CN110987363B - 一种模拟井水回灌引起含水层顶板变形与破坏的试验*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模拟井水回灌引起含水层顶板变形与破坏的试验***，包括含水层模拟单元、回灌条件控制单元和试验监测单元；含水层模拟单元包括透明模型箱和回灌井管，模型箱内设有含水层和土制顶板，回灌井管***土制顶板并延伸至含水层内；回灌条件控制单元包括悬浮液控制装置和水头调节装置，悬浮液控制装置包括悬浮液控制室和空气压缩机，悬浮液控制室分别连接空气压缩机和回灌井管，水头调节装置包括进、出水水头控制器；试验监测单元包括设置于土制顶板内的多个应变计、以及多个水头高度观测仪。本发明的有益效果：模拟地下回灌水压力过大造成土制顶板被破坏，研究物理堵塞问题、以及堵塞造成的含水层顶板破坏机理。
Description
技术领域
本发明涉及地下水回灌技术领域，尤其涉及一种模拟井水回灌引起含水层顶板变形与破坏的试验***。
背景技术
地下水地热能的开发和利用主要适合于地下水比较丰富的地区，通常采用的是地下水地源热泵***进行开发和利用，由于采用的取热技术的不同可以分为封闭式和开放式两种，封闭式类型是将地埋管埋入地下水当中，不抽取地下水进行热交换；开放式地下水地源热泵***是直接抽取地下水，根据地下水地热能的“取热不取水”利用原则，抽取多少地下水需要进行回灌，防止地下水利用过度造成地下水枯竭，地面塌陷等问题的发生。事实上在地下水回灌的过程中会发生诸多不确定性因素，从而导致回灌效率低下、回灌效果差。
地下水回灌最常见的问题是回灌引起的堵塞问题，按照堵塞方式的不同，可将回灌堵塞分为物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞三种，物理堵塞是由于回灌水中含有大量的悬浮细颗粒，在回灌的过程中附着在含水层中的细小孔隙当中造成堵塞；化学堵塞主要是回灌水中含有大量的金属阳离子，在含水层中发生化学反应从而造成孔隙堵塞；生物堵塞则是由于回灌水中的微生物的滋生导致回灌井附近造成堵塞。含水层堵塞造成的直接结果是导致回灌过程中含水层压力不平衡，压力过大会造成含水层结构发生破坏，在回灌井附近地面产生沉降。
其次地下水回灌过程中由于回灌水压力过大会直接导致隔水顶板的受力不均匀，造成地面发生***破坏，这就增加了地下水源热泵***的使用风险，也增加了热泵后期的运行和维护成本。
准确掌握回灌过程中各种不确定性因素对回灌的影响对指导实际的地下水回灌有着非常大的帮助，一般情况下采用现场测试、数值模拟和室内模型试验三种方式进行研究，现场测试虽然更贴合真实的情况但是需要花费大量的时间和金钱，使用起来并不划算；数值模拟的方式虽然简单，但是模拟出来的情况不能够真实的反应其基本情况，室内模型恰好的结合了二者情况，对于研究工作起到比较大的帮助。
现有阶段对地下水回灌***堵塞的研究较少，其中专利文件CN204831748U公开了一种全自动地下水回灌堵塞实验装置；专利文件CN203905903U公开了一种用于防止地下水回灌堵塞的投药装置；专利文件CN204873911U公开了一种预防气相堵塞的地下水回灌装置。以上所专利主要是针对回灌技术、回灌井的模拟以及回灌堵塞的发明，对于地下水回灌过程中引起的含水层发生的结构变化的试验装置仪器则研究较少。
发明内容
为了研究回灌井中含水层堵塞及回灌压力过大造成含水层隔水顶板发生变形与破坏问题，本发明的实施例提供了一种模拟井水回灌引起含水层顶板变形与破坏的试验***。
本发明的实施例提供一种模拟井水回灌引起含水层顶板变形与破坏的试验***，包括含水层模拟单元、回灌条件控制单元和试验监测单元；
所述含水层模拟单元包括透明模型箱和回灌井管，所述模型箱内底部设有含水层，所述含水层之上设有土制顶板，所述土制顶板包括层叠的多层不同颜色的土层，所述回灌井管***所述土制顶板并延伸至所述含水层内，所述回灌井管位于所述含水层内部分为花管段；
所述回灌条件控制单元包括悬浮液控制装置和水头调节装置，所述悬浮液控制装置包括悬浮液控制室和空气压缩机，所述悬浮液控制室分别连接所述空气压缩机和所述回灌井管，所述悬浮液控制室内存储具有着色颗粒的悬浮液，所述水头调节装置包括分别接入所述含水层的两侧壁的进水水头控制器和出水水头控制器；
所述试验监测单元包括设置于所述土制顶板内的多个应变计、以及多个水头高度观测仪，每一所述水头高度观测仪接入所述含水层内。
进一步地，每一所述水头高度观测仪包括橡胶导管、刻度管和激光测距器，所述橡胶导管一端接入所述模型箱内的含水层，另一端连接所述刻度管下端，所述刻度管上端对准所述激光测距器，所有水头高度观测仪的刻度管均竖直固定于观测板上。
进一步地，还包括数据收集和整理单元，所述数据收集和整理单元包括高速摄像机、计算机、以及分别与所述计算机连接的应变接收器和水头高度接收器，所述高速摄像机设置于所述模型箱的一侧，所述应变接收器分别连接所有应变计，所述水头高度接收器分别连接所有激光测距器。
进一步地，所述模型箱外壁设有多个与所述含水层连通的测试孔，所有测试孔等高设置。
进一步地，所有应变计分别设置于所述土制顶板的各层土层内，且每一土层内多个应变计等高设置，相邻两层土层之间的应变计一一上、下对应。
进一步地，所述悬浮液控制室通过注液导管连接所述回灌井管，所述悬浮液控制室内设有搅拌器，所述注液导管上设有注液阀门和流量计，所述空气压缩机与所述悬浮液控制室之间通过气体导管连接，所述气体导管上设有气体阀门。
进一步地，所述进水水头控制器固定于控制台上，所述进水水头控制器通过进水导管连接所述模型箱并接入含水层，所述出水水头控制器与所述进水水头控制器的布置方式相同。
进一步地，所述模型箱底部设有两向外凸起的缓冲区，两所述缓冲区分别为进水缓冲区和出水缓冲区，所述进水缓冲区一侧邻接所述含水层且二者之间设有进水滤网，所述进水缓冲区的另一侧连接所述进水导管；所述出水缓冲区一侧邻接所述含水层且二者之间设有出水滤网，所述出水缓冲区的另一侧连接出水导管，该出水导管连接所述出水水头控制器。
进一步地，所述回灌井管外壁与所述土制顶板之间设有黏土层，所述回灌井管的花管段外壁与所述含水层之间设有回填滤料。
进一步地，所述模型箱底部设有LED光源。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种模拟井水回灌引起含水层顶板变形与破坏的试验***，在模型箱内设置含水层、土制顶板和回灌井管，模拟地下水回灌过程，通过悬浮液控制装置控制回灌井管内回灌水中的悬浮液浓度研究地下水回灌的物理堵塞问题，同时可以研究回灌堵塞造成的含水层顶板破坏机理；还可以通过进水水头控制器和出水水头控制器控制含水层回灌压力，用以研究回灌过程的压力大小对于含水层顶板的变形与破坏机理；另外通过高速摄像机记录含水层的实际变化用，将土制顶板的受力变形情况采用应变计监测，采用水头高度控制仪记录含水层不同位置的水头高度，从而研究回灌过程中顶板破坏时的渗透、应变、变形，将三者结合起来进行研究，更加有意义。
附图说明
图1是本发明一种模拟井水回灌引起含水层顶板变形与破坏的试验***的示意图；
图2是图1中含水层模拟单元的示意图。
图中：1-搅拌器、2-气体阀门、3-气体导管、4空气压缩机、5-悬浮液控制室、6-注液阀门、7-流量计、8-注液导管、9-回灌井管、10-应变计、11-模型箱、12-土制顶板、13-进水滤网、14-进水缓冲区、15-进水水头控制器、16-进水导管、17-进水水头控制台、18-底座、19-LED光源、20-测试孔、21-含水层、22-出水缓冲区、23-出水滤网、24-出水水头控制器、25-出水导管、26-控制台、27-橡胶导管、28-观测板、29-刻度管、30-激光测距器、31-水头高度接收器、32-应变接收器、33-高速摄像机、34-计算机、35-花管段、36-回填滤料、37-黏土层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种模拟井水回灌引起含水层顶板变形与破坏的试验***，包括含水层模拟单元、回灌条件控制单元、试验监测单元和数据收集和整理单元；
所述含水层模拟单元包括透明模型箱11和回灌井管9，所述模型箱11固定于底座18上，其内部用于容纳含水层21和土制顶板12，其中所述含水层21设置于所述模型箱11内底部，所述土制顶板12堆叠与所述含水层21之上。所述土制顶板12包括层叠的多层不同颜色的土层便于观察观察所述土制顶板12在试验过程中的变化。所述模型箱11底部还设有LED光源19，所述LED光源固定于所述底座18上，用于增加所述含水层21的可见度。
所述模型箱11底部设有两向外凸起的缓冲区，两所述缓冲区具体为为进水缓冲区14和出水缓冲区22，分别设置所述模型箱11的相对两侧。且所述进水缓冲区14靠内一侧邻接所述含水层21且二者之间设有进水滤网13，所述进水滤网13阻挡所述含水层21内颗粒向所述进水缓冲区14渗透；所述出水缓冲区22靠内一侧邻接所述含水层21且二者之间设有出水滤网23，所述出水滤网23阻挡所述含水层21内颗粒向所述出水缓冲区22渗透。
所述回灌井管9***所述土制顶板12并延伸至所述含水层21内，所述回灌井管9位于所述含水层21内部分为花管段35。本实施例中所述回灌井管9为有机玻璃管，所述回灌井管9在含水层21内部分均匀钻孔形成所述花管段35，钻孔大小小于所述含水层21中的颗粒大小。所述回灌井管9外壁与所述土制顶板12之间设有黏土层37，所述回灌井管9的花管段35外壁与所述含水层21之间设有回填滤料36。黏土层37填充所述回灌井管9外壁与所述土制顶板12之间间隙，回填滤料36填充所述回灌井管9的花管段35外壁与所述含水层21之间间隙，可以防止所述土制顶板12塌陷。
所述回灌条件控制单元包括悬浮液控制装置和水头调节装置，所述悬浮液控制装置包括悬浮液控制室5和空气压缩机4，所述悬浮液控制室5分别连接所述空气压缩机4和所述回灌井管9。具体的，所述悬浮液控制室5通过注液导管8连接所述回灌井管9，所述悬浮液控制室5用于向所述回灌井管9内输入悬浮液，所述悬浮液控制室5内设有搅拌器1，通过搅拌器1对所述悬浮液控制室5内的悬浮液进行搅拌，防止悬浮液内的颗粒沉淀。所述注液导管8上设有注液阀门6和流量计7，用以控制悬浮液流速和监测悬浮液流量。所述空气压缩机4与所述悬浮液控制室5之间通过气体导管3连接，所述气体导管3上设有气体阀门2，所述空气压缩机4用于控制注入所述回灌井管9内的悬浮液的压力大小，所述气体阀门2用于控制气体流入量的大小。
关于所述悬浮液控制室5内的悬浮液中悬浮颗粒选择有颜色的着色细小颗粒，在所述含水层21中可以通过着色颗粒的位置判断所述含水层21是否堵塞。
所述水头调节装置包括分别接入所述含水层21的两侧壁的进水水头控制器15和出水水头控制器24，所述进水水头控制器15用于控制所述含水层21进水侧的水头高度，所述出水水头控制器24用于控制所述含水层21出水侧的水头高度。所述进水水头控制器15固定于控制台17上，所述进水水头控制器15通过进水导管16连接所述模型箱11并接入含水层21。具体的，所述进水导管16一端连接所述进水水头控制器15，另一端连接所述进水缓冲区14外侧。
所述出水水头控制器24与所述进水水头控制器15的布置方式相同。即，所述出水水头控制器24设置于另一控制台26上，所述出水水头控制器24通过出水导管25连接所述模型箱11并接入含水层21。且所述出水导管25一端连接所述出水水头控制器24，另一端连接所述出水缓冲区22外侧。
所述试验监测单元包括设置于所述土制顶板12内的多个应变计10、以及多个水头高度观测仪，每一所述水头高度观测仪接入所述含水层21内。
具体的，每一所述水头高度观测仪包括橡胶导管27、刻度管29和激光测距器30，所述橡胶导管27一端接入所述模型箱11内的含水层21，另一端连接所述刻度管29下端，所述刻度管29上端对准所述激光测距器30，所有水头高度观测仪的刻度管29均竖直固定于观测板28上。这里在所述模型箱11外壁开设测试孔20，所述橡胶导管27连接测试孔20，从而与所述含水层21连通，所述激光测距器30用于测量刻度管29的水头高度，所述刻度管29内水头高度即代表所述含水层21内水头高度。
本实施例中，关于所述应变计10和所述测试孔20位置的设置为：所有应变计10分别设置于所述土制顶板12的各层土层内，所述应变计10用于监测不同深度土制顶板12的应变变化情况，且每一土层内多个应变计10等高设置，相邻两层土层之间的应变计10一一上、下对应，对比分析不同深度土制顶板12的应变变化。所有测试孔20等高设置，用以测量所述含水层21同一高度不同间距的四处水头变化情况。
所述数据收集和整理单元包括高速摄像机33、计算机34、以及分别与所述计算机34连接的应变接收器32和水头高度接收器31，所述高速摄像机33设置于所述模型箱11的一侧，实时拍摄含水层21变化情况。所述应变接收器32分别连接所有应变计10，所述应边接收器32用于实时接收所述土制顶板12中的应变情况；所述水头高度接收器31分别连接所有激光测距器30，所述水头高度接收器31用于接收含水层21中的水头变化情况。所述计算机34用于快速处理和储存试验所述应变计10和所述激光测距器31的测量数据。
本发明的一种模拟井水回灌引起含水层顶板变形与破坏的试验***的具体使用方法为：
(1)按照试验要求制作多种颜色的土层作为土制顶板12的土样以备用，同时制作含水层21的土样；
(2)检验试验***的气密性，防止在实验过程中发生漏气漏水等情况，并关闭所有阀门；
(3)将制作好的土制顶板12及含水层土样安装在模型箱11内，同时为了防止含水层21中的水从模型箱11内溢出，在安置土制顶板12时在所述土制顶板12边缘涂抹凡士林；
(4)通过进水水头控制器15控制好预定的水头高度并打开进水水头控制器15的阀门，使水从进水水头控制器15内流入到含水层21土样当中，直至含水层21土样内达到完全饱和的状态；
(5)向悬浮液控制室5内加入一定浓度的悬浮着色颗粒，并打开搅拌器1防止静止状态下悬浮颗粒发生沉淀，同时打开空气压缩机4设置悬浮液控制室5内的压力大小；
(6)打开所有阀门，通过所述高速摄像机33实时拍摄含水层21变化情况，通过应力计10监测所述土制顶板12中的应变情况，通过所述激光测距器30监测含水层21中的水头变化情况，根据试验情况，数据采集的频率也采用先密后疏的方式；
(7)通过计算机34记录的数据和采集的图像进行分析研究。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种模拟井水回灌引起含水层顶板变形与破坏的试验***，其特征在于：包括含水层模拟单元、回灌条件控制单元和试验监测单元；
所述含水层模拟单元包括透明模型箱和回灌井管，所述模型箱内底部设有含水层，所述含水层之上设有土制顶板，所述土制顶板包括层叠的多层不同颜色的土层，所述回灌井管***所述土制顶板并延伸至所述含水层内，所述回灌井管位于所述含水层内部分为花管段；
所述回灌条件控制单元包括悬浮液控制装置和水头调节装置，所述悬浮液控制装置包括悬浮液控制室和空气压缩机，所述悬浮液控制室分别连接所述空气压缩机和所述回灌井管，所述悬浮液控制室内存储具有着色颗粒的悬浮液，所述水头调节装置包括分别接入所述含水层的两侧壁的进水水头控制器和出水水头控制器；
所述试验监测单元包括设置于所述土制顶板内的多个应变计、以及多个水头高度观测仪，每一所述水头高度观测仪接入所述含水层内；
所述悬浮液控制室通过注液导管连接所述回灌井管，所述悬浮液控制室内设有搅拌器，所述注液导管上设有注液阀门和流量计，所述空气压缩机与所述悬浮液控制室之间通过气体导管连接，所述气体导管上设有气体阀门；
所述进水水头控制器固定于控制台上，所述进水水头控制器通过进水导管连接所述模型箱并接入含水层，所述出水水头控制器与所述进水水头控制器的布置方式相同。
2.如权利要求1所述的一种模拟井水回灌引起含水层顶板变形与破坏的试验***，其特征在于：每一所述水头高度观测仪包括橡胶导管、刻度管和激光测距器，所述橡胶导管一端接入所述模型箱内的含水层，另一端连接所述刻度管下端，所述刻度管上端对准所述激光测距器，所有水头高度观测仪的刻度管均竖直固定于观测板上。
3.如权利要求2所述的一种模拟井水回灌引起含水层顶板变形与破坏的试验***，其特征在于：还包括数据收集和整理单元，所述数据收集和整理单元包括高速摄像机、计算机、以及分别与所述计算机连接的应变接收器和水头高度接收器，所述高速摄像机设置于所述模型箱的一侧，所述应变接收器分别连接所有应变计，所述水头高度接收器分别连接所有激光测距器。
4.如权利要求2所述的一种模拟井水回灌引起含水层顶板变形与破坏的试验***，其特征在于：所述模型箱外壁设有多个与所述含水层连通的测试孔，所有测试孔等高设置。
5.如权利要求1所述的一种模拟井水回灌引起含水层顶板变形与破坏的试验***，其特征在于：所有应变计分别设置于所述土制顶板的各层土层内，且每一土层内多个应变计等高设置，相邻两层土层之间的应变计一一上、下对应。
6.如权利要求5所述的一种模拟井水回灌引起含水层顶板变形与破坏的试验***，其特征在于：所述模型箱底部设有两向外凸起的缓冲区，两所述缓冲区分别为进水缓冲区和出水缓冲区，所述进水缓冲区一侧邻接所述含水层且二者之间设有进水滤网，所述进水缓冲区的另一侧连接所述进水导管；所述出水缓冲区一侧邻接所述含水层且二者之间设有出水滤网，所述出水缓冲区的另一侧连接出水导管，该出水导管连接所述出水水头控制器。
7.如权利要求1所述的一种模拟井水回灌引起含水层顶板变形与破坏的试验***，其特征在于：所述回灌井管外壁与所述土制顶板之间设有黏土层，所述回灌井管的花管段外壁与所述含水层之间设有回填滤料。
8.如权利要求1所述的一种模拟井水回灌引起含水层顶板变形与破坏的试验***，其特征在于：所述模型箱底部设有LED光源。
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