CN110608978A - 一种模拟含水层抽注水过程中细颗粒运移示踪试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模拟含水层抽注水过程中细颗粒运移示踪试验装置，包括模拟含水层单元、注水单元、抽水单元和观测与测量单元，模拟含水层单元主要由试样槽、分隔滤网、两进水槽和两水箱组成。试样槽内填充三种染成不同颜色石英砂的细颗粒与砾石的混合物。分隔滤网将试样槽两侧分为间隔3d、5d、7d的三个不同区域；通过控制水箱的高度可达到控制含水层厚度的目的；进水槽内填满透水石，可模拟含水层的地下水流动情况；注水单元模拟注水；抽水单元模拟抽水；观测与测量单元主要由高速摄像机、压力计组成。高速摄像机用来拍摄细颗粒的运移示踪情况。本发明的有益效果：可观察比较不同试样段内细颗粒在抽水过程和注水过程中的运移情况。
Description
技术领域
本发明涉及抽水试验设备技术领域，尤其涉及一种模拟含水层抽注水过程中细颗粒运移示踪试验装置。
背景技术
能源问题现如今成为全世界所关注的重点问题，传统的化石能源由于燃烧后产生的有害物质对当地环境产生巨大的压力，寻找清洁可再生的能源已逐渐被各国提上日程。浅层地热能是一种新型的可再生的清洁能源，赋存于地表以下两百米范围内，按照赋存介质的不同可以分为岩土体、地表水以及地下水三种类型。其中地下水浅层地热能的开采涉及到含水层的抽灌水等问题。
抽水试验如今已成为水文地质原位测试的一种重要测试方式。常用的抽水试验方式有稳定流单孔抽水试验和多孔抽水试验。单孔抽水试验仅在一个钻孔中进行试验工作，该方法简便、成本较低。多孔抽水试验可在抽水孔周围配置一定数量的观测孔，在试验过程中可观测其周围试验层中地下水位变化的一种试验方法。在地下水浅层地热能开采过程中，通常采用稳定流和非稳定流抽水方式，确定含水层的水文地质参数、抽水孔特性曲线和实际涌水量。根据抽水孔特性曲线可推断和计算孔最大涌水量以评价含水层的富水性。也可根据测出的水文地质参数以确定影响半径、降落漏斗的形态及扩展情况。
在注水过程中，细颗粒会随着水流朝水头降低的方向运移。随着水头降低的速率越来越慢，细颗粒的运移会逐渐停止进而堆积。在抽水过程中，地下水位降低，水头也会随之降低，细颗粒会随着水流向着水头降低的方向运移。
在实际的抽注水过程中由于含水层中细颗粒的运移会导致抽水管道堵塞或抽水孔周围发生塌陷等问题，因此需要研究抽注水而造成的含水层细颗粒运移规律。
发明内容
为了观测含水层在抽注水过程中细颗粒的运移过程，本发明的实施例提供了一种模拟含水层抽注水过程中细颗粒运移示踪试验装置。
本发明的实施例提供一种模拟含水层抽注水过程中细颗粒运移示踪试验装置，包括：
模拟含水层单元，所述模拟含水层单元包括试样槽、第一水箱和第二水箱，所述试样槽内填充满未染色砾石，所述试样槽的两侧壁外侧分别连接第一进水槽和第二进水槽，且这两侧壁上布满滤水孔，这两侧壁之间设有多个间隔设置的分隔滤网，所述试样槽被所有分隔滤网间隔形成多个试样段，每一所述试样段内放入一种染色石英砂，所述染色石英砂的粒径小于所述分隔滤网的孔径，所述未染色砾石的孔径大于所述分隔滤网的孔径，所述第一进水槽和所述第二进水槽内填充满透水石，所述第一进水槽和所述第一进水箱之间用第一导管连接，所述第一导管上设有第一止水阀，所述第二进水槽和所述第二水箱之间用第二导管连接，所述第二导管上设有第二止水阀，所述第一水箱和所述第二水箱底部均设有可移动底座；
抽水单元，所述抽水单元包括抽水泵和第三导管，所述第三导管一端连接所述抽水泵，另一端连接所述试样槽中部，所述第三导管上设有抽水井过滤器和第三止水阀；
注水单元，所述注水单元包括供水箱和第四导管，所述第四导管一端连接所述供水箱，另一端连接所述试样槽中部，所述第四导管上设有注水泵和第四止水阀；
观测与测量单元，所述观测与测量单元包括高速摄像机和多个压力计，所述高速摄像机用于拍摄所述染色石英砂的运动轨迹，所有压力计设置于所述试样槽上且沿着竖直方向间隔设置。
进一步地，所述分隔滤网的数量为六个，位于中间的两所述分隔滤网之间不填充未染色砾石，为抽注段，该抽注段分别连接所述第三导管和所述第四导管。
进一步地，其余所有分隔滤网间隔形成的六所述试样段，分别为关于所述抽注段对称的两第一试样段、两第二试样段和两第三试样段，对称的两所述试样段填充的染色石英砂颜色相同，且所述抽注段两侧沿着远离所述抽注段方向所述试样段的长度依次增大，长度不同的试样段填充的染色石英砂颜色不同。
进一步地，所述抽注段的长度为d，所述第一试样段的长度为3d，所述第二试样段的长度为5d，所述第三试样段的长度为7d，其中d为基础长度。
进一步地，所述试样槽为透明玻璃槽，其为上端开口的矩形槽体，且设有试样槽上盖，所述试样槽上盖密封所述试样槽。
进一步地，所述抽水井过滤器为花管，所述抽水井过滤器置于所述试样槽内中部。
进一步地，所述试样槽的中部设有第五导管，所述试样槽通过所述第五导管分别连接所述第三导管和第四导管。
进一步地，所述抽水单元包括集水槽，所述集水槽通过第六导管连接所述抽水泵。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
(1)可模拟地下含水层的地下水的流动情况，通过控制两侧的第一水箱和第二水箱的水位高度来调整该含水层的水头，并可不断变化水头以进行多组试验；
(2)将不同试样段内的不同颜色的细颗粒(染色石英砂)，与未染色的粗颗粒(未染色砾石)混合，可得不同颜色的多组混合物试样，分别放置在不同的试样段内，可观测在抽注水过程中不同位置细颗粒(染色石英砂)的运行轨迹；
(3)沿试样槽不同高度、不同水平位置设置压力计，可观察抽注水过程中各处水压力的变化情况，以此推断各处水头的变化情况；
(4)采用高速摄像机对细颗粒(染色石英砂)的运移过程进行全程拍摄，可分别记录抽水过程和注水过程中，细颗粒不同的运移情况。
附图说明
图1是本发明一种模拟含水层抽注水过程中细颗粒运移示踪试验装置的示意图；
图2是图1中试样槽14的俯视图；
图3是图1中试样槽14的左视图。
图中：1-第一水箱、2-可移动底座、3-试验台、4-第一导管、5-第一止水阀、6-螺母、7-第一进水槽、8-透水石、9-试样槽侧壁、10-进水槽上盖、11-试样槽上盖、12-分隔滤网、13-染色石英砂、14-试样槽、15-未染色砾石、16-抽水井过滤器、17-第三导管、18-第五导管、19-第三止水阀、20-抽水泵、21-第六导管、22-集水槽、23-抽注段、24-第二进水槽、25-第一试样段、26-第二试样段、27-第三试样段、28-第二止水阀、29-第二导管、30-第二水箱、31-供水箱、32-第四导管、33-压力计、34-第四止水阀、35-注水泵。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种模拟含水层抽注水过程中细颗粒运移示踪试验装置，包括模拟含水层单元、抽水单元、注水单元和观测与测量单元四部分。
所述模拟含水层单元包括试样槽14、第一水箱1和第二水箱30。所述试样槽14为透明玻璃槽，所述试样槽14为上端开口的矩形槽体，且设有试样槽上盖11，所述试样槽上盖11盖于所述试样槽14的上端口并密封所述试样槽14。所述试样槽14内填充满未染色砾石15。所述试样槽14的相对两侧壁9上布满滤水孔，所述滤水孔仅能滤过水，阻挡所述试样槽14内的所有颗粒流出。所述试样槽14的这两侧壁9之间设有多个间隔设置的分隔滤网12，每一所述分隔滤网12的边缘固定连接所述试样槽14的内壁，这样所述试样槽14被所有分隔滤网12间隔形成多个试样段，每一所述试样段内放入一种染色石英砂13。所述染色石英砂13的粒径小于所述分隔滤网12的孔径，所述未染色砾石15的孔径大于所述分隔滤网12的孔径。这里可忽略分隔滤网12对染色石英砂13阻挡作用，所述染色石英砂13可在水流作用下轻松穿过分隔滤网12。
请参考图2，具体的，本实施例中，所述分隔滤网12的数量为六个，位于中间的两所述分隔滤网12之间不填充未染色砾石，为抽注段23，其余所有分隔滤网12间隔形成的六所述试样段，分别为关于所述抽注段23对称的两第一试样段25、两第二试样段26和两第三试样段17，对称的两所述试样段填充的染色石英砂13颜色相同，且所述抽注段23两侧沿着远离所述抽注段23方向所述试样段的长度依次增大，长度不同的试样段填充的染色石英砂13颜色不同。即两所述第一试样段25填充相同颜色的染色石英砂13，两所述第二试样段26填充相同颜色的染色石英砂13，两所述第三试样段27填充相同颜色的染色石英砂13，而所述第一试样段25、所述第二试样段26和所述第三试样段27分别填充不同颜色的染色石英砂13。
本实施例中，所述抽注段23的长度为d，所述第一试样段25的长度为3d，所述第二试样段26的长度为5d，所述第三试样段27的长度为7d，其中d为基础长度，d根据实际试样槽14的规格确定。
所述试样槽14的布满滤水孔的两侧壁9外侧分别连接第一进水槽7和第二进水槽24，所述第一进水槽7为矩形，且侧面和上端均开口，其侧面开口连接所述试样槽14的一侧壁9，所述第一进水槽7的上端开口处设有进水槽上盖10，所述进水槽上,10盖于所述第一进水槽7上端口并密封所述第一进水槽7。所述第一进水槽7与所述试样槽14平齐设置。所述第二进水槽24与所述第一进水槽7结构相同，且以相同的安装方式设置于所述试样槽14的另一侧壁9上。
所述第一进水槽7和所述第二进水槽24内填充满透水石8，所述第一进水槽7和所述第一进水箱1之间用第一导管4连接，所述第一导管4上设有第一止水阀5，这里所述第一进水槽7上设有螺纹孔，所述第一导管4一端与该螺纹孔螺纹连接并用螺母6固定，从而接入所述第一进水槽7内。所述第二进水槽24和所述第二水箱30之间用第二导管29连接，所述第二导管29上设有第二止水阀28，所述第二导管29与所述第二进水槽24以同样的螺纹连接方式连接。所述第一水箱1和所述第二水箱30底部均设有可移动底座2，可通过移动所述可移动底座2来调节所述试样槽14两侧的第一水箱1和第二水箱30的水位高度，来调整该含水层的水头。
所述抽水单元包括抽水泵20和第三导管17，所述第三导管17一端连接所述抽水泵20，另一端连接所述试样槽14中部，所述第三导管17上设有抽水井过滤器16和第三止水阀19，具体的，所述抽水井过滤器16为花管，所述抽水井过滤器16置于所述试样槽14内中部，位于所述抽注段23内，该抽水井过滤器16下端固定于所述试样槽14的槽底。所述试样槽上盖11位于所述抽注段23设有螺纹孔，该螺纹孔与第五导管18螺纹连接且连接处设有螺母6，所述第五导管18下端贯穿所述试样槽上盖11并连接所述抽水井过滤器16上端，所述第五导管18上端连接所述第三导管17一端，使所述第三导管17与所述试样槽14中部的抽注段23连通。
所述抽水单元还包括集水槽22，所述集水槽22通过第六导管21连接所述抽水泵20，所述集水槽22为无上盖的玻璃槽，用于盛放所述抽水泵20抽出的所述试样槽14内模拟含水层中的水。
所述注水单元包括供水箱31和第四导管32，所述第四导管32一端连接所述供水箱31，另一端连接所述试样槽14中部，具体连接所述第五导管18的上端，所述第四导管32上设有注水泵35和第四止水阀34。
请参考图3，所述观测与测量单元包括高速摄像机和多个压力计33，所述高速摄像机用于拍摄所述染色石英砂13的运动轨迹，所有压力计33设置于所述试样槽14上且沿着竖直方向间隔设置。所述高速摄像机可放置在所述试样槽14的上方，可更直观记录所述染色石英砂13的运移轨迹情况。在所述试样槽14前壁开设若干竖直排列的安装孔，所述压力计33插入试样槽14前壁上的安装孔内安装固定。
上述模拟含水层抽注水过程中细颗粒运移示踪试验装置的试验方法为：
S1将所述试样槽14置于水平面上；
S2将所述第一水箱1和所述第二水箱30中充入相同的水(水箱中的最低液面高度应高于模拟含水层内的最高液面高度)，试验开始前保持两水箱内的液面高度一致，然后分别通过可移动底座2移动所述第一水箱1和所述第二水箱30到某一设定高度，然后将所述第一水箱1和所述第二水箱30置于试验台3上固定不动，打开所述第一止水阀5和所述第二止水阀28，使所述第一水箱1和所述第二水箱30中的水充分流入试样槽14中直至使试样槽14中的含水层处于饱水状态；
S3当所述试样槽14中的含水层处于饱水状态时，关闭所述第一止水阀5和所述第二止水阀28，打开所述第三止水阀19和所述抽水泵20，抽出所述试样槽14内的水，将抽出的水通过所述第五导管18、所述第三导管17和第六导管21通入所述集水槽22中。使用高速摄像机拍摄抽水开始至抽水过程结束后的整个过程中染色石英砂13的运动轨迹，并可在某一固定时间间隔记录各压力计在抽水过程中的读数；
S4关闭第三止水阀19和所述抽水泵20，打开第四止水阀34和所述注水泵35，对所述试样槽14内的含水层进行注水直至达到含水层达到饱水状态。使用所述高速摄像机拍摄从注水开始直至含水层处于饱水状态整个过程中，不同试样段内染色石英砂13的运行轨迹，并可在某一固定时间间隔记录各压力计33在注水过程中的读数。
S5调节所述第一水箱1和所述第二水箱30的高度或水箱中液面的高度，达到改变含水层水头的作用，重复以上步骤，可以进行多组试验，最终得到多组压力计33的读数和多组染色石英砂13运移轨迹影像。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (8)
1.一种模拟含水层抽注水过程中细颗粒运移示踪试验装置，其特征在于，包括：
模拟含水层单元，所述模拟含水层单元包括试样槽、第一水箱和第二水箱，所述试样槽内填充满未染色砾石，所述试样槽的两侧壁外侧分别连接第一进水槽和第二进水槽，且这两侧壁上布满滤水孔，这两侧壁之间设有多个间隔设置的分隔滤网，所述试样槽被所有分隔滤网间隔形成多个试样段，每一所述试样段内放入一种染色石英砂，所述染色石英砂的粒径小于所述分隔滤网的孔径，所述未染色砾石的孔径大于所述分隔滤网的孔径，所述第一进水槽和所述第二进水槽内填充满透水石，所述第一进水槽和所述第一进水箱之间用第一导管连接，所述第一导管上设有第一止水阀，所述第二进水槽和所述第二水箱之间用第二导管连接，所述第二导管上设有第二止水阀，所述第一水箱和所述第二水箱底部均设有可移动底座；
抽水单元，所述抽水单元包括抽水泵和第三导管，所述第三导管一端连接所述抽水泵，另一端连接所述试样槽中部，所述第三导管上设有抽水井过滤器和第三止水阀；
注水单元，所述注水单元包括供水箱和第四导管，所述第四导管一端连接所述供水箱，另一端连接所述试样槽中部，所述第四导管上设有注水泵和第四止水阀；
观测与测量单元，所述观测与测量单元包括高速摄像机和多个压力计，所述高速摄像机用于拍摄所述染色石英砂的运动轨迹，所有压力计设置于所述试样槽上且沿着竖直方向间隔设置。
2.如权利要求1所述的一种模拟含水层抽注水过程中细颗粒运移示踪试验装置，其特征在于：所述分隔滤网的数量为六个，位于中间的两所述分隔滤网之间不填充未染色砾石，为抽注段，该抽注段分别连接所述第三导管和所述第四导管。
3.如权利要求2所述的一种模拟含水层抽注水过程中细颗粒运移示踪试验装置，其特征在于：其余所有分隔滤网间隔形成的六所述试样段，分别为关于所述抽注段对称的两第一试样段、两第二试样段和两第三试样段，对称的两所述试样段填充的染色石英砂颜色相同，且所述抽注段两侧沿着远离所述抽注段方向所述试样段的长度依次增大，长度不同的试样段填充的染色石英砂颜色不同。
4.如权利要求3所述的一种模拟含水层抽注水过程中细颗粒运移示踪试验装置，其特征在于：所述抽注段的长度为d，所述第一试样段的长度为3d，所述第二试样段的长度为5d，所述第三试样段的长度为7d，其中d为基础长度。
5.如权利要求1所述的一种模拟含水层抽注水过程中细颗粒运移示踪试验装置，其特征在于：所述试样槽为透明玻璃槽，其为上端开口的矩形槽体，且设有试样槽上盖，所述试样槽上盖密封所述试样槽。
6.如权利要求1所述的一种模拟含水层抽注水过程中细颗粒运移示踪试验装置，其特征在于：所述抽水井过滤器为花管，所述抽水井过滤器置于所述试样槽内中部。
7.如权利要求1所述的一种模拟含水层抽注水过程中细颗粒运移示踪试验装置，其特征在于：所述试样槽的中部设有第五导管，所述试样槽通过所述第五导管分别连接所述第三导管和第四导管。
8.如权利要求1所述的一种模拟含水层抽注水过程中细颗粒运移示踪试验装置，其特征在于：所述抽水单元包括集水槽，所述集水槽通过第六导管连接所述抽水泵。
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