CN108169413A - 一种监测岩溶介质水流运动机理的立方体试验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种监测岩溶介质水流运动机理的立方体试验装置及其实验方法，装置包括补给***、可变结构立方体岩溶介质物理模型、泉流量监测***和压力传感***。其中补给***用以模拟自然界的不同的降雨补给，立方体岩溶介质物理模型设置于补给***的下方，用以模拟岩溶介质的裂隙网络；立方体岩溶介质物理模型内设置压力传感器***实时监测模型内部各测点的水头变化情况；数据采集***接压力传感器***和泉流量测量***，实时记录数据并存储到计算机中。本装置结构合理，最大程度地模拟了岩溶地区错综复杂的裂隙‑纵向管道介质三维空间的分部网络，自动化数据采集和气泡消除装置能有效的减少误差，适用于对岩溶水溶质运移规律机理的探究。

Description

一种监测岩溶介质水流运动机理的立方体试验装置及其实验 方法

技术领域

本发明涉及一种自动化监测岩溶介质结构即裂隙纵向管道结构中的水流运动机理的多维度实验装置，尤其是不同结构的储水以及释水能力，属地下水探测技术领域。

背景技术

岩溶***的主要组成部分是发育水平较高的纵向管道***以及发育水平较低的裂隙网络***，两者在不同的补给方式下会呈现储水介质和释水介质互相转化的现象。因此探明岩溶介质中水流的运动规律以及不同介质间水量交换规律具有重大意义。目前通过物理实验法研究岩溶含水***已经成为一种常用手法，而目前针对岩溶介质的溶质运移规律的物理试验研究大部分是基于对单裂隙、简单的交叉裂隙以及单一纵向管道交叉模型的试验分析，存在模型结构单一、可操作性弱、模拟效果一般的缺点，试验数据存在较大误差。

公告号为CN10513698A的中国发明专利，公开了“一种监测裂隙-纵向管道介质溶质运移规律的试验装置”，其建立的物理模型仅在平面内对裂隙-纵向管道双重介质进行了刻画，在纵向没有设立网络，且模型存在试验后溶液排出不完全、受气泡影响较大、底层纵向管道溶液滞留等问题。

以上的问题造成了现有岩溶介质物理试验模型对真实岩溶地区的水文地质模拟程度较差，适用范围较低，并最终影响试验结果。

发明内容

为了克服现有物理试验模型结构单一，可操作性弱，模拟效果一般，存在流量数据受气泡影响较大、模型在单组试验结束后存在溶液滞留等缺陷，本发明提供一种在XYZ三个平面内都对岩溶介质***进行模拟的立方体物理试验模型，并在模型内部设置初始水利梯度，以及对泉口出流溶液进行特殊处理，消除气泡对模型试验数据的影响，最大限度地减小试验误差。

为了实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：

一种监测岩溶介质水流运动机理的立方体试验装置，包括:

补给***,用以模拟自然界的不同的降雨补给，包括补给水箱、补给管道以及底板，其中，补给水箱的侧壁上设有补给口，补给口与补给管道连接，补给水箱的底部可拆卸地连接所述底板，底板上开孔；

立方体岩溶介质物理模型，设置于补给***的下方，尺寸与上部的补给水箱相同包括：透明立方体框架、以及设置于透明立方体框架内部的透明块体组合，其中，所述透明块体组合包括多层，每一层均包括若干块透明空心块体，若干块透明空心块体之间两两相隔布置，相互间可在横、纵两个方向以毫米为单位进行移动，以形成位于透明立方体框架四个角处的纵向管道以及位于透明立方体框架内部的裂隙网络；所述透明立方体框架的上端比透明块体组合的最上层要高，以使补给水箱和所述立方体岩溶介质物理模型组合后，补给水箱的底板与透明块体组合的最上层之间留有一储水层；

每个所述纵向管道的管壁上沿管道轴线方向均布若干圆孔，圆孔表面覆盖有个税透气膜；

一隔板，设置于透明立方体框架内位于透明组合块体的底部，所述隔板将立方体岩溶介质物理模型分隔为上、下两层，其中上层与裂隙网络相连通，下层与纵向管道相连通，透明立方体框架位于上层的侧壁上设有与裂隙网络出水口相连通的第一泉口；透明立方体框架位于下层的侧壁上设有与纵向管道相连通的第二泉口，第一泉口和第二泉口上均连接有流量计；

若干个压力传感器，分布在立方体岩溶介质物理模型裂隙网络中不同高度和不同位置处，用以测量立方体岩溶介质物理模型试验中裂隙网络不同高度和不同位置处实时的压力大小；

水头测量装置，通过玻璃管与立方体岩溶介质物理模型的底部相连，玻璃管侧壁刻有刻度，用于及时读出在立方体岩溶介质物理模型内水位稳定时立方体岩溶介质物理模型内部的水位；

数据采集***，采集来自所述流量计检测的流量数据和压力传感器检测的压力数据，并将流量数据和压力数据进行存储；

视频图像采集***，用于对模型内液体的运移过程进行全程拍摄。

所述若干有机玻璃空心快具有若干不同尺寸。

所述的视频图像采集***包括位于立方体岩溶介质物理模型四周的四台高清摄像仪。

所述第一泉口与流量计之间、第二泉口和流量计之间均连接有U型管，U型管的管壁上对称设有矩形孔，矩形孔表面覆盖隔水透气膜。

所述透明立方体框架内位于透明块体组合的底部设有初始水利梯度添加装置，模拟地下暗河***的排水过程。

一种利用所述监测岩溶介质水流运动机理的立方体试验装置进行实验的方法，包括以下步骤：

第一步、打开水箱四周的阀门，当水箱内水头达到定值时对立方体岩溶介质物理模型进行定流量补给，补给方式、补给大小以及补给区域通过改变不同的底板实现，底板固定在底板卡槽中，水箱由水箱支架固定；

第二步、通过水头测量装置得到立方体岩溶介质物理模型内部试验过程中实时的水头数据；

通过若干压力传感器采集立方体岩溶介质物理模型内不同位置的初始水压力值和不同时间段时的实时水压力值；

通过流量计对第一泉口和第二泉口进行实时泉流量大小的测量；

试验过程中实时的水头数据、立方体岩溶介质物理模型内不同位置的初始水压力值和不同时间段时的实时水压力值、第一泉口和第二泉口实时泉流量大小的数值均通过数据线和数据采集***连接；

第三步、在补给水箱中添加有色示踪剂，利用视频图像采集***对有色溶液在模型内的运移过程进行全程拍摄；

第四步、试验结束后，通过大型鼓风机从立方体岩溶介质物理模型的上部进行鼓风，将立方体岩溶介质物理模型内残存溶液排放完全。

通过不同的底板以改变补给方式以及补给大小，底板上预留孔洞分为方形洞口和圆形洞口，补给方式分为单独补给和共同补给两类；补给大小由底板上预留孔洞的多少决定，分为五个补给大小等级，补给量依次增大；预留孔洞可采用塑胶塞填堵，进而完成对补给区域的改变；通过在裂隙网络顶部设置盖板以隔断裂隙网络和上部补给水箱，来进行不同补给方式的补给。

连接裂隙网络的第一泉口的大小和连接纵向管道的第二泉口的大小均可变。

与现有技术相比，本发明监测岩溶介质水流运动机理的立方体试验装置具有的有益效果是：

第一、模型在三个坐标轴上都做到了岩溶介质的模拟，最大程度上还原了岩溶区域复杂的裂隙-纵向管道***，并且模型都是由透明空心块体隔离而成，块***置可调，裂隙和纵向管道的位置及尺寸可以应试验要求进行调整。

第二、在模型底部设置初始水利梯度添加装置，解决了模型内部溶液排出不完全的问题，辅助以大功率鼓风机可以确保模型在试验开始前保持干燥。

第三、补给装置采用定水头立方体水箱，补给大小通过开孔玻璃板控制 ，极大地减小了阀门控制带来的误差，补给区域也可以进行人为调整。

第四、模型四周装有气泡溢出装置，在出流处安装特质U型管，减少试验过程中产生的气泡加夹杂在水流中对泉流量数据产生干扰。

第五、压力传感器可以准确描述水流在模型内的过流曲线以及不同时刻的水压力。数据采集***将压力传感器和泉流量计的数据实时记录并储存在计算机终端中。最终辅助高清摄像机，通过对有色溶液在模型中的扩散过程直观地描述污染物在模型中的扩散范围以及速率，最终与数值模拟结果进行对照。

附图说明

下面结合附图和实施案例对本发明进行进一步说明。

图1为本发明监测岩溶介质水流运动机理的立方体试验装置结构示意图；

图2为本发明中补给水箱所用第一类底板结构示意图；

图3为本发明中补给水箱所用第二类底板结构示意图；

图4为本发明中补给水箱所用第三类底板结构示意图；

图5为本发明中补给水箱所用第四类底板结构示意图；

图6为本发明中立方体岩溶介质物理模型的立体图；

图7为本发明中立方体岩溶介质物理模型的主视图；

图8为本发明中立方体岩溶介质物理模型的侧视图；

图9为本发明中立方体岩溶介质物理模型的俯视图；

图10为水头测量装置和立方体岩溶介质物理模型的连接示意图；

图11为为沿着图8中E-E线的剖视图；

图12为本发明中U型管示意图；

图13为是在没有添加气泡消除装置的模型中测得的单一变量下的泉流量衰减曲线图；

图14为本发明泉流量衰减曲线图；

图中，1.立方体岩溶介质物理模型，2.补给水箱，3.底板卡槽，4.水箱补给口，5.水箱支架，6.底板，7.压力测量***，8.水头测量装置，9.第一泉口，10.第二泉口，11.模型泉流量总数据，12.计算机终端，13.方形洞口，14.圆形洞口，15.第一类底板，16.第二类底板，17.第三类底板，18.第四类底板，19.透明空心块体，20.纵向管道，21.储水层，22.竖向裂隙，23.水平裂隙，24.盖板，25.压力传感器，26.分隔板，27.初始水利梯度添加装置，28.U型管，29.U型管入水口，30.U型管出水口，31.气泡排出孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对该试验装置进行进一步的阐述，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对于本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求限定的范围。

参阅图1所示，本发明监测岩溶介质水流运动机理的立方体试验装置包括：立方体岩溶介质物理模型1、补给水箱2、压力测量***、数据采集***、视频图像采集***。

打开水箱四周的水箱补给口4，在水箱内水头达到定值时对立方体岩溶介质物理模型进行定流量补给，补给方式、补给大小以及补给区域可以通过改变不同的底板6实现，底板6固定在底板卡槽3中，水箱由固定水箱支架5固定。

模型有两个泉口，分别对应裂隙网络的第一泉口9以及对应纵向管道的第二泉口10，第一泉口9和第二泉口10的泉口大小可变并且每个泉口都有对应的流量计进行实时泉流量大小的测量。

压力测量***7，包括在模型内部不同高度和位置处分布的压力传感器25若干，用以测量模型试验中实时的压力大小。

记录试验过程中模型内不同位置的初始水压力时间以及水压力变化过程。

水头测量装置8记录模型试验过程中实时的水头数据。

在水箱中添加有色示踪剂（本试验采用酚酞酒精溶液）。利用视频图像采集***对有色溶液在模型内的运移过程进行全程拍摄。泉流量数据、模型内不同位置的初始水压力时间以及水压力变化过程、水头数据均通过数据采集***存入计算机终端12中进行储存。

参阅图1、图2所示，补给水箱2由四个方位的补给口对溶液进行补给，确保在试验过程中水箱中水头的恒定。

图2展示了几种不同的水箱底板用以改变补给方式以及补给大小，孔洞分为方形洞口13和圆形洞口14，补给方式分为单独补给和共同补给两类。补给大小由预留洞口的多少决定，分为五个补给大小等级，补给量依次增大。预留洞口可人工采用塑胶塞填堵，进而完成对补给区域的改变。由于洞口大小恒定，可以定量确定补给水量。

参阅图3、图4所示，立方体岩溶介质物理模型是由位于模型四角的四个纵向管道20以及模型中部的裂隙网络组成，裂隙网络分为水平裂隙23和竖直裂隙22，裂隙由透明空心块体19分隔而成，同平面内透明空心块体两两相连，可在横纵两向以毫米为单位进行移动，完成对裂隙网络中裂隙和纵向管道尺寸大小的改变。在纵向管道顶部设有盖板24，用以隔断裂隙网络和上部补给水道的联通，便于进行不同补给方式的补给。

参阅图5所示，模型的两个泉口位于两层，通过分隔板26分隔。裂隙网络通过上层第一泉口9出流，纵向管道通过下层第二泉口10出流，实现了对岩溶地区两大主要储水和释水通道出流量的定量刻画。

溶液经泉口后通过U型管28消除气泡最终进去流量计得到泉流量数据。

进一步的，为了保证模型内没有溶液滞留，模型底部设有初始水利梯度添加装置27，模拟地下暗河***的排水过程，同时避免了模型内试验溶液的积存，在每次试验结束后，通过大型鼓风机从上部进行鼓风，将模型内残存溶液排放完全。

参阅图6所示，本装置在两个泉口处流出都设置了U型管28，泉口出流从U型管28的进水口29进入U型管，从U型管28的出水口30排出。每个U型管都留有矩形孔对称分布31，矩形孔表面覆盖GORE-TEX膜（PTFE膜），该膜能透过空气分子，隔绝水分子，减小泉口出流溶液中气泡的含量，使结果更加准确。

图13是在没有添加气泡消除装置的模型中测得的单一变量下的泉流量数据，可以明显看出，整个泉流量的衰减过程十分不规则，出现很多的峰值点，峰值点的存在主要是由于其出流溶液中的气泡对泉流量计读数造成干扰，给最终的泉流量数据带来极大误差，最终数据的分析都是建立在人工对数据进行整体，剔除误差点，拟合最终的衰减曲线，从某种意义上讲是存在不合理性的。

图14为本发明泉流量衰减曲线图，可以看出，用本发明中提出的两种气泡消除手段，能极大地减少出流溶液中的气泡数量，得到更为精确、科学的泉流量衰减曲线，为岩溶介质泉流量衰减曲线的三阶段过程的衰减方程的建立提供更准确的数据。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种监测岩溶介质水流运动机理的立方体试验装置，其特征在于：包括:

补给***,用以模拟自然界的不同的降雨补给，包括补给水箱、补给管道以及底板，其中，补给水箱的侧壁上设有补给口，补给口与补给管道连接，补给水箱的底部可拆卸地连接所述底板，底板上开孔；

立方体岩溶介质物理模型，设置于补给***的下方，尺寸与上部的补给水箱相同，包括：透明立方体框架、以及设置于透明立方体框架内部的透明块体组合，其中，所述透明块体组合包括多层，每一层均包括若干块透明空心块体，若干块透明空心块体之间两两相隔布置，相互间可在横、纵两个方向以毫米为单位进行移动，以形成位于透明立方体框架四个角处的纵向管道以及位于透明立方体框架内部的裂隙网络；所述透明立方体框架的上端比透明块体组合的最上层要高，以使补给水箱和所述立方体岩溶介质物理模型组合后，补给水箱的底板与透明块体组合的最上层之间留有一储水层；

每个所述纵向管道的管壁上沿管道轴线方向均布若干圆孔，圆孔表面覆盖有个税透气膜；

一隔板，设置于透明立方体框架内位于透明组合块体的底部，所述隔板将立方体岩溶介质物理模型分隔为上、下两层，其中上层与裂隙网络相连通，下层与纵向管道相连通，透明立方体框架位于上层的侧壁上设有与裂隙网络出水口相连通的第一泉口；透明立方体框架位于下层的侧壁上设有与纵向管道相连通的第二泉口，第一泉口和第二泉口上均连接有流量计；

若干个压力传感器，分布在立方体岩溶介质物理模型裂隙网络中不同高度和不同位置处，用以测量立方体岩溶介质物理模型试验中裂隙网络不同高度和不同位置处实时的压力大小；

水头测量装置，通过玻璃管与立方体岩溶介质物理模型的底部相连，玻璃管侧壁刻有刻度，用于及时读出在立方体岩溶介质物理模型内水位稳定时立方体岩溶介质物理模型内部的水位；

数据采集***，采集来自所述流量计检测的流量数据和压力传感器检测的压力数据，并将流量数据和压力数据进行存储；

视频图像采集***，用于对模型内液体的运移过程进行全程拍摄。

2.根据权利要求1所述的监测岩溶介质水流运动机理的立方体试验装置，其特征在于：所述若干有机玻璃空心快具有若干不同尺寸。

3.根据权利要求1所述的监测岩溶介质水流运动机理的立方体试验装置，其特征在于：所述的视频图像采集***包括位于立方体岩溶介质物理模型四周的四台高清摄像仪。

4.根据权利要求1所述的监测岩溶介质水流运动机理的立方体试验装置，其特征在于：所述第一泉口与流量计之间、第二泉口和流量计之间均连接有U型管，U型管的管壁上对称设有矩形孔，矩形孔表面覆盖隔水透气膜。

5.根据权利要求1所述的监测岩溶介质水流运动机理的立方体试验装置，其特征在于：所述透明立方体框架内位于透明块体组合的底部设有初始水利梯度添加装置，模拟地下暗河***的排水过程。

6.一种基于权利要求1所述监测岩溶介质水流运动机理的立方体试验装置进行实验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、打开水箱四周的阀门，当水箱内水头达到定值时对立方体岩溶介质物理模型进行定流量补给，补给方式、补给大小以及补给区域通过改变不同的底板实现，底板固定在底板卡槽中，水箱由水箱支架固定；

第二步、通过水头测量装置得到立方体岩溶介质物理模型内部试验过程中实时的水头数据；

通过若干压力传感器采集立方体岩溶介质物理模型内不同位置的初始水压力值和不同时间段时的实时水压力值；

通过流量计对第一泉口和第二泉口进行实时泉流量大小的测量；

试验过程中实时的水头数据、立方体岩溶介质物理模型内不同位置的初始水压力值和不同时间段时的实时水压力值、第一泉口和第二泉口实时泉流量大小的数值均通过数据线和数据采集***连接；

第三步、在补给水箱中添加有色示踪剂，利用视频图像采集***对有色溶液在模型内的运移过程进行全程拍摄；

第四步、试验结束后，通过大型鼓风机从立方体岩溶介质物理模型的上部进行鼓风，将立方体岩溶介质物理模型内残存溶液排放完全。

7.根据权利要求6所述的监测岩溶介质水流运动机理的立方体试验装置进行实验的方法，其特征在于，通过不同的底板以改变补给方式以及补给大小，底板上预留孔洞分为方形洞口和圆形洞口，补给方式分为单独补给和共同补给两类；补给大小由底板上预留孔洞的多少决定，分为五个补给大小等级，补给量依次增大；预留孔洞可采用塑胶塞填堵，进而完成对补给区域的改变；通过在裂隙网络顶部设置盖板以隔断裂隙网络和上部补给水箱，来进行不同补给方式的补给。

8.根据权利要求6所述的监测岩溶介质水流运动机理的立方体试验装置进行实验的方法，其特征在于，连接裂隙网络的第一泉口的大小和连接纵向管道的第二泉口的大小均可变。