用于模拟岩土地层中地下水环境的进排水系统

摘要

本发明涉及地下工程领域，尤其涉及一种用于模拟岩土地层中地下水环境的进排水系统。该进排水系统包括进水装置和排水装置，所述进水装置包括多个至少部分埋设于岩土地层中的注水管，所述进水装置通过所述注水管将水注入所述岩土地层，所述排水装置包括多个至少部分埋设于岩土地层中的排水管，所述排水装置通过所述排水管将所述岩土地层中的水抽出。该进排水系统通过其中的进水装置和排水装置可以先后或同时向岩土地层中注水和将岩土地中的水抽出，由此，可以至少有效模拟实际地层环境中的静水环境和动水环境。进而，该进排水系统用于地层模拟试验，可拓宽试验的范围，极大增强试验的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及地下工程领域，尤其涉及一种用于模拟岩土地层中地 下水环境的进排水系统。

背景技术

目前随着经济的快速发展，城市对地下工程的需求越来越大，例 如就北京而言地下工程在城市基础设置建设中绝对处于领先地位，大 量的地铁工程建设能够有效缓解大城市地面交通拥堵的问题。然而由 于地下资源的日益紧张，越来越多的地下工程将在深埋条件下进行建 设，或是在特殊的地层中进行建设，而这势必将遇到诸多工程问题， 例如地层自稳能力较差、深埋工程的承压水等问题，相关资料显示实 际工程中出现事故的项目大多数与地下水有关，本领域技术人员公认 地下水问题是地下工程中最重要的问题。因此要研究解决与地下水有 关的工程问题，不可避免的需要进行模拟实验，可以说模拟试验成败 的关键是土层模拟仿真的真实度，这其中对地下水的模拟是很重要的 一部分内容。

国内外在地下工程模拟实验方面的研究也日益增多，如日本的东 京大学、京都大学等；美国的西北大学、斯坦福大学；德国的柏林大 学、慕尼黑大学；另外俄罗斯、英国也有相关的研究项目。国内从事 相关方面研究的机构主要集中在水利部门、煤炭部门，此外，清华大 学、中国矿业大学、东北大学、中南工业大学等也开展相关研究并建 立了实验室及相关设备。如中国水利水电科学院自己研发的平板型注 浆实验平台；中国矿业大学设计的注浆试验台；东北大学研制的槽型 反扁圆柱状试验台等。

目前的模拟实验往往是在静水条件下模拟的，但实际工程中往往 都涉及到动水问题，而无论哪个研究机构的实验设备，都无法真实模 拟地下环境，更不能够模拟地下水环境以及渗水环境，这大大降低了 相关研究的可信度，压缩了相关研究的范围，因此，尤其十分有必要 针对动水渗流环境做相关模拟实验。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种至少能够模拟静水环境和动 水环境的用于模拟岩土地层中地下水环境的进排水系统。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于模拟岩土地层中地 下水环境的进排水系统，包括进水装置和排水装置，进水装置包括多 个至少部分埋设于岩土地层中的注水管，进水装置通过注水管将水注 入岩土地层，排水装置包括多个至少部分埋设于岩土地层中的排水管， 排水装置通过排水管将岩土地层中的水抽出。

根据本发明，还包括净化循环装置，净化循环装置连接在进水装 置的进水口和排水装置的出水口之间，以将排水装置从岩土地层抽出 的水去除岩土后送入进水装置中循环使用。

根据本发明，净化循环装置包括沉淀池、蓄水池、蓄水池抽水泵， 沉淀池连通于排水装置的出水口以接收排水装置从岩土地层中抽出的 水，蓄水池顶部与沉淀池连通以供在沉淀池中沉淀后的水溢流进入蓄 水池，蓄水池抽水泵连通在蓄水池和进水装置的进水口之间以将蓄水 池中的水送入进水装置。

根据本发明，注水管的出水端向下倾斜伸出，排水管的进水端向 下倾斜伸出。

根据本发明，注水管具有依次连接的第一水平管段和第一圆弧管 段，注水管的出水端连接于第一圆弧管段，第一圆弧管段的圆心角等 于25～35°，半径为100～300mm；排水管具有依次连接的第二水平管 段和第二圆弧管段，排水管的进水端连接于第二圆弧管段，第二圆弧 管段的圆心角等于25～35°,半径为100～300mm。

根据本发明，在排水管的进水端包裹有滤网。

根据本发明，多个注水管呈矩阵式排列，并且同一行中的注水管 等间距布置，同一列中的注水管等间距布置；多个排水管呈矩阵式排 列，并且同一行中的排水管等间距布置，同一列中的排水管等间距布 置。

根据本发明，进水装置还包括多个进水支管、进水总管以及增压 泵，多个进水支管沿竖直方向上下排列并分别对应于一行注水管，位 于同一行的注水管均与同一个进水支管连通，进水总管的多个出水口 与多个进水支管一一对应地连通，进水总管的进水口与增压泵的出水 口连通，增压泵的进水口构成进水装置的进水口；排水装置还包括多 个出水支管、出水总管以及排水抽水泵，多个出水支管沿竖直方向上 下排列并分别对应于一行注水管，位于同一行的排水管均与同一个出 水支管连通，出水总管的多个进水口与多个出水支管一一对应地连通， 出水总管的进水口与排水抽水泵的出水口连通，排水抽水泵的出水口 构成排水装置的出水口。

根据本发明，进水总管上设置有第一压力表、第一流量计和第一 阀门，出水总管上设置有第二压力表、第二流量计和第二阀门。

根据本发明，排水管和出水支管埋设在岩土地层中，注水管和进 水支管埋设在岩土地层中。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明的用于模拟岩土地层中地下水环境的进排水系统通过其中 的进水装置和排水装置可以先后或同时向岩土地层中注水和将岩土地 中的水抽出，由此，可以至少有效模拟实际地层环境中的静水环境和 动水环境。进而，该进排水系统用于地层模拟试验，可拓宽试验的范 围，极大增强试验的可靠性。

附图说明

图1是本发明的用于模拟岩土地层中地下水环境的进排水系统的 一个实施例的一个轴测示意图，其中同时示出了采用该进排水系统的 岩土地层；

图2是图1中的进排水系统的另一个轴测示意图；

图3是图1中的进排水系统的俯视示意图；

图4是图1中的进排水系统的主视示意图；

图5是图1中的进排水系统的左视示意图；

图6是图1中的进排水系统的右视示意图；

图7是图1中的进排水系统的原理图；

图8是图1中的进排水系统中进水/排水装置的局部示意图，其中， 进水装置中的注水管和进水支管与排水装置中的排水管和出水支管的 结构分别相同，因此，该图同时示出了注水管和进水支管以及排水管 和出水支管；

图9是图8中进水/排水装置的爆炸视图；

图10是图1中的进排水系统中的排水管的立体示意图；

图11是图10中的排水管的A处的局部放大图；

图12是图10中的排水管的主视示意图；

图13是图10中的排水管的俯视示意图。

图中：

1：进水装置；11：注水管；12：进水支管；13：进水总管；14： 增压泵；15：第一压力表；16：第一流量计；17：第一阀门；2：排水 装置；21：排水管；221：第二水平管段；222：第二圆弧管段；22： 出水支管；23：出水总管；24：排水抽水泵；25：第二压力表；26： 第二流量计；27：第二阀门；3：岩土地层；4：净化循环装置；41： 沉淀池；42：蓄水池；43：蓄水池抽水泵；5：第三阀门。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不 是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没 有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明 保护的范围。

参照图1至图7，本发明的用于模拟岩土地层中地下水环境的进排 水系统的一个实施例，其包括进水装置1和排水装置2。其中，进水装 置1包括多个注水管11，注水管11至少部分埋设于岩土地层中，进水 装置1通过注水管11将水(可以是常压水或带压水)注入岩土地层3。 可理解，至少注水管11的出水口是位于岩土地层中的。排水装置2包 括多个排水管21，排水管21至少部分埋设于岩土地层中，排水装置2 通过排水管21将岩土地层中的水抽出。可理解，至少排水管21的进 水口是埋设在岩土地层中的。其中，由于本发明是用于模拟岩土地层 中地下水环境的进排水系统，因此，注水管11和排水管21所埋设的 岩土地层3是试验中的模拟地层。图中单向箭头示出了在岩土地层中 的水流方向。进水装置设置的一侧为注水侧，排水装置设置的一侧为 排水侧。

由此，上述用于模拟岩土地层中地下水环境的进排水系统通过其 中的进水装置1和排水装置2可以先后或同时向岩土地层中注水和将 岩土地中的水抽出，因此，可以至少有效地模拟实际地层环境中的静 水环境和动水环境。进而，该进排水系统用于地层模拟试验，可拓宽 试验的范围，极大增强试验的可靠性。

进一步参照图1至图7，在本实施例中，多个注水管11呈矩阵式 排列，即多个注水管11呈多行和多列布置，并且同一行中的注水管11 等间距布置，同一列中的注水管11等间距布置，由此，能够均匀地向 岩土地层3注水。在本实施例中，水平排列的注水管11为一行注水管 11，竖直方向排列的注水管11为一列注水管11。

更进一步，进水装置1还包括多个进水支管12、进水总管13以及 增压泵14。其中，多个进水支管12沿竖直方向上下排列并分别对应于 一行注水管11，位于同一行的注水管11均与同一个进水支管12连通。 进水总管13的多个出水口与多个进水支管12一一对应地连通，进水 总管13的进水口与增压泵14的出水口连通，增压泵14的进水口构成 进水装置1的进水口。进水装置1的进水口可与供送自来水的水管连 通。由此，水通过增压泵14增压后进入进水总管13，由进水总管13 分散到各个进水支管12，再由各个进水支管12进入各个注水管11， 这样两级分散后经注水管11注入到岩土地层中。

由于多个进水支管12沿竖直方向上下排列并分别对应于一行注水 管11，所以多个进水支管12等间距布置。优选地，进水总管13与进 水支管12和增压泵14之间可拆卸地连接。再进一步，在进水总管13 上设置有用于测量其中水压的第一压力表15、用于测量其中水流的第 一流量计16和用于控制其中水流的流量大小的第一阀门17。在供送自 来水的水管上设置有用于控制其中水流的流量大小的第三阀门5。

并且，在本实施例中，注水管11和进水支管12均埋设在岩土地 层中，即注水管11和进水支管12整体埋设在岩土地层中，进水总管 13的一部分埋设在岩土地层中以与进水支管12连通供水。当然，本发 明不局限于此，在其他可选的实施例中，注水管11可部分的埋设在岩 土地层中且进水支管12全部位于岩土地层外部，只要注水管11的出 水口位于岩土地层中以将水注入岩土地层即可。

进一步参照图1至图7，在本实施例中，多个排水管21呈矩阵式 排列，即多个排水管21呈多行和多列布置，并且同一行中的排水管21 等间距布置，同一列中的排水管21等间距布置，由此，能够均匀地从 岩土地层3抽水。在本实施例中，水平排列的排水管21为一行排水管 21，竖直方向排列的排水管21为一列排水管21。

更进一步，排水装置2还包括多个出水支管22、出水总管23以及 排水抽水泵24。其中，多个出水支管22沿竖直方向上下排列并分别对 应于一行注水管11，位于同一行的排水管21均与同一个出水支管22 连通，出水总管23的多个进水口与多个出水支管22一一对应地连通， 出水总管23的进水口与排水抽水泵24的出水口连通，排水抽水泵24 的出水口构成排水装置2的出水口。由此，岩土地层中的水通过多个 排水管21汇聚进入多个出水支管22，再由多个出水支管22汇聚进入 出水总管23，这样两级汇聚后经排水抽水泵24排出。

由于多个出水支管22沿竖直方向上下排列并分别对应于一行排水 管21，所以多个出水支管22等间距布置。优选地，出水总管23与出 水支管22和排水抽水泵24之间可拆卸地连接。

再进一步，出水总管23上设置有用于测量其中水压的第二压力表 25、用于测量其中水流的第二流量计26和用于控制其中水流的流量大 小的第二阀门27。

并且，在本实施例中，排水管21和出水支管22埋设在岩土地层 中。即排水管21和出水支管22整体埋设在岩土地层中，出水总管23 的一部分埋设在岩土地层中以与出水支管22连通进而接收出水支管 22流出的水。当然，本发明不局限于此，在其他可选的实施例中，排 水管21可部分的埋设在岩土地层中且出水支管22全部位于岩土地层 外部，只要排水管21的进水口位于岩土地层中以将水注入岩土地层即 可。

在本实施例中，参照图8和图9，排水管21和出水支管22与注水 管11和进水支管12的结构相同。排水管21/注水管11、进水支管12/ 出水支管22和进水总管13/出水总管23按图9中示出的虚线框内的分 割方式，分割为层，并在模拟土层的准备过程中，分层安装在土层中。

进一步，参照图1至图7，本实施例的进排水系统还包括净化循环 装置4，净化循环装置4连接在进水装置1的进水口和排水装置2的出 水口之间，以将排水装置2从岩土地层3抽出的水去除岩土后送入进 水装置1中循环使用。具体而言，在本实施例中，净化循环装置4连 通在排水抽水泵24的出水口和增压泵14的进水口之间。这样，实现 了水的循环利用，节约用水。

更进一步，在本实施例中，净化循环装置4包括沉淀池41、蓄水 池42、蓄水池抽水泵43，沉淀池41连通于排水抽水泵24的出水口(例 如通过水管连通)以接收排水装置2从岩土地层中抽出的水，蓄水池 42顶部与沉淀池41连通以供在沉淀池41中沉淀后的水溢流进入蓄水 池42，蓄水池抽水泵43连通在蓄水池42和增压泵14的进水口之间以 将蓄水池42中的水送入进水装置1，例如蓄水池抽水泵43的进水口与 蓄水池42通过水管连通，将蓄水池42中的水抽出，蓄水池抽水泵43 的出水口通过水管与增压泵14的进水口连通。

具体而言，参见图7，在注水侧，自来水接入增压泵14后，通过 进水总管13、进水支管12及注水管11后注入岩土地层中；在出水侧， 岩土地层中的地下水由排水抽水泵24通过排水管21、出水支管22以 及出水总管23抽出到沉淀池41中；在岩土地层3外，排出的水进过 沉淀池41沉淀后溢流进入蓄水池42中，蓄水池42中的水通过蓄水池 抽水泵43以及增压泵14增压后再次循环注入到岩土地层中，从而形 成循环水环境。

此外，参照图10至图13，排水管21的进水端向下倾斜伸出。具 体而言，在本实施例中，排水管21具有依次连接的第二水平管段221 和第二圆弧管段222，排水管21的进水端连接于第二圆弧管段222， 第二圆弧管段222的圆心角θ等于25～35°,优选为30°。第二圆弧管 段222的半径R为100～300mm，优选为200mm。设置为进水端向下 倾斜伸出的结构，可防止岩土颗粒进入管内堵塞整个装置。排水管21 的长度按需要确定。

另外，在排水管21的进水端包裹有滤网。安装滤网可防止岩土颗 粒进入管内堵塞整个装置。

在本实施例中，可参照图12和图13示出的排水管21，注水管11 的出水端同样向下倾斜伸出。具体而言，在本实施例中，注水管11具 有依次连接的第一水平管段和第一圆弧管段，注水管11的出水端连接 于第一圆弧管段，第一圆弧管段的圆心角等于25～35°,优选为30°。 第一圆弧管段的半径为100～300mm，优选为200mm。设置为出口端 向下倾斜伸出的结构，可防止岩土颗粒进入管内堵塞整个装置。注水 管11的长度按需要确定。可选择地，也可以在注水管11上包裹滤网。

优选地，注水管11、进水支管12、进水总管13、排水管21、出 水支管22和出水总管23均采用耐压材料制成。

下面分别以模拟静水和动水环境为例，介绍本实施例的进排水系 统的具体实施方式。

静水环境：试验准备完毕后，打开第一阀门17和第三阀门5，自 来水通过增压泵14进入进水总管13中，后经进水支管12及注水管11 分水后注入到岩土土层中，期间连续记录第一流量计16的数据，当注 水量达到设计数值时，关闭第一阀门17和第三阀门5；若出现注水困 难的情况，则可开启第二阀门27，并开启排水抽水泵24，使得出水侧 土层内形成负压，以达到加快注水速度的目的。

动水环境：试验准备完毕后，打开第一阀门17和第三阀门5，自 来水通过增压泵14接入进水总管13中，后经进水支管12及出水管分 水后注入到岩土地层中，期间需要连续记录压力表的数值；在排水侧， 开启第二阀门27，并开启排水抽水泵24，使得出水侧土层内形成负压， 当有水从排水侧流出后，需要连续记录第二压力表25的数值；沉淀池 41中的沉淀后的废水流入蓄水池42中，达到一定量时，可开启蓄水池 抽水泵43，将水抽出，并经过增压泵14增压后再次注入到岩土地层中； 将记录的第一压力表15、第二压力表25的数值换算成水头高度后，其 水头差与水在土层中流过的距离之比，即i＝△h/L(L为注水管11的 出水口与排水口21的进水口之间的水平距离)，达到设计的水力梯度 以后，即可保持此种压力情况下，继续循环注排水，形成模拟的动水 环境。

本实施例的进排水系统，可解决大型岩土试验中模拟现实地层环 境时存在的地下水环境难以模拟的问题，可以有效模拟实际地层环境 中的地下水问题，包括动水、静水等复杂地下水，可拓宽试验的范围， 例如形成的地下水环境可进行地下水动力学研究、地下水与结构及岩 土体耦合作用研究，以及注浆止水加固试验研究、冻结法试验研究等 方面，且极大增强试验的可靠性；其独特设计的循环水系统，可极大 降低试验过程中对于水的浪费，保护环境。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而 非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领 域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技 术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修 改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方 案的精神和范围。