填充层，所述填充层包括自上而下设置的第一透水石、填土、第二透水石。

3.根据权利要求1所述的模拟包气带溶质运移的装置，其特征在于，所述离心箱的箱体包括第一壳体、第二壳体，所述第一壳体与所述第二壳体可拆卸连接，且所述第一壳体与所述第二壳体的连接处设置有密封条。

4.根据权利要求1所述的模拟包气带溶质运移的装置，其特征在于，所述模拟包气带溶质运移的装置还包括控制器，所述控制器与所述控制阀连接，所述控制器控制所述控制阀的开度大小以及所述控制阀的开闭时间。

5.根据权利要求1所述的模拟包气带溶质运移的装置，其特征在于，所述模拟包气带溶质运移的装置还包括支架，所述支架包括间隔设置的第一层、第二层、第三层；所述溶液箱设置于所述第一层，所述控制阀设置于所述第二层，所述离心箱相对的两端分别与所述第二层、所述第三层连接，所述降雨盘设置于所述第二层，且与所述离心箱配合。

6.根据权利要求5所述的模拟包气带溶质运移的装置，其特征在于，所述离心箱靠近所述第二层的一端设置有上圆盘、下圆盘，所述离心箱通过所述上圆盘与所述第二层连接，所述下圆盘与所述降雨盘连接。

7.根据权利要求1所述的模拟包气带溶质运移的装置，其特征在于，所述模拟包气带溶质运移的装置包括两个所述控制阀、两个所述离心箱以及两个所述降雨盘；两个所述控制阀、两个所述离心箱以及两个所述降雨盘一一对应，且两个所述离心箱相对独立设置。

8.根据权利要求1所述的模拟包气带溶质运移的装置，其特征在于，所述控制阀为电磁阀。

9.一种模拟包气带溶质运移的系统，其特征在于，所述模拟包气带溶质运移的系统包括离心机、权利要求1-8任一项所述的模拟包气带溶质运移的装置；

所述模拟包气带溶质运移的装置与所述离心机匹配，且所述模拟包气带溶质运移的装置与所述离心机可拆卸连接。

10.一种包气带溶质运移模拟的方法，其特征在于，使用权利要求1-8任一项所述模拟包气带溶质运移的装置进行模拟；

所述包气带溶质运移模拟的方法包括：

根据所述离心箱内土层孔隙度和含水量得出所述离心箱的储放溶液量；

根据所述储放溶液量控制所述控制阀，调节所述溶液箱进入所述离心箱内溶液的流量、流速以及溶液体积。