CN210180872U - 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

本实用新型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，测压管接头通过软管与压力监测设备连通。本装置结构完整，空间布局合理，与实际的含水结构特征高度相似，可操作性强，影响因素可控，适用于对岩溶裂隙‑管道水运移及溶质运移规律的探究。

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

本实用新型涉及一种试验装置，尤其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，属于水文地质学及地下水研究技术领域。

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。传统的水文地质手段对岩溶含水层的结构、水流特性和溶质运移规律的研究均存在一定的局限性，岩溶区水文循环过程相当复杂，如何综合考虑大气降雨补给、落水洞集中入渗及表层岩溶带的分散入渗、深层裂隙带和管道网络的径流排泄等因素共同作用下的岩溶地下水运移及环境问题，仍是一个困难但对人类生活、生产和国家经济发展至关重要，且亟待解决的问题。物理试验作为研究岩溶含水系统的一种重要方法已经被广泛运用，而目前针对岩溶裂隙-管道含水介质的溶质运移变化规律的物理试验研究只是针对单裂隙、简单的交叉裂隙以及单一裂隙管道交叉进行溶质运移规律研究，存在结构单一，水文因素不全面，可操作性弱的缺点。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种模拟岩溶裂隙-管道水流及溶质运移规律的试验装置，它是一种结构完整、空间布局合理、相似度高的岩溶裂隙-管道含水介质试验装置，本装置包含了完整的岩溶地下水水文循环要素，其空间结构布局合理，该装置是一种能够定量控制水运移和溶质运移过程中补、径、排条件的室内岩溶裂隙-管道介质物理模型，可用于探究岩溶裂隙-管道含水介质水流和溶质运移规律。基于该装置获得的试验成果不仅可推动岩溶地下水水动力弥散特征的理论发展，也为野外现场复杂岩溶地下水的研究提供重要参考，对解决岩溶地下水环境保护问题和工程地质问题有着重要的意义，有效的解决了上述存在的问题。

本实用新型的技术方案为：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，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，在表层岩溶带入渗箱的底部一侧连接有大裂隙板，另一侧连接三块小裂隙板，小裂隙板的底端与大裂隙板侧边连接并呈V型结构，在大裂隙板和小裂隙板的内部分别设有大裂缝和小裂缝，在大裂隙板、小裂隙板的侧边和表层岩溶带入渗箱的底部均设若干测压管接头，测压管接头通过软管与压力监测设备连通。

所述机架的下方还设有管网系统，所述管网系统为三层台阶式结构，在管网系统的底端出口、高端中端进口均设有阀门，管网系统的底端出口通过阀门与排水系统连通，管网系统的进口分别通过阀门及管道与大裂隙板的底端连通，管网系统的进口分别通过阀门及排水管一和排水管二与表层岩溶带入渗箱的底端连通。

所述机架的底端固定连接有四个万向脚轮。

所述降雨模拟器包括相互连通的方形管道、布雨管和调节阀，在方形管道的中间连接若干根平行的布雨管，在布雨管上设有若干雨水孔，方形管道通过调节阀和流量计与供水管道连通。

所述表层岩溶带入渗箱包括箱壁和箱底，箱底固定连接在箱壁的底端面上，在箱底一侧设缝隙一，另一侧设三条缝隙二，缝隙一和缝隙二相互平行，测压管接头连接在箱底上，在箱底的中间和一侧两端分别固定连接有三根竖直的排水管一，在缝隙一的侧边箱底上连接有排水管二，所述排水管一和排水管二分别通过阀门与管网系统连通，在箱底上分别设有填料层一和填料层二，排水管二的顶部位于填料层一的底部，排水管一的顶端与填料层一的顶面平齐，填料层二的外层包裹有纱网。

所述大裂隙板和小裂隙板均为两层PVC板粘接，大裂缝和小裂缝分别位于大裂隙板和小裂隙板的中间并与缝隙一和缝隙二连通，在大裂缝和小裂缝的内壁上粘接有石英砂颗粒，大裂缝宽2mm，小裂缝宽1mm。

所述压力监测设备包括连杆、立柱和刻度板，所述刻度板竖直布置，在刻度板的两侧固定连接立柱，立柱的底端通过连杆固定连接到机架的侧边上，在刻度板的外侧壁上通过上下对称的两排卡座板连接有若干根测压管，测压管的底端与软管连接，测压管为中空管状透明结构，测压管的顶端有敞口，刻度板上有若干水平的刻度线。

本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，采用本实用新型的技术方案，可以模拟岩溶裂隙-管道含水介质受多种补、径、排条件影响下水运移及溶质运移过程，本装置结构完整、空间布局合理，可操作性强，影响因素可控，适用于研究复杂的岩溶裂隙-管道水运移及溶质运移规律。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型A-A剖视图；

图3为本实用新型B-B剖视图；

图4为本实用新型C-C剖视图；

图5为本实用新型降雨模拟器结构示意图；

图6为本实用新型压力监测设备结构示意图及俯视图；

图7为本实用新型管网系统结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照本说明书附图对本实用新型作进一步的详细描述。

实施例1：如附图1～7所示，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11，所述机架11为固定连接的方框结构，在机架11的上部设有表层岩溶带入渗箱3，在机架11的侧边设有压力监测设备6，所述表层岩溶带入渗箱3为方形箱体结构，表层岩溶带入渗箱3的顶部为敞口结构并放置有降雨模拟器2，在表层岩溶带入渗箱3的底部一侧连接有大裂隙板9，另一侧连接三块小裂隙板7，小裂隙板7的底端与大裂隙板9侧边连接并呈V型结构，在大裂隙板9和小裂隙板7的内部分别设有大裂缝17和小裂缝15，在大裂隙板9、小裂隙板7的侧边和表层岩溶带入渗箱3的底部均设若干测压管接头8，测压管接头8通过软管14与压力监测设备6连通。

进一步的，机架11的下方还设有管网系统13，所述管网系统13为三层台阶式结构，在管网系统13的底端出口、高端中端进口均设有阀门4，管网系统13的底端出口通过阀门4与排水系统连通，管网系统13的进口分别通过阀门4及管道10与大裂隙板9的底端连通，管网系统13的进口分别通过阀门4及排水管一5和排水管二1与表层岩溶带入渗箱3的底端连通。所述管网系统13在垂向上分为三个阶梯，第一阶梯的管道主要与落水洞管和表层带入渗汇流后底管连接，第二阶梯主要接入裂隙带的排泄管，第三阶梯所有分枝的管道汇集为一个出口，模拟整个含水系统排泄过程，管道网络图在垂向上似多分叉的树枝状，在平面上像迷宫，与客观世界中的管道网络系统有很高的相似度。

进一步的，机架11的底端固定连接有四个万向脚轮12。

进一步的，降雨模拟器2包括相互连通的方形管道21、布雨管23和调节阀22，在方形管道21的中间连接若干根平行的布雨管23，在布雨管23上设有若干雨水孔，方形管道21通过调节阀22和流量计与供水管道连通。所述可拆卸降雨模拟器2包含流量可调节的供水管、双向进口充水回路和中间的布雨管23，供水管进口调节阀22控制进入充水回路中流量的大小，双向进口充水回路使水量充分饱和，中间布雨管23的降雨孔均匀密布，水流通过充水回路分配给布雨管23后，均匀、分散地降落至下部流域范围内，从而模拟大气降雨补给表层岩溶带的过程。

进一步的，表层岩溶带入渗箱3包括箱壁32和箱底38，箱底38固定连接在箱壁32的底端面上，在箱底38一侧设缝隙一31，另一侧设三条缝隙二36，缝隙一31和缝隙二36相互平行，测压管接头8连接在箱底38上，在箱底38的中间和一侧两端分别固定连接有三根竖直的排水管一5，在缝隙一31的侧边箱底38上连接有排水管二1，所述排水管一5和排水管二1分别通过阀门4与管网系统13连通，在箱底38上分别设有填料层一33和填料层二34，排水管二1的顶部位于填料层一33的底部，排水管一5的顶端与填料层一33的顶面平齐，填料层二34的外层包裹有纱网。

进一步的，大裂隙板9和小裂隙板7均为两层PVC板粘接，大裂缝17和小裂缝15分别位于大裂隙板9和小裂隙板7的中间并与缝隙一31和缝隙二36连通，在大裂缝17和小裂缝15的内壁上粘接有石英砂颗粒16，大裂缝17宽2mm，小裂缝15宽1mm。

进一步的，压力监测设备6包括连杆65、立柱62和刻度板63，所述刻度板63竖直布置，在刻度板63的两侧固定连接立柱62，立柱62的底端通过连杆65固定连接到机架11的侧边上，在刻度板63的外侧壁上通过上下对称的两排卡座板61连接有若干根测压管64，测压管64的底端与软管14连接，测压管64为中空管状透明结构，测压管64的顶端有敞口，刻度板63上有若干水平的刻度线。

进一步的，降雨模拟器2主要由两部分组成：充水回路管和布雨管23网。矩形的充水回路管在对角处分别设置进水口，以保证有充足的水量供给中间分散的布雨管23，减小水量的沿程损失，从而使降雨均匀度显著提高；中间的布雨管23上密布着均匀的降雨孔，水流通过充水回路分配给布雨管23后，均匀、分散地降落至下部流域范围内，从而模拟大气降水补给下部表层岩溶带的过程。通过控制进水口的单位时间进水量便可控制不同的降雨强度。矩形充水回路管的几何尺寸为78cm×68cm，充水回路选择管径为14mm的PVC管，布雨管23选择管径5mm的透明亚克力管，降雨孔孔径为1.2mm。

进一步的，表层岩溶带入渗箱3用于模拟表层岩溶带接受降雨补给后的包含落水洞的集中入渗和破碎表层岩溶带的分散入渗。在箱底开圆孔作为上部接落水洞通道的安装孔，模拟落水洞的集中入渗，直接补给管道，开窄缝接下部裂隙，模拟岩溶含水介质的线状入渗补给。入渗箱中可填筑碎石和细砂及土壤模拟表层松散破碎带中降雨的分散入渗。表层岩溶带入渗箱3的尺寸为78cm×68cm×65cm，选择厚度为7mm的PVC板搭建，直径为2.5cm的圆孔为落水洞管接孔，直径为2cm的圆孔为下部管道接孔，总共有4条长均为50cm、宽均为2mm的裂隙接口。

进一步的，交叉裂隙带主要用于模拟水流经过一组平行导水裂隙带后受大断裂的切割，汇集到大断裂中，最后于大断裂的底部排出。裂隙径流带由三个裂隙组成，隙宽均为1mm，其几何尺寸分别为50cm×55cm、50cm×45cm、50cm×35cm，大断裂的隙宽为2mm，几何尺寸为50cm×65cm。导水裂隙带与大断裂的接触角度为60°。大断裂底部的排水孔孔径为25mm。裂隙上部为开放的线状窄缝，主要接受表层岩溶带的线状入渗补给，下部排泄以集中排泄为主，补给深层管道。

进一步的，深层管道网络系统主要用于模拟多水源汇流后集中排泄的管道系统，在垂向上分为三个阶梯，第一阶梯主要接受落水洞和表层带入渗汇流后的水源补给，第二阶梯主要接受裂隙带的排泄补给，第三阶梯主要模拟泉点在侵蚀基准面的出露，模拟整个含水系统排泄过程，管道网络图在垂向上似多分叉的树枝状，在平面上像迷宫，与客观世界中的管道网络系统有很高的相似度。以圆管为例，方管和半圆管路径与圆管一致，管道网络部分所占的三维空间尺度大约为50cm×60cm×50cm。

进一步的，监测水头的测压管主要用于监测表层岩溶带入渗箱底部不同位置和各裂隙板不同位置上以及管道出口处的测压管水头，选择内径为5mm的硅胶管与装置中不同位置的测压孔连接后再接到透明的亚克力测压管64上，并固定到同一水平高度的刻度板63上进行观测。

岩溶裂隙-管道出口泉流量过程试验模拟步骤：

通过调节供水端的调节阀22，控制不同的供水强度，并保持稳定不变，使降雨入渗补给表层岩溶带后，水流运移通过裂隙-管道装置，最终以泉的形式集中排泄。监测管道出口处的流量和渗流路径中各测压管水头，根据监测结果分析岩溶裂隙-管道含水介质中渗流规律。试验步骤如下：①将潜水泵安装在供水箱中并接入供水管道上，调节供水强度：控制潜水泵输出端与降雨模拟器2相连处的调节阀22，分别将降雨模拟器2的供水流量设置为Q₁、Q₂、Q₃。②打开裂隙-管道的水运移通道，在供水条件为Q₁、Q₂、Q₃的条件下分别对裂隙-管道进行渗流过程试验模拟。③开启水泵对装置开始供水，同时点击秒表开始计时。④随后观察裂隙-管道装置的出口处，当有水流出现时点击秒表上的计次，记录该过程的汇流时间，同时开始监测流量变化。⑤供水10min后，关闭水泵，停止供水。⑥改变水阀的启闭状态，更换水流运移通道，重复上述试验步骤。该试验设计的水运移通道分别为：裂隙-管道(F-C-D)，裂隙-底管道(F-C)、裂隙(F)、管道(C)、落水洞通道(D)。

实施例2：岩溶裂隙-管道泉流量衰退过程试验步骤

设置不同的含水通道，控制出口处流量稳定后，分别模拟其退水过程。试验步骤如下：①将所有通道上的水阀打开，模拟裂隙-管道中的退水过程。②开启水泵对降雨模拟器进行供水。③观察出口处的水流状态，待水流明显增大到基本不变时，测定流量值，如果连续三次监测的结果基本接近，则可进行下一步试验。④当出口流量稳定不变后，关闭水泵，停止供水，开始模拟退水过程。⑤监测出口处流量随时间的变化过程，待出口处流量减小到基本不变时停止监测。⑥关闭所有的管道水阀，重复以上步骤，模拟裂隙中的退水过程。⑦关闭裂隙出口处的水阀，重复②－⑤步，模拟管道中的退水过程。

实施例3：裂隙-管道非饱和流中的溶质运移试验过程：①首先在供水箱中安装好潜水泵，并与降雨模拟器进水口处连接。②打开裂隙-管道中所有的水运移通道后，开启降雨模拟器供水管处的水阀对降雨模拟器进行供水。③监测出口处的流量，待其达到稳定后，便可以准备示踪剂进入下一步试验。④将量程为20ml的注射器抽取事先配好的胭脂红溶液，瞬时注入选定的示踪剂注入点处，同时按下计时器开始计时。⑤观察胭脂红在裂隙、管道中的运移情况，待胭脂红快到出口处时，开始取样，在颜色越来越深这段时间加密取样，时间间隔控制在3-5s内，待浓度变化缓慢时，可以延长取样间隔，控制在10-30s左右，当颜色变淡并保持不变时，延长取样间隔为50s左右。⑥当出口处水流颜色稀释至与背景值差不多后，停止取样。⑦改变供水流量、投放点位置重复以上步骤。非饱和流中不同投放点和不同供水条件下进行的示踪试验，泉出口处管内径都为20mm，水流是没有完全充满管道的自由释水。

实施例4：裂隙-管道饱和流中的溶质运移试验过程：试验前减小出口处排泄管的内径，同时控制供水流量的大小，从而使水流能够完全充满下部裂隙带和管道网络，使其呈饱水状态(该试验中更换出口处的排泄管内径为5mm)。该试验分别在整个裂隙-管道系统、裂隙带、管道网络饱水的条件下，选择不同的注入点进行示踪试验。试验步骤与实施例3类似。

本实用新型未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (7)

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，它包括机架（11），所述机架（11）为固定连接的方框结构，其特征在于：在机架（11）的上部设有表层岩溶带入渗箱（3），在机架（11）的侧边设有压力监测设备（6），所述表层岩溶带入渗箱（3）为方形箱体结构，表层岩溶带入渗箱（3）的顶部为敞口结构并放置有降雨模拟器（2），在表层岩溶带入渗箱（3）的底部一侧连接有大裂隙板（9），另一侧连接三块小裂隙板（7），小裂隙板（7）的底端与大裂隙板（9）侧边连接并呈V型结构，在大裂隙板（9）和小裂隙板（7）的内部分别设有大裂缝（17）和小裂缝（15），在大裂隙板（9）、小裂隙板（7）的侧边和表层岩溶带入渗箱（3）的底部均设若干测压管接头（8），测压管接头（8）通过软管（14）与压力监测设备（6）连通。

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：所述机架（11）的下方还设有管网系统（13），所述管网系统（13）为三层台阶式结构，在管网系统（13）的底端出口、高端中端进口均设有阀门（4），管网系统（13）的底端出口通过阀门（4）与排水系统连通，管网系统（13）的进口分别通过阀门（4）及管道（10）与大裂隙板（9）的底端连通，管网系统（13）的进口分别通过阀门（4）及排水管一（5）和排水管二（1）与表层岩溶带入渗箱（3）的底端连通。

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：所述机架（11）的底端固定连接有四个万向脚轮（12）。

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：所述降雨模拟器（2）包括相互连通的方形管道（21）、布雨管（23）和调节阀（22），在方形管道（21）的中间连接若干根平行的布雨管（23），在布雨管（23）上设有若干雨水孔，方形管道（21）通过调节阀（22）和流量计与供水管道连通。

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：所述表层岩溶带入渗箱（3）包括箱壁（32）和箱底（38），箱底（38）固定连接在箱壁（32）的底端面上，在箱底（38）一侧设缝隙一（31），另一侧设三条缝隙二（36），缝隙一（31）和缝隙二（36）相互平行，测压管接头（8）连接在箱底（38）上，在箱底（38）的中间和一侧两端分别固定连接有三根竖直的排水管一（5），在缝隙一（31）的侧边箱底（38）上连接有排水管二（1），所述排水管一（5）和排水管二（1）分别通过阀门（4）与管网系统（13）连通，在箱底（38）上分别设有填料层一（33）和填料层二（34），排水管二（1）的顶部位于填料层一（33）的底部，排水管一（5）的顶端与填料层一（33）的顶面平齐，填料层二（34）的外层包裹有纱网。

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：所述大裂隙板（9）和小裂隙板（7）均为两层PVC板粘接，大裂缝（17）和小裂缝（15）分别位于大裂隙板（9）和小裂隙板（7）的中间并与缝隙一（31）和缝隙二（36）连通，在大裂缝（17）和小裂缝（15）的内壁上粘接有石英砂颗粒（16），大裂缝（17）宽2mm，小裂缝（15）宽1mm。

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：所述压力监测设备（6）包括连杆（65）、立柱（62）和刻度板（63），所述刻度板（63）竖直布置，在刻度板（63）的两侧固定连接立柱（62），立柱（62）的底端通过连杆（65）固定连接到机架（11）的侧边上，在刻度板（63）的外侧壁上通过上下对称的两排卡座板（61）连接有若干根测压管（64），测压管（64）的底端与软管（14）连接，测压管（64）为中空管状透明结构，测压管（64）的顶端有敞口，刻度板（63）上有若干水平的刻度线。

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