一种模拟多年冻土区水井保温或加热的试验装置

摘要

本发明涉及一种可模拟多年冻土区水井保温或加热的试验装置，其特征是试验罐是由外圈、内圈、顶板和底板构成圆形夹层桶体，夹层内填充土体，顶板和底板内部开有冷冻液循环通道，与制冷控温装置相连，并与土体接触；水罐内装水，置于试验罐内，水罐和试验罐间放置保温桶，水罐上下放置保温盖，补水装置通过补水管与水罐底板相连，补水管上有水压表，抽水装置通过抽水管与水罐顶盖相连，抽水管插入水罐水中，抽水管上有流速计，加热控温装置通过导线与加热管相连，加热管插入水罐水中；土体内和水罐水中设置温度传感器，分别与数采仪相连。本发明模拟冻土区水井，得到合理的水井直径、抽水速度、保温层厚度、加热装置的功率。达到节能、环保的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可模拟多年冻土区水井保温或加热的试验装置。

 

背景技术

在多年冻土区进行工程建设或生活时,必须提供水，但这些地区常年处于冻结状态，尤其到冬天，到处冰天雪地，很难找到未冻结的水源。幸运的是，在一定厚度（几米到上百米）的多年冻土层以下可能存在未冻水，称为冻结层下水，通过打井抽水，可以提供水源。然而，仍存在一些问题需要解决。冻结层下水本来是未冻结的，抽水过程中经过多年冻土层时，会与冻土层发生热交换，温度降低，从而可能发生冻结，使水抽不出来。因此需要采取一定的措施，例如在水井周围加保温层或者在水井里面放置加热装置，以保证水井里面的水不完全冻结。水井里的水发生冻结的可能性与现场的水文地质条件及采取的措施有关，如多年冻土层的厚度和温度、冻结层下水的水压、水井直径、抽水量、抽水速度、保温层的厚度、加热装置的功率等。另外，在多年冻土地区，能源非常宝贵，对水井采取措施时还要考虑节能的要求。

打井前需要进行模拟试验，根据现场的水文地质条件，研究得到合理的水井直径、抽水速度、保温层厚度、加热装置功率等。因此，寻找一种能够模拟多年冻土区水井抽水过程、并设置保温或加热装置的模型试验装置十分必要，也是科技人员、工程技术人员亟待解决的问题。

 

发明内容

针对多年冻土区打井抽水的实际工程问题，本发明的目的旨在提供一种可模拟多年冻土区水井保温或加热的试验装置。装置中，土体材料装在试验罐内，与制冷控温装置连接的试验罐底板和顶板与土体接触，使土体降温，从而模拟野外的多年冻土场地。水罐放置在试验罐内部，并与补水装置和抽水装置相连，模拟水井的抽水过程。根据试验需要，在水罐外部设置保温桶或在水罐内放置加热管，模拟水井在抽水过程中采取的保温或加热措施。

本发明的目的是这样实现的：

一种可模拟多年冻土区水井保温或加热的试验装置，含试样罐外圈、试验罐内圈、试验罐顶板、试验罐底板、冷冻液循环通道、第一制冷控温装置、第二制冷控温装置、土体、水罐、保温桶、保温盖、补水管、补水装置、水压表、抽水管、抽水装置、流速计、加热管、加热控温装置、第一温度传感器和第二温度传感器、数据采集仪。试验罐是由试样罐外圈、试样罐内圈、试样罐顶板和试样罐底板构成的一个圆形夹层桶体，夹层内填充土体，试验罐顶板和试样罐底板内部开有冷冻液循环通道，并分别与第一制冷控温装置和第二制冷控温装置相连，试样罐顶板和试样罐底板都与土体接触；水罐是一个密封的整体，水罐里面装水，水罐放置在试样罐内圈里面，水罐和试样罐内圈之间放置保温桶，水罐上下放置保温盖，补水装置通过补水管与水罐底板相连，补水管上设置水压表，抽水装置通过抽水管与水罐顶盖相连，抽水管插入水罐里的水中，抽水管上设置流速计，加热控温装置通过导线与加热管相连，加热管插入水罐里的水中；土体内不同位置设置第一温度传感器，水罐里的水中设置第二温度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器分别与数据采集仪相连，监测土体的温度和水的温度。

上述的试验罐外圈、试验罐内圈、水罐是由环氧树脂制成；试验罐顶板和底板是由铝镁合金制成。

本发明的优点和产生的有益效果是：

1、根据实际工程需要，灵活地模拟不同直径的水井、考虑不同的土体范围、采取不同厚度的保温层。

2、通过模拟试验，根据现场多年冻土场地的水文地质条件，研究得到合理的水井直径、抽水速度、保温层厚度、加热装置的功率等。一方面保证了在多年冻土区能够顺利打井、抽水，提供水源，另一方面，保证所采取的措施消耗的能源最小，达到节能、环保的目的。

3、可以模拟野外条件，使用太阳能板为加热控温装置及数据采集仪提供电源，从而选择合理的太阳能电池。

附图说明

图1是本发明立体示意图。

图2是图1的纵剖面示意图。

图3是图1中试样罐底板和顶板主视图。

图4是图3中试样罐底板和顶板内部冷冻液循环通道俯视图。

图5是图1中试样罐底板表面示意图。

其中：1第一制冷控温装置； 2—试样罐顶板；3—土体；4—流速计；5—抽水管；6—保温盖；7—加热控温装置；8—数据采集仪；9—第一温度传感器；10—补水装置；11—试验罐外圈；12—水压表；13—补水管；14—冷冻液循环通道；15—加热管；16—第二温度传感器；17—水；18—水罐；19—保温桶；20—试验罐底板；21—第二制冷控温装置；22—抽水装置；23—试验罐内圈

具体实施方式

本发明使用的土体材料3是直接从现场取的土或者根据现场地质条件由细颗粒土或较粗颗粒的碎石加水搅拌以后形成的一种材料；使用的水17是直接从现场取的地下水或根据现场水文条件配置的含一定矿物质的水。

下面结合附图，对本发明的技术方案再作进一步的说明：

如图1-图3所示，一种可以模拟多年冻土区水井保温或加热的试验装置，含试验罐外圈11、试验罐内圈23、试验罐顶板2、试验罐底板20、冷冻液循环通道14、第一制冷控温装置1和第二制冷控温装置21、土体3、水罐18、水17、保温桶19、保温盖6、补水管13、补水装置10、水压表12、抽水管5、抽水装置22、流速计4、加热管15、加热控温装置7、第一温度传感器9和第二温度传感器16、数据采集仪8。试验罐是由试样罐外圈11、试样罐内圈23、试样罐顶板2和试样罐底板20构成的一个圆形夹层桶体。试验罐外圈11和试验罐的内圈23由导热性能差、强度高的环氧树脂制成；试验罐的顶板2和试验罐底板20由导热性能好的铝镁合金制成，试验罐顶板2和试验罐底板20内部开有双螺旋环形流道作为冷冻液循环通道14，试验罐顶板2和试验罐底板20分别通过管道与第一制冷控温装置1和第二制冷控温装置21相连；试验罐外圈11和试验罐内圈23之间装土体3，第一制冷控温装置1和第二制冷控温装置21给冷冻液制冷、降温后的冷冻液流入试验罐顶板2和试验罐底板20内部的双螺旋环形流道14、试验罐顶板2和试验罐底板20与土体3接触并发生热交换，从而使土体3温度降低，模拟现场的多年冻土场地。水罐18是由导热性能差、强度高的环氧树脂制成的一个密封整体，包括侧壁、底板和顶盖。水灌18置于试验罐内圈23里面，水灌18里面装水17，可以模拟在多年冻土场地打的水井。补水装置10通过补水管13与水罐18底板相连，补水管13上设置水压表12，用于监测水压。抽水装置22通过抽水管5与水罐18顶盖相连，抽水管5插入水罐18内的水17中，抽水管5上设置流速计4，用于监测抽水的流速。补水装置10、抽水装置22、水罐18连结在一起可以模拟水井的抽水过程。水罐18与试验罐内圈23之间设置保温桶19，水罐底板和顶盖外面设置保温盖6，从而模拟水井抽水过程中的保温措施。加热管15插入水罐18内的水17中，并通过导线与加热控温装置7相连，模拟水井抽水过程中的加热措施。第一温度传感器9和第二温度传感器16布设在土体3中和水17中不同位置处，实时监测土体3和水17的温度。

试验罐底板20的表面刻有不同直径的凹槽（如附图4），配合不同直径的水罐18、试验罐外圈11和试验罐内圈23、不同厚度的保温桶19使用。试验时，根据所模拟的水井直径来选择一定直径的水罐18，放置到试验罐底板20上，然后根据拟采取的保温措施来选择一定厚度的保温桶19，放置到水罐18外面，再将试验罐内圈23插到试验罐底板20上，最后，根据拟考虑的土体范围选择一定直径的试验罐外圈11、并插到试验罐底板20上。这样，就可模拟不同直径的水井、采用不同厚度的保温层、考虑不同范围的土体。