CN217466602U - 基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置，槽体呈朝上开口设置，用于存放渗流颗粒，槽体侧壁和/或底壁贯穿设有多个测压孔；多个河槽位于槽体***，与槽体连通，至少一河槽底部设有出水口；井管下端呈封堵设置，安装于槽体内以模拟监测井，井管贯穿设有多个进水孔；流速流向监测仪的探头伸入至井管内，用于测量井管内水流的流向和流速；测压板的测压管与测压孔分别通过连接管连接，流量计量单元用于测量槽体内稳定流的流量。本实用新型的有益效果是：可探究所测流速与槽体内孔隙含水层渗透流速的关系，利用达西公式等，获得多因素条件下计算孔隙含水层渗透系数的方法。
Description
技术领域
本实用新型涉及物理模拟实验装置技术领域，尤其涉及基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置。
背景技术
目前在地下水动力学参数的测量中，含水层的渗透系数是一项重要的水文地质参数，在计算井出水量、水库渗漏量、地下水水资源评价以及地下水污染防治中有着重要意义。利用室内试验法和野外试验法均可获取水文地质参数，其中，室内试验法是在室内应用达西定理等求得野外原状土渗透系数，而野外试验法主要是利用抽水法和压水法求得含水层的渗透系数，所述的抽/压水法主要有定流量抽/压水法、定降深抽/压水法等，其中，定流量抽/压水法是以固定流量抽取测井中的水体(也即定流量往测井中注入水体)，使含水层与测井间的水流运动达到稳态，根据稳态情况的流量与降深关系获取含水层的渗透系数；而定降深抽/压水法是通过抽/压水使测井内的水位降深保持不变，根据流量与降深的关系求得含水层的渗透系数，抽水试验、压水试验操作不易且比较耗费时间。
实用新型内容
有鉴于此，为解决上述问题，本实用新型的实施例提供了基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置。
本实用新型的实施例提供基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置，包括槽体、多个河槽、至少一个井管、流速流向监测仪、测压板以及流量计量单元；
所述槽体呈朝上开口设置，用于存放渗流颗粒，所述槽体侧壁和/或底壁贯穿设有多个测压孔；多个所述河槽位于所述槽体***，与所述槽体连通，至少一所述河槽底部设有出水口；所述井管下端呈封堵设置，安装于所述槽体内以模拟监测井，所述井管贯穿设有多个进水孔；所述流速流向监测仪的探头伸入至所述井管内，用于测量所述井管内水流的流向和流速；所述测压板的测压管与所述测压孔分别通过连接管连接，所述流量计量单元用于测量所述槽体内稳定流的流量。
进一步地，所述基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置还包括多个溢水结构，每一所述河槽对应设有一所述溢水结构，所述溢水结构包括：
水箱，所述水箱底部与河槽底部通过连接管连接；以及，
驱动机构，驱动所述水箱上下移动。
进一步地，所述驱动机构包括驱动电机和直线丝杆滑台，所述水箱安装于所述直线丝杆滑台上，所述驱动电机驱动所述直线丝杆滑台的丝杆旋转。
进一步地，还包括基座，所述槽体、河槽和溢水结构固定于所述基座上，所述基座底部设有万向轮。
进一步地，所述流量计量单元包括量筒和计时器，所述水箱内设有隔水板使所述水箱内形成储水室和排水室，所述连接管与所述储水室连通，所述排水室底部与排水管连通，所述排水管的出水端与所述量筒相对，将水排至所述量筒内，所述计时器用于记录排水时间。
进一步地，所述河槽设有两个，分别位于所述槽体相对的两侧，所述槽体内固定有第一分隔板以将所述槽体内分隔为两个均与两个所述河槽连通的腔室，所述井管安装于其中一所述腔室内；
其中一所述河槽设有与所述第一分隔板相对的第二分隔板，形成两个隔断且分别与两个腔室连通的子河槽，与该河槽连通的水箱设有两个，两个所述水箱与两个所述子河槽一一连通。
进一步地，所述井管设有多个，间隔安装于其中一所述腔室内。
进一步地，所述槽体底壁固定有卡槽，所述井管插设于所述卡槽内。
进一步地，所述卡槽设有多个且直径不同，多个所述卡槽沿径向依次套设形成卡槽组件，所述井管设有多个且直径不同，与不同直径的所述卡槽相适配。
进一步地，所述卡槽组件具有多组，间隔安装于所述槽体底壁。
本实用新型的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过设置有槽体和井管，以槽体内渗流颗粒流动的渗透流速模拟野外工区含水层地下水渗透流速，以井管内测点的流速分量模拟野外工区钻孔内地下水流速，从而可计算出槽体内渗流颗粒的渗透流速与测点流速分量的比值λ，即野外工区含水层地下水渗透流速与野外工区钻孔内地下水流速的转换系数。将通过室内实验计算得到的转换系数可应用至野外工区部分，可计算出工区内含水层的渗透系数。通过利用地下水流速流向仪快捷求取含水层渗透系数，解决了传统的抽水试验、压水试验操作不易且比较耗费时间的缺点，同时可适用于任意工况条件。
附图说明
图1是本实用新型提供的基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置一实施例的结构示意图；
图2是图1中基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置的侧视图；
图3是图1中基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置的俯视图。
图中：槽体1、测压孔1a、第一分隔板1b、河槽2、子河槽2a、井管3、流速流向监测仪4、溢水结构5、水箱51、储水室51a、排水室51b、丝杆 52、连接管6、基座7、万向轮8、量筒9、排水管10、隔水板11、第二分隔板12、卡槽13、供水管14。
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，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。
请参见图1至图3，所述基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置包括槽体1、多个河槽2、至少一个井管3、流速流向监测仪4、测压板以及流量计量单元。
槽体1呈朝上开口设置，用于存放渗流颗粒，渗流颗粒可以为渗流颗粒，具体为石英砂，槽体1的长度方向为正南北方向，所述槽体1侧壁和/ 或底壁贯穿设有多个测压孔1a，具体地，槽体1相对的侧壁并列设有多组测压孔1a，每组测压孔1a沿垂直断面竖直设置为九个。多个河槽2位于所述槽体1***，与所述槽体1连通，通过所述河槽2向所述槽体1注入水，至少一所述河槽2底部设有出水口。水在渗流颗粒的孔隙中流动，各河槽2 底部均设有出水口，通过向不同的河槽2内注入水，可改变渗流颗粒内水流的流向，所述河槽2侧壁上设有刻度标尺。
井管3下端呈封堵设置，安装于所述槽体1内以模拟监测井，所述井管3贯穿设有多个进水孔，井管3为PVC材质；流速流向监测仪4的探头伸入至所述井管3内，用于测量所述井管3内水流的流向和流速，具体地，采用国产G.O.Sensor新型智能化地下水流速流向监测仪，该仪器由高分辨率监测屏、电缆、数据采集探头组成，通过探头对井管3内水中胶质颗粒运移的观测来计算井管3内水流速和流向。测压板的测压管与所述测压孔 1a分别通过连接软管连接，所述测压板的测压管为透明石英管，所述连接软管为透明硅胶软管，测压板采用竖立可移动黑板，每个测压孔1a内均装有可防止均匀砂堵塞的砂帽，所述流量计量单元用于测量所述槽体1内稳定流的流量。
进一步地，基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置还包括多个溢水结构5，每一所述河槽2对应设有一所述溢水结构5，所述溢水结构5包括水箱51以及驱动机构。水箱51底部与河槽2底部通过连接管6连接；驱动机构驱动所述水箱51上下移动。由于水箱51与河槽2连通，通过驱动机构驱动水箱51上下移动控制水箱51的高度，可精确控制河槽2的水位，设定所需的水力梯度。
具体地，所述驱动机构包括驱动电机和直线丝杆滑台，所述水箱51安装于所述直线丝杆滑台上，所述驱动电机驱动所述直线丝杆滑台的丝杆52 旋转，直线丝杆滑台可为水箱51的上下移动提供导向作用。其他实施例中，驱动机构可以为气缸、液压油缸等，水箱51固定于气缸、液压油缸的活塞杆上。所述直线丝杆滑台的丝杆52上设有刻度标尺，便于读取水箱51的高度。
为了提高整个装置的集成度，所述槽体1、河槽2和溢水结构5固定于基座7上，基座7由不锈钢钢条焊制而成，所述基座7底部设有万向轮8，可便于装置的移动。
所述流量计量单元包括量筒9和计时器，所述水箱51底部连接有排水管10，所述水箱51内设有隔水板11使所述水箱51内形成储水室51a和排水室51b，所述连接管6与所述储水室51a连通，可以直接向储水室51a内加水，储水室51a也可以通过供水管14与外部供水装置连接，所述排水管 10与所述排水室51b连通，所述排水管10的出水端与量筒9相对，将水排至所述量筒9内，所述计时器用于记录排水时间。通过量筒9测量预设时间Δt内槽体1中水流出的体积V，利用体积法计算槽体1稳定流的流量Q， Q＝V/Δt，V为Δt时间内流出水的体积，操作方便，其他实施例中，也可以采用流量计测量。
进一步地，所述河槽2设有两个，分别位于所述槽体1相对的两侧，其中一个河槽2为进水端河槽，另一个河槽2为出水端河槽，进水端河槽的水通过槽体1从出水端河槽流出，所述槽体1内固定有第一分隔板1b以将所述槽体1内分隔为两个均与两个所述河槽2连通的腔室，所述井管3 安装于其中一所述腔室内。其中一所述河槽2设有与所述第一分隔板1b相对的第二分隔板12，形成两个隔断且分别与两个腔室连通的子河槽2a，与该河槽2连通的水箱51设有两个，两个水箱51与两个子河槽2a一一连通。具体地，第一分隔板1b可拆卸安装于槽体1内，将槽体1一分为二，其中一腔室安装有井管3模拟监测井，另一腔室未安装井管3，可同时模拟天然流场和钻孔干扰流场两种不同情形下含水层潜水流动情况。为了便于观察，所述槽体1、河槽2、第一分隔板1b、水箱51、第二分隔板12的材质为透明材质，可以为有机玻璃、亚克力板。槽体1侧壁和第一分隔板1b用有机玻璃加强筋加固，增大相邻玻璃体之间的接触面积，使得槽体1的强度更高。
槽体1长150cm、宽100cm、高100cm，槽体1采用20mm厚的透明有机玻璃板粘接，河槽2长10cm、宽100cm、高100cm。所述井管3设有多个，间隔安装于其中一所述腔室内，可模拟多个监测井的情况。具体地，井管3可拆卸安装于槽体1内，本实施例中，所述槽体1底壁固定有卡槽 13，所述井管3插设于所述卡槽13内，安装方便。其他实施例中，井管3 可通过螺纹连接、卡扣连接的方式。
所述卡槽13设有多个且直径不同，多个所述卡槽13沿径向依次套设形成卡槽组件，所述井管3具有多个且直径不同，与不同直径的所述卡槽 13相适配，通过改变井管3的直径进行试验，探究不同孔径条件下所测流速与槽体1内孔隙含水层渗透流速的关系。井管3包括圆孔花管、竖槽花管、平槽花管等。所述卡槽组件具有多组，间隔安装于所述槽体1底壁，便于将井管3安装于槽体1内的不同位置。本实施例中，井管3为圆孔花管，卡槽13可放置外径为63mm、75mm、110mm的井管3，高度为1m，管壁外侧使用较细纱网包裹，防止砂大量进入井管3内。
具体地，利用上述基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置，求取孔隙含水层渗透系数的方法，包括以下步骤：
S1、计算槽体1内渗流颗粒的渗透流速Vi；
S1.1、利用流量计量单元测量槽体1稳定流的流量Q，具体地，通过量筒9测量预设时间Δt内槽体1中水流出的体积V体，利用体积法计算槽体 1稳定流的流量Q，Q＝V体/Δt，V体为Δt时间内流出水的体积，也可以直接通过流量计测量。
根据无入渗补给潜水剖面二维流动公式：Q＝(K(h1 2-h2 2)/2L)*B，得到槽体1内渗流颗粒的渗透系数K的表达式为：
式中，Q为槽体1稳定流的流量，L为槽体1的长度，B为槽体1的宽度，h1为进水端河槽2水位高度，h2为出水端河槽2水位高度。
S1.2、根据达西公式Q＝KIA以及Q＝VA，可得到V＝KI，根据V＝KI，根据测压板测量数据计算井管3内第i个测点的水力梯度Ii，计算得到槽体 1内渗流颗粒的渗透流速Vi的表达式为：
具体地，选取位于井管3在槽体1地下水的水平流向两侧的测压孔1a (测压孔1a可以是槽体1底壁的测压孔1a，也可以是槽体1侧壁的测压孔 1a)，读取与该测压孔1a相连接的测压管内的水位，测量该测压孔1a之间的距离，可计算得到该井管3内的水力梯度Ii。
S2、利用流速流向监测仪4测量井管3内各测点的流速和流向，根据槽体1中地下水的真实水平流向、各测点内地下水的流速和流向，第i个测点地下水流速在槽体1中地下水水平流向上的流速分量vi的表达式为：
式中：Si为利用流速流向监测仪4测得的井管3内第i个测点地下水流速，αi为第i个测点地下水流向，β为槽体1中地下水的真实水平流向，γi为第i个测点地下水实际流向与水平方向的夹角；
则槽体1内渗流颗粒的渗透流速与测点流速分量的比值λ的公式为：
式中：n为测点的总数，Ii为井管3中第i个测点的水力梯度，vi为第i 个测点地下水流速在槽体1中地下水水平流向上的流速分量，Q为槽体1 稳定流的流量，L为槽体1的长度，B为槽体1的宽度，h1为进水口端水箱 51水位高度，h2为出水口端水箱51水位高度；
S3、在工区沿地下水流运移方向布设至少一个钻孔，利用地下水流速流向仪测得每个钻孔内的地下水流速S工j，根据
V工j＝λv工j，得到
式中，V工j为第j个钻孔地下水流速在工区地下水流水平流向上的流速分量，λ为槽体1内渗流颗粒的渗透流速与测点流速分量的比值，α工j为第 j个钻孔内流速流向仪测的地下水流向，β工为工区内地下水的真实水平流向，γ工j为第j个钻孔内地下水实际流向与水平方向的夹角；
根据K＝V/I，得到第j个钻孔内的地下水流速计算含水层的渗流系数的公式为：
则工区内渗透系数K真为工区内多个钻孔计算的渗透系数K工j的平均值，表达式为：
式中：I为工区内地下水的平均水力梯度，λ为槽体1内渗流颗粒的渗透流速与测点流速分量的比值，α工j为第j个钻孔内流速流向仪测的地下水流向，β工为工区内地下水的真实水平流向，γ工j为第j个钻孔内地下水实际流向与水平方向的夹角，K工j为工区中第j个钻孔内利用测量的地下水流速流向所求得的渗透系数，K真为工区内含水层的渗透系数。
向槽体1中填充均匀的渗流颗粒，向河槽2内供水，河槽2内的水流入槽体1内，通过测压孔1a和连接管6流入测压管内，采取反复饱水的方式排出槽体1和测压管内存在的空气。槽体1内安装有井管3可模拟实际孔隙含水层内地下水监测井布置情形，将流速流向监测仪4的探头放置于井管3内，可监测井管3内地下水流速流向，通过流速流向监测仪4的监测屏可读取井管3内地下水流速流向数据。槽体1侧壁和底壁设有多个测压孔1a，测压孔1a的密集程度可根据需要设置，可精确刻画槽体1内含水层潜水剖面二维流动的流场，通过测压板监测的数据可计算出井管3内探头所处位置的水力梯度。通过改变水力梯度、均匀砂粒径、井管3特征等条件，可探究所测流速与槽体1内孔隙含水层渗透流速的关系，利用达西公式等，获得多因素条件下计算孔隙含水层渗透系数的方法。
具体地，当工区范围小于预设范围时，该预设范围为1平方公里，具体范围取值依据工区实际情况而设定，工区尺度较小时，地下水的水力梯度和流向稳定，测量工区上游钻孔水位H1、下游钻孔水位H2、上游钻孔和下游钻孔之间的距离L，上游钻孔和下游钻孔分别位于上述n个钻孔的上下游，工区内地下水的平均水力梯度
适用于各钻孔的水力梯度，则
当工区尺度较小时，地下水的水力梯度和流向稳定，钻孔可仅设有一个，地下水流线基本水平，即γ接近于0，j＝1；
则
在室内实验部分，通过室内实验计算槽体1内渗流颗粒的渗透流速、井管3内测点的流速分量，以槽体1内渗流颗粒流动的渗透流速模拟野外工区含水层地下水渗透流速，以井管3内测点的流速分量模拟野外工区钻孔内地下水流速，从而计算出槽体1内渗流颗粒的渗透流速与测点流速分量的比值λ，即野外工区含水层地下水渗透流速与野外工区钻孔内地下水流速的转换系数。在野外工区部分，通过地下水流速流向仪测量钻孔内的地下水流速，计算出钻孔内地下水流速在工区地下水流水平流向上的流速分量，从而可计算出工区内含水层的渗透系数。利用地下水流速流向仪快捷求取含水层渗透系数，解决了传统的抽水试验、压水试验操作不易且比较耗费时间的缺点，同时可适用于任意工况条件。
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。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置，其特征在于，包括槽体、多个河槽、至少一个井管、流速流向监测仪、测压板以及流量计量单元；
所述槽体呈朝上开口设置，用于存放渗流颗粒，所述槽体侧壁和/或底壁贯穿设有多个测压孔；多个所述河槽位于所述槽体***，与所述槽体连通，至少一所述河槽底部设有出水口；所述井管下端呈封堵设置，安装于所述槽体内以模拟监测井，所述井管贯穿设有多个进水孔；所述流速流向监测仪的探头伸入至所述井管内，用于测量所述井管内水流的流向和流速；所述测压板的测压管与所述测压孔分别通过连接管连接，所述流量计量单元用于测量所述槽体内稳定流的流量。
2.如权利要求1所述的基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置，其特征在于，所述基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置还包括多个溢水结构，每一所述河槽对应设有一所述溢水结构，所述溢水结构包括：
水箱，所述水箱底部与河槽底部通过连接管连接；以及，
驱动机构，驱动所述水箱上下移动。
3.如权利要求2所述的基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置，其特征在于，所述驱动机构包括驱动电机和直线丝杆滑台，所述水箱安装于所述直线丝杆滑台上，所述驱动电机驱动所述直线丝杆滑台的丝杆旋转。
4.如权利要求1所述的基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置，其特征在于，还包括基座，所述槽体、河槽和溢水结构固定于所述基座上，所述基座底部设有万向轮。
5.如权利要求2所述的基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置，其特征在于，所述流量计量单元包括量筒和计时器，所述水箱内设有隔水板使所述水箱内形成储水室和排水室，所述连接管与所述储水室连通，所述排水室底部与排水管连通，所述排水管的出水端与所述量筒相对，将水排至所述量筒内，所述计时器用于记录排水时间。
6.如权利要求1所述的基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置，其特征在于，所述河槽设有两个，分别位于所述槽体相对的两侧，所述槽体内固定有第一分隔板以将所述槽体内分隔为两个均与两个所述河槽连通的腔室，所述井管安装于其中一所述腔室内；
其中一所述河槽设有与所述第一分隔板相对的第二分隔板，形成两个隔断且分别与两个腔室连通的子河槽，与该河槽连通的水箱设有两个，两个所述水箱与两个所述子河槽一一连通。
7.如权利要求6所述的基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置，其特征在于，所述井管设有多个，间隔安装于其中一所述腔室内。
8.如权利要求7所述的基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置，其特征在于，所述槽体底壁固定有卡槽，所述井管插设于所述卡槽内。
9.如权利要求8所述的基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置，其特征在于，所述卡槽设有多个且直径不同，多个所述卡槽沿径向依次套设形成卡槽组件，所述井管设有多个且直径不同，与不同直径的所述卡槽相适配。
10.如权利要求9所述的基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置，其特征在于，所述卡槽组件具有多组，间隔安装于所述槽体底壁。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202220685456.6U CN217466602U (zh) | 2022-03-28 | 2022-03-28 | 基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置 |
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| CN217466602U true CN217466602U (zh) | 2022-09-20 |
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| CN (1) | CN217466602U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114965205A (zh) * | 2022-03-28 | 2022-08-30 | 中国地质大学（武汉） | 一种基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的方法 |
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2022
- 2022-03-28 CN CN202220685456.6U patent/CN217466602U/zh not_active Expired - Fee Related
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