CN114062216A - 一种三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置及方法，装置包括箱体，箱体内部自上而下依次包括松散含水层和模拟地层，松散含水层自下而上依次包括储水池和渗水单元，渗水单元设置在模拟地层上；储水池与渗水单元相互隔离，并且储水池与渗水单元之间通过导水管连通；渗水单元包括锥形渗水板和水平渗水板，锥形渗水板设置在水平渗水板的上方，并且锥形渗水板的锥形尖部朝上设置，导水管向锥形渗水板喷水。本发明能够将水均匀地分散到水平渗水板上，且均匀地转移进入模拟地层中；相比于现有技术，本发明当向刚性体施加压力时，能够采用刚体能使模拟表土层上方所施加的压力更好的传递给下方的模拟地层。
Description
技术领域
本发明涉及固液耦合相似模拟技术领域，尤其涉及一种三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置及方法。
背景技术
三维固液耦合相似模拟实验是一种工程模拟实验，基于相似理论选取相似的材料对含水层下方的地层结构进行模拟，铺设置于实验箱体中以进行仿真模拟。实验时模拟含水层在外力作用下发生永久性破坏，含水层中的水转移进入采空区，试验结果对工程领域具有一定的理论指导意义。
在该相似模拟实验中，松散含水层的模拟是整个实验的关键所在，根据试验要求，模拟含水层的装置可以储水，而且可以模拟含水层发生破坏后含水层中的水转移进入模拟地层。目前，主要用以下两种方法来模拟松散含水层：
(1)在模拟地层的上方直接注水，模拟含水层破坏后转移进入模拟地层，但是这种方法水流的速度及其转移路径不符合实际渗水情况。
(2)采用具有一定承载力的储水水袋来模拟含水层，实验时，在水袋上方施加一定的压力使得水袋破裂，水袋中的水转移进入模拟地层。但是这种方法水袋的破裂时间、水流速度和水流转移路径均不受人为控制，而且铺设水袋工艺繁琐，水袋注水难度较大，而且在力的传递过程中水袋的稳定性较差，不能达到好的实验效果。
从上面两种方法可以看出，现有的三维固液耦合相模拟实验中模拟松散含水层的方法尚存不足，对实验结果的可靠性存在一定影响，所以亟需探索一种操作简便、工程可靠、经济环保的松散含水层模拟方法，以便于相似模拟实验的顺利开展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用三维固液耦合模拟实验模拟松散含水层的装置及方法，用以解决现有固液耦合相似模拟直接注水或直接将水袋挤破，不符合实际固液耦合情况。
为达上述目的，本发明提供一种三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，其包括箱体，所述箱体内部自上而下依次包括松散含水层和模拟地层，所述松散含水层自下而上依次包括储水池和渗水单元，所述渗水单元设置在所述模拟地层上；
所述储水池与渗水单元相互隔离，并且所述储水池与所述渗水单元之间通过导水管连通；
所述渗水单元包括锥形渗水板和水平渗水板，所述锥形渗水板设置在所述水平渗水板的上方，并且所述锥形渗水板的锥形尖部朝上设置，所述导水管向所述锥形渗水板喷水。
所述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，其中，还包括施加压力单元，所述施加压力单元用于向所述松散含水层施加压力。
所述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，其中，所述锥形渗水板和水平渗水板上均设有渗水孔，且所述锥形渗水板上的渗水孔与水平渗水板上的渗水孔在竖直方向上的投影不重合。
所述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，其中，所述导水管具有出水口喷头，所述出水口喷头位于所述锥形渗水板的锥形尖部的正上方。
所述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，其中，所述导水管上设置有控制水阀。
所述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，其中，所述导水管上设置有用于实时获取水的流速的监测单元。
所述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，其中，所述储水池的一侧设有水泵，用于向储水池中蓄水。
所述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，其中，所述箱体的底板和三个侧面均采用不锈钢板，其余一个侧面采用亚克力板。
所述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，其中，所述模拟地层由具有相似性质的骨料和胶结材料配比混合而成；所述骨料为河砂、云母、石英砂、硼砂中的一种或多种；所述胶结物为碳酸钙、石灰、石膏、水泥中的一种或多种
本发明还提供一种采用上述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置所实施的方法，其包括以下步骤：
(1)利用储水池和渗水单元的组合体来模拟松散含水层，通过实际含水层的规格尺寸按照相似比例来确定模拟松散含水层的规格尺寸，确定后将松散含水层模拟装置铺设置于模拟地层上方；
(2)将导水管的两端分别与储水池和渗水单元连通，关闭所述导水管，所述导水管与渗水单元连通的一端朝向锥形渗水板设置；
(3)向储水池中蓄水，然后对模拟松散含水层上方施加压力，打开所述导水管，将储水池中的水通过导水管喷洒在锥形渗水板上，锥形渗水板上的水通过渗水孔进入水平渗水板，进而转移渗入模拟地层；
(4)所述导水管上设置有控制水阀和监测单元，观察监测单元的流速变化情况，并通过控制水阀控制水流速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)通过在渗流池中设置锥形渗水板，能够将导水管导入到渗水池中的水均匀地分散到水平渗水板上，另外，锥形渗水板和水平渗水板的渗水孔采用双排错开布置的形式，用于保证从松散含水层中的水均匀的转移进入模拟地层中。
(2)本发明的箱体底部及三个侧面均采用不锈钢材料，另一个侧面采用亚克力板，不锈钢和亚克力板均属于刚性体材质，相比于现有技术所采用的水袋，其优点是当向刚性体施加压力时，在刚性体的某点上的压力可以沿着它的作用线移到刚性体内任意一点，并不改变该力对刚体的作用，即采用刚体能使模拟表土层上方所施加的压力更好的传递给下方的模拟地层。
(3)本发明的模拟装置外部的导水管上设有监测设备，例如液体流量计，便于操作控制，且液体流量计是实时显示液体流速的仪器，分为仪表盘和管路连接部分；监测设备还可以选用内置传感器元件的流量计，安装在液体管路上，通过数据接收器实时接收显示液体流速数据，方便试验人员实时准确的获得流速信息，避免了人为查看多个监测设备带来的误差干扰，提高了试验精度和操作便利性。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明提供的模拟含水层装置的结构示意图；
图2为本发明提供的模拟含水层装置的侧视图；
图3为本发明提供的模拟含水层装置的俯视图。
附图标记说明：1-储水池；2-储水池出口；3-液体流量计；4-水阀；5-导水管；6-锥形渗水板；7-水泵；8-渗水孔；9-出水口喷头；10-水平渗水板；11-渗流池。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，本发提供了一种三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，包括箱体和施加压力单元(图中未示出)；箱体内部自上而下依次设有松散含水层和模拟地层(图中未示出)，松散含水层自上而下依次包括储水池1和渗水单元，储水池1与渗水单元相互隔离，不会互相渗透。渗水单元设置于模拟地层上方。所述施加压力单元用于向箱体施加压力。
所述渗水单元包括渗水池11，渗水池11内设有锥形渗水板6和水平渗水板10，所述水平渗水板10设置于渗水池11底部，所述锥形渗水板6设置于水平渗水板10的上方且锥形尖部朝向储水池1。而且，所述锥形渗水板6的高度小于渗水池11高度，避免锥形渗水板6延伸出渗水池11外。箱体外侧设有导水管5，所述导水管5的一端(图2所示为上端)与渗水储水池1连通，另一端(图2所示为下端)与所述渗水单元连通。具体地，所述导水管5的另一端设置于锥形渗水板6上方。此外，导水管5上设有用于监测水流速度的监测单元。
具体地，在进行三维固液耦合相似模拟松散含水层中的水渗入模拟地层时，首先将模拟地层平铺于箱体底部，模拟地层上方放置松散含水层，在水平渗水板10和锥形渗水板6上均设有渗水孔8，渗水孔8的孔径可以根据工程实例的实际要求进行设计；在箱体的一个侧面上，对应于于储水池1和渗水池11的位置分别设有储水池1出水孔和渗水池11进水孔，导水管5的一端通过储水池1出水孔伸入储水池1内，另一端过渗水池11进水孔延伸至渗水池11内的锥形渗水板6的锥尖位置，导水管5在锥尖位置上方处设有出水口喷头9。当将储水池1内的水通过导水管5导入到渗水池11中后，水通过出水口喷头9喷洒到锥形渗水板6上，并通过锥形渗水板6上的渗水孔8渗流至下方的水平渗水板10上，在水平渗水板10下方设有模拟地层，水通过水平渗水板10上的渗水孔8渗入模拟地层中，进而实现三维固液耦合模拟松散含水层的详细渗水情况。需要说明的是，松散含水层指以砂土及砂砾为骨架的含水层。在进行三维固液耦合模拟松散含水层时，需要对箱体施加压力，其目的是为了模拟松散含水层上覆岩层对松散含水层的施压情况。
当对现有技术中的软水袋施加压力时，其目的是将软水袋中的水挤压出来，并通过设有滴水孔的管道直接滴入到模拟地层中，这样的装置并不仅没有对松散含水层施加压力，而且水通过管道上的滴水孔渗入模拟地层时无法保证其均匀的渗入模拟地层。本发明将现有技术中的软水袋换成了刚性的箱体，并在箱体的上方对其施加均匀的压力，对于刚性的箱体来说，作用于刚性体上某点的力，可以沿着它的作用线移到刚体内任意一点，并不改变该力对刚体的作用，即采用刚体能使模拟表土层上方所施加的压力更好的传递给下方的模拟地层。另外，本发明通过在渗流池中设置锥形渗水板6和水平渗水板10，能够将导入到渗水池11中的水均匀地分散到水平渗水板10上，进而均匀的渗入模拟地层，最终保证从松散含水层中的水均匀的渗入模拟地层中。
为了进一步保证松散含水层中的水均匀的渗入模拟地层中，锥形渗水板6为圆锥形，锥形渗水板6和水平渗水板10的渗水孔8采用双排错开布置形式，即锥形渗水板6上的渗水孔8与水平渗水板10上的渗水孔8在竖直方向上的投影并不重合。具体地，当导水管5将水从储水池1导入到渗水池11的出水口喷头9处时，出水口喷头9将水均匀的喷洒到锥形渗水板6上，由于锥形渗水板为圆锥形，该锥形渗水板6能够更加均匀的将水分散开；且当水从锥形渗水板6渗入水平渗水板10时，由于锥形渗水板6和水平渗水板10上的渗水孔8采用双排错开的形式，水平渗水板10上的水被进一步均匀的分散开，从而保证了松散含水层中的水均匀的渗入到模拟地层中。
为了提高三维固液耦合相似模拟松散含水层装置的适用性，进而适用于不同岩层性质的模拟地层，模拟装置还包括控制水阀4和水泵7；控制水阀4和监测设备设置于箱体外部的导水管5上；水泵7用于为储水池1蓄水。
具体地，在储水池1的一侧设有水泵7，水泵7用于向储水池1中蓄水；储水池的另一侧设有储水池出口2，导水管5通过储水池出口2延伸至储水池中；在连接储水池1和渗水池11的导水管5上，设有控制水阀4，控制水阀4设置于监测装置的底部，控制水阀4是导水管5输送水时的控制部件，具有截止、调节、导流、防止逆流等功能，以实现精准调节液体流速，提高试验精度；还可以选用流速调节器代替控制水阀4，均可达到相同的效果。
为了实时获取水的流速，监测单元可以为液体流量计3，液体流量计3是实时显示液体流速的仪器，分为仪表盘和管路连接部分；监测单元还可以选用内置传感器元件的流量计，安装在导水管5上，通过数据接收器实时接收显示液体流速数据，方便试验人员实时准确的获得流速信息，避免了为查看多个监测设备带来的误差干扰，提高了试验精度和操作便利性。
参照工程实例中松散含水层的尺寸大小(例如含水层的高度和容量)，按照相似比例制作本三维固液耦合相似模拟松散含水层的箱体；优选地，箱体的底板和其它三个侧面均可采用不锈钢板，另一个侧面可采用亚克力板。采用亚克力板的目的是便于观察渗水单元以及模拟地层的渗水情况。
在箱体内铺设模拟地层时，根据工程实例中不同地层的岩层性质选取具有相似性质的材料来模拟不同的岩层，相似材料的模拟包含两部分，第一是骨料，骨料采用的是河砂、云母、石英砂、硼砂等中的一种或者多种，第二是胶结物，胶结物采用的是碳酸钙、石灰、石膏、水泥等中的一种或者多种。利用骨料和胶结材料两种相似材料进行混合配比来制备模拟地层。
本发明采用的施加压力单位为液压装置，例如液压装置，将液压装置设置于箱体顶部，在箱体的上方设有支架结构，液压装置的一端与箱体顶部接触，另一端与支架结构接触，液压装置通过液压油缸带动其下方的阀体向下移动并与松散含水层的顶部接触，开启液压装置使模拟含水层与模拟地层紧密接触；液压装置的设计的目的是为了模拟松散含水层上覆岩层对松散含水层的施压情况。
需要说明的是，压力P(Mpa)的大小与松散含水层的埋深h(m)有关，P＝0.25h，采用相似比例来计算模拟含水层顶部所施加压力的大小，模拟松散含水层上覆岩层对松散含水层的压力。
另一方面，本发明还提供了一种三维固液耦合相似模拟松散含水层的方法，采用上述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的模拟装置，该模拟方法包括以下步骤：
(1)用储水池1和渗水单元的组合体来模拟松散含水层，通过实际含水层的规格尺寸(例如实际含水层的高度和容量)按照相似比例来确定模拟松散含水层的规格尺寸，确定后将松散含水层模拟装置铺设置于模拟地层上方；其中，箱体是包括松散含水层和模拟地层，模拟地层图中未示出；
(2)将导水管5的一端设置于储水池1中，另一端设置于渗水池11中，在位于箱体外侧的导水管5上设置控制水阀4和液体流量计3，关闭控制水阀4；其中，渗水池11中的锥形渗水板6的锥尖朝向储水池1，将导水管5处于渗水池11中的出水口喷头9对准锥形渗水板6的锥尖正上方；
(3)利用水泵7向储水池1中蓄水，然后对模拟松散含水层上方施加压力，打开控制水阀4，将储水池1中的水通过导水管5喷洒在锥形渗水板6上，锥形渗水板6上的水通过渗水孔8进入水平渗水板10，进而转移渗入模拟地层；
(4)观察液体流量计3的流速变化情况；通过控制水阀4控制水流速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)通过在渗流池中设置锥形渗水板，能够将导水管导入到渗水池中的水均匀地分散到水平渗水板上，另外，锥形渗水板和水平渗水板的渗水孔采用双排错开布置的形式，用于保证从松散含水层中的水均匀的转移进入模拟地层中。
(2)本发明的箱体底部及三个侧面均采用不锈钢材料，另一个侧面采用亚克力板，不锈钢和亚克力板均属于刚性体材质，相比于现有技术所采用的水袋，其优点是当向刚性体施加压力时，在刚性体的某点上的压力可以沿着它的作用线移到刚性体内任意一点，并不改变该力对刚体的作用，即采用刚体能使模拟表土层上方所施加的压力更好的传递给下方的模拟地层。
(3)本发明的模拟装置外部的导水管上设有监测设备，例如液体流量计，便于操作控制，且液体流量计是实时显示液体流速的仪器，分为仪表盘和管路连接部分；监测设备还可以选用内置传感器元件的流量计，安装在液体管路上，通过数据接收器实时接收显示液体流速数据，方便试验人员实时准确的获得流速信息，避免了人为查看多个监测设备带来的误差干扰，提高了试验精度和操作便利性。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，其特征在于，包括箱体，所述箱体内部自上而下依次包括松散含水层和模拟地层，所述松散含水层自下而上依次包括储水池和渗水单元，所述渗水单元设置在所述模拟地层上；
所述储水池与渗水单元相互隔离，并且所述储水池与所述渗水单元之间通过导水管连通；
所述渗水单元包括锥形渗水板和水平渗水板，所述锥形渗水板设置在所述水平渗水板的上方，并且所述锥形渗水板的锥形尖部朝上设置，所述导水管向所述锥形渗水板喷水。
2.根据权利要求1所述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，其特征在于，还包括施加压力单元，所述施加压力单元用于向所述松散含水层施加压力。
3.根据权利要求1或2所述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，其特征在于，所述锥形渗水板和水平渗水板上均设有渗水孔，且所述锥形渗水板上的渗水孔与水平渗水板上的渗水孔在竖直方向上的投影不重合。
4.根据权利要求1或2所述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，其特征在于，所述导水管具有出水口喷头，所述出水口喷头位于所述锥形渗水板的锥形尖部的正上方。
5.根据权利要求1或2所述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，其特征在于，所述导水管上设置有控制水阀。
6.根据权利要求1或2所述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，其特征在于，所述导水管上设置有用于实时获取水的流速的监测单元。
7.根据权利要求1或2所述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，其特征在于，所述储水池的一侧设有水泵，用于向储水池中蓄水。
8.根据权利要求1或2所述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，其特征在于，所述箱体的底板和三个侧面均采用不锈钢板，其余一个侧面采用亚克力板。
9.根据权利要求2所述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置，其特征在于，所述模拟地层由具有相似性质的骨料和胶结材料配比混合而成；所述骨料为河砂、云母、石英砂、硼砂中的一种或多种；所述胶结物为碳酸钙、石灰、石膏、水泥中的一种或多种。
10.一种采用根据权利要求2至9中任一项所述的三维固液耦合相似模拟松散含水层的装置所实施的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用储水池和渗水单元的组合体来模拟松散含水层，通过实际含水层的规格尺寸按照相似比例来确定模拟松散含水层的规格尺寸，确定后将松散含水层模拟装置铺设置于模拟地层上方；
(2)将导水管的两端分别与储水池和渗水单元连通，关闭所述导水管，所述导水管与渗水单元连通的一端朝向锥形渗水板设置；
(3)向储水池中蓄水，然后对模拟松散含水层上方施加压力，打开所述导水管，将储水池中的水通过导水管喷洒在锥形渗水板上，锥形渗水板上的水通过渗水孔进入水平渗水板，进而转移渗入模拟地层；
(4)所述导水管上设置有控制水阀和监测单元，观察监测单元的流速变化情况，并通过控制水阀控制水流速度。
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2020
- 2020-08-05 CN CN202010779905.9A patent/CN114062216B/zh active Active
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| Title |
|---|
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