CN104389591A - 固液耦合相似材料模拟注水*** - Google Patents
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Abstract
本发明的一种固液耦合相似材料模拟注水***属于水文地质学与采矿学技术领域。该***包括模拟含水层子***和注水子***,所述的注水子***给模拟含水层子***注水,所述的模拟含水层子***包括:砾石沙子结构,所述的砾石沙子结构中间开有一凹槽;所述的凹槽的一端通过第一软管与注水子***相连通;所述的第一软管的另一头与2个第二软管连通,所述的第二软管的另一端设有密封头;不透水层结构,所述的不透水层结构包裹在砾石沙子结构的外部;多个水压传感器。该***具有能向含水层注入适量不同压力条件下的承压水,而且能方便地观测到含水层运移情况,还可以测出含水层中各个点的水压。
Description
技术领域
本发明涉及水文地质学与采矿学技术领域,尤其涉及一种固液耦合相似材料模拟注水***。
背景技术
目前,关于相似材料模拟注水技术的研究较少且存在诸多难点。
相似材料模拟含水层目前主要存在下面的不足:1、密闭性不好,很难准确实现含水层模拟;2、选用材料不合理,无法有效保障水的储存和沙的运移;3、模拟过程宏观可视化程度低,微观数据采集精度不高。
现有的注水***主要存在以下缺点:1、操作不够便捷;2、难以实现自动注水;3、不能实时监控水压、水量及渗流时间。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明的目的是提供一种固液耦合相似材料模拟注水***,该***是通过地面注水***给相似材料模拟含水层注水来进一步研究地下水文地质信息,进而为水文地质研究和采矿提供有益参考信息。该***不仅能向含水层注入适量不同压力条件下的承压水,而且能方便地观测到含水层变化情况,还可以测出含水层中各个点的水压。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种固液耦合相似材料模拟注水***,包括模拟含水层子***和注水子***,所述的注水子***给模拟含水层子***注水,
所述的模拟含水层子***包括:
砾石沙子结构,所述的砾石沙子结构包括鹅卵石、石英砂和沙子,所述的沙子中放入酸碱指示剂;所述的砾石沙子结构中间开有一凹槽;所述的凹槽的一端通过第一软管与注水子***相连通;所述的凹槽的另一端与多个第二软管一端连通,所述的第二软管的另一端设有密封头,所述的第二软管上均设有多个第一孔;
不透水层结构,所述的不透水层结构包裹在砾石沙子结构的外部,所述的不透水层结构上设有多个第二孔,所述的多个第二孔设于与砾石沙子结构开有凹槽一面相对的另一面;
多个水压传感器,所述的多个水压传感器均设于模拟含水层子***中。
所述的注水子***包括:
一高压氮气罐;
一移动支架;
一容器,所述的容器设于所述的移动支架上;所述的容器内装有碱水;
一进气口,所述的进气口设于所述的容器的上部并与容器内部相连通;所述的进气口通过第三软管与所述的高压氮气罐的出气口相连通;
一出水装置,所述的出水装置设于所述的容器的下部,所述的出水装置包括水管和依序设于水管上的水压传感器、出水口阀门和出水口;
一水位记录刻度表,所述的水位记录刻度表设于所述的容器的外表面;
一水位显示器,所述的水位显示器设于容器的外部;
一渗水时间显示器,所述的渗水时间显示器设于容器的外部;
一水压显示器,所述的水压显示器设于容器的外部;
一压力表,所述的压力表设于容器的外部。
通过上述本发明的技术方案,本发明的固液耦合相似材料模拟注水***不仅能向含水层注入适量不同压力条件下的承压水,而且能方便地观测到含水层变化情况,还可以测出含水层中各个点的水压。
附图说明
图1为本发明的固液耦合相似材料模拟注水***的一种实施方式结构示意图;
图2为本发明的模拟含水层子***不透水层结构的底部结构示意图;
图3为本发明的砾石沙子结构的结构示意图;
图4为本发明的注水子***的一种实施方式结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明:
如图1所示,一种固液耦合相似材料模拟注水***,包括模拟含水层子***100和注水子***200,所述的注水子***200给模拟含水层子***100注水,如图1、图2和图3所示,所述的模拟含水层子***100包括:
砾石沙子结构10,所述的砾石沙子结构10包括鹅卵石、石英砂(优选白色的石英砂)和沙子,所述的沙子中放入酸碱指示剂。其中,所述的砾石沙子结构10中的鹅卵石、白色石英砂和沙子的粒径分别为:10~30mm、0.75~1.25mm、<0.56mm;所述的砾石沙子结构中的鹅卵石、石英砂和沙子的质量比为3∶3∶4。使用粒径为10~30mm的鹅卵石作为骨架,不同粒径的石英砂和沙子按级配的原理填充来铺设含水层。所述的酸碱指示剂优选为酚酞。
所述的砾石沙子结构10中间开有一凹槽20,所述的凹槽20贯通石沙子结构10设置。所述的凹槽20的一端通过第一软管40与注水子***200相连通。所述的凹槽20的另一端与多个第二软管51一端连通,所述的第二软管51的另一端设有密封头52,所述的第二软管51上均设有多个第一孔53。所述的多个第二软管51优选为2个或3个,所述的第二软管51优选为直径为10mm、长度为2m的塑料软管。所述的多个第一孔53的间距优选为3cm。凹槽20的另一端也可以先与一个第二软管50连通,第二软管50可设有多个分管51,所述的分管51的另一端部设有密封头52。分管51可优选2个或3个。
不透水层结构30,所述的不透水层结构30包裹在砾石沙子结构10的外部,所述的不透水层结构30上设有多个第二孔31,所述的多个第二孔31设于与砾石沙子结构10开有凹槽20一面相对的另一面,即多个第二孔31设于不透水层结构30的底部。所述的不透水层结构30优选为塑料纸。
铺设砾石沙子结构10过程中,在沙子中加入酚酞(C20H14O4),同时用塑料纸包裹住砾石沙子结构10,塑料纸底部打多个第二孔31。
多个水压传感器,所述的多个水压传感器均设于模拟含水层子***100中。所述的多个水压传感器等间距的均设于砾石沙子结构10上。所述的多个水压传感器优选为30KPa、50KPa、100KPa、200KPa、300KPa等不同量程的微型孔隙水压力传感器。所述的多个水压传感器优选为8个。
如图1和图4所示,所述的注水子***200包括:
一高压氮气罐23,所述的高压氮气罐23中储存有高压氮气。
一移动支架1,所述的移动支架1下部设有可移动的轮子25。
一容器22,所述的容器22设于所述的移动支架1上,所述的容器22内装有碱水。
一进气口7,所述的进气口7设于所述的容器22的上部并与容器22内部相连通,所述的进气口7通过第三软管24与所述的高压氮气罐23的出气口相连通。
一出水装置,所述的出水装置设于所述的容器22的下部,所述的出水装置包括水管和依序设于水管上的水压传感器4、出水口阀门3和出水口2。
一水位记录刻度表6,所述的水位记录刻度表6设于所述的容器22的外表面。
一水位显示器5,所述的水位显示器5设于容器22的外部。
一渗水时间显示器8,所述的渗水时间显示器8设于容器22的外部。
一水压显示器9,所述的水压显示器设于容器22的外部。
一压力表21,所述的压力表设于容器22的外部。
地面自动注水子***200采用氮气推水原理,流量、水压可控。容器直径215mm,高度1m,最大压力:80kpa,即8m高水柱,0.8大气压,可模拟真实0~8Mpa的地下承压水,且安装水压、水量及渗流时间传感器和控制仪表等,可精准控制和测量。
本发明通过采取以上技术方案,其具有以下优点:
1、相似材料模拟注水技术,是由模拟含水层子***和注水子***组成。注水子***是由一个装氮气的高压罐、一个装碱水圆柱型有效高度1300mm、直径215mm的容器罐、采用氮气推水原理,解压阀控制压力,安全便捷。
2、安装水压、水量及渗流时间传感器和控制仪表,便于精确读数,流量、水压可控。
3、含水层由鹅卵石、不同粒径的石英砂和沙子,按级配的原理进行铺设,保障了水的存储和小粒径的沙子的运移。
4、用塑料纸包裹住含水层,塑料纸底部打孔,水从一侧流入,分流到2~3个直径10mm、长度2m塑料软管中,软管的另一头堵死,在软管上每隔3mm等间隔打孔。确保含水层密封性,水可以均匀的加入。
5、在铺设过程中,在沙子中放入酸碱指示剂酚酞(C20H14O4),水罐中放入食用碱面,使用明显的指示剂,增加了实验的可视性。
6、含水层中等间距铺有8个水压传感器,使用30KPa、50KPa、100KPa、200KPa、300KPa等不同量程的微型孔隙水压力传感器,准确监测水压。
在模拟实验开始前,先配置好含水层。含水层使用直径10~30mm的鹅卵石、粒径0.75~1.25mm的白色的石英砂、粒径<0.56mm的沙子,按照3∶3∶4的比例进行铺设,砾石沙子结构的铺设厚度为35mm左右,比例及粒径的选择因含水层的渗透性能而定。铺设过程中加入酚酞(C20H14O4),水从模型的一侧流入,同时用塑料纸包裹住,塑料纸底部打孔,孔径为0.5cm,2根塑料软管每隔3cm打孔。
该***具体步骤为:1、开启电源;2、打开氮气解压阀,调节罐口的压强仪表,达到一个模拟压力;3、开启装有碱水的容器罐阀门,水进入含水层;4、观察颜色的变化判断水的运移情况;5、记录水位、水压(入口水压和孔隙水压传感器)、渗水时间等。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种固液耦合相似材料模拟注水***,包括模拟含水层子***和注水子***,所述的注水子***给模拟含水层子***注水,其特征在于:所述的模拟含水层子***包括:
砾石沙子结构,所述的砾石沙子结构包括鹅卵石、石英砂和沙子,所述的沙子中放入酸碱指示剂;所述的砾石沙子结构中间开有一凹槽;所述的凹槽的一端通过第一软管与注水子***相连通;所述的第一软管另一端与2个第二软管一端连通,所述的第二软管的另一端设有密封头,所述的第二软管上均设有多个第一孔;
不透水层结构,所述的不透水层结构包裹在砾石沙子结构的外部,所述的不透水层结构上设有四排第二孔,所述的第二孔设于与砾石沙子结构开有凹槽一面相对的另一面;
多个水压传感器,所述的多个水压传感器均设于模拟含水层子***中。
2.根据权利要求1所述的固液耦合相似材料模拟注水***,其特征在于,所述的注水子***包括:
一高压氮气罐;
一移动支架;
一容器,所述的容器设于所述的移动支架上;所述的容器内装有碱水;
一进气口,所述的进气口设于所述的容器的上部并与容器内部相连通;所述的进气口通过第三软管与所述的高压氮气罐的出气口相连通;
一出水装置,所述的出水装置设于所述的容器的下部,所述的出水装置包括水管和依序设于水管上的水压传感器、出水口阀门和出水口;
一水位记录刻度表,所述的水位记录刻度表设于所述的容器的外表面;
一水位显示器,所述的水位显示器设于容器的外部;
一渗水时间显示器,所述的渗水时间显示器设于容器的外部;
一水压显示器,所述的水压显示器设于容器的外部;
一压力表,所述的压力表设于容器的外部。
3.根据权利要求1或2所述的固液耦合相似材料模拟注水***,其特征在于,所述的酸碱指示剂为酚酞。
4.根据权利要求1或2所述的固液耦合相似材料模拟注水***,其特征在于,所述的多个第二软管为2个或3个。
5.根据权利要求4所述的固液耦合相似材料模拟注水***,其特征在于,所述的第二软管为直径为10mm、长度为2m的塑料软管。
6.根据权利要求1或2所述的固液耦合相似材料模拟注水***,其特征在于,所述的不透水层结构为塑料纸。
7.根据权利要求1或2所述的固液耦合相似材料模拟注水***,其特征在于,所述的砾石沙子结构中的鹅卵石、石英砂和沙子的粒径分别为:10~30mm、0.75~1.25mm、<0.56mm;所述的砾石沙子结构中的鹅卵石、石英砂和沙子的质量比为3∶3∶4。
8.根据权利要求1或2所述的固液耦合相似材料模拟注水***,其特征在于,所述的多个水压传感器等间距的均设于砾石沙子结构上。
9.根据权利要求8所述的固液耦合相似材料模拟注水***,其特征在于,所述的多个水压传感器为不同量程的微型孔隙水压力传感器。
10.根据权利要求1或2所述的固液耦合相似材料模拟注水***,其特征在于,所述的多个第一孔的间距为3cm。
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