CN110426504A - 基于示踪水力层析反演的岩溶含水层砂箱试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于示踪水力层析反演的岩溶含水层砂箱试验系统及方法，包括可视化砂箱装置、岩溶管道、水流控制装置、水平井、数据采集装置及数据处理装置；可视化砂箱装置构成了砂层填充空间，岩溶管道埋设在砂层内；水流控制装置为定水头储水箱；在背部板上设有水平井安装孔和示踪剂投放孔；在每个水平井安装孔内安装有水平井，监测井与渗压传感器或电导率传感器相连，抽注水井与蠕动泵连接，电导传感器、渗压传感器、蠕动泵与数据收集装置相连，所述的数据采集装置与数据处理装置相连。

Description

基于示踪水力层析反演的岩溶含水层砂箱试验系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于水力层析反演的岩溶管道含水介质室内砂箱试验系统与方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

岩溶含水层在工业、农业和饮用水的供水中发挥着重要作用。据估计，世界上25％的人口依赖于岩溶水资源。同时，岩溶含水层水力传输参数在地球科学及土木工程等多个领域的许多方面都起着重要作用，如渗透率和孔隙度控制着含水层的溶质及能量运移等。岩溶含水层的水力参数的大小及空间分布在地下工程设计、石油和天然气开采、核废料处置、地下储能及地下水污染评估和修复等研究中都扮演着重要的角色。岩溶含水层是高度非均匀的、异质的，且具有空间尺度多样性。因此，探测岩溶管道模式及其在岩溶石灰岩中的位置、分布是非常具有挑战性的。

发明人发现现场测绘或直接进入溶洞是确定管道结构特征最直接的方法，但操作难度大、成本高。现阶段，抽注水试验因其可操作性强备受青睐。因此，通过室内试验手段研究抽注水试验过程中降水或注水对岩溶管道含水介质内的水头响应特征、以通过水头变动开展结构反演研究是非常必要的，现阶段急需一种室内试验装置实现对岩溶管道型含水介质进行抽注水模拟。

发明内容

本发明为解决上述问题的出现，提供了一种基于示踪-水力层析反演的岩溶管道含水介质室内砂箱试验系统与操作方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于示踪水力层析反演的岩溶含水层砂箱试验系统，包括可视化砂箱装置、岩溶管道、水流控制装置、水平井、数据采集装置及数据处理装置；

所述的可视化砂箱装置包括背部板、前部板、多孔透水板、定水头储水箱、底座，所述的背部板和前部板相互平行的安装在底座上，所述的定水头储水箱包括两个，分别安装在背部板和前部板的左侧和右侧，所述的多孔透水板安装在定水头储水箱和背部板和前部板之间；所述的背部板、前部板、多孔透水板以及底座构成了砂层填充空间，所述的岩溶管道埋设在砂层内；

所述的水流控制装置为所述的定水头储水箱供水，控制两个定水头储水箱的水量；

在所述的背部板上设有水平井安装孔和示踪剂投放孔；在每个水平井安装孔内安装有水平井，部分水平井作为监测井，部分水平井作为抽注水井，所述的监测井与渗压传感器或电导率传感器相连，所述的抽注水井与蠕动泵连接，所述的电导传感器、渗压传感器、蠕动泵与数据收集装置相连，所述的数据采集装置与数据处理装置相连。

作为进一步的技术方案，所述的溢流水箱包括第一溢流水箱和第二溢流水箱，所述的第一溢流水箱、第二溢流水箱的进口均与供水装置相连，第一溢流水箱的出口与左侧的定水头储水箱相连；第二溢流水箱的出口与右侧的定水头储水箱相连。

作为进一步的技术方案，所述的第一溢流水箱安装在第一高度调节装置上；所述的第二溢流水箱安装在第二高度调节装置上。

作为进一步的技术方案，每个所述的水平井包括两端均敞口的内套管和外套管，所述内套管安装在外套管内，两者之间通过减径套管相连；所述的外套管侧壁上开设有多个进水孔，在外套管内壁黏贴不透砂的砂网，防止砂粒进入水平井、破坏含水层结构、堵塞水平井阻碍数据监测；所述的外套管配有塞子，塞子上带有不锈钢管与外接软管相连，软管再和所述的渗压传感器连接。

作为进一步的技术方案，所述的岩溶管道包括三种类型，分别为支管道型岩溶结构、溶潭型岩溶结构和跌水型岩溶结构，可实现构造复杂岩溶含水层，为探查岩溶结构非均质性提供基础。

作为进一步的技术方案，所述的多孔透水板的一侧黏贴不透砂的砂网，防止砂进入定水头储水箱。

应用上述装置实现模拟在受控实验室环境下的潜水含水层自然流动及溶质运移情况的方法，包括以下几步：

1)依据所需粒径及粒径组合，筛分试验用砂；

2)预制非均质砂层及岩溶管道，进行分层压实填筑；

3)依次进行安装水平井并取芯，将监测井与渗压传感器或电导率传感器连接，将抽注水井与蠕动泵连接，连接处做好防漏水措施；

4)将渗压传感器、电导率传感器和蠕动泵均与数据采集装置相连；数据采集装置与数据处理装置连接，接通水源，给溢流水箱进行供水，并进行漏水检查；

5)调整溢流水箱高度，保证稳定边界水头，设定好由工况确定的边界条件，校对渗压传感器、电导率传感器，调试蠕动泵；

调节蠕动泵，控制抽注水速率，为了获取泵送端口的初始水头，在每次抽水开始前，即在蠕动泵未开始工作前开启传感器，提前开始监测并收集水头数据。试验过程中，在水平井处进行泵送，同时开展水头监测工作，记录瞬时水头变化，开启蠕动泵直至达到了稳态流动状态，随后关闭蠕动泵，监测收集水头恢复数据；

6)调节两侧水头，形成一定水头差，在最左侧端口进行示踪剂投放，砂箱中间和右侧进行电导率监测；

7)通过中央处理器记录检测数据的动态变化，并实时形成图表，分析试验结果，最终结合程序开发开展岩溶结构反演分析。

应用上述装置实现模拟在受控实验室环境下的潜水含水层自然流动及溶质运移情况，操作方法包括以下几步：

1)依据所需粒径及粒径组合，筛分试验用砂。

2)预制非均质砂层及岩溶管道，进行分层压实填筑。

3)依次进行安装水平井并取砂芯，将监测井与渗压传感器、电导率传感器连接，将抽水井与蠕动泵连接，连接处做好防漏水措施。

4)将传感器、蠕动泵与数据采集器及中央处理器连接，接通水源，给溢流水箱进行供水，并进行漏水检查。

5)调整溢流水箱高度，保证稳定边界水头，设定好由工况确定的边界条件，校对渗压传感器、电导率传感器，调试蠕动泵。调节蠕动泵，控制抽注水速率，为了获取泵送端口的初始水头，在每次抽水开始前2分钟，即在蠕动泵未开始工作前开启传感器，提前开始监测并收集水头数据。试验过程中，在水平井处进行泵送，同时开展水头监测工作，记录瞬时水头变化，开启蠕动泵直至达到了稳态流动状态，随后关闭蠕动泵，监测收集水头恢复数据。

6)随后，调节两侧水头，形成一定水头差，在最左侧端口进行示踪剂投放，本发明以Nacl为例开展研究，在砂箱中间和右侧进行电导率监测。

7)通过中央处理器记录检测数据的动态变化，并实时形成图表，分析试验结果，最终结合程序开发开展岩溶结构反演分析。

本发明可根据不同含水层情况、边界条件进行具体设置，重复(1)—(3)，控制流量计、水井情况，重复(4)—(6)，依据步骤(7)得出的不同结果对实际工程进行指导。

本发明研究了一种基于示踪-水力层析反演的岩溶管道含水介质室内砂箱试验系统与操作方法，解决了现场试验的时间久、费用高等缺点，实现了在室内调节下更加真实地模拟岩溶管道含水层，更具实用性、综合性。与前人研究相比，本发明装置具有以下优点：

1)本发明的可视化砂箱系统可直观对砂箱内的溶质运移情况进行观察，模拟岩溶管道含水层的流动特性，砂箱系统组装方便，可重复利用。

2)本发明的非均质岩溶系统创造性地将不同管道结构引入砂层，可实现构造复杂岩溶含水层，为探查岩溶结构非均质性提供基础。

3)本发明的可控流通边界系统可建立恒定水头边界，快速有效地在整个含水层长度及厚度上稳定供水，更加真实地模拟工况，可适性强，操作简便，方便调整边界水头。

5)本发明的水平井泵送系统可根据不同抽注水试验需要，实现单个井口或多个井口协同抽注水，并可根据具体工况，实时对抽注水条件进行调节。

6)本发明采用渗压传感器和电导率传感器进行数据采集，实现全方位、多数据的实时监测，可实现数据自动采集与记录、调控蠕动泵速率、传感器校准。

5)本发明的数据处理装置可对采集到的压力及电导率数据及时分析和反馈处理，实时形成图表，结合程序开发开展岩溶结构反演分析。

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是本发明试验装置示意图；

图2、图3、图4为可视化砂箱系统二维图；

图5为支管道型岩溶结构示意图；

图6为溶潭型岩溶结构示意图；

图7为跌水型岩溶结构示意图；

图8为水平井示意图；

图9为传感器布置示意图；

图中，1、土样箱；2、背部板；3、储水箱；4、多孔透水板；5、底座；6、支撑架；7、连接软管；8、供水装置；9、水平井；10、数据采集器；11、中央处理器；12、显示器；13、传输线；14-1溢流水箱、14-2溢流水箱；15、可调升降杆；16、供水管，

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；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，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在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中场测绘或直接进入溶洞是确定管道结构特征最直接的方法，但操作难度大、成本高。现阶段，抽注水试验因其可操作性强备受青睐。因此，通过室内试验手段研究抽注水试验过程中降水或注水对岩溶管道含水介质内的水头响应特征、以通过水头变动开展结构反演研究是非常必要的，现阶段急需一种室内试验装置实现对岩溶管道型含水介质进行抽注水模拟。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于示踪-水力层析反演的岩溶管道含水介质砂箱试验系统及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，基于示踪-水力层析反演的岩溶管道含水介质室内砂箱试验系统，包括可视化砂箱系统、非均质岩溶系统、可控流通边界系统、水平井泵送系统、数据收集及控制系统和信息分析系统。

具体地，可视化砂箱系统包括前部板1、背部板2、定水头储水箱3、多孔透水板4、底座5和支撑架6；

背部板2和前部板1相互平行的安装在底座5上，所述的定水头储水箱3包括两个，分别安装在背部板和前部板的左侧和右侧，所述的多孔透水板安装在定水头储水箱和背部板和前部板之间；所述的背部板、前部板、多孔透水板以及底座构成了砂层填充空间，所述的岩溶管道埋设在砂层内；可视化砂箱系统主体为可视化长方体砂箱模型体，试验砂箱主要用于模拟二维含水层的流动和溶质运移特性，在本实施例中，砂箱外部尺寸为长140厘米、宽12厘米、高75厘米，内部尺寸分别为120×10×64厘米。

底座5和两侧支撑架6由焊接角铁构成，支撑架6呈三角形，垂直角铁在重叠处用螺栓固定，保障了结构稳定性和完整性。

试验台架由不锈钢方管焊接制成，尺寸可以设计为150cm*60cm*50cm(长*高*宽)，配脚轮均为万向轮带禁锢脚，方便移动。

定水头储水箱3位于两侧，底部开孔外接溢流水箱14，用于提供稳定的水头边界。

两块多孔透水板4位于定水头储水箱与砂体之间，包括多孔有机玻璃板和160目不锈钢纱网，多孔板4和不锈钢布用耐腐蚀的环氧树脂粘结，防止砂砾透过玻璃板进入水箱。

箱体前部板1和背部板2均为有机玻璃板，透明可视，可在试验过程中观察、拍摄砂层变化；背部监测墙上开有若干个端口，主要用于数据收集，包括沉积物取芯、安置水平井9、提供泵送口、投放药剂、安放连接渗压传感器、电导率传感器等，端口的直径可以根据实际需要进行设置，例如可以根据水平井的尺寸进行设置。

此外，不锈钢件在接缝处焊接以提供防水密封，在不锈钢侧缝中塞入氯丁橡胶条带进行填缝，用阻燃型聚氨酯粘合剂覆盖，以提供耐腐蚀性。玻璃和不锈钢之间的密封采用粘合剂填缝。

非均质岩溶系统包括多个砂层、多种岩溶结构；具体的岩溶结构如图5、图6、图7所示，主要包括三种类型，分别为支管道型岩溶结构、溶潭型岩溶结构、跌水型岩溶结构，可实现构造复杂岩溶含水层，为探查岩溶结构非均质性提供基础。

在砂层内可以设置支管道型岩溶结构、溶潭型岩溶结构、跌水型岩溶结构中的任一一种、或任一两种或者三种均可；具体的布置形式也可以随意布置，以更好地模拟实际岩溶含水层情况。

可控流通边界系统包括溢流水箱14-1、溢流水箱14-2、连接软管7、供水装置8，方便调整边界水头；溢流水箱14-1、溢流水箱14-2的进口均与供水装置8相连，溢流水箱14-1的出口与左侧的定水头储水箱相连；溢流水箱14-2的出口与右侧的定水头储水箱相连。

溢流水箱14-1安装在第一高度调节装置上；所述的溢流水箱14-2安装在第二高度调节装置上，方便控制两个溢流水箱的水头大小以及定水头储水箱的水位差。

定水头储水箱3位于砂体两侧，底部开孔，通过连接软管7接两个溢流水箱、供水装置8，用于提供稳定的水头边界。

溢流水箱14与水源接通，与供水管16、连接软管7、供水装置8相连。

水平井泵送系统由水平井9、减径套管、蠕动泵、数显流量仪等组成，负责模拟抽注水环境；水平井9从功能上分为两类，一类是监测井，一类是抽注水井；监测井主要是跟监测元件相连，抽注水井主要是跟蠕动泵相连，两个井的结构完全相同，只是连接的部件不同；水平井9的结构如图8所示，由薄壁有机玻璃套管制作而成，套管包括内套管和外套管，内套管长度约15cm，直径0.7cm；外套管长度约9cm，直径0.9cm。外套管的内壁上用耐腐蚀环氧树脂黏贴包裹160目不锈钢砂网，防止砂粒进入水平井、破坏含水层结构、堵塞水平井阻碍数据监测。

内管管径略小于外管，作为沉积物芯提取器。内外两管通过减径套管连接，内管嵌套在外管里。减径套管为一黄铜接头，与背部监测墙上的端口相连，配有螺丝，外接软管、渗压传感器或者电导率传感器或者蠕动泵。

所述的蠕动泵量程为300mL/min，与数显流量仪相连，流量可调，可设置不同速率进行泵送。

所述的渗压传感器负责监测地下水头变化，品牌为CFSensor，量程为10KPa，精度0.1％。渗压传感器配备带4-20mA输出功能，外接数据采集器。

数据采集及控制系统由渗压传感器、72通道数据采集器10组成，传感器和测量仪与中央处理器11相连，可通过监测试验过程中渗压变化情况。信息分析系统由中央处理器11、显示器12、传输线13组成，进行数据分析和反馈处理。

所述的数据采集器为9路采集器10，每通路配备8个通道，共72通道，中央处理器11为西门子S7-200SMART处理器。数据采集器10与中央处理器11上的PLC模块连接，数据将由PLC模块上安装的分析控制软件进行处理，该软件配有压力自动校准方法。

应用上述装置实现模拟在受控实验室环境下的潜水含水层自然流动及溶质运移情况，操作方法包括以下几步：

1)依据所需粒径及粒径组合，筛分试验用砂。

2)预制非均质砂层及岩溶管道，进行分层压实填筑。

3)依次进行安装水平井9并取芯：具体的，先将水平井沿端口插入砂箱，直到抵住另一侧板，将内套管连同管内砂芯一起拔出，完成取芯，再用塞子堵住外套管，将塞子上带有不锈钢管与外接软管及渗压传感器相连。将监测井与渗压传感器、电导率传感器连接，将抽注水井与蠕动泵连接，连接处做好防漏水措施。

4)将传感器和蠕动泵与数据采集器及中央处理器11连接，接通水源，给溢流水箱3进行供水，并进行漏水检查。

5)调整溢流水箱高度，保证稳定边界水头，设定好由工况确定的边界条件，校对渗压传感器、电导率传感器，调试蠕动泵。调节蠕动泵，控制抽注水速率，为了获取泵送端口的初始水头，在每次抽水开始前2分钟，即在蠕动泵未开始工作前开启传感器，提前开始监测并收集水头数据。试验过程中，在水平井处进行泵送，同时开展水头监测工作，记录瞬时水头变化，开启蠕动泵直至达到了稳态流动状态，随后关闭蠕动泵，监测收集水头恢复数据。

6)随后，调节两侧水头，形成一定水头差，在最左侧端口进行示踪剂投放，本发明以Nacl为例开展研究，在砂箱中间和右侧进行电导率监测；当然不难理解的，在其他实施例中，还可以采用荧光示踪剂进行监测，采用荧光示踪剂进行监测时，通过将电导率传感器替换为荧光检测探头及相关监测元件、传感器，采用相同的试验操作即可完成示踪层析砂箱试验。

7)通过中央处理器记录检测数据的动态变化，并实时形成图表，分析试验结果，最终结合程序开发开展岩溶结构反演分析。

本发明可根据不同含水层情况、边界条件进行具体设置，重复(1)—(3)，控制水井情况，重复(4)—(6)，依据步骤(7)得出的不同结果对实际工程进行指导。

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 (9)

1.基于示踪水力层析反演的岩溶含水层砂箱试验系统，其特征在于，包括可视化砂箱装置、岩溶管道、水流控制装置、水平井、数据采集装置及数据处理装置；

所述的可视化砂箱装置包括背部板、前部板、多孔透水板、定水头储水箱、底座，所述的背部板和前部板相互平行的安装在底座上，所述的定水头储水箱包括两个，分别安装在背部板和前部板的左侧和右侧，所述的多孔透水板安装在定水头储水箱和背部板和前部板之间；所述的背部板、前部板、多孔透水板以及底座构成了砂层填充空间，所述的岩溶管道埋设在砂层内；

所述的水流控制装置为所述的定水头储水箱供水，控制两个定水头储水箱的水量；

在所述的前部板上设有水平井安装孔和示踪剂投放孔；在每个水平井安装孔内安装有水平井，部分水平井作为监测井，部分水平井作为抽注水井，所述的监测井与渗压传感器或电导率传感器相连，所述的抽注水井与蠕动泵连接，所述的电导传感器、渗压传感器、蠕动泵与数据收集装置相连，所述的数据采集装置与数据处理装置相连。

2.如权利要求1所述的基于示踪水力层析反演的岩溶含水层砂箱试验系统，其特征在于，所述的溢流水箱包括第一溢流水箱和第二溢流水箱，所述的第一溢流水箱、第二溢流水箱的进口均与供水装置相连，第一溢流水箱的出口与左侧的定水头储水箱相连；第二溢流水箱的出口与右侧的定水头储水箱相连。

3.如权利要求1所述的基于示踪水力层析反演的岩溶含水层砂箱试验系统，其特征在于，所述的第一溢流水箱安装在第一高度调节装置上；所述的第二溢流水箱安装在第二高度调节装置上。

4.如权利要求1所述的基于示踪水力层析反演的岩溶含水层砂箱试验系统，其特征在于，每个所述的水平井包括两端均敞口的内套管和外套管，所述内套管安装在外套管内，两者之间相连；所述的外套管侧壁上开设有多个进水孔，在外套管内壁黏贴不透砂的砂网；所述的外套管外接软管和所述的渗压传感器。

5.如权利要求1所述的基于示踪水力层析反演的岩溶含水层砂箱试验系统，其特征在于，所述的岩溶管道包括三种类型，分别为支管道型岩溶结构、溶潭型岩溶结构和跌水型岩溶结构。

6.如权利要求1所述的基于示踪水力层析反演的岩溶含水层砂箱试验系统，其特征在于，所述的多孔透水板的一侧黏贴不透砂的砂网。

7.如权利要求1所述的基于示踪水力层析反演的岩溶含水层砂箱试验系统，其特征在于，所述的前部板和背部板均为有机玻璃板。

8.基于权利要求1-7任一所述的基于示踪水力层析反演的岩溶含水层砂箱试验系统模拟潜水含水层自然流动及溶质运移情况的方法，其特征在于，包括以下几步：

1)依据所需粒径及粒径组合，筛分试验用砂；

2)预制非均质砂层及岩溶管道，进行分层压实填筑；

3)依次进行安装水平井并取芯，将监测井与渗压传感器或电导率传感器连接，将抽注水井与蠕动泵连接，连接处做好防漏水措施；

4)将渗压传感器、电导率传感器和蠕动泵均与数据采集装置相连；数据采集装置与数据处理装置连接，接通水源，给溢流水箱进行供水，并进行漏水检查；

5)调整溢流水箱高度，保证稳定边界水头，设定好由工况确定的边界条件，校对渗压传感器、电导率传感器，调试蠕动泵；

调节蠕动泵，控制抽注水速率，为了获取泵送端口的初始水头，在蠕动泵未开始工作前开启传感器，提前开始监测并收集水头数据；

试验过程中，在水平井处进行泵送，同时开展水头监测工作，记录瞬时水头变化，开启蠕动泵直至达到了稳态流动状态，随后关闭蠕动泵，监测收集水头恢复数据；

6)调节两侧水头，形成一定水头差，在最左侧端口进行示踪剂投放，砂箱中间和右侧进行电导率监测；

7)通过中央处理器记录检测数据的动态变化，并实时形成图表，分析试验结果，最终结合程序开发开展岩溶结构反演分析。

9.如权利要求8所述的模拟潜水含水层自然流动及溶质运移情况的方法，其特征在于，可根据不同含水层情况、边界条件进行具体设置，重复(1)—(3)，控制流量计、水井情况，重复(4)—(6)，依据步骤(7)得出的不同结果对实际工程进行指导。