CN110031508A - 一种立式水热耦合模型试验装置与试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于人工地层冻结法施工技术领域，具体而言，本发明涉及一种立式水热耦合模型试验装置与试验方法。试验装置包括渗流系统、冻结系统和测量系统。试验方法包括：步骤一，通过所述渗流系统构建匀速渗水环境；步骤二，通过所述冻结系统构建冻结壁，并通过所述测量系统记录所述冻结壁形成的过程数据；步骤三，通过所述冻结系统和所述渗流系统将所述冻结壁解冻至与所述恒温水箱的水温相同温度。本发明构建的立式水热耦合模型在匀速渗水环境中构建而成，且搭载有测量系统，可以对冻结壁的发展过程和形状进行直观地观察，操作简单，能够达到将渗流对冻结温度场的影响进行准确量化的研究目的。

Description

一种立式水热耦合模型试验装置与试验方法

技术领域

本发明属于人工地层冻结法施工技术领域，具体而言，本发明涉及一种立式水热耦合模型试验装置与试验方法。

背景技术

在煤矿立井以及隧道冻结法施工过程中，地下水渗流会引起冻结温度场在各个方位发展不均衡，导致形成的冻结壁厚度在各个方向存在差异，因此将渗流对冻结温度场的影响进行准确量化的研究是非常有必要的。

目前已有的研究渗流场作用下冻结壁发展规律的试验装置通常是在试验箱体中布设冻结管，在箱体的一侧提供水头压力，用来模拟地下水，该类试验装置存在的主要问题是很难保证水流均匀的流过试验箱体的截面，因此，无法将渗流对冻结温度场的影响进行准确量化研究。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种立式水热耦合模型试验装置与试验方法，其技术方案如下：

一种立式水热耦合模型试验装置，其包括：渗流系统、冻结系统和测量系统；所述渗流系统包括试验箱、进水口分流器和恒温水箱；所述试验箱用于提供渗流对冻结温度场影响的试验场所；所述恒温水箱通过所述进水口分流器与所述试验箱的底部相连，所述进水口分流器用于将所述恒温水箱的来水由单股水流分散成多股水流，向所述试验箱内提供多股水流；所述冻结系统包括冻结管和冷冻机；所述冻结管穿过所述试验箱的一侧壁后安装在所述试验箱的试验区内，所述冷冻机通过管道与所述冻结管相连，所述冷冻机用于向所述冻结管输送冷冻剂，所述冻结管用于冻结所述试验区；所述测量系统包括冻结壁厚度测量刻度和温度测量系统；所述冻结壁厚度测量刻度位于所述试验箱上，并与所述冻结管相匹配，用于对冻结壁的形成过程进行观测；所述温度测量系统包括温度数据采集仪和热电偶串，多个所述热电偶串分布在所述试验区内，所述温度数据采集仪与所述热电偶串通过数据采集线相连，用于采集所述试验区内部的温度信号。

如上述的立式水热耦合模型试验装置，进一步优选为：所述渗流系统还包括安装在所述恒温水箱和所述进水口分流器之间的动力装置，所述动力装置包括变频泵、进水截止阀、第一流量计和稳压罐；所述变频泵包括泵体、变频器和泵体压力表，所述泵体的一端与所述恒温水箱相连，另一端依次通过所述稳压罐、所述泵体压力表、所述进水截止阀、所述第一流量计后与所述进水口分流器相连；所述变频器与所述泵体相连，用于控制所述泵体向所述试验箱提供稳定流量的水流，所述泵体压力表监测所述泵体的水压；所述第一流量计为电磁流量计，所述变频器与所述第一流量计、所述进水截止阀相配合，用于实现对所述泵体输出水流的实时流量显示与控制；所述稳压罐用于平衡所述泵体输出水流的水量与水压。

如上述的立式水热耦合模型试验装置，进一步优选为：所述冻结管水平安装在所述试验箱内，所述冻结管包括冻结内管和冻结外管，所述冻结内管位于所述冻结外管内并与所述冻结外管同轴设置，所述冻结外管的一端为封闭端，另一端与所述冷冻机连通；所述冻结内管的一端与所述冻结外管的封闭端连通，另一端与所述冷冻机连通；所述冻结系统还包括进液控制阀、第二流量计、进液分流器、出液分流器、进液干管和出液干管；所述进液干管的一端与所述冷冻机相连、另一端与所述进液分流器相连；所述进液分流器与多根所述冻结内管相连，所述第二流量计、所述进液控制阀安装在所述冻结内管上，每根所述冻结内管上均安装有一个所述第二流量计和一个所述进液控制阀，所述第二流量计为电磁流量计，所述进液分流器用于将冷冻剂分流，所述进液控制阀用于控制冷冻剂的流量；多根所述冻结外管均与所述出液分流器相连，所述出液分流器与所述出液干管的一端相连，所述出液干管的另一端与所述冷冻机相连，所述出液分流器用于汇集冷冻剂，实现冷冻剂在所述冷冻机与所述冻结管之间的循环。

如上述的立式水热耦合模型试验装置，进一步优选为：所述冻结管位于所述试验箱外侧的部分、所述进液分流器、所述出液分流器、所述进液干管、所述出液干管外侧均缠绕有保温材料。

如上述的立式水热耦合模型试验装置，进一步优选为：所述冷冻剂为氯化钙溶液和/或酒精。

如上述的立式水热耦合模型试验装置，进一步优选为：所述温度测量系统还包括测点布置网，所述测点布置网竖直放置在所述试验区的中部并与所述试验区内的所述冻结管呈垂直设置，所述热电偶串均匀布置在所述测点布置网上，优选的，多个所述热电偶串在所述测点布置网上竖向布置，用于将温度信号转换为电信号，并通过数据采集线传输给所述温度数据采集仪。

如上述的立式水热耦合模型试验装置，进一步优选为：所述测点布置网采用隔热的塑料材质制成；所述测点布置网的网孔形状为矩形，边长均大于所述冻结管的外径；所述热电偶串为康铜-铜热电偶串。

如上述的立式水热耦合模型试验装置，进一步优选为：所述试验箱为方形设置，所述试验箱的外壳由六块具有榫头和榫槽结构的玻璃面板拼接而成；在所述试验箱的内部由下向上依次包括由阻隔网隔开的上游缓冲区、所述试验区和下游缓冲区。

如上述的立式水热耦合模型试验装置，进一步优选为：所述玻璃面板采用有机玻璃材质，厚度为50mm至100mm，优选为60mm，用于观测所述冻结壁的发展过程和水流的通过情况，并承受来自所述试验箱内部的压力。

如上述的立式水热耦合模型试验装置，进一步优选为：所述外壳的前面板中部设有多个在水平方向等间距并列分布的冻结管安装孔，用于为所述冻结管提供安装位置；所述外壳的后面板外侧设有多个与所述冻结管一一对应的所述冻结壁厚度测量刻度，所述冻结壁厚度测量刻度蚀刻在所述后面板的外侧，所述冻结壁厚度测量刻度为带有刻度的同心圆环体，并与所述冻结管共轴线设置，所述后面板内侧设有多个与所述冻结壁厚度测量刻度共轴线设置的冻结管定位槽，所述冻结管定位槽用于定位安装所述冻结管；所述外壳的左面板上设有两个压力表安装孔和两个流量测定孔，两个所述压力表安装孔用于安装测量水压的压力表，分为第一压力表安装孔和第二压力表安装孔，所述第一压力表安装孔位于所述试验区的上部，所述第二压力表安装孔位于所述试验区的下部，压力表包括第一压力表和第二压力表，所述第一压力表用于测量所述试验区的上部水压，所述第二压力表用于测量所述试验区的下部水压，两个流量测定孔分别与流量测定导槽的两端相连，用于测量所述试验区的真实水流流速；所述外壳的右面板上设有数据采集线导出孔；所述外壳的下面板上设有多个进水孔，多个所述进水孔在所述下面板上均匀分布，所述进水孔与所述进水口分流器相匹配；所述外壳的上面板上设有透水孔，所述透水孔用于排水。

如上述的立式水热耦合模型试验装置，进一步优选为：所述透水孔为多个，在所述外壳的上面板上均匀密集设置，所述外壳的顶部四周设有挡水板，所述挡水板用于收集由所述透水孔排出的水，所述挡水板连通有导水管，所述导水管位于所述恒温水箱的上方，用于将所述挡水板收集的水导入所述恒温水箱内，实现水流循环。

如上述的立式水热耦合模型试验装置，进一步优选为：所述上游缓冲区和所述下游缓冲区形状相同，用于容纳石子以缓冲水流；所述试验区采用砂子填充，用于模拟渗流对冻结温度场的影响；所述试验区的体积是所述上游缓冲区、所述下游缓冲区任意一个的5至7倍。

如上述的立式水热耦合模型试验装置，进一步优选为：所述阻隔网为两个，两个所述阻隔网设置在所述试验区的上下两端处，每个所述阻隔网包括角钢边框、大孔网和小孔网；所述小孔网位于靠近所述试验区的一侧，所述大孔网位于靠近所述上游缓冲区或所述下游缓冲区的一侧；所述小孔网、所述大孔网安装在所述角钢边框上，所述大孔网用于承受来自砂子、石子的压力，并作为所述小孔网的附着骨架，所述小孔网用于阻挡砂子进入所述上游缓冲区和所述下游缓冲区。

如上述的立式水热耦合模型试验装置，进一步优选为：所述大孔网、所述小孔网均为钢丝网，所述大孔网的孔径小于石子的粒径，所述小孔网的孔径小于砂子的粒径。

如上述的立式水热耦合模型试验装置，进一步优选为：还包括支架，所述试验箱安装在所述支架上，所述支架采用槽钢拼焊而成。

一种立式水热耦合模型试验装置的试验方法，其包括以下步骤：

步骤一：通过所述渗流系统构建匀速渗水环境；

步骤二：通过所述冻结系统构建冻结壁，并通过所述测量系统记录所述冻结壁形成的过程数据；

步骤三：通过所述冻结系统和所述渗流系统将所述冻结壁解冻至与所述恒温水箱的水温相同温度。

如上述的试验方法，进一步优选为：还包括步骤四：更换所述步骤二中冻结壁的构建参数，重复进行所述步骤一至所述步骤三。

如上述的试验方法，进一步优选为：还包括步骤五：更换所述步骤一中匀速渗水环境的构建参数，重复进行所述步骤一至所述步骤四。

如上述的试验方法，进一步优选为：还包括步骤六：依次关闭所述冻结系统、所述渗流系统和所述测量系统，结束试验。

如上述的试验方法，进一步优选为：在所述步骤一之前，对所述试验区进行饱和砂渗透系数试验，试验结果合格后方可进行所述步骤一。

如上述的试验方法，进一步优选为：所述饱和砂渗透系数试验按照《公路土工试验规程》JTGE40-2007进行。

如上述的试验方法，进一步优选为：在所述步骤一中，构建匀速渗水环境时，所述试验区的温度为所述恒温水箱的水温温度。

如上述的试验方法，进一步优选为：在所述步骤二中，构建冻结壁时冷冻剂的设计温度为-35℃至-20℃，以-30℃为宜。

如上述的试验方法，进一步优选为：在所述步骤二中，所述测量系统记录的所述冻结壁形成的过程数据包括所述冻结壁的冻结所需时间、所述冻结壁的厚度发展过程和冻结过程中所述试验区内的温度。

如上述的试验方法，进一步优选为：在所述步骤二中，所述试验区的区域温度达到和/或低于-1℃时，即认为该区域已形成冻结壁。

如上述的试验方法，进一步优选为：在所述步骤三中，解冻冻结壁时包括依次使用所述冻结系统为所述试验区升温和使用所述渗流系统均衡所述试验区内的温度，所述试验区内升温均超过所述恒温水箱的水温温度时关闭所述冻结系统，启动所述渗流系统。

如上述的试验方法，进一步优选为：在所述步骤三中，使用所述冻结系统为所述试验区升温时，冷冻剂的温度为20℃至30℃，以25℃为宜；使用所述渗流系统均衡所述试验区内的温度时，水温为5℃至9℃。

如上述的试验方法，进一步优选为：在所述步骤四中，冻结壁构建参数的更换方法为更换所述冻结管的使用个数。

如上述的试验方法，进一步优选为：在所述步骤五中，匀速渗水环境构建参数的更换方法为更换渗水环境的水流速度。

如上述的试验方法，进一步优选为：在所述步骤五中，渗水环境的水流速度有多个设计值。

如上述的试验方法，进一步优选为：在所述步骤一至所述步骤五中，所述室温为5℃至9℃。

如上述的试验方法，进一步优选为：在所述步骤一至所述步骤五中，依据几何相似准则进行试验。

分析可知，与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

(1)本发明提供的立式水热耦合模型试验装置通过渗流系统和冻结系统相互配合，能够共同构建立式水热耦合模型进行试验，还搭载有测量系统，能够通过冻结壁厚度测量刻度以标定冻结壁的发展过程，并通过温度测量系统检测试验区内的温度信号。本发明可以对冻结壁的发展过程和形状进行直观地观察，操作简单，能够达到将渗流对冻结温度场的影响进行准确量化的研究目的。并且，根据记录的冻结所需时间、冻结壁厚度的发展过程和检测的温度数据，能够模拟渗流对冻结温度场的影响，为冻结法施工提供重要的参考数据。

(2)本发明的试验箱采用玻璃面板拼接而成，拆装方便，在需要研究不同布管方式对冻结管温度场的影响时，只需更换安装冻结管的前面板、后面板以及冻结管，重新组装试验箱即可，能够节约成本、降低更换试验箱时的工作强度，可实现一套设备实现多个试验目的要求。

(3)本发明通过在渗流系统内配置变频泵、进水截止阀、第一流量计和稳压罐，能够进一步稳定供水参数，向试验区提供匀速水流，进一步完善匀速渗水环境，减少渗流流速的更换时间、降低工作强度。

(4)本发明通过在冻结系统内配置进液控制阀、第二流量计、进液分流器、出液分流器、进液干管和出液干管，能够控制冷冻剂的流量，调节冻结壁的形成参数，还能够调节参与形成冻结壁的冻结管的根数，形成不同的冻结壁形状。

(5)本发明通过上游缓冲区和下游缓冲区对进入试验区的水流进行缓冲，能够进一步优化试验区的渗流环境，提高试验准确性。

附图说明

图1为本发明的立式水热耦合模型试验装置的结构示意图。

图2为本发明的试验箱的连接关系示意图。

图3为图2的局部放大图。

图4为本发明的试验箱的内部结构示意图。

图5为本发明的前面板的外侧结构示意图。

图6为本发明的前面板的内侧结构示意图。

图7为本发明的后面板的外侧结构示意图。

图8为本发明的后面板的内侧结构示意图。

图9为本发明的左面板的外侧结构示意图。

图10为本发明的左面板的内侧结构示意图。

图11为本发明的右面板的外侧结构示意图。

图12为本发明的右面板的内侧结构示意图。

图13为本发明的下面板的外侧结构示意图。

图14为本发明的下面板的内侧结构示意图。

图15为本发明的上面板的外侧结构示意图。

图16为本发明的上面板的内侧结构示意图。

图17为本发明的阻隔网的结构示意图。

图18为本发明的热电偶串的安装示意图。

图中：1-电脑主机；2-显示器；3-温度数据采集仪；4-桌子；5-数据采集线；6-恒温水箱；7-变频泵；8-稳压罐；9-泵体压力表；10-进水截止阀；11-第一流量计；12-进水口分流器；13-支架；14-左面板；15-第二压力表；16-第一压力表；17-流量测定导槽；18-第二压力表安装孔；19-第一压力表安装孔；20-流量测定孔；21-右面板；22-数据采集线导出孔；23-前面板；24-冻结管安装孔；25-后面板；26-冻结壁厚度测量刻度；27-冻结管定位槽；28-上面板；29-透水孔；30-挡水板；31-导水管；32-下面板；33-进水孔；34-测点布置网；35-热电偶串；36-上游缓冲区；37-试验区；38-下游缓冲区；39-冻结内管；40-冻结外管；41-进液控制阀；42-第二流量计；43-进液分流器；44-出液分流器；45-进液干管；46-出液干管；47-冷冻机；48-阻隔网；49-大孔网；50-小孔网。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等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，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参照图1至图18，图1为本发明的立式水热耦合模型试验装置的结构示意图；图2为本发明的试验箱的连接关系示意图；图3为图2的局部放大图；图4为本发明的试验箱的内部结构示意图；图5为本发明的前面板的外侧结构示意图；图6为本发明的前面板的内侧结构示意图；图7为本发明的后面板的外侧结构示意图；图8为本发明的后面板的内侧结构示意图；图9为本发明的左面板的外侧结构示意图；图10为本发明的左面板的内侧结构示意图；图11为本发明的右面板的外侧结构示意图；图12为本发明的右面板的内侧结构示意图；图13为本发明的下面板的外侧结构示意图；图14为本发明的下面板的内侧结构示意图；图15为本发明的上面板的外侧结构示意图；图16为本发明的上面板的内侧结构示意图；图17为本发明的阻隔网的结构示意图；图18为本发明的热电偶串的安装示意图。

如图1至图18所示，本发明提供了一种立式水热耦合模型试验装置，主要包括渗流系统、冻结系统和测量系统；渗流系统包括试验箱、进水口分流器12和恒温水箱6；试验箱用于提供渗流对冻结温度场影响的试验场所；恒温水箱6通过进水口分流器12与试验箱的底部相连，进水口分流器12为一根干管连接多根支管，用以将恒温水箱6的来水由单股水流分散成多股水流进入试验箱，以减小水流冲积，提高上游缓冲区36的缓冲效果，使水流在试验箱内均匀的自下而上流动，从而模拟真实地下水流；本发明不对支管数量进行限制，可根据实际需要进行选择，但要和下面板32进水孔33的数量相对应，优选为六股水流，即设置有六个支管和下面板32上设置六个进水孔33。冻结系统包括冻结管和冷冻机47；冻结管穿过试验箱的一侧壁(前面板23)后安装在试验箱的试验区37内，冷冻机47通过管道与冻结管相连，冷冻机47用于向冻结管输送冷冻剂，冻结管用于冻结试验区37；测量系统包括冻结壁厚度测量刻度26和温度测量系统；冻结壁厚度测量刻度26位于试验箱上，冻结壁厚度测量刻度26的数量及位置与冻结管的数量及位置相匹配，用于对冻结壁的形成过程进行观测，观察和测量冻结过程中冻结壁发展的形状和厚度；温度测量系统包括温度数据采集仪3和热电偶串35，多个热电偶串35分布在试验区37内，用于测量试验箱内部的相应位置处的温度，并将温度转换为电信号，温度数据采集仪3与热电偶串35通过数据采集线5相连，用于采集试验区37内部的温度信号，进一步的，温度数据采集仪3可以为TDS温度数据采集仪，例如可以为购自日本东京测器研究所生产的TDS-630动态数据采集仪，可实时对冻结温度场的自动数据采集。

具体而言，本发明提供的立式水热耦合模型试验装置通过渗流系统和冻结系统相互配合，共同构建立式水热耦合模型进行试验，即：恒温水箱6通过进水口分流器12由试验箱的底部向试验箱内的试验区37提供多股水流，水流均匀流过试验区37，形成匀速渗水环境；冷冻机47向冻结管输送冷冻剂，位于试验区37内、横向布置的冻结管开始降温，冻结管外部的试验区37开始冻结，在试验区37内由冻结管为中心逐步向外扩散，形成冻结壁，从而建立水热耦合模型。为了便于监测冻结壁的形成过程和形成时的温度数据，本发明还搭载有测量系统，测量系统通过冻结壁厚度测量刻度26以标定冻结壁的发展过程，并通过温度测量系统检测试验区37内的温度信号。本发明构建的立式水热耦合模型在匀速渗水环境中构建而成，且搭载有测量系统，可以对冻结壁的发展过程和形状进行直观地观察，操作简单，能够达到将渗流对冻结温度场的影响进行准确量化的研究目的。

作为对本发明的改进，如图1至图18所示，本发明还提供了如下改良方案：

为了便于渗流系统提供稳定水流，如图1和图4所示，本发明的渗流系统还包括安装在恒温水箱6和进水口分流器12之间的动力装置，动力装置包括变频泵7、进水截止阀10、第一流量计11和稳压罐8；变频泵7包括泵体、变频器和泵体压力表9，泵体的一端与恒温水箱6相连、另一端依次通过稳压罐8、泵体压力表9、进水截止阀10、第一流量计11后与进水口分流器12相连；变频器与泵体相连，用于控制泵体向试验箱提供稳定流量的水流，泵体压力表9监测泵体的水压；第一流量计11为电磁流量计，变频器与第一流量计11、进水截止阀10相配合，用于实现对泵体输出水流的实时流量显示与控制，以达到试验设定值；稳压罐8用于平衡泵体输出水流的水量与水压。本发明通过在渗流系统内配置变频泵7、进水截止阀10、第一流量计11和稳压罐8，能够进一步稳定供水参数，向试验区37内提供匀速水流，进一步完善匀速渗水环境，减少渗流流速的更换时间、降低工作强度。

为了便于调节冻结壁的形成参数，如图1至图4所示，本发明的冻结管水平安装在试验箱内，冻结管包括冻结内管39和冻结外管40，冻结外管40截面面积是冻结内管39截面面积的二倍，冻结内管39位于冻结外管40内并与冻结外管40同轴设置，冻结外管40的一端为封闭端，另一端与冷冻机47连通；冻结内管39的一端与冻结外管40的封闭端连通，另一端与冷冻机47连通，冻结内管39的一端与冻结外管40封闭端之间的距离等于冻结内管39的直径，以便冷冻剂可以经冻结内管39流入冻结外管40，形成循环；冻结系统还包括进液控制阀41、第二流量计42、进液分流器43、出液分流器44、进液干管45和出液干管46；进液干管45的一端与冷冻机47相连、另一端与进液分流器43相连；进液分流器43与多根冻结内管39相连，第二流量计42、进液控制阀41安装在冻结内管39上，每根冻结内管39上均安装有一个第二流量计42和一个进液控制阀41，实现对每个冻结管内冷冻剂的独立控制和监测，第二流量计42为电磁流量计，进液分流器43用于将冷冻剂分流，进液控制阀41用于控制冷冻剂的流量；多根冻结外管40均与出液分流器44相连，出液分流器44与出液干管46的一端相连，出液干管46的另一端与冷冻机47相连，出液分流器44用来将多根冻结外管40的冷冻剂汇聚成一股回流到出液干管46，实现冷冻剂在冷冻机47与冻结管之间的循环。本发明通过在冻结系统内配置进液控制阀41、第二流量计42、进液分流器43、出液分流器44、进液干管45和出液干管46，能够控制冷冻剂的流量，调节冻结壁的形成参数，还能够调节参与形成冻结壁的冻结管的根数，形成不同的冻结壁形状。

为了降低能量损耗，本发明的冻结管位于试验箱外侧的部分、进液分流器43、出液分流器44、进液干管45、出液干管46外侧均缠绕有保温材料，保温材料优选为保温棉。进一步的，冻结管采用导热良好的金属管制成，优选为铜管，以利于冻结管与试验区37的热交换。进液分流器43、出液分流器44优选为金属材质，以便固定和连接。进液干管45、出液干管46、进液分流器43、出液分流器44、冻结管之间在连接时采用耐低温的硅胶软管连接，以方便安装连接。在冷冻剂的选材上，本发明的冷冻剂为氯化钙溶液和/或酒精，为了提高冻结系统的使用寿命，冷冻剂优选为酒精。

为了便于测量试验区37内各测试点的温度，方便热电偶串35的布置，如图1至图4、图17和图18所示，本发明的温度测量系统还包括测点布置网34，测点布置网34竖直放置在试验区37的中部并与试验区37内的冻结管呈垂直设置，热电偶串35均匀布置在测点布置网34上，热电偶串35宜沿着横向或竖向网格线布置，优选将多个热电偶串35在测点布置网34上竖向设置，因为水流为自下而上的，竖向布置测点可以减小对水流的扰动，多个热电偶串35平行排列，围绕冻结管形成一个矩形测量网格，以测量试验箱内部冻结管周围各点的温度变化。热电偶串35用于将温度信号转换为电信号，并通过数据采集线5传输给温度数据采集仪3。进一步的，测点布置网34网孔形状为矩形，网孔形状优选为正方形，热电偶串35由多个热电偶组成，每个热电偶检测一处热电偶测点，热电偶测点位于测点布置网34的网格线交点处，在冻结管的上侧与下侧的热电偶测点分布数量相同，每个热电偶测点进行唯一编号命名，便于迅速定位热电偶测点在试验箱中的位置，方便后续的数据处理。本发明通过安装测点布置网34为热电偶串35提供安装位置，便于检测试验区37内的温度信号，同时便于热电偶串35在试验区37内的安装。

在选材上，本发明的测点布置网34采用隔热的塑料材质制成，优选为有机玻璃；测点布置网34的网孔形状为正方形，边长大于冻结管的外径，以便冻结管的插入；热电偶串35为康铜-铜热电偶串35。

为了便于试验箱的布置和改动，如图1至图16所示，本发明的试验箱为方形设置，试验箱的外壳由六块具有榫头和榫槽结构的玻璃面板拼接而成，玻璃面板采用有机玻璃材质，玻璃面板的厚度可以为50mm至100mm，优选60mm，用于观测冻结壁的发展过程和水流的通过情况，并承受来自试验箱内部的压力。具体的，如图5和图6所示，本发明的外壳的前面板23中部设有多个在水平方向等间距并列分布的冻结管安装孔24(图中只显示了冻结管安装孔24，冻结管安装孔24的数量可根据实际需要设置)，冻结管安装孔24的直径大于冻结管的直径，与冻结管间隙配合或过渡配合，用于为冻结管提供安装位置；如图7和图8所示，外壳的后面板25外侧设有多个与冻结管一一对应的冻结壁厚度测量刻度26，冻结壁厚度测量刻度26蚀刻在后面板25的外侧，冻结壁厚度测量刻度26为带有刻度的同心圆环体，并与冻结管共轴线设置，后面板25内侧设有多个与冻结壁厚度测量刻度26共轴线设置的冻结管定位槽27，用于定位安装冻结管，冻结管定位槽27的直径大于冻结管的直径，与冻结管间隙配合或过渡配合，冻结管定位槽27不必贯通后面板25，冻结管定位槽27在后面板25上的深度范围为10mm-50mm，优选为30mm；如图9和图10所示，外壳的左面板14上设有两个压力表安装孔和两个流量测定孔20，两个压力表安装孔用于安装测量水压的压力表，分为第一压力表安装孔19和第二压力表安装孔18，第一压力表安装孔19位于试验区37的上部，第二压力表安装孔18位于试验区37的下部，压力表包括第一压力表16和第二压力表15，第一压力表16用于测量试验区37的上部水压，第二压力表15用于测量试验区37的下部水压，进而计算试验区37的渗流速度，第一压力表16和第二压力表15位于同一铅垂线上，两个流量测定孔20分别与流量测定导槽17的两端相连，流量测定导槽17为中空的有机玻璃长条，呈竖直设置，紧密贴合在左面板14的外侧，流量测定导槽17上侧设有可打开的螺栓孔，以供水流流出，用于测量试验区37的真实渗流速度；如图11和图12所示，外壳的右面板21上设有数据采集线导出孔22，用于将数据采集线5引出试验箱，使数据采集线5与温度数据采集仪3相连；如图13和图14所示，外壳的下面板32上设有多个进水孔33，多个进水孔33在下面板32上均匀分布，进水孔33与进水口分流器12相匹配，即进水口分流器12的每个出水端均伸入一个进水孔33内；如图15和图16所示，外壳的上面板28上设有透水孔29，透水孔29用于排水。进一步的，前面板23四周设有突出的榫头；后面板25四周设有突出的榫头；左面板14上下边缘设有突出的榫头、左右边缘设有凹陷的榫槽；右面板21上下边缘设有突出的榫头、左右边缘设有凹陷的榫槽；上面板28内壁四周设有凹陷的榫槽；下面板32内壁四周设有凹陷的榫槽。本发明的试验箱采用玻璃面板通过四周的榫头、榫槽连接，使用螺栓进行加固，并在拼接处做防水处理，防止箱体渗漏水，拆装方便，如若需要研究不同布管方式对冻结管温度场的影响，只需更换安装冻结管的前面板23、后面板25以及冻结管，重新组装试验箱即可，能够节约成本、降低更换试验箱时的工作强度，可实现一套设备实现多个试验目的要求。

为了便于实现水资源的循环利用，如图1、图15和图16所示，本发明的透水孔29为多个，多个透水孔29在上面板28上均匀密集设置，以便试验箱内的水流可以透出上面板28外并汇集；外壳的顶部四周设有挡水板30，挡水板30高度优选为300mm，用于收集由透水孔29排出的水，挡水板30连通有导水管31，导水管31位于恒温水箱6的上方，用于将挡水板30收集的水导入恒温水箱6内，实现水流循环。

为了进一步优化渗流环境，如图1至图4所示，本发明在试验箱的内部由下向上依次包括由阻隔网48隔开的上游缓冲区36、试验区37和下游缓冲区38，即在上游缓冲区36和试验区37的下端之间设置有一个阻隔网48、在试验区37的上端和下游缓冲区38之间设置有一个阻隔网48。进一步的，上游缓冲区36和下游缓冲区38形状相同，用于容纳石子以缓冲水流；试验区37采用砂子填充，用于模拟渗流对冻结温度场的影响；试验区37的体积是上游缓冲区36、下游缓冲区38任意一个的5至7倍，优选为5倍，如此进行空间分配可以保证试验箱的中间部分容纳足量的砂，水流入后可以形成均匀的层流，优化试验效果。其中，砂子选用中粗砂，平均粒径可以为0.40-0.60mm，例如0.40mm、0.45mm、0.50mm、0.55mm和0.60mm中的任意一个数值或者任意两个数值之间的范围；石子的平均粒径可以为40-60mm，例如40mm、45mm、50mm、55mm和60mm中的任意一个数值或者任意两个数值之间的范围。本发明通过上游缓冲区36和下游缓冲区38对进入试验区37的水流进行缓冲，能够进一步优化试验区37的渗流环境，提高试验准确性。

在阻隔网48选型时，如图4和图17所示，本发明的阻隔网48为两个，两个阻隔网48设置在试验区37的上下两端处，每个阻隔网48包括角钢边框、大孔网49和小孔网50；小孔网50位于靠近试验区37的一侧，大孔网49位于靠近上游缓冲区36或下游缓冲区38的一侧；小孔网50、大孔网49安装在角钢边框上，采用螺栓固定，大孔网49用于承受来自砂子、石子的压力，并作为小孔网50的附着骨架，小孔网50用于阻挡砂子进入上游缓冲区36和下游缓冲区38。大孔网49、小孔网50均为钢丝网，大孔网49的孔径小于石子的粒径，小孔网50的孔径小于砂子的粒径。具体的，大孔网49的孔径为10-40mm，例如10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm和40mm中的任意一个数值或者任意两个数值之间的范围，优选为20mm；小孔网50的孔径为100-400目，例如100目、150目、200目、250目、300目、350目和400目中的任意一个数值或者任意两个数值之间的范围，优选为100目。进一步的，阻隔网48可不进行固定，直接铺设在试验区37与上游缓冲区36、试验区37与下游缓冲区38交界处，利用砂子、石子自重固定即可。

为了便于本发明的装配，如图2和图4所示，本发明还包括支架13，试验箱安装在支架13上，采用螺栓紧固，支架13采用槽钢拼焊而成。本发明采用支架13作为试验箱的底座，能够便于试验箱与渗流系统的装配。

如图1至图18所示，本发明还提供了一种立式水热耦合模型试验装置的试验方法。

根据几何相似准则公式确定冻结内管39的截面尺寸，进而确定冻结外管40的截面尺寸，为保证冷冻剂能充满冻结管并充分进行热量交换，应使得冻结外管40的横截面积为冻结内管39横截面积的两倍，即冻结外管40的直径为冻结内管39直径的√2倍。确定冻结管的截面尺寸后，即可参考工程经验或试验要求确定冻结管的间距；考虑边界条件和几何相似准则确定试验箱体尺寸，从而确定各个面板尺寸及开孔位置；制作箱体内部配套的阻隔网48、测点布置网34和支架13。

本发明依据几何相似准则进行试验，并且，在搭建试验区37时，还包括按照《公路土工试验规程》JTGE40-2007对试验区37进行饱和砂渗透系数试验，试验结果合格后方可进行试验操作。其中，几何相似准则公式为l_m＝l_p/C_l，l_p为实际设计与施工中的尺寸；l_m为本发明的立式水热耦合模型与l_p尺寸对应的尺寸；C_l为比例参数，可以为1至22任意数值(例如，可以为1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21和22中的任意一个数值，优选为5)。

本发明的试验方法包括以下步骤：

步骤一：通过渗流系统构建匀速渗水环境。

其中，在构建匀速渗水环境时，恒温水箱6的水温为5℃至9℃，优选为7℃，使得试验区37的温度为7℃。

步骤二：通过冻结系统构建冻结壁，并通过测量系统记录冻结壁形成的过程数据。

其中，测量系统记录的冻结壁形成的过程数据包括冻结壁的冻结所需时间、冻结壁的厚度发展过程和冻结过程中试验区37内的温度，在试验区37的区域温度达到和/或低于-1℃时，即认为该区域已形成冻结壁。

步骤三：通过冻结系统和渗流系统将冻结壁解冻至与恒温水箱6的水温相同温度。

其中，在解冻冻结壁时，提高冻结系统的冷冻剂温度，从而对试验区37内的冻结壁进行快速解冻，当温度测量系统的检测的试验区37内的温度均高于恒温水箱6的水温时，停止冻结系统的运行，并将恒温水箱6内的水温设置为室温，开启渗流系统，当试验区37内的温度均达到室温时解冻完成。

步骤四：更换步骤二中冻结壁的构建参数，重复进行步骤一至步骤三。

其中，冻结壁构建参数的更换方法为更换冻结管的使用个数。

步骤五：更换步骤一中匀速渗水环境的构建参数，重复进行步骤一至步骤三。

其中，匀速渗水环境构建参数的更换方法为更换渗水环境的水流速度。

步骤六：依次关闭冻结系统、渗流系统和测量系统，结束试验。

其中，在关闭冻结系统前还包括数据整理与处理，在确定数据不缺失后方可依次关闭冻结系统、渗流系统和测量系统。

本发明根据记录的冻结所需时间、冻结壁厚度的发展过程和检测的温度数据，能够模拟渗流对冻结温度场的影响，为冻结法施工提供重要的参考数据。

实施例：

如图1至图18所示，冻结管的数量为3根，依据几何相似准则进行试验，选取C_l为5。

在煤矿立井冻结法施工过程中，实际冻结管的直径一般为100mm，实际冻结管的间距一般为1200mm，以此为设计参数，冻结内管39的直径为20mm，冻结外管40的直径为30mm，冻结管的间距为250mm，测点布置网34的正方形网孔边长为50mm。测点布置网34上布置有20个热电偶串35，每个热电偶串35均竖向设置，20个热电偶串35互相平行，每个热电偶串35在竖直方向上包括16个热电偶。热电偶串35的分布为：由左侧冻结管左边第5个竖向网格线开始，一直布置到右侧冻结管右边第5个竖向网格线。热电偶测点的分布为：由冻结管下侧第8个网格线开始，到冻结管上侧第8个网格线结束。20个热电偶串35的编号由左向右依次由A至T；每个热电偶串35的16个热电偶测点编号由下至上编号由1到16，从而对320个测点分别唯一命名，如：A-1、Q-5、T-16。每个热电偶串35均在测点布置网34的最上侧横向网格与数据采集线5相连，数据采集线5与温度数据采集仪3相连。

选取合适试验场地，搭建本发明的立式水热耦合模型试验装置，试验装置的搭建步骤如下：

步骤一：在支架13上安装下面板32，下面板32上设置六个进水孔33，在下面板32上安装进水口分流器12，然后依次安装前面板23、左面板14、后面板25、右面板21，并进行加固和防水处理，上面板28暂不安装。

步骤二：填充石子，并捣实平整，构建上游缓冲区36；在上游缓冲区36上侧布置一个阻隔网48；将带有16个热电偶串35的测点布置网34平行于前面板23方向布置在左面板14和右面板21的中间，测点布置网34与左面板14和右面板21均垂直并进行固定，将数据采集线5由数据采集线导出孔22穿出，并对数据采集线导出孔22使用环氧树脂进行灌注作为防水处理。

步骤三：将三个冻结管均依次穿过冻结管安装孔24和测点布置网34，分别固定在三个冻结管定位槽27内，并对冻结管安装孔24进行加固和防水处理；填充干砂，构建试验区37，为保证填充均匀，每填充100mm高度的砂子便进行一次振捣和抹平，直到填充整个试验区37(如此操作不仅方便快捷，还能够利用砂子自重对冻结管和测点布置网34进行固定，防止其试验时被水流冲跑)。

步骤四：在试验区37上侧布置一个阻隔网48，填充石子，并捣实平整，构建下游缓冲区38；安装上面板28并进行加固和防水处理；安装挡水板30和导水管31并进行加固和防水处理。

步骤五：在冻结内管39上依次安装第二流量计42、进液控制阀41和进液分流器43；在冻结外管40上安装出液分流器44。

步骤六：将数据采集线5按照对应编号连接到温度数据采集仪3上，形成温度测量系统；设立用于办公的桌子4，并放置显示器2和电脑主机1，将温度数据采集仪3与电脑主机1相连；通过管道依次连接进水口分流器12、第一流量计11、进水截止阀10、泵体压力表9、稳压罐8、变频泵7、恒温水箱6，形成渗流系统；将进液分流器43通过进液干管45与冷冻机47相连；将出液分流器44通过出液干管46与冷冻机47相连，形成冻结系统。

立式水热耦合模型试验装置搭建完成后，按照《公路土工试验规程》JTGE40-2007对试验区37进行饱和砂渗透系数试验，砂渗透系数试验结果合格后方可进行立式水热耦合模型试验操作。

在试验时室温保持7℃，依据几何相似准则，取C_l为5，设计三个设计值进行试验，第一设计值为25m/d(米/天)，用于模拟实际工况中地下水的渗流速度为5m/d时的状态；第二设计值为50m/d，用于模拟实际工况中地下水的渗流速度为10m/d时的状态；第三设计值为100m/d，用于模拟实际工况中地下水的渗流速度为20m/d时的状态。调节恒温水箱6的水温为7℃至10℃，优选为7℃，使水温保持7℃，开始试验，步骤如下：

步骤一：通过渗流系统构建匀速渗水环境。

(1)开启变频泵7，调节进水截止阀10，控制试验区37的水流量，使试验区37的渗流水速度达到第一设计值，形成稳定的竖直方向地层渗流，并保持该渗流状态。

步骤二：通过冻结系统构建冻结壁，并通过测量系统记录冻结壁形成的过程数据。

(1)开启冷冻机47，将冷冻剂(酒精)冷却到设计值，开启温度数据采集仪3，进行数据的自动采集，开启中间的冻结管上的进液控制阀41，关闭左右两根冻结管上的进液控制阀41，使冷冻剂进入中间的冻结管，参照第二流量计42的示数，使得冻结循环的冷冻剂流量达到设计值。其中，冷冻剂的冷冻设计值可以为-35℃至-20℃,优选为-30℃。

(2)开启冻结循环后每隔一小时记录一次泵体压力表9、第一流量计11、第一压力表16、第二压力表15、第二流量计42的示数，使用流量测定导槽17测量试验区37的真实流速；每隔十五分钟绘制并记录后面板25的冻结壁边缘线，并将所有数据记录形成试验日志，以留后续进行数据处理。其中，在使用流量测定导槽17测量试验区37的真实流速时，使用方法为打开流量测定导槽17上部的螺栓孔，使水流流出，记录一分钟时间流出水的体积，进而计算水流速度；在记录后面板25的冻结壁边缘线时，操作方法为使用深色笔沿着冻结壁边缘绘制(优选为黑色笔，因为砂层中水冻结后会与未冻结区有界限区分，因此冻结壁的边缘线应使用深色笔沿着冻结壁边缘绘制)，并参照冻结壁厚度测量刻度26上的刻度观测冻结壁的形状和厚度。

(3)通过温度数据采集仪3进行温度数据的采集，并以温度数据为依据判断冻结壁的形成情况。其中，在试验区37的区域温度达到和/或低于-1℃时，即认为该区域已形成冻结壁。

(4)关闭冷冻机47，停止冷冻剂的供应，关闭进液控制阀41，中止试验，并记录时间，即根据打开冷冻机47的时间和关闭冷冻机47的时间，获得冻结所需时间。

步骤三：通过冻结系统和渗流系统将冻结壁解冻至与恒温水箱6的水温相同温度。

(1)将冷冻剂(酒精)的温度提高至20℃至30℃，优选为25℃，使得酒精在冻结管中循环，从而对试验箱内的冰进行快速解冻，同时通过温度测量系统和冻结壁厚度测量刻度26判断解冻情况，解冻完成后停止酒精循环。其中，当所有热电偶串35检测的温度均超过7℃时，判断为解冻完成。

(2)将恒温水箱6内的水温设置成7℃，开启清水循环，通过水的流动，试验箱内不同位置的砂子温度逐渐趋于相等，直到所有温度测点的温度在7℃±1℃时，解冻完成。

步骤四：更换步骤二中冻结壁的构建参数，重复进行步骤一至步骤三。

(1)按照步骤一至步骤三进行操作，其中，更换步骤二中冻结管的使用数量，即开启左侧和中间共两根冻结管上的进液控制阀41，关闭右侧冻结管上的进液控制阀41，使冷冻剂进入左侧和中间共两根冻结管。

(2)按照步骤一至步骤三进行操作，其中，更换步骤二中冻结管的使用数量，即开启全部冻结管上的进液控制阀41，使冷冻剂进入三根冻结管。

步骤五：更换步骤一中匀速渗水环境的构建参数，重复进行步骤一至步骤四。

(1)按照步骤一至步骤四进行操作，其中，更换步骤一(1)中试验区37的水流量，使试验区37的渗流水速度达到第二设计值，形成稳定的竖直方向地层渗流，并保持该渗流状态。

(2)按照步骤一至步骤四进行操作，其中，更换步骤一(1)中试验区37的水流量，使试验区37的渗流水速度达到第三设计值，形成稳定的竖直方向地层渗流，并保持该渗流状态。

(3)按照步骤一至步骤四进行操作，其中，更换步骤一(1)中试验区37的水流量，使试验区37的渗流水速度为零，操作并记录。

步骤六：依次关闭冻结系统、渗流系统和测量系统，结束试验。

(1)整理与处理数据，在确定数据不缺失后依次关闭冻结系统、渗流系统和测量系统。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种立式水热耦合模型试验装置，其特征在于，包括：

渗流系统、冻结系统和测量系统；

所述渗流系统包括试验箱、进水口分流器和恒温水箱；所述试验箱用于提供渗流对冻结温度场影响的试验场所；所述恒温水箱通过所述进水口分流器与所述试验箱的底部相连，用于向所述试验箱内提供多股水流；

所述冻结系统包括冻结管和冷冻机；所述冻结管穿过所述试验箱的一侧壁后安装在所述试验箱的试验区内，所述冷冻机与所述冻结管相连，所述冷冻机用于向所述冻结管输送冷冻剂，所述冻结管用于冻结所述试验区；

所述测量系统包括冻结壁厚度测量刻度和温度测量系统；所述冻结壁厚度测量刻度位于所述试验箱上，并与所述冻结管相匹配，用于对冻结壁进行观测；所述温度测量系统包括温度数据采集仪和热电偶串，多个所述热电偶串分布在所述试验区内，所述温度数据采集仪与所述热电偶串相连，用于采集所述试验区内部的温度信号。

2.根据权利要求1所述的立式水热耦合模型试验装置，其特征在于：

所述渗流系统还包括安装在所述恒温水箱和所述进水口分流器之间的动力装置，所述动力装置包括变频泵、进水截止阀、第一流量计和稳压罐；所述变频泵包括泵体、变频器和泵体压力表，所述泵体的一端与所述恒温水箱相连，另一端依次通过所述稳压罐、所述泵体压力表、所述进水截止阀、所述第一流量计后与所述进水口分流器相连；

优选地，所述变频器与所述泵体相连，用于控制所述泵体向所述试验箱提供稳定流量的水流，所述泵体压力表监测所述泵体的水压；所述第一流量计为电磁流量计，所述变频器与所述第一流量计、所述进水截止阀相配合，用于实现对所述泵体输出水流的实时流量显示与控制；所述稳压罐用于平衡所述泵体输出水流的水量与水压。

3.根据权利要求1所述的立式水热耦合模型试验装置，其特征在于：

所述冻结管水平安装在所述试验箱内，所述冻结管包括冻结内管和冻结外管，所述冻结内管位于所述冻结外管内并与所述冻结外管同轴设置；

所述冻结系统还包括进液控制阀、第二流量计、进液分流器、出液分流器、进液干管和出液干管；所述进液干管的一端与所述冷冻机相连、另一端与所述进液分流器相连；所述进液分流器与多根所述冻结内管相连，所述第二流量计、所述进液控制阀安装在所述冻结内管上，每根所述冻结内管上均安装有一个所述第二流量计和一个所述进液控制阀；多根所述冻结外管均与所述出液分流器相连，所述出液分流器与所述出液干管的一端相连，所述出液干管的另一端与所述冷冻机相连，用于实现冷冻剂的循环；

优选地，所述冷冻剂为氯化钙溶液和/或酒精；

优选地，所述冻结管位于所述试验箱外侧的部分、所述进液分流器、所述出液分流器、所述进液干管、所述出液干管外侧均缠绕有保温材料。

4.根据权利要求1所述的立式水热耦合模型试验装置，其特征在于：

所述温度测量系统还包括测点布置网，所述测点布置网竖直放置在所述试验区的中部并与所述试验区内的所述冻结管呈垂直设置，所述热电偶串均匀布置在所述测点布置网上；

优选地，多个所述热电偶串在所述测点布置网上竖向布置；

优选地，所述测点布置网采用隔热的塑料材质制成；所述测点布置网的网孔形状为矩形，边长均大于所述冻结管的外径；所述热电偶串为康铜-铜热电偶串。

5.根据权利要求1所述的立式水热耦合模型试验装置，其特征在于：

所述试验箱为方形设置，所述试验箱的外壳由六块具有榫头和榫槽结构的玻璃面板拼接而成；在所述试验箱的内部由下向上依次包括由阻隔网隔开的上游缓冲区、所述试验区和下游缓冲区；

优选地，所述玻璃面板采用有机玻璃材质，厚度为50mm至100mm；

优选地，所述试验区的体积是所述上游缓冲区、所述下游缓冲区任意一个的5至7倍；

优选地，每个所述阻隔网包括角钢边框、大孔网和小孔网；所述小孔网位于靠近所述试验区的一侧，所述大孔网位于靠近所述上游缓冲区或所述下游缓冲区的一侧；所述小孔网、所述大孔网安装在所述角钢边框上，所述大孔网用于承受来自砂子、石子的压力和作为所述小孔网的附着骨架，所述小孔网用于阻挡砂子进入所述上游缓冲区和所述下游缓冲区；

优选地，所述大孔网、所述小孔网均为钢丝网，所述大孔网的孔径小于石子的粒径，所述小孔网的孔径小于砂子的粒径；

所述大孔网的孔径为10-40mm，所述小孔网的孔径为100-400目。

6.根据权利要求5所述的立式水热耦合模型试验装置，其特征在于：

所述外壳的前面板上设有多个冻结管安装孔，用于为所述冻结管提供安装位置；所述外壳的后面板外侧设有多个与所述冻结管一一对应的所述冻结壁厚度测量刻度，所述冻结壁厚度测量刻度为带有刻度的同心圆环体，并与所述冻结管共轴线设置，所述后面板内侧设有多个与所述冻结壁厚度测量刻度共轴线设置的冻结管定位槽；所述外壳的左面板上设有两个压力表安装孔和两个流量测定孔，两个所述压力表安装孔分别位于所述试验区的上部和下部，用于安装测量水压的压力表，两个流量测定孔分别与流量测定导槽的两端相连，用于测量所述试验区的水流流速；所述外壳的右面板上设有数据采集线导出孔；所述外壳的下面板上设有多个进水孔，所述进水孔与所述进水口分流器相匹配；所述外壳的上面板上设有透水孔，所述透水孔用于排水。

7.根据权利要求6所述的立式水热耦合模型试验装置，其特征在于：

所述透水孔为多个，在所述外壳的上面板上均匀密集设置，所述外壳的顶部四周设有挡水板，所述挡水板连通有导水管，所述导水管位于所述恒温水箱的上方。

8.一种基于权利要求1至7任一项所述的立式水热耦合模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过所述渗流系统构建匀速渗水环境；

步骤二：通过所述冻结系统构建冻结壁，并通过所述测量系统记录所述冻结壁形成的过程数据；

步骤三：通过所述冻结系统和所述渗流系统将所述冻结壁解冻至与所述恒温水箱的水温相同温度。

9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，还包括：

步骤四：更换所述步骤二中冻结壁的构建参数，重复进行所述步骤一至所述步骤三。

10.根据权利要求9所述的试验方法，其特征在于，还包括：

步骤五：更换所述步骤一中匀速渗水环境的构建参数，重复进行所述步骤一至所述步骤四。