CN112161898A - 一种模拟岩溶裂隙-管道水流及溶质运移规律的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟岩溶裂隙‑管道水流及溶质运移规律的试验装置，包括机架，所述机架为固定连接的方框结构，在机架的上部设有表层岩溶带入渗箱，在机架的侧边设有压力监测设备，所述表层岩溶带入渗箱为方形箱体结构，表层岩溶带入渗箱的顶部为敞口结构并放置有降雨模拟器，所述表层岩溶带入渗箱内侧底部设置有轴对称的不规则坡面板；及填充覆盖于不规则坡面板顶面的预设岩料层；所述不规则坡面板上对称设置有多条独立裂隙和交叉裂隙；本发明的模拟岩溶裂隙‑管道水流及溶质运移规律的试验装置，普遍性强，能够充分模拟出各个岩溶裂隙‑管道结构真实结构，且实验过程能够进行对称式观测实验，有助于后期实验数据对比整理和分析。

Description

一种模拟岩溶裂隙-管道水流及溶质运移规律的试验装置

技术领域

本发明涉及一种模拟岩溶裂隙-管道水流及溶质运移规律的试验装置，属于水流及溶质运移规律实验设备技术领域。

背景技术

由于岩溶发育的特殊时空变化使岩溶含水介质存在很强的各项异性和非均质性，岩溶区发育的裂隙、管道使岩溶水存在区别于均质孔隙介质中地下水的特征：层流与紊流共生、有压与无压共存、水流运动方向局部与整体不一致、缺乏统一的区域地下水位、分布不均匀等；岩溶区常存在工程性缺水干旱；在各大矿渣、赤泥和粉煤灰堆场，由于岩溶地质环境的脆弱性，堆场荷载增大常引发一系列的连锁反应，如岩溶含水结构无限破坏和持续渗漏污染等；岩溶孔洞的存在常引发岩溶塌陷；岩溶地下空间工程施工和采矿过程也常遭遇突水、突泥等问题。岩溶含水介质以及其水动力特征的不确定性大大增加了治理岩溶地下水工程环境问题的难度；为此，中国专利申请号：201920755851.5，公开了一种模拟岩溶裂隙-管道水流及溶质运移规律的试验装置，它包括机架，机架上部设表层岩溶带入渗箱，机架侧边设压力监测设备，表层岩溶带入渗箱顶部为敞口结构并放置降雨模拟器，表层岩溶带入渗箱底部一侧连接大裂隙板，另一侧连接三块小裂隙板，小裂隙板底端与大裂隙板侧边连接并呈V型结构，大裂隙板和小裂隙板内部设大裂缝和小裂缝，在大裂隙板、小裂隙板侧边和表层岩溶带入渗箱底部均设若干测压管接头，但其采用规则化和平面化对裂隙和管道进行模拟，且无法监测各点溶质浓度，其实验得出的规律与自然界实质结构的水流和溶质运移相差偏大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种模拟岩溶裂隙-管道水流及溶质运移规律的试验装置，普遍性强，能够充分模拟出各个岩溶裂隙-管道结构真实结构，且实验过程能够进行对称式观测实验。

本发明的模拟岩溶裂隙-管道水流及溶质运移规律的试验装置，包括机架，所述机架为固定连接的方框结构，在机架的上部设有表层岩溶带入渗箱，在机架的侧边设有压力监测设备，所述表层岩溶带入渗箱为方形箱体结构，表层岩溶带入渗箱的顶部为敞口结构并放置有降雨模拟器，所述表层岩溶带入渗箱内侧底部轴对称的不规则坡面板，其中，其对称轴设置于不规则坡面板中心，且垂直于地面；及填充覆盖于不规则坡面板顶面的预设岩料层；所述不规则坡面板上对称设置有多条独立裂隙和交叉裂隙；所述不规则坡面板于中心线一侧设置管道；所述管道顶面分别与不规则坡面板其最高峰顶、最低峰谷和平滑过渡段顶面平齐；所述独立裂隙和交叉裂隙下端，及管道下端安装导电率传感器和渗压传感器模组；所述独立裂隙、交叉裂隙和管道底部分别连接到外排管；所述外排管外端部设置有流量计、压力计和取样管；所述表层岩溶带入渗箱顶面嵌有一表面流道模拟器；所述表面流道模拟器外部埋入预设岩料层其覆面层内侧，且其顶面凸出预设岩料层，且其表面设置有多道裂隙；所述预设岩料层其每一料层内侧预埋有湿度计；所述降雨模拟器通过管道连接到均压泵；所述均压泵连接到供水箱；所述供水箱内侧设置有导电率传感器；所述表面流道模拟器通过提液泵与供水箱循环连接, 不规则坡面板其裂隙模拟岩石裂隙，而其上部的预设岩料层其层料模拟可溶性岩石料；通过可溶性岩石料进入到不规则坡面板其裂隙和管道内，形成岩溶渗透过程；其中，预设岩料层和不规则坡面板其裂隙组成岩溶裂隙，管道和不规则坡面板组成岩溶管道，从而完成岩溶其流动模拟和溶质运移模拟。

进一步地，所述表面流道模拟器包括倾斜或水平设置的流渠；所述流渠一端连接有提液泵，另一端连接到供水箱。

进一步地，所述降雨模拟器包括盘管，所述盘管底面间隔设置有模拟雨水喷头。

进一步地，至少一所述独立裂隙与管道交叉。

进一步地，至少一所述管道顶面与预设岩料层平齐，且底面连接到外排管。

进一步地，所述表层岩溶带入渗箱包括定湿度渗透、环境模拟渗透和饱和渗透；

所述定湿度渗透包括模拟预设岩料层湿度进行实验，当湿度计检测各层湿度达到实验要求时，进行渗透实验，未达到要求通过喷淋渗透或等待蒸发达到调整湿度阈值段内，其阈值段可模拟大自然天气进行实验；使岩料层与现实环境湿度相匹配；

所述环境模拟渗透包括雨水模拟，自然流道渗透模拟，及雨水和自然流道一体模拟，所述雨水模拟具体为：通过调整均压泵压力值，从而完成降雨模拟器喷淋雨水强度和雨量；所述自然流道渗透模拟具体为：通过提掖泵将供水箱内的液体循环抽送至流渠，利用流渠上的裂隙将液体送至预设岩料层进行渗透；所述雨水和自然流道一体模拟为雨水模拟和自然流道两组供液系统同步动作。

进一步地，所述裂隙和管道其水流检测如下：

在表层岩溶各个渗透条件下，分别通过渗压传感器模组获取不规则坡面板其独立裂隙和交叉裂隙的渗压，从而获取整个不规则坡面板其各个裂隙的水流数据，同时，通过渗压传感器模组获取整个不规则坡面板其不同位置的管道的渗压，从而获取整个不规则坡面板其各个管道的水流数据，另外，通过渗压传感器模组还完成不规则坡面板其管道和裂隙交叉的水流数据；由于不规则坡面板采用对称设置，且在同等实验条件下，分别得到有管道的不规则坡面板其裂隙水流数据和没有管道的不规则坡面板其裂隙水流数据；且由于各个裂隙对称设置，其裂隙水流数据包括各个位置裂隙数据、交叉裂隙数据、是否有管道裂隙数据和管道各个位置裂隙数据；通过对同组数据按照水流大小进行排列；

进一步地，所述裂隙和管道其溶质运移检测如下：

在表层岩溶各个渗透条件下，分别通过导电率传感器获取不规则坡面板其独立裂隙和交叉裂隙的导电率，从而获取整个不规则坡面板其各个裂隙的溶质运移数据，同时，通过导电率传感器获取整个不规则坡面板其不同位置的管道的导电率，从而获取整个不规则坡面板其各个管道的溶质运移数据，另外，通过导电率传感器还完成不规则坡面板其管道和裂隙交叉的溶质运移数据；由于不规则坡面板采用对称设置，且在同等实验条件下，分别得到有管道的不规则坡面板其裂隙溶质运移数据和没有管道的不规则坡面板其裂隙溶质运移数据；且由于各个裂隙对称设置，其裂隙水流数据包括各个位置裂隙溶质运移数据、交叉裂隙溶质运移数据、是否有管道裂隙溶质运移数据和管道各个位置裂隙溶质运移数据；通过对同组数据按照水流大小进行排列；各个导电率传感器其标准参照对比数据为设置于供水箱内侧设置有导电率传感器采集的数据。

进一步地，所述裂隙和管道其总水流和溶质运移检测如下：

所述总水流检测如下：

在表层岩溶各个渗透条件下，分别获取从喷淋系统开始喷淋到外排管有水排出的间隔时间，及喷淋系统停止喷淋到外排管无水排出的间隔时间；及预设岩料层含水量检测，预设岩料层含水量=喷淋水总量-外排水总量-外排溶质量；从而判断水流流速即溶质流速和预设岩料层保水量；其检测包括有管道侧和无管道侧检测；

所述溶质运移检测为：分别收集两外排管排出的液体，并通过化学分析来计算其浓度；从而获取溶质运移总量。

本发明与现有技术相比较，本发明的模拟岩溶裂隙-管道水流及溶质运移规律的试验装置，普遍性强，能够充分模拟出各个岩溶裂隙-管道结构真实结构，且实验过程能够进行对称式观测实验，有助于后期实验数据对比整理和分析。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的表面流道模拟器端部结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示的模拟岩溶裂隙-管道水流及溶质运移规律的试验装置，包括机架1，所述机架1为固定连接的方框结构，在机架1的上部设有表层岩溶带入渗箱2，在机架1的侧边设有压力监测设备3，所述表层岩溶带入渗箱2为方形箱体结构，表层岩溶带入渗箱2的顶部为敞口结构并放置有降雨模拟器16，所述表层岩溶带入渗箱2内侧底部设置有轴对称的不规则坡面板4；及填充覆盖于不规则坡面板顶面的预设岩料层5；所述不规则坡面板4上对称设置有多条独立裂隙6和交叉裂隙7；所述不规则坡面板4于中心线一侧设置管道8；所述管道8顶面分别与不规则坡面板4其最高峰顶、最低峰谷和平滑过渡段顶面平齐；所述独立裂隙6和交叉裂隙7下端，及管道8下端安装导电率传感器和渗压传感器模组9；所述独立裂隙6、交叉裂隙7和管道8底部分别连接到外排管10；所述外排管10外端部设置有流量计11、压力计12和取样管13；所述表层岩溶带入渗箱2顶面嵌有一表面流道模拟器14；所述表面流道模拟器14外部埋入预设岩料层5内侧，且其顶面凸出预设岩料层5，且其表面设置有多道裂隙；所述预设岩料层5其每一料层内侧预埋有湿度计15；所述降雨模拟器16通过管道连接到均压泵17；所述均压泵17连接到供水箱18；所述供水箱18内侧设置有导电率传感器19；所述表面流道模拟器14通过提液泵20与供水箱18循环连接。

其中，所述表面流道模拟器14包括倾斜或水平设置的流渠；所述流渠一端连接有提液泵20，另一端连接到供水箱18。所述降雨模拟器16包括盘管161，所述盘管161底面间隔设置有模拟雨水喷头162。至少一所述独立裂隙6与管道交叉。至少一所述管道8顶面与预设岩料层5平齐，且底面连接到外排管10。

其中，所述表层岩溶带入渗箱包括定湿度渗透、环境模拟渗透和饱和渗透；

所述定湿度渗透包括模拟预设岩料层湿度进行实验，当湿度计检测各层湿度达到实验要求时，进行渗透实验，未达到要求通过喷淋渗透或等待蒸发达到调整湿度阈值段内，其阈值段可模拟大自然天气进行实验；使岩料层与现实环境湿度相匹配；

所述环境模拟渗透包括雨水模拟，自然流道渗透模拟，及雨水和自然流道一体模拟，所述雨水模拟具体为：通过调整均压泵压力值，从而完成降雨模拟器喷淋雨水强度和雨量；所述自然流道渗透模拟具体为：通过提掖泵将供水箱内的液体循环抽送至流渠，利用流渠上的裂隙将液体送至预设岩料层进行渗透；所述雨水和自然流道一体模拟为雨水模拟和自然流道两组供液系统同步动作。

其中，所述裂隙和管道其水流检测如下：

在表层岩溶各个渗透条件下，分别通过渗压传感器模组获取不规则坡面板其独立裂隙和交叉裂隙的渗压，从而获取整个不规则坡面板其各个裂隙的水流数据，同时，通过渗压传感器模组获取整个不规则坡面板其不同位置的管道的渗压，从而获取整个不规则坡面板其各个管道的水流数据，另外，通过渗压传感器模组还完成不规则坡面板其管道和裂隙交叉的水流数据；由于不规则坡面板采用对称设置，且在同等实验条件下，分别得到有管道的不规则坡面板其裂隙水流数据和没有管道的不规则坡面板其裂隙水流数据；且由于各个裂隙对称设置，其裂隙水流数据包括各个位置裂隙数据、交叉裂隙数据、是否有管道裂隙数据和管道各个位置裂隙数据；通过对同组数据按照水流大小进行排列；

其中，所述裂隙和管道其溶质运移检测如下：

在表层岩溶各个渗透条件下，分别通过导电率传感器获取不规则坡面板其独立裂隙和交叉裂隙的导电率，从而获取整个不规则坡面板其各个裂隙的溶质运移数据，同时，通过导电率传感器获取整个不规则坡面板其不同位置的管道的导电率，从而获取整个不规则坡面板其各个管道的溶质运移数据，另外，通过导电率传感器还完成不规则坡面板其管道和裂隙交叉的溶质运移数据；由于不规则坡面板采用对称设置，且在同等实验条件下，分别得到有管道的不规则坡面板其裂隙溶质运移数据和没有管道的不规则坡面板其裂隙溶质运移数据；且由于各个裂隙对称设置，其裂隙水流数据包括各个位置裂隙溶质运移数据、交叉裂隙溶质运移数据、是否有管道裂隙溶质运移数据和管道各个位置裂隙溶质运移数据；通过对同组数据按照水流大小进行排列；各个导电率传感器其标准参照对比数据为设置于供水箱内侧设置有导电率传感器采集的数据。

其中，所述裂隙和管道其总水流和溶质运移检测如下：

所述总水流检测如下：

在表层岩溶各个渗透条件下，分别获取从喷淋系统开始喷淋到外排管有水排出的间隔时间，及喷淋系统停止喷淋到外排管无水排出的间隔时间；及预设岩料层含水量检测，预设岩料层含水量=喷淋水总量-外排水总量-外排溶质量；从而判断水流流速即溶质流速和预设岩料层保水量；其检测包括有管道侧和无管道侧检测；所述溶质运移检测为：分别收集两外排管排出的液体，并通过化学分析来计算其浓度；从而获取溶质运移总量。

上述实施例，仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (9)

1.一种模拟岩溶裂隙-管道水流及溶质运移规律的试验装置，包括机架，所述机架为固定连接的方框结构，在机架的上部设有表层岩溶带入渗箱，在机架的侧边设有压力监测设备，所述表层岩溶带入渗箱为方形箱体结构，表层岩溶带入渗箱的顶部为敞口结构并放置有降雨模拟器，其特征在于：所述表层岩溶带入渗箱内侧底部设置有轴对称的不规则坡面板；及填充覆盖于不规则坡面板顶面的预设岩料层；所述不规则坡面板上对称设置有多条独立裂隙和交叉裂隙；所述不规则坡面板于中心线一侧设置管道；所述管道顶面分别与不规则坡面板其最高峰顶、最低峰谷和平滑过渡段顶面平齐；所述独立裂隙和交叉裂隙下端，及管道下端安装导电率传感器和渗压传感器模组；所述独立裂隙、交叉裂隙和管道底部分别连接到外排管；所述外排管外端部设置有流量计、压力计和取样管；所述表层岩溶带入渗箱顶面嵌有一表面流道模拟器；所述表面流道模拟器外部埋入预设岩料层其覆面层内侧，且其顶面凸出预设岩料层，且其表面设置有多道裂隙；所述预设岩料层其每一料层内侧预埋有湿度计；所述降雨模拟器通过管道连接到均压泵；所述均压泵连接到供水箱；所述供水箱内侧设置有导电率传感器；所述表面流道模拟器通过提液泵与供水箱循环连接。

2.根据权利要求1所述的模拟岩溶裂隙-管道水流及溶质运移规律的试验装置，其特征在于：所述表面流道模拟器包括倾斜或水平设置的流渠；所述流渠一端连接有提液泵，另一端连接到供水箱。

3.根据权利要求1所述的模拟岩溶裂隙-管道水流及溶质运移规律的试验装置，其特征在于：所述降雨模拟器包括盘管，所述盘管底面间隔设置有模拟雨水喷头。

4.根据权利要求1所述的模拟岩溶裂隙-管道水流及溶质运移规律的试验装置，其特征在于：至少一所述独立裂隙与管道交叉。

5.根据权利要求1所述的模拟岩溶裂隙-管道水流及溶质运移规律的试验装置，其特征在于：至少一所述管道顶面与预设岩料层平齐，且底面连接到外排管。

6.根据权利要求1所述的模拟岩溶裂隙-管道水流及溶质运移规律的试验装置，其特征在于：所述表层岩溶带入渗箱包括定湿度渗透、环境模拟渗透和饱和渗透；

所述定湿度渗透包括模拟预设岩料层湿度进行实验，当湿度计检测各层湿度达到实验要求时，进行渗透实验，未达到要求通过喷淋渗透或等待蒸发达到调整湿度阈值段内，其阈值段可模拟大自然天气进行实验；使岩料层与现实环境湿度相匹配；

所述环境模拟渗透包括雨水模拟，自然流道渗透模拟，及雨水和自然流道一体模拟，所述雨水模拟具体为：通过调整均压泵压力值，从而完成降雨模拟器喷淋雨水强度和雨量；所述自然流道渗透模拟具体为：通过提掖泵将供水箱内的液体循环抽送至流渠，利用流渠上的裂隙将液体送至预设岩料层进行渗透；所述雨水和自然流道一体模拟为上述两组供液系统同步动作。

7.根据权利要求1所述的模拟岩溶裂隙-管道水流及溶质运移规律的试验装置，其特征在于：所述裂隙和管道其水流检测如下：

在表层岩溶各个渗透条件下，分别通过渗压传感器模组获取不规则坡面板其独立裂隙和交叉裂隙的渗压，从而获取整个不规则坡面板其各个裂隙的水流数据，同时，通过渗压传感器模组获取整个不规则坡面板其不同位置的管道的渗压，从而获取整个不规则坡面板其各个管道的水流数据，另外，通过渗压传感器模组还完成不规则坡面板其管道和裂隙交叉的水流数据；由于不规则坡面板采用对称设置，且在同等实验条件下，分别得到有管道的不规则坡面板其裂隙水流数据和没有管道的不规则坡面板其裂隙水流数据；且由于各个裂隙对称设置，其裂隙水流数据包括各个位置裂隙数据、交叉裂隙数据、是否有管道裂隙数据和管道各个位置裂隙数据；通过对同组数据按照水流大小进行排列。

8.根据权利要求1所述的模拟岩溶裂隙-管道水流及溶质运移规律的试验装置，其特征在于：所述裂隙和管道其溶质运移检测如下：

在表层岩溶各个渗透条件下，分别通过导电率传感器获取不规则坡面板其独立裂隙和交叉裂隙的导电率，从而获取整个不规则坡面板其各个裂隙的溶质运移数据，同时，通过导电率传感器获取整个不规则坡面板其不同位置的管道的导电率，从而获取整个不规则坡面板其各个管道的溶质运移数据，另外，通过导电率传感器还完成不规则坡面板其管道和裂隙交叉的溶质运移数据；由于不规则坡面板采用对称设置，且在同等实验条件下，分别得到有管道的不规则坡面板其裂隙溶质运移数据和没有管道的不规则坡面板其裂隙溶质运移数据；且由于各个裂隙对称设置，其裂隙水流数据包括各个位置裂隙溶质运移数据、交叉裂隙溶质运移数据、是否有管道裂隙溶质运移数据和管道各个位置裂隙溶质运移数据；通过对同组数据按照水流大小进行排列；各个导电率传感器其标准参照对比数据为设置于供水箱内侧设置有导电率传感器采集的数据。

9.根据权利要求1所述的模拟岩溶裂隙-管道水流及溶质运移规律的试验装置，其特征在于：所述裂隙和管道其总水流和溶质运移检测如下：

所述总水流检测如下：

在表层岩溶各个渗透条件下，分别获取从喷淋系统开始喷淋到外排管有水排出的间隔时间，及喷淋系统停止喷淋到外排管无水排出的间隔时间；及预设岩料层含水量检测，预设岩料层含水量=喷淋水总量-外排水总量-外排溶质量；从而判断水流流速即溶质流速和预设岩料层保水量；其检测包括有管道侧和无管道侧检测；

所述溶质运移检测为：分别收集两外排管排出的液体，并通过化学分析来计算其浓度；从而获取溶质运移总量。

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