监测地下水渗流、沉降的灌注一体室内试验装置与方法

摘要

一种监测地下水渗流、沉降的灌注一体室内试验装置及方法，包括一个可视化圆形模型筒，在所述的可视化圆形模型筒内插装有多个透水板，且多个透水板之间形成一个矩形土样箱，所述的矩形土样箱用于盛装土样，在所述的土样内插有与供水装置相连的回灌井和降水井，可进行分层抽注水，在所述的土样内埋设有与信息分析系统相连的孔隙水渗透压传感器、土压力传感器、位移传感器和水压计量仪；所述的透水板与圆形模型筒之间形成变水位水箱室，所述的变水位水箱室通过回灌井和降水井上安装的流量控制阀控制其水位的高低，模拟真实工况。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于监测地下水渗流、沉降的灌注一体新型室内试验装置与操作方法。

背景技术

地下水是一种十分宝贵的资源。随着中国城市化进程的加快，在地下水开采方面，我国地下水开采量平均以25亿立方米的速度增加，城市规模和地下空间资源利用率不断提高，引发了地下水的大量流失。发展地下水人工回灌可大大缓解这一问题，减少由于降水引起的地面大规模沉降和不均匀沉降，对保护地下水资源起到重要的作用。由于施工现场十分复杂，很多情况下需要进行室内试验模拟回灌，确定关键参数，以便指导实际工程。但是，在实际工程中进行的回灌试验往往用时长、价格高，且仅进行单一的回灌试验，缺少对各种变量的全方位测量和处理，缺少对降水、回灌的综合考虑。所以，通过室内模拟的试验手段研究降水与回灌共同作用对预期效果的影响是很有必要的，急需一种装置可以实现对具体工程灌注一体进行模拟。

发明内容

本发明为解决上述问题的出现，提供了一种可以用于监测地下水渗流、沉降的灌注一体新型室内试验装置与操作方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于监测地下水渗流、沉降的灌注一体新型室内试验装置，包括一个可视化圆形模型筒，在所述的可视化圆形模型筒内插装有多个透水板，且多个透水板之间形成一个矩形土样箱，所述的矩形土样箱用于盛装土样，在所述的土样内插有与供水装置相连的回灌井和降水井，所述的回灌井和降水井可实现分层抽注水的功能，在所述的土样内埋设有与信息分析系统相连的孔隙水渗透压传感器、土压力传感器、位移传感器和水压计量仪；所述的透水板与圆形模型筒之间形成变水位水箱室，所述的变水位水箱室通过连接外部供水装置控制其水位的高低，模拟真实工况。

进一步的，所述的模型筒的圆形底座上表面呈规则凹凸状，用于嵌套上部的多层透水板；所述的透水板内贴细密纱布，以防止土粒进入水箱室。

进一步的，所述的多层透水板外侧有可读刻度，内侧有凸出的刻痕。

进一步的，在所述的矩形土样箱内依次设置不规则土层时，对其上下层土体进行隔离，下层土体设置好后将上部固定隔板拿下，进行设置上层土体，以模拟不同工况下地层情况。

进一步的，所述的水箱室外壁上标有刻度，所述水箱室通过供水管道连接水泵为其内部供水，水箱室底部设有排水口，排水口与排水管相连。

进一步的，所述的回灌井和降水井可以单独工作或共同工作，且回灌井和降水井的具体工作数量依据工况确定。

进一步的，所述的回灌井和降水井内包含多层抽注水管道，可进行同时或单独对潜水含水层或承压含水层进行抽注水。

进一步的，所述的孔隙水渗透压传感器用于测量土体内部渗透压，土压力传感器用于测量地层土压力，位移传感器用于测量地表位移，水位测量计用于观测地下水位，以实现对土体全方位、多层次进行监测。

进一步的，所述的孔隙水渗透压传感器和土压力传感器布置在不同土层内部，位移传感器布置在地层表面；均与信息分析系统相连。

进一步的，所述的水压计量仪插装在土样内，也与信息分析系统相连。

进一步的，所述的信息分析系统包括计算机和显示器，所述的计算机对孔隙水渗透压传感器、土压力传感器、位移传感器和水压计量仪采集的信号进行分析处理，且通过所述的显示器对处理后的信息进行显示，形成完成整套装置的数据分析和反馈处理。

进一步的，所述的模型筒一侧设有观测平台，可供一人进行观测。

应用上述装置实现监测地下水渗流、沉降，操作方法，包括以下几步：

1)依据试验需要设计矩形土样箱的大小，以及回灌井和降水井的数量，对透水板和圆形模型筒的圆形底座进行组装，并在透水板内贴细密纱布；

2)根据具体工况需要设置土层，利用固定隔板对其上下层土体进行隔离，下层土体设置好后将上部固定隔板拿下，进行上层土体的设置，在土层设置过程中安设孔隙水渗透压传感器和土压力传感器，最后布置位移传感器和水位测量计；且将孔隙水渗透压传感器、土压力传感器、位移传感器和水位测量计与信息分析系统相连；

3)安装回灌井、降水井，将水箱室、回灌井和降水井与供水装置相连；

4)调整流量计，控制水箱室的水位，设定好由工况确定的边界条件；

5)调整回灌井和降水井的高度和抽注水量；

6)每隔一定时间，计算机记录各项数据的变化并形成图表，分析试验结果。

进一步的，根据不同工况可针对地层情况、边界条件进行具体设置，重复(1)—(3)，控制流量计、水井情况，重复(4)—(5)，依据步骤(6)得出的不同结果对实际工程进行指导。

本发明研究了一种用于监测地下水渗流、沉降的灌注一体新型室内试验装置与操作方法，解决了现场回灌试验的时间久、费用高等缺点，更加真实地模拟工况，更具实用性、综合性。与前人研究相比，本发明装置具有以下优点：

1)多功能模型筒系统可直观进行观察，透水板内的凸出刻痕设计使得模拟不规则土层更加方便，组装方便，可重复利用；

2)装置通过变动水箱水位，实现控制和调整地下水位和回灌压力，更加真实地模拟工况，可适性强，操作简便；

3)多井抽注水一体的设计可实现单独工作或共同工作，进行同时或单独对多个含水层进行抽注水，可根据具体工况实时实地进行调节；

4)装置采用多种传感器和测量仪进行数据采集，做到全方位、多层次实时监测，并能及时做到数据分析和反馈处理；

附图说明

图1是本发明试验装置示意图；

图2为室内模拟灌注一体新型试验装置二维正视图；

图3为圆形筒体底座正视图；

图4为圆形筒体底座俯视图；

图5为透水板侧视图；

图6为多功能水井剖面图；

图7(a)、图7(b)、图7(c)为多功能水井分层抽注水示意图。

其中，1、可视化钢化玻璃圆形模型筒；2、透水板；3、变水位水箱室；4、土体；5、排水管道；6、回灌井；7、降水井；8、流量控制阀；9、孔隙水渗透压传感器；10、土压力传感器；11、水位测量计；12、位移传感器；13、计算机；14、显示器；15、传输线；16、供水装置；17、观测台。

具体实施方式

下面结合附图，进一步详细说明本专利的具体实施方式。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种用于监测地下水渗流、沉降的室内模拟灌注一体新型试验装置，包括可视化圆形模型筒系统1、可控边界条件系统、多井抽注水系统、数据综合测量系统和信息分析系统。

具体地，可视化钢化玻璃圆形模型筒1上嵌套配套的多层透水板2，放置土体4，多层透水板2在可视化钢化玻璃圆形模型筒1内部形成一个矩形土样箱，相应的多种传感器和测量仪放置矩形土样箱中；

可控边界条件系统由变水位水箱室3、排水管道5组成，通过回灌井6和降水井7上的流量控制阀控制变水位水箱室3的水位高低；所述的透水板与圆形模型筒之间形成变水位水箱室3；

多井抽注水系统包括回灌井6、降水井7、流量控制阀8、多组输水管以及供水装置16组成，回灌井6、降水井7放置在圆形模型筒1内，由流量控制阀8进行调控，多组输水管以及供水装置为回灌井6、降水井7提供动力；

数据综合测量系统包括多种传感器和测量仪，孔隙水渗透压传感器9负责渗透压的监测，土压力传感器10负责土压力的监测，水位测量计11负责土体水位的监测，位移传感器12负责地表位移沉降的监测；信息分析系统包括计算机13、显示器14、传输线15，进行数据分析和反馈处理。

所述的多功能可视化模型筒系统为一个装有钢化玻璃的圆形钢化模型筒1，模型筒长直径200cm，高100cm。

所述的模型筒1的圆形底座上表面呈规则凹凸状，用于嵌套上部的多层透水板2，透水板内贴细密纱布，防止土粒进入水箱室。内部形成一个矩形土样箱，土样箱土体内部放置多种传感器和测量仪。

所述的透水板2外侧有可读刻度，内侧有凸出的刻痕，透水板内贴细密纱布，防止土粒进入水箱室。依次设置不规则土层时，对其上下层土体进行隔离，下层土体设置好后将上部固定隔板拿下，进行设置上层土体，以模拟不同工况下地层情况。

所述的可控边界条件系统由土样箱四周的水箱室3组成，通过接连接外部供水装置,控制进出水量，水箱室底部设有排水口，排水口与排水管5相连。

所述的多井抽注水系统由水泵、输水管、回灌井6和降水井7组成，回灌井6和降水井7内包含多层抽注水管道，可进行同时或单独对潜水含水层或承压含水层进行抽注水，实现回灌、降水两种水井单独工作或共同工作，水井具体工作数量依据工况确定，具体的如图6、图7(a)、图7(b)、图7(c)所示。

数据综合测量系统采用多种传感器和测量仪对数据进行采集，如流量控制阀用于控制抽注水量，孔隙水渗透压传感器9用于测量土体内部渗透压，土压力传感器10用于测量地层土压力，位移传感器12用于测量地表位移，水位测量计11用于观测地下水位，以实现对土体全方位、多层次进行监测。

孔隙水渗透压传感器9和土压力传感器10布置在不同土层内部，位移传感器10布置在地层表面，与信息分析系统相连。

信息分析系统由计算机13、显示器14、传输线15组成，所述的计算机对孔隙水渗透压传感器、土压力传感器、位移传感器和水压计量仪采集的信号进行分析处理，且通过所述的显示器对处理后的信息进行显示，形成完成整套装置的数据分析和反馈处理。

所述的模型筒一侧设有观测平台17，可供一人进行观测。

多功能可视化模型筒系统：主体为可视化圆形模型筒，材料为钢化玻璃，圆形筒体的底座上表面凹凸，其上嵌套配套的多层透水板，内部形成一个矩形土样箱，透水板外有可读刻度，透水板内有凸出的刻痕，方便模拟不规则土层，相应的多种传感器和测量仪放置其中；(2)可控边界条件系统：该系统为四周的变水位水箱室，水箱室标有刻度，通过外部供水装置控制水位高低，模拟真实工况；(3)多井抽注水系统：该系统由水泵、微型回灌井、微型降水井、多组输水管组成，水井内包含多层抽注水管道，可进行同时或单独对潜水含水层或承压含水层进行抽注水，负责模拟抽注水环境；(4)数据综合测量系统：试验采用多种传感器和测量仪进行数据采集，包括流量控制阀、孔隙水渗透压传感器、土压力传感器、位移传感器以及水位测量计，传感器和测量仪与计算机相连，全方位、多层次对土体进行监测；(5)信息分析系统：该系统由计算机、显示器、传输线组成，进行数据分析和反馈处理。

所述的多功能可视化模型筒系统为一个装有钢化玻璃的圆形钢化模型筒，土样箱长直径200cm，高100cm。

具体操作方法包括以下几步：

(1)依据试验需要确定模型筒1大小和回灌井6、降水井7数量，对透水板2和圆形底座进行组装，并在透水板2内贴细密纱布，将一定数量的回灌井6、降水井7安置好，并在水井上安置流量控制阀8；

(2)根据具体工况需要设置土层，利用固定隔板对其上下层土体进行隔离，下层土体设置好后将上部固定隔板拿下，进行上层土体的设置，在土层设置过程中安设孔隙水渗透压传感器9和土压力传感器10，最后布置位移传感器12；

(3)将变水位水箱室3、贮水箱4、排水管道5、流量控制阀8连接起来，随后将计算机、显示器、传输线等各组件与传感器接线连接好；

(4)调整流量控制阀8，控制水箱室的水位，设定好由工况确定的边界条件；

(5)调整回灌井6和降水井7的高度和抽注水量；

(6)每隔一定时间，实验过程中可登上观测台17进行观测，计算机记录各项数据的变化并形成图表，分析试验结果。

根据不同工况可针对地层情况、边界条件进行具体设置，重复(1)—(3)，控制流量计、水井情况，重复(4)—(5),依据步骤(6)得出的不同结果对实际工程进行指导。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。