CN111175216A - 一种基岩裂隙-岩溶管道双重介质水流交换试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基岩裂隙‑岩溶管道双重介质水流交换试验装置，包括主体模型，主体模型内设置有数据采集组件；主体模型包括模型箱体，模型箱体内设置有第一岩溶管道、第二岩溶管道，第一岩溶管道、第二岩溶管道侧面均设置有第一水流交换孔，第一岩溶管道的两端穿出模型箱体侧壁后分别与第一定水头水箱、第一出口承压水箱相连通，第二岩溶管道的两端穿出模型箱体侧壁后分别与第二定水头水箱、第二出口承压水箱相连通；模型箱体内设置有若干个基岩裂隙模拟介质，相邻基岩裂隙模拟介质之间设置有裂缝间隙；数据采集组件包括水位采集器、流量采集器，水位采集器设置在模型箱体内，流量采集器设置在第一岩溶管道、第二岩溶管道上。
Description
技术领域
本发明涉及岩溶系统研究领域，尤其涉及一种基岩裂隙-岩溶管道双重介质水流交换试验装置。
背景技术
西南地区受岩溶发育的影响，地下形成分布不均匀的岩溶多重介质(孔、隙、缝、管、洞)为主的地下水贮存和运动空间，管道、中宽裂隙和基岩孔隙介质并存，明流暗流交替循环，层流紊流相互转化，岩溶含水系统的强非均质性和复杂的流动状态给岩溶水资源的勘探和评价带了很大的困难。地下水在岩溶含水介质运移过程中，在不同空间、不同时间具有不同的水流特征。经过实际应用，“岩溶基岩裂隙水可概化而符合达西流”已得到国内外众多学者的认可，但岩溶管道水流系统，则与达西流条件相差甚远，在岩溶含水介质组合多样性条件下它具有多种复杂特性。
传统的等效多孔介质模型一般基于达西流假设，而在紊流区和过渡区(岩溶管道介质)不符合达西流的假设条件，造成水资源评价的困难。目前，大部分室内物理模型均是对基岩裂隙渗流或岩溶管道介质分开独立进行的，然而在实际岩溶含水介质体中，基岩裂隙和岩溶管道流是普遍存在且相互转换的，并且没有考虑基岩的储水性能，因此，通过现有物理模型进行模拟观测得到的岩溶系统规律准确性较低，现在市面上结合基岩裂隙和管道水流交换的试验研究较少，有必要研究一种将两者进行有效结合的试验装置来解决该问题。
发明内容
本发明目的是针对上述问题，提供一种结合基岩裂隙和管道水流交换的基岩裂隙-岩溶管道双重介质水流交换试验装置。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基岩裂隙-岩溶管道双重介质水流交换试验装置，包括主体模型，主体模型内设置有数据采集组件；所述主体模型包括模型箱体、第一定水头水箱、第二定水头水箱、第一出口承压水箱、第二出口承压水箱；所述模型箱体内设置有横向贯穿模型箱体的第一岩溶管道、第二岩溶管道，第二岩溶管道设置在第一岩溶管道上方，第一岩溶管道、第二岩溶管道侧面均设置有第一水流交换孔，第一岩溶管道的两端穿出模型箱体侧壁后分别与第一定水头水箱、第一出口承压水箱相连通，第二岩溶管道的两端穿出模型箱体侧壁后分别与第二定水头水箱、第二出口承压水箱相连通；模型箱体内设置有若干个基岩裂隙模拟介质，相邻基岩裂隙模拟介质之间设置有裂缝间隙；所述数据采集组件包括水位采集器、流量采集器，水位采集器设置在模型箱体内，流量采集器设置在第一岩溶管道、第二岩溶管道上。
进一步的，所述基岩裂隙模拟介质包括介质箱体、玻璃珠，介质箱体为亚克力玻璃板制成的空心正方体，介质箱体侧面均匀设置有若干个第二水流交换孔，介质箱体内填充有若干个玻璃珠，玻璃珠的直径大于第二水流交换孔的孔径。
进一步的，所述介质箱体的边长为100mm，第二水流交换孔的孔径为2mm，玻璃珠的直径为4.5mm。
进一步的，所述流量采集器有四个，其中两个流量采集器设置在模型箱体左端与第一定水头水箱之间以及模型箱体右端与第一出口承压水箱之间的第一岩溶管道上，另外两个流量采集器设置在模型箱体左端与第二定水头水箱之间以及模型箱体右端与第二出口承压水箱之间的第二岩溶管道上。
进一步的，所述水位采集器为SLDE型电磁流量计。
进一步的，所述第一定水头水箱与模型箱体左端之间的第一岩溶管道上、第二定水头水箱与模型箱体左端之间的第二岩溶管道上、第一出口承压水箱与模型箱体右端之间的第一岩溶管道上、第二出口承压水箱与模型箱体右端之间的第二岩溶管道上均设置有控水阀。
进一步的，所述第一定水头水箱、第二定水头水箱内均设置有溢流板，溢流板底端与第一定水头水箱、第二定水头水箱内部底面密封连接，溢流板前后两端均与第一定水头水箱、第二定水头水箱内部前后侧面密封连接，溢流板顶端高度低于第一定水头水箱、第二定水头水箱的高度，第一定水头水箱、第二定水头水箱底端设置有流水口且通过流水口与第一岩溶管道、第二岩溶管道相连通，流水口位于溢流板左侧，流水口上方设置有进水水源，第一定水头水箱、第二定水头水箱侧面设置有排水口，排水口位于溢流板右侧。
进一步的，所述水位采集器为CGYL-204型平膜压力变送器。
进一步的，所述第一岩溶管道的直径为20mm；第二岩溶管道的直径为30mm；所述设置在第一岩溶管道、第二岩溶管道侧面的第一水流交换孔有若干个，第一水流交换孔的直径为2mm。
进一步的，所述模型箱体、第一定水头水箱、第二定水头水箱、第一出口承压水箱、第二出口承压水箱均采用亚克力玻璃板制成；所述模型箱体的长度为1000mm，宽度为500mm，高度为400mm。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
本发明可以研究不同水流状态下，基岩裂隙和岩溶管道水动力特征以及定量研究不同介质间水流交换规律；并且提出将岩溶管道嵌入基岩裂隙中，管道布满第一水流交换孔，使物理模型存在水流交换。另一方面，其可以设计多组室内裂隙-管道介质试验，通过曲线回归分析水流交换量和介质间水头差的关系，解决岩溶裂隙-管道介质间水流交换机理和数值算法问题，并且可用于研究岩溶地下水层流、紊流相互转化规律，探索岩溶多重含水系统水资源评价方法，给岩溶地下水的研究做出了一定的贡献。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为模型箱体的俯视结构图；
图3为图2的A-A剖视图；
图4为第一组试验设计概念模型示意图；
图5为第二组试验设计概念模型示意图；
图6为第三组试验设计概念模型示意图；
图7为第四组试验设计概念模型示意图；
图8为第五组试验设计概念模型示意图；
图9为第六组试验设计概念模型示意图。
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，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。
一、试验装置
为了定量研究岩溶管道与基岩裂隙水流交换规律，分析水头差变化与交换量的关系，构建代表岩溶裂隙-管道水流模拟物理模型。该物理模型包括主体模型，主体模型内设置有数据采集组件。主体模型根据多重岩溶地下河系统水动力物理模型制作的要求，建立模型箱体3，在模型箱体3的基础上，再加上第一定水头水箱14、第二定水头水箱2、第一出口承压水箱5、第二出口承压水箱10等进出水装置(如图1所示)；模型箱体、水箱全部采用亚克力材料制作，亚克力是高质量有机玻璃，具有透明性好，强度高、易加工等特点。根据不同介质间定水头变化，实现对岩溶含水介质的物理模拟，透明性好可直接观测水箱内的水动态变化规律。模型箱体3规格为1000mm*500mm*400mm，在模型箱体3内设置基岩裂隙模拟介质4用于模拟基岩，将基岩裂隙模拟介质4之间的裂缝间隙作为基岩裂隙，基岩裂缝包括水平裂缝301和垂直裂缝302(如图2所示，两竖排基岩裂隙模拟介质4之间的较宽间隙即为垂直裂缝302，基岩裂隙模拟介质4的纵向间隔为水平裂缝301)，垂直裂隙302中设置两层岩溶管道，即第一岩溶管道7、第二岩溶管道9；第二岩溶管道9直径30mm，第一岩溶管道7直径20mm，并均匀布置孔径为2mm的第一水流交换孔8；其中基岩裂隙模拟介质4包括介质箱体401，介质箱体401由6面100mm*100mm*100mm的亚克力玻璃板构成空心正方体，6面均匀布置孔径为2mm的第二水流交换孔402，中间填充4.5mm直径的玻璃珠403(如图3所示)，岩裂隙模拟介质4的特殊设计使得水流可以进入岩裂隙模拟介质4内部缝隙中，从而使得基岩裂隙模拟介质4具有很好的储水性能，第一水流交换孔8、第二水流交换孔402可以实现第一岩溶管道7、第二岩溶管道9与基岩裂隙模拟介质4之间的水流交换；模型箱体3内部侧面为水位采集器6，用于监测压力变化，岩溶管道进出口设置有流量采集器12和控水阀13。
数据采集组件包括水位采集器和流量采集器，水位采集器使用CGYL-204型平膜压力变送器，其可以自动记录水位变化，时间间隔为1s/次；管道端进口及出口流量使用SLDE型电磁流量计进行直接采集。平膜压力变送器、电磁流量计是采集水位和流量变化的关键部件。平膜压力传感器可以采集到水箱内部适时变化的水位，电磁流量计可以自动记录管道流量变化过程，使得分析岩溶管道裂隙介质水流变化规律成为可能。
CGYL-204型平膜压力变送器采用平面膜直接感受压力信号，并将压力信号直接传给传感器，传感器通过压力信号分析得到水位高度。
第一定水头水箱14、第二定水头水箱2设置有溢流板15和排水口1，水流从进水水源16中落入溢流板15左侧的水箱内，当水位超过溢流板15的高度时，多余的水量就会进入溢流板15右侧并沿着排水口1出流，水箱水位永远保持在一个固定的水平面上，使得出水口11的水压保持恒定，起到了定水头的作用。进水水源之间彼此独立、互不干扰，不管进水水源是否放水都不会影响其它的进水水源，这就能保证电磁流量计测定流量的恒定性。两个定水头装置规格相同，大小为40cm*40cm*40cm，溢流板高30cm，水位高出溢流板自动溢出，保持水位的稳定，当然，定水头水箱以及溢流板可调整为不同高度。
本试验装置可以结合48路模拟信号采集系统，其可以显示曲线和数值设定采集时间，采集频率为1s/次，数据自动保存。本次实验使用通道1-5测量水位信号，通道31-34测量流量信号。
二、试验方案
设计多组室内管道裂隙介质试验(如表1所示)，其中，in1表示入渗(定水头水箱1)，in2表示岩溶落水洞或天窗直接补给岩溶管道(定水头水箱2)，out1表示基岩岩溶泉(出口1)，排泄基岩裂隙水，out2表示岩溶地下河出口(出口2)，排泄岩溶管道水，管道中间布满细密小孔，存在水流交换。通过不断更新调试，成功设计实验六组，研究不同给定水头状态下，基岩裂隙和岩溶管道水动力特征以及定量研究不同介质间水流交换规律。
表1物理模型试验方案
图4至图9表示六组试验设计概念模型，第一组试验表示没有岩溶管道介质，水流入渗至基岩裂隙介质，以岩溶裂隙泉的形式排出；第二组试验管道发育地表以下，水流以裂隙流入渗，通过介质间水流交换，以岩溶管道形式排出；第三组试验地表以下发育岩溶管道，水流入渗至基岩裂隙介质，同时以岩溶裂隙泉和管道形式排出；第四组试验为落水洞集中补给，以管道形式排出；第五组试验为落水洞集中补给，地下发育岩溶管道，但出口坍塌堵塞，地下水以基岩裂隙泉形式排出，存在水流交换；第六组为落水洞集中补给，存在水流交换，同时以岩溶裂隙泉和管道形式排出。
本发明解决了基岩裂隙-岩溶管道介质之间的水流交换机制以及水流交换量与基岩裂隙水头和管道水头之间的关系，为岩溶区水资源评价数值模拟提供技术支撑；并且可用于研究岩溶地下水层流、紊流相互转化规律，探索岩溶多重含水系统水资源评价方法，给岩溶地下水的研究做出了一定的贡献。
Claims (10)
1.一种基岩裂隙-岩溶管道双重介质水流交换试验装置，包括主体模型，主体模型内设置有数据采集组件；其特征在于：所述主体模型包括模型箱体、第一定水头水箱、第二定水头水箱、第一出口承压水箱、第二出口承压水箱；所述模型箱体内设置有横向贯穿模型箱体的第一岩溶管道、第二岩溶管道，第二岩溶管道设置在第一岩溶管道上方，第一岩溶管道、第二岩溶管道侧面均设置有第一水流交换孔，第一岩溶管道的两端穿出模型箱体侧壁后分别与第一定水头水箱、第一出口承压水箱相连通，第二岩溶管道的两端穿出模型箱体侧壁后分别与第二定水头水箱、第二出口承压水箱相连通；模型箱体内设置有若干个基岩裂隙模拟介质，相邻基岩裂隙模拟介质之间设置有裂缝间隙；所述数据采集组件包括水位采集器、流量采集器，水位采集器设置在模型箱体内，流量采集器设置在第一岩溶管道、第二岩溶管道上。
2.如权利要求1所述的基岩裂隙-岩溶管道双重介质水流交换试验装置，其特征在于：所述基岩裂隙模拟介质包括介质箱体、玻璃珠，介质箱体为亚克力玻璃板制成的空心正方体，介质箱体侧面均匀设置有若干个第二水流交换孔，介质箱体内填充有若干个玻璃珠，玻璃珠的直径大于第二水流交换孔的孔径。
3.如权利要求2所述的基岩裂隙-岩溶管道双重介质水流交换试验装置，其特征在于：所述介质箱体的边长为100mm，第二水流交换孔的孔径为2mm，玻璃珠的直径为4.5mm。
4.如权利要求3所述的基岩裂隙-岩溶管道双重介质水流交换试验装置，其特征在于：所述流量采集器有四个，其中两个流量采集器设置在模型箱体左端与第一定水头水箱之间以及模型箱体右端与第一出口承压水箱之间的第一岩溶管道上，另外两个流量采集器设置在模型箱体左端与第二定水头水箱之间以及模型箱体右端与第二出口承压水箱之间的第二岩溶管道上。
5.如权利要求4所述的基岩裂隙-岩溶管道双重介质水流交换试验装置，其特征在于：所述流量采集器为SLDE型电磁流量计。
6.如权利要求5所述的基岩裂隙-岩溶管道双重介质水流交换试验装置，其特征在于：所述第一定水头水箱与模型箱体左端之间的第一岩溶管道上、第二定水头水箱与模型箱体左端之间的第二岩溶管道上、第一出口承压水箱与模型箱体右端之间的第一岩溶管道上、第二出口承压水箱与模型箱体右端之间的第二岩溶管道上均设置有控水阀。
7.如权利要求6所述的基岩裂隙-岩溶管道双重介质水流交换试验装置，其特征在于：所述第一定水头水箱、第二定水头水箱内均设置有溢流板，溢流板底端与第一定水头水箱、第二定水头水箱内部底面密封连接，溢流板前后两端均与第一定水头水箱、第二定水头水箱内部前后侧面密封连接，溢流板顶端高度低于第一定水头水箱、第二定水头水箱的高度，第一定水头水箱、第二定水头水箱底端设置有流水口且通过流水口与第一岩溶管道、第二岩溶管道相连通，流水口位于溢流板左侧，流水口上方设置有进水水源，第一定水头水箱、第二定水头水箱侧面设置有排水口，排水口位于溢流板右侧。
8.如权利要求7所述的基岩裂隙-岩溶管道双重介质水流交换试验装置，其特征在于：所述水位采集器为CGYL-204型平膜压力变送器。
9.如权利要求8所述的基岩裂隙-岩溶管道双重介质水流交换试验装置，其特征在于：所述第一岩溶管道的直径为20mm；第二岩溶管道的直径为30mm；所述设置在第一岩溶管道、第二岩溶管道侧面的第一水流交换孔有若干个，第一水流交换孔的直径为2mm。
10.如权利要求9所述的基岩裂隙-岩溶管道双重介质水流交换试验装置，其特征在于：所述模型箱体、第一定水头水箱、第二定水头水箱、第一出口承压水箱、第二出口承压水箱均采用亚克力玻璃板制成；所述模型箱体的长度为1000mm，宽度为500mm，高度为400mm。
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| CN112986064B (zh) * | 2021-02-04 | 2023-08-25 | 山东大学 | 一种模拟岩溶管道网络涌水封堵实验装置 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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