CN207675763U - 一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置，包括模型试验箱、地下水注入系统、低频弹性波注浆系统、高频浆液强化系统和量测系统。该模型试验箱的周侧壁设有注水口和出水口，该模型试验箱内设有用于模拟真实的含水介质；该地下水注入系统用于将地下水注入模型试验箱，模拟真实的地下动水条件；该低频弹性波注浆系统用于对模型试验箱内的含水介质注入水泥浆液；该高频浆液强化系统设置用于加快含水介质中水泥浆液的水化反应；该量测系统包括多套量测小系统，该量测小系统与出水口相连，用于对含水介质中浆液迁移情况以及浆液对地下水污染程度进行量测。它具有如下优点：可以快速高效地扩大注浆止水范围以及增强注浆止水效果。

Description

一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置。

背景技术

在富水地层进行工程建设时，地下水往往影响工程施工的安全和顺利进行。例如：在承压含水层中进行基坑开挖时，承压水会冲击基坑底板，造成流砂或管涌，从而造成基坑围护结构失稳破坏；其次，当建筑物基础位于地下水位以下时，地下水对基础底面的浮托力会影响基础稳定性。另一方面，地下水对钢筋混凝土也有腐蚀作用，地下水中SO₄ ^2-离子与混凝土的Ca(OH)₂起反应生成水化硫铝酸钙，水化硫铝酸钙的体积约为原体积的221.86％，从而在混凝土中产生较大的内应力，造成地下结构破坏。可见，在施工中必须采取合适的止水措施确保工程建设的安全。

目前，注浆法是工程建设中防渗、堵漏、加固和纠正建筑物偏斜的有效方法。注浆法是将水泥浆材或化学浆材注入岩土地基的裂缝或孔隙中，用于改善其物理力学性质。化学浆材其粘度与水接近，被广泛应用于岩石细裂缝、中细砂层的防渗灌浆和动水堵漏。但是，化学浆材存在毒性、污染空气、污染地下水等缺点。实际上，自1824年波特兰水泥问世以后，水泥注浆便是工程建设中注浆止水的主要方法。但是，普通水泥由于颗粒较粗，一般只能灌注砂砾石或粒径较大孔隙，水泥浆液的可灌入性是目前存在的关键问题。

弹性波在岩土介质中传播使得孔隙中液体产生压力梯度，随之液体流动产生内耗直到孔隙梯度产生平衡，从而影响地下水渗流和颗粒运移。可见，弹性波在岩土介质中传播可以增加孔隙水压力，促进地下水和水泥浆液的运动。其次，高频弹性波(特别是超声波)作用在岩土介质将引起地下水中气泡迅速膨胀和闭合，在气泡闭合时产生冲击波，使得地下水中水泥颗粒变细，从而加快水化反应。因此，弹性波辅助水泥注浆技术，既可增强水泥浆液的迁移范围，又可加快止水效果。

为了研究弹性波辅助水泥注浆技术在真实富水地层条件下的止水效果，常规的室内注浆试验设备不能施加低频和高频弹性波、无法模拟真实地下水渗流条件、无法满足测试浆液运移规律的试验要求，已不能满足要求，研制一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置及方法显得尤为迫切和重要。

实用新型内容

本实用新型提供了一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置，其克服了背景技术中室内注浆试验设备所存在的不足。

本实用新型解决其技术问题的所采用的技术方案是：

一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置，包括模型试验箱、地下水注入系统、低频弹性波注浆系统、高频浆液强化系统和量测系统；该模型试验箱具有周侧壁和底壁，该周侧壁下周缘和底壁外周缘密封固接在一起，该周侧壁的两侧分别设有注水口和出水口，该模型试验箱内填充用于模拟真实的含水介质的含水层砂土；该地下水注入系统设有用于将地下水注入模型试验箱的与模型试验箱注水口相连的地下水注入管，模拟真实的地下动水条件；该低频弹性波注浆系统插入模型试验箱内的含水介质中用于对模型试验箱内的含水介质注入水泥浆液；该高频浆液强化系统设置在模型试验箱的含水介质顶面；该量测系统包括多套用于对含水介质中浆液迁移情况以及浆液对地下水污染程度进行量测的量测小系统，该量测小系统与出水口相连，。

一实施例之中：该周侧壁具有左侧壁和右侧壁；该左侧壁从上向下设有N排不同高度的注水口，每排有M个高度相等的注水口；该右侧壁从上向下设有N排不同高度的出水口，每排有M个高度相等的出水口；该左侧壁的注水口高度和右侧壁的对应排的出水口高度相等；该量测系统包括有N套的量测小系统，每套量测小系统与每排的M个出水口都通过硅胶管相连。

一实施例之中：该地下水注入系统包括一储水箱和N台蠕动泵；该每台蠕动泵通过M根硅胶管一端与模型试验箱左侧壁的同一高度的M个注水口相连，M根硅胶管另一端与储水箱相连，用于控制含水介质中同一深度的渗流速度相同；该N台蠕动泵通过硅胶管分别与N排不同高度的地下水注入口相连。

一实施例之中：该低频弹性波注浆系统包括浆液搅拌箱、压力泵、信号发生器、双层结构注浆管和压电晶体激振片；该双层结构注浆管采用双层的不锈钢管结构，在不锈钢管的侧壁和底部设置有一系列的注浆孔，在每相邻两个注浆孔之间的不锈钢管的双层管壁的内部空间中粘贴压电晶体激振片；该双层结构注浆管通过管道与压力泵、浆液搅拌箱依次相连；该压电晶体激振片通过传输电缆与不锈钢管外的信号发生器相连；该双层结构注浆管设置于模型试验箱中部。

一实施例之中：该双层结构注浆管自上而下竖直插入含水介质。

一实施例之中：该高频浆液强化系统包括高频弹性波发生器和高频弹性波换能器；该高频弹性波发生器和高频弹性波换能器通过信号传输电缆相连；该高频弹性波换能器设置于模型试验箱顶部，施加垂直向下的高频弹性波。

一实施例之中：该高频弹性波换能器为圆饼型结构。

一实施例之中：该量测小系统包括依次相连的样品池系统、浊度计和浆液测试装置；该样品池系统设置在浊度计内部，浆液自上至下流过样品池系统；该浊度计用于对含水介质中同一深度处的浆液对地下水污染程度进行量测；该浆液测试装置测定浆液的密度和体积用于评价同一深度流出的地下水中水泥颗粒的含量。

一实施例之中：该样品池系统包括样品池、压力传感片、自动控制阀门及和第一控制器；该样品池底部依次与压力传感片、自动控制阀门连接；该压力传感片用于测定样品池底部压力；该压力传感片和自动控制阀门由第一控制器控制，根据压力传感片受到的压力大小调节自动控制阀门开启的角度。

一实施例之中：该浆液测试装置包括圆形集液箱、时间控制电磁阀、液位计、密度计、第二控制器和废液箱；该圆形集液箱为双层结构，上下层之间通过时间控制电磁阀进行连通；该圆形集液箱下层结构中设置有垂直方向的液位计和密度计，底部设置上述的时间控制电磁阀；该圆形集液箱下层结构底部的时间控制电磁阀通过管路和废液箱连接；该第二控制器通过信号传输线分别与圆形集液箱内的液位计、密度计及两个时间控制电磁阀连接。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

包括模型试验箱、地下水注入系统、低频弹性波注浆系统、高频浆液强化系统和量测系统，不仅解决了背景技术所存在的不足，且产生如下技术效果：可以快速高效地扩大注浆止水范围以及增强注浆止水效果。

采用不同的蠕动泵控制不同高度的地下水注入速度，可以很好地模拟不同深度地下水的运移情况，更加符合天然富水地层的实际情况。采用的低频弹性波注浆系统可在注浆的同时施加水平向的低频弹性波激励，低频弹性波激励可以加快水泥浆液的注入速度并扩大注入范围，增强浆液的可灌入性。在含水介质的顶面施加自上向下的高频弹性波激励，高频弹性波的空化效应可以使得水泥颗粒变细，加快水泥颗粒的水化反应，增强注浆止水效果。通过对样品池系统进行改造，可以实现不同流速情况下的流出液浊度的实时自动化测量和采集，且所测数据精确。浆液测试装置采用上下两层结构，上层收集一定时间内的流出液，下层测量流出液的体积和密度，可以实现对流出液体积及密度的自动化测量。通过模型试验箱不同高度处的浊度计和浆液测试装置，可以实现对含水介质不同深度处的流出液中水泥颗粒浓度及污染情况的评价。本装置结构紧凑，可靠性强、成本低，具有广阔的应用前景。其次，本项目不向含水层投放任何化学浆材，对环境的影响较小。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置剖面示意图。

图2是一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置俯视示意图。

图3是双层结构注浆管示意图。

图4是样品池系统示意图。

图5-1是样品池系统和浊度计的连接关系剖面示意图。

图5-2是样品池系统和浊度计的连接关系俯视示意图。

图6是浆液测试装置示意图。

具体实施方式

一种弹性波辅助水泥注浆止水试验装置，请查阅图1至图6，包括模型试验箱10、地下水注入系统、低频弹性波注浆系统、高频浆液强化系统和量测系统。

该模型试验箱10包括有机玻璃周侧壁11、有机玻璃底板13(底壁)、含水介质12、注水口14和出水口15。该有机玻璃周侧壁11下周缘和有机玻璃底板外周缘密封固接在一起以成开口朝上的箱体，其中：有机玻璃周侧壁11、有机玻璃底板的厚度都为2cm；该模型试验箱10的长度1.8m、宽度1m及高度1m，选择该尺寸可以较好地研究弹性波激励注浆止水效果。该模型试验箱10内填装天然含水层砂土用于模拟天然含水层结构，该填充的材料构成含水介质12。该模型试验箱10具有左侧壁和右侧壁，左侧壁设有6排不同高度的注水口，最顶面那排距离模型试验箱顶面7.5cm，然后从上到下以15cm间距排列；在每排设置6个高度相同的注水口。该模型试验箱10的右侧壁设有6排不同高度的出水口，最顶面那排距离模型试验箱顶面7.5cm，然后从上到下以15cm间距排列；在每排设置6个高度相同的出水口。该注水口和出水口都为内径1cm，长度2cm，壁厚0.3cm的有机玻璃圆管。该模型试验箱10的注水口和出水口内壁设置有尼龙网，用于防止砂土颗粒流出模型试验箱10。

该地下水注入系统设有与模型试验箱注水口相连的地下水注入管，用于将地下水注入模型试验箱，模拟真实的地下动水条件。本实施例之中，该地下水注入系统包括一储水箱21和六台蠕动泵22；该蠕动泵22选用多通道型泵头，每台蠕动泵22通过六根硅胶管一端与模型试验箱10左侧壁的同一高度的六个注水口相连，六根硅胶管另一端与储水箱21相连，用于控制含水介质中同一深度的含水层的渗流速度相同。该六台蠕动泵22通过硅胶管分别与六排不同高度的地下水注入口相连，用于控制不同深度含水介质的地下水流速。

该低频弹性波注浆系统插入模型试验箱内的含水介质中用于对模型试验箱内的含水介质注入水泥浆液。本实施例之中，该低频弹性波注浆系统包括浆液搅拌箱31、压力泵32、信号发生器33、双层结构注浆管34和压电晶体激振片35。该浆液搅拌箱31为有机玻璃材质的圆柱形结构，内径30cm，高度50cm，内部设有搅拌器用于将浆液搅拌均匀。该压力泵32采用微型电动高压注浆泵，其压力范围广(0-25Mpa)，并且不需气压源，操作简单，适用于各种类型的灌浆止水。该双层结构注浆管34内径5cm，长度85m，管壁厚度0.3cm，双层结构注浆管34的侧壁和底部均匀设置有一系列的注浆孔。该双层结构注浆管34采用双层的不锈钢管结构，在每相邻两个注浆孔之间的不锈钢管的双层管壁的内部空间中粘贴压电晶体激振片35，压电晶体激振片35与双层不锈钢钢管内外两管壁用胶紧密粘贴，利用压电晶体激振片35的逆压电效应施加水平方向的低频弹性波激励。其工作原理为：将压电晶体激振片35粘贴在双层不锈钢管壁的内部，在激振片35的两个极化面上加交变电流时，晶体在水平方向产生变形，从而带动双层结构不锈钢管产生相应的变形，一系列的压电晶体激振片产生的激振作用引起整个双层结构注浆管的振动产生弹性波，弹性波的频率范围为50-600Hz。该双层结构注浆管通过管道与压力泵32及浆液搅拌箱31依次相连；该压电晶体激振片35通过信号传输线与双层不锈钢管外的信号发生器33相连；该双层结构注浆管设置于模型试验箱10的含水介质中部，用于对含水介质注入水泥浆液并施加水平方向的低频弹性波。

该高频浆液强化系统设置在模型试验箱的含水介质顶面用于加快含水介质中水泥浆液的水化反应，增强注浆效果。本实施例之中，该高频浆液强化系统包括高频弹性波发生器41和高频弹性波换能器42；该高频弹性波发生器41和该高频弹性波换能器42通过信号传输电缆相连；该高频弹性波换能器42为圆饼型结构，外径20cm，高度2cm，设置与模型试验箱10土样顶部，施加垂直向下的高频弹性波，用于加速水泥浆液水化反应，增强注浆止水效果。该高频弹性波发生器41用于把220V的市电转换成与高频弹性波换能器42相匹配的高频交流电信号，用于输入高频弹性波换能器42。高频弹性波换能器42用于将输入的电信号转换成高频弹性波以垂直方向输入土样中。高频弹性波发生器41采用频率可调型超声波发生器，其功率为0-3000W，频率为10KHz-35KHz。高频弹性波换能器42由外壳、声窗、背衬、厚度方向极化的压电陶瓷圆盘换能器、引出电缆、金属圆环、橡胶垫圈和阵列接收器组成,其输出的弹性波频率为10KHz-35KHz。

该量测系统包括多套量测小系统，该量测小系统与出水口相连，用于对含水介质中浆液迁移情况以及浆液对地下水污染程度进行量测。地下水从模型试验箱10左侧注水口流入，再从模型试验箱10右侧出水口流出。本具体实施方式之中：该量测系统包括有六套相同的量测小系统，每套量测小系统包括依次相连的样品池系统51、浊度计52和浆液测试装置53。每套量测小系统的样品池系统51设置在浊度计52内部，并且样品池系统51与每排的同一高度的6个出水口都通过硅胶管相连，浆液自上至下流过样品池系统51，这样浊度计52可对含水介质中同一深度处的浆液对地下水污染程度进行量测；每套量测小系统的浆液测试装置53测定浆液的密度和体积，用于评价同一深度流出的地下水中水泥颗粒的含量。

该样品池系统51包括样品池511、压力传感片512、自动控制阀门513和第一控制器514。该样品池511为玻璃材料的圆柱形结构，内径1.5cm，高度10cm，其顶部通过硅胶管与出水口相连接。该样品池511底部设置有自动控制阀门513，在阀门上粘贴有压力传感片512，用于测定样品池底部液体压力。该压力传感片512和自动控制阀门513由第一控制器514控制，第一控制器514包括数据采集模块和第一控制模块。压力传感片512的压力传输到采集模块，第一控制模块514进行压力大小比较分析，从而调节自动控制阀门513的开启角度。该自动控制阀门513开启的角度与压力传感器片512上的压力成正比，地下水流速越大，自动阀门513开启的角度越大，这样可以很好地在不同流速条件下测定流出液的浊度。浊度计52测试样品池系统51中地下水流出液对光线透过时所发生的阻碍程度，从而可以通过浊度指标来评价水泥浆液对地下水的污染程度。图4和图6中的A为进液方向，B为出液方向。

该浆液测试装置53包括圆形集液箱531、时间控制电磁阀532、液位计533、密度计534、第二控制器535和废液箱536。该圆形集液箱531为圆柱形结构，内径10cm，高度20cm，分上下两层，上下层之间通过时间控制电磁阀532进行连通；该圆形集液箱532下层结构中设置有垂直方向的液位计533和密度计534，底部设置时间控制电磁阀。液位计533采用内浮式磁性液位计，内浮式磁性液位计中被测液体与磁性面板端的腔体隔离，并确保磁性面板能正确接受浮子随液位的变化规律，可以很好地测试水泥浆液这种粘稠介质。密度计534采用浮子式密度计，其在液体内受到的浮力与液体密度有关，液体密度越大，浮力越大。控制器535通过信号传输线分别与圆形集液箱531内的液位计533、密度计534及两个时间控制电磁阀532连接，用于测定地下水流出液的体积和密度。该圆形集液箱531下层结构底部的时间控制电磁阀532通过管路和废液箱536连接；根据流出液的流速，通过上层结构收集一定时间内的流出液，然后开启上下层之间的时间控制电磁阀532，将流出液注入到下层结构中进行体积和密度测定，并计算出流出液中水泥含量，最后开启该浆液测试装置53底部的时间控制电磁阀532，将流出液注入废液箱536。

模型试验方法具体操作过程如下：

含水介质填装：按照天然含水层实际的密度分层填装砂土，采用轻锤击实的方法将不同深度的含水砂土击实到不同的密度，模拟实际的富水地层；

正式试验时，启动6台蠕动泵抽取地下水注入模型试验箱，根据不同深度含水介质中的渗流速度调节蠕动泵的注水速度，并在整个试验过程中保持注水压力恒定；

启动低频弹性波注浆系统，在一定的压力条件下注浆，并保持注浆压力恒定，然后施加水平方向的低频弹性波，弹性波的发射功率保持恒定，低频弹性波可加大浆液的扩散范围；随后，启动高频注浆强化系统，高频注浆强化系统施加自上向下的高频弹性波，高频弹性波促进水泥颗粒的水化反应，增强注浆止水效果。沿着含水介质顶面移动高频注浆强化系统的换能器，对不同位置的含水介质施加自上向下的高频弹性波；

利用浊度计实时监测不同深度含水层中地下水流出液的浊度，以此评价水泥浆液对地下水的污染程度；同时，每隔一定时间通过浆液测试装置对流出液的体积和密度进行自动测试，分析流出的地下水中水泥含量的演化规律；

当模型试验箱右侧的出水口全部没有地下水流出，或者注水口的地下水注不进去时，证明通过弹性波辅助注浆技术已成功封堵地下水的流动；将模型试验箱中的砂土取出，对其重量进行测试。对储水箱、浆液搅拌箱和废液箱中液体体积进行测试，并结合试验前后模型试验箱中砂土质量，即可求出模型试验箱中的水泥浆液质量；

不同的地下水流速、不同的注浆压力、不同的低频和高频弹性波条件下重复以上步骤，即可分析弹性波辅助注浆技术在不同含水层条件下的止水效果。

本具体实施方式之中，该低频范围例如：50-600Hz，高频范围例如：10-35kHz。

以上所述，仅为本实用新型较佳实施例而已，故不能依此限定本实用新型实施的范围，即依本实用新型专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置，其特征在于：包括模型试验箱、地下水注入系统、低频弹性波注浆系统、高频浆液强化系统和量测系统；该模型试验箱具有周侧壁和底壁，该周侧壁下周缘和底壁外周缘密封固接在一起，该周侧壁的两侧分别设有注水口和出水口，该模型试验箱内填充用于模拟真实的含水介质的含水层砂土；该地下水注入系统设有用于将地下水注入模型试验箱的与模型试验箱注水口相连的地下水注入管，模拟真实的地下动水条件；该低频弹性波注浆系统插入模型试验箱内的含水介质中；该高频浆液强化系统设置在模型试验箱的含水介质顶面；该量测系统包括多套用于对含水介质中浆液迁移情况以及浆液对地下水污染程度进行量测的量测小系统，该量测小系统与出水口相连。

2.根据权利要求1所述的一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置，其特征在于：该周侧壁具有左侧壁和右侧壁；该左侧壁从上向下设有N排不同高度的注水口，每排有M个高度相等的注水口；该右侧壁从上向下设有N排不同高度的出水口，每排有M个高度相等的出水口；该左侧壁的注水口高度和右侧壁的对应排的出水口高度相等；该量测系统包括有N套的量测小系统，每套量测小系统与每排的M个出水口都通过硅胶管相连。

3.根据权利要求2所述的一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置，其特征在于：该地下水注入系统包括一储水箱和N台蠕动泵；该每台蠕动泵通过M根硅胶管一端与模型试验箱左侧壁的同一高度的M个注水口相连，M根硅胶管另一端与储水箱相连，用于控制含水介质中同一深度的渗流速度相同；该N台蠕动泵通过硅胶管分别与N排不同高度的地下水注入口相连。

4.根据权利要求1所述的一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置，其特征在于：该低频弹性波注浆系统包括浆液搅拌箱、压力泵、信号发生器、双层结构注浆管和压电晶体激振片；该双层结构注浆管采用双层的不锈钢管结构，在不锈钢管的侧壁和底部设置有一系列的注浆孔，在每相邻两个注浆孔之间的不锈钢管的双层管壁的内部空间中粘贴压电晶体激振片；该双层结构注浆管通过管道与压力泵、浆液搅拌箱依次相连；该压电晶体激振片通过传输电缆与不锈钢管外的信号发生器相连；该双层结构注浆管设置于模型试验箱中部。

5.根据权利要求4所述的一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置，其特征在于：该双层结构注浆管自上而下竖直插入含水介质。

6.根据权利要求1所述的一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置，其特征在于：该高频浆液强化系统包括高频弹性波发生器和高频弹性波换能器；该高频弹性波发生器和高频弹性波换能器通过信号传输电缆相连；该高频弹性波换能器设置于模型试验箱顶部，施加垂直向下的高频弹性波。

7.根据权利要求6所述的一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置，其特征在于：该高频弹性波换能器为圆饼型结构。

8.根据权利要求1所述的一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置，其特征在于：该量测小系统包括依次相连的样品池系统、浊度计和浆液测试装置；该样品池系统设置在浊度计内部，浆液自上至下流过样品池系统；该浊度计用于对含水介质中同一深度处的浆液对地下水污染程度进行量测；该浆液测试装置测定浆液的密度和体积，用于评价同一深度流出的地下水中水泥颗粒的含量。

9.根据权利要求8所述的一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置，其特征在于：该样品池系统包括样品池、压力传感片、自动控制阀门及和第一控制器；该样品池底部依次与压力传感片、自动控制阀门连接；该压力传感片用于测定样品池底部压力；该压力传感片和自动控制阀门由第一控制器控制，根据压力传感片受到的压力大小调节自动控制阀门开启的角度。

10.根据权利要求8所述的一种弹性波辅助水泥注浆止水模型试验装置，其特征在于：该浆液测试装置包括圆形集液箱、时间控制电磁阀、液位计、密度计、第二控制器和废液箱；该圆形集液箱为双层结构，上下层之间通过时间控制电磁阀进行连通；该圆形集液箱下层结构中设置有垂直方向的液位计和密度计，底部设置上述的时间控制电磁阀；该圆形集液箱下层结构底部的时间控制电磁阀通过管路和废液箱连接；该第二控制器通过信号传输线分别与圆形集液箱内的液位计、密度计及两个时间控制电磁阀连接。