CN110715890A - 土洞气体示踪试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土洞气体示踪试验装置，包括岩石溶蚀室、土壤淋滤室和土洞模拟室，各室均设有进水管、排水管和排气管，在各管路路径上均设有阀门和压力表；所述岩石溶蚀室用于溶蚀岩石样品并收集溶蚀过程中产生的气体；土壤淋滤室用于淋滤土壤样品并收集淋滤过程中产生的气体；土洞模拟室包括外部气体示踪箱、土样置放箱和内部气体示踪箱，用于进行渗透变形试验及气体示踪试验。本发明所述的土洞气体示踪试验装置能够模拟土洞型岩溶塌陷，获取土洞发育过程中土体变形破坏与土洞气体运移的定量化对应关系，进一步获取用于土洞型岩溶塌陷监测预警的气体指标及参数。
Description
技术领域
本发明涉及模拟岩溶塌陷中气体示踪试验装置，具体涉及模拟土洞型岩溶塌陷的土洞气体示踪试验装置。
背景技术
岩溶塌陷是岩溶区的主要地质灾害之一，其中土洞型岩溶塌陷较为常见。土洞型岩溶塌陷是指在覆盖型岩溶区，由于地下水的潜蚀、溶蚀等作用，使得溶洞、管道裂隙上方的土体发生变形破坏，随着土壤的不断流失，逐渐在土体内形成土洞，并最终在地表形成塌坑的过程和现象。在土洞的形成和发展过程中，由于地下水的运动以及对土壤和岩石的溶解作用，会在土洞内形成和存储一定数量的气体，这些气体随着土洞的不同发展阶段在浓度、成份、通量、地球化学特征等方面均会发生明显变化，并沿着土体裂隙向上迁移，在地面出现异常，利用这点可通过监测土洞气体对岩溶塌陷进行预警预报。在实现监测预警之前，需要遴选用于监测的气体及其指标参数，研究气体渗透率与土体孔隙比、饱和度和含气率之间的依存关系，明确气体在土洞周围土体中的渗透和迁移规律，进而建立地表气体异常特征值与土洞不同发育阶段的对应关系，以上工作需要开展土洞气体示踪试验。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种模拟土洞型岩溶塌陷的土洞气体示踪试验装置。
本发明所述的土洞气体示踪试验装置，包括岩石溶蚀室、土壤淋滤室和土洞模拟室，其中：
所述各室均设置进水管、排水管和排气管，在各进水管、排水管和排气管路径上均设置有阀门和压力表；
所述岩石溶蚀室内设置有用于置放岩石样品的置放架；
所述土壤淋滤室内设置有用于置放土壤样品的台架，在台架的正上方布设有透水石，由进水管进入土壤淋滤室的水先渗透进入透水石才进入土壤淋滤室内部；
所述土洞模拟室包括外部气体示踪箱、设置于外部气体示踪箱内用于置放原状土样的土样置放箱，以及置于土样置放箱内且埋于原状土样中的内部气体示踪箱，其中：
所述外部气体示踪箱为一带盖且可密封的箱体；
所述土样置放箱为一带盖且为可密封的箱体，该箱体具有一个供来水渗透进入其内部的侧面以及供箱体内的水渗透出去的侧面，所述的两个侧面采用透水石制作，两个侧面的高度高于或等于原状土样的高度；
所述内部气体示踪箱的顶部开设有气孔，底部通过进气管与土洞模拟室外部的供气设备连通，在进气管路径上设置有阀门及压力表；
所述土样置放箱上设置有至少一根气体收集管，在气体收集管上设有阀门和压力表；所述气体收集管的进气端伸入土样置放箱中的原状土样内，其排气端与收集气体的设备或容器连接。
上述技术方案中，所述的土样置放箱通过支架设置于外部气体示踪箱内，支架上设置有透水板，土样置放箱置于所述的透水板上，由土样置放箱内渗透出来的水经由透水板滴落于外部气体示踪箱底部。
上述技术方案中，所述的内部气体示踪箱根据土洞的形状进行设计，通常设计成半球形。所述内部气体示踪箱顶部的气孔均匀分布，其大小根据需要进行设置，通常设计成直径为1-3mm的孔。
上述技术方案中，所述土样置放箱上的气体收集管的数量关系取样的均匀性，可根据需要进行设置，通常为3-7个。
上述技术方案中，为方便试验观察，除土样置放箱供来水渗透进入其内部的侧面以及供箱体内的水渗透出去的侧面采用透水石制作外，石溶蚀室、土壤淋滤室和土洞模拟室的其它部分均优选采用透明材质制作。
与现有技术相比，本发明所述的土洞气体示踪试验装置能够模拟土洞型岩溶塌陷，获取土洞发育过程中土体变形破坏与土洞气体运移的定量化对应关系，进一步获取用于土洞型岩溶塌陷监测预警的气体指标及参数。采用本发明所述装置可开展基于土洞气体监测的岩溶塌陷预警预报研究和应用，对丰富完善岩溶塌陷多参数监测预警技术意义重大。
附图说明
图1为本发明所述土洞气体示踪试验装置一种实施方式的结构示意图。
图中标号为：
1进水管，2阀门，3压力表，4置放架，5岩石样品，6岩石溶蚀室，7排气管，8排水管，9支架，10外部气体示踪箱，11透水石，12土样置放箱，13气体收集管，14原状土样，15内部气体示踪箱，16气孔，17透水板，18供气设备，19进气管，20土壤淋滤室，21台架，22土壤样品。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步的详述，以更好地理解本发明。
如图1所示，本发明所述土洞气体示踪试验装置包括岩石溶蚀室6、土壤淋滤室20和土洞模拟室，其中：
所述的石溶蚀室、土壤淋滤室20和土洞模拟室分别设置各自的进水管1、排水管8和排气管7，在各进水管1、排水管8和排气管7的管路路径上均设置有阀门2和压力表3；
所述岩石溶蚀室6内设置有置放架4，岩石样品5置于该置放架4上；
所述土壤淋滤室20内设置有台架21，土壤样品22置放该台架21上，在台架21的正上方布设有透水石11，透水石11的外周壁与土壤淋滤室20的内壁面相互贴合，由进水管1进入土壤淋滤室20的水先渗透进入透水石11才进入土壤淋滤室20内部并进一步滴落于台架21上的土壤样品22上；
所述土洞模拟室包括外部气体示踪箱10、设置于外部气体示踪箱10内用于置放原状土样14的土样置放箱12，以及置于土样置放箱12内且没于原状土样14中的内部气体示踪箱15，其中：
所述外部气体示踪箱10为一带盖且可密封的箱体；
所述土样置放箱12为一带盖且为可密封的箱体，该箱体具有一个供来水渗透进入其内部的侧面以及供箱体内的水渗透出去的侧面，这两个侧面采用透水石11制作，两个侧面的高度高于或等于原状土样14的高度；
所述的土样置放箱12通过支架9设置于外部气体示踪箱10内，支架9上设置有透水板17，土样置放箱12置于所述的透水板17上，由土样置放箱12内渗透出来的水经由透水板17滴落于外部气体示踪箱10底部；
所述内部气体示踪箱15的顶部开设有均匀分布的气孔16，底部通过进气管19与土洞模拟室外部的供气设备18(如氦气钢瓶)连通，在进气管19的管路路径上设置有阀门2及压力表3；由供气设备18通过该进气管19向内部气体示踪箱15中输送一种或多种示踪气体；
所述土样置放箱12上气体收集管13的数量根据需要设置，在本实施方式中，土样置放箱12气体收集管13的数量为3个，在气体收集管13上设有阀门2和压力表3；；所述气体收集管13的进气端伸入土样置放箱12中的原状土样14内，其伸入深度根据需要设置，优选各排气管7分别***原状土样14内部的不同位置的不同深度，这样由气体收集管13所取的气体样本会更具代表性；所述气体收集管13的排气端与收集气体的设备或容器(如L阀气体采样袋)连接，进一步将收集的气体样本进行分析。
上述实施方式中，所述石溶蚀室、土壤淋滤室20外部气体示踪箱10、土样置放箱12均呈方形，所述的内部气体示踪箱15呈半球形，内部气体示踪箱15顶部气孔16的直径为1-3mm。除土样置放箱12供来水渗透进入其内部的侧面以及供箱体内的水渗透出去的侧面采用透水石11制作外，本发明所述装置中石溶蚀室、土壤淋滤室20以及土洞模拟室的其它部分均优选采用透明材质制作。本发明所述装置中的各连接部位需进行气密封和液体密封性检查。
使用本发明所述装置的具体操作如下：
1)试验时，首先获取野外塌陷区的碳酸盐岩样品并进行岩石化学成份分析，然后制作岩石样品5，放入样品盒中，并将样品盒固定于岩石溶蚀室6内的置放架4上。同时获取野外塌陷区的原状土并进行土壤化学成份分析，然后制作标准样(即土壤样品22和原状土样14)，将土壤样品22放入样品盒中，并将样品盒固定在土壤淋滤室20的台架21上，并将原状土样14装入土样置放箱12内。
2)然后通过控制进水管1、排水管8上的阀门2，进行岩石溶蚀、土壤淋滤和渗透变形试验，并通过控制相应排气管7上的阀门2定时采集岩石溶蚀产生的气体、土壤淋滤产生的气体以及原样土样渗透变形产生的气体并进行试验室分析。
3)之后在土体发生变形破坏后的某一特定阶段，按照一定浓度输入一种或多种特殊示踪气体，然后通过土样置放箱12的不同位置的气体收集管13进行定时接收并进行试验室分析。
4)最后通过与岩石溶蚀室6、土壤淋滤室20、土洞模拟室采集的数据进行综合对比分析，研究土洞不同发育阶段土洞气体的浓度、成份、通量、地球化学特征等指标参数，分析气体渗透率与土体孔隙比、饱和度和含气率之间的依存关系，明确气体在土洞周围土体中的渗透和迁移规律，进而建立地表气体异常特征值与土洞不同发育阶段的对应关系。
Claims (3)
1.土洞气体示踪试验装置，包括岩石溶蚀室(6)、土壤淋滤室(20)和土洞模拟室，其特征在于：
所述各室均设置进水管(1)、排水管(8)和排气管(7)，在各进水管(1)、排水管(8)和排气管(7)路径上均设置有阀门(2)和压力表(3)；
所述岩石溶蚀室(6)内设置有用于置放岩石样品(5)的置放架(4)；
所述土壤淋滤室(20)内设置有用于置放土壤样品(22)的台架(21)，在台架(21)的正上方布设有透水石(11)，由进水管(1)进入土壤淋滤室(20)的水先渗透进入透水石(11)才进入土壤淋滤室(20)内部；
所述土洞模拟室包括外部气体示踪箱(10)、设置于外部气体示踪箱(10)内用于置放原状土样(14)的土样置放箱(12)，以及置于土样置放箱(12)内且埋于原状土样(14)中的内部气体示踪箱(15)，其中：
所述外部气体示踪箱(10)为一带盖且可密封的箱体；
所述土样置放箱(12)为一带盖且为可密封的箱体，该箱体具有一个供来水渗透进入其内部的侧面以及供箱体内的水渗透出去的侧面，所述的两个侧面采用透水石(11)制作，两个侧面的高度高于或等于原状土样(14)的高度；
所述内部气体示踪箱(15)的顶部开设有气孔(16)，底部通过进气管(19)与土洞模拟室外部的供气设备(18)连通，在进气管(19)路径上设置有阀门(2)及压力表(3)；
所述土样置放箱(12)上设置有至少一根气体收集管(13)，在气体收集管(13)上设有阀门(2)和压力表(3)；所述气体收集管(13)的进气端伸入土样置放箱(12)中的原状土样(14)内，其排气端与收集气体的设备或容器连接。
2.根据权利要求1所述的土洞气体示踪试验装置，其特征在于：所述的土样置放箱(12)通过支架(9)设置于外部气体示踪箱(10)内，支架(9)上设置有透水板(17)，土样置放箱(12)置于所述的透水板(17)上，由土样置放箱(12)内渗透出来的水经由透水板(17)滴落于外部气体示踪箱(10)底部。
3.根据权利要求1或2所述的土洞气体示踪试验装置，其特征在于：所述的内部气体示踪箱(15)为半球形。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN112309088A (zh) * | 2020-11-09 | 2021-02-02 | 中国地质科学院岩溶地质研究所 | 一种利用土洞气体监测预警岩溶塌陷的装置及工作方法 |
| CN112946778A (zh) * | 2021-01-29 | 2021-06-11 | 中国地质科学院岩溶地质研究所 | 一种基于地下水浑浊度监测预警岩溶塌陷的方法 |
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Cited By (3)
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| CN112946778B (zh) * | 2021-01-29 | 2022-05-03 | 中国地质科学院岩溶地质研究所 | 一种基于地下水浑浊度监测预警岩溶塌陷的方法 |
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