专利名称：入渗与渗流模拟实验装置的制作方法
技术领域：
本发明与水文地质学有关，特别与入渗与渗流模拟实验装置有关。
背景技术：
地表水的入渗； 地表的水沿着岩土的空隙下渗，是在重力、分子力和毛管力的综合作用下进行的， 其运动过程就是寻求各种作用力的综合平衡过程。整个下渗的物理过程按照作用力的组合 变化及其运动特征，可划分为渗润、渗漏、渗透三个阶段。实验发现，毛细水上升高度与入渗 水向下的渗透力平衡时，水不能渗透到含水层而是沿潜水面以上一定的高度向排泄边界运 移，当入渗水向下的渗透力大于毛细水上升高度后才能渗透进入含水层。
潜水稳定运动； 潜水稳定运动时水头分布情况及浸润曲线(潜水面)的变化特点、渗流空间各点 的运动要素、地下水实际流速与理论公式计算的地下水实际流速是否吻合？如何求解地下 水平面稳定运动的流量、渗透系数、观察地下水的静水位、动水位，了解地下水的补给方式、 模拟地下水受到不同污染时应采用何种方式处理等都是水文地质学重要的研究及学习内容。 在科研和教学中无专用装置对上述内容进行实验、观察，只能到野外观察，不直 观，成本高。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种结构合理、可以直观了解水在地表入渗补给地下水 的物理过程，了解地下水补给方式、地下水稳定运动的渗流特征、进行相关实验及参数测定 的多功能的入渗及渗流模拟实验装置。
本发明的目的是这样来实现的 本发明入渗与渗流模拟实验装置，包括带水泵的储水箱、底板保持水平的模拟箱， 模拟箱内有含供水孔的供水腔、有含水层的模拟腔、含排水孔的排水腔，模拟腔与供水腔、 模拟腔与排水腔之间有透水网孔板，位于模拟箱上游端的有溢流槽的定水头溢流箱中位于 溢流槽外的溢流回水腔有通过溢流管与储水箱相通的溢流孔，定水头溢流箱的溢流槽中有 通过管道分别与储水箱水泵和供水腔相通的进水孔、出水孔，位于模似箱下游的有溢流槽 的排水溢流箱中位于溢流槽外的溢流回水腔有通过溢流测流管与储水箱相通的溢流孔，排 水溢流箱的溢流槽中有通过管道与排水腔中排水孔连通的进水孔，至少三组测压管竖直装 在模拟腔壁上，分别与测压管底部连通的测压软管的一端穿过模拟腔壁插入含水层中，在 模拟腔中部有装在模拟箱顶部的入渗装置，入渗装置中有底部含入渗降雨板的入渗箱、位 于入渗箱顶部的入渗液供给箱、位于入渗箱中顶部与入渗液供给箱底部连通的入渗液管， 在模拟腔上游端有装在模拟箱顶部的示踪剂注入箱，至少三根位于模拟腔含水层内的带控 制阀的示踪剂控制管的顶部分别与示踪剂注入箱底部连通。
上述的测压管为七组，等间距设置于模拟腔壁上，每组测压管为三根，与每组测压
管底部连通的三根测压软管的另一端分别插入含水层的同一断面的上部、中部、下部。 上述的示踪控制管为三根，等距离分布在模拟腔上游沿宽度方向的同一截面上。
上述的模拟箱上、下游处分别有能调节定水头溢流箱、排水溢流箱高度的水位调 节器，水位调节器中有装在模拟箱上、下端的带螺纹的螺母、支座，与溢流箱连接的带螺纹 的支耳，调节螺杆一端依次穿过螺母、支耳上的螺纹而伸入支座中且能转动。
上述的装置中有与溢流测流管连通的流量计。 本发明结构合理，能直观了解水在地表渗入的物理过程，了解地下水补给方式。研 究和学习地下水稳定运动的渗流特征、进行相关实验及参数测定，能大大降低成本。
图l为本发明结构示意图。图2为图1的左视图。图3为图1的俯视图。图4为图1的B-B剖视图。图5为图1的C-C剖视图。图6为图1的D-D剖视图。图7为图1的E-E剖视图。图8为图2的A向视图。图9为渗流实验示意图。图10为潜水渗流模拟实验初始状态示意图。图11为等水头线与流线位置示意图。图12为理论渗流示意图。图13为实际渗流示意图。
具体实施例方式
参见图1 图9，本实施例入渗与渗流模拟实验装置，包括带水泵1的储水箱2、底 板保持水平的模拟箱3。模拟箱内有含供水孔4的供水腔5、有含水层的模拟腔6、含排水孔 7的排水腔8。模拟腔与供水腔、模拟腔与排水腔之间分别有透水网孔板9。位于模拟箱上 游端的有溢流槽10的定水头溢流箱11中位于溢流槽外的溢流回水腔12有通过溢流管13 与储水箱相通的溢流孔14。定水头溢流箱的溢流槽中有通过管道15、 16分别与储水箱水 泵和供水腔相通的进水孔17、出水孔18。位于模似箱下游端的有溢流槽19的排水溢流箱 20中位于溢流槽外的溢流回水腔21有通过溢流测流管22与储水箱相通的溢流孔23。排 水溢流箱的溢流槽中有通过管道24与排水腔中排水孔连通的进水孔25。七组带标尺26的 测压管27等间距设置于模拟腔壁上。 一端与每组三根测压管底部连通的三根测压软管28 的另一端分别插入含水层的同一断面的上部、中部、下部(参见图4)。在模拟腔中偏上游部 有装在模拟箱顶部的入渗装置29。入渗装置中有底部含入渗降雨板30(参见图5)的入渗 箱31，位于入渗箱顶部的入渗液供给箱32，位于入渗箱中的带控制阀33的入渗液管34的 顶部与入渗液供给箱底部连通。在模拟腔上游端有装在模拟箱顶部的示踪剂注入箱35，带控制阀36的三根示踪剂控制管37 (参见图6、图7)等距离分布在模拟腔上游端含水层沿宽 度方向的同一截面上而其顶部分别与示踪剂注入箱底部连通。 参见图1，模拟箱上、下游处分别有能调节定水头溢流箱、排水溢流箱高度的定水
头溢流箱水位水位调节器38和排水溢流箱水位调节器39中分别有装在模拟箱上、下端的
带螺纹的螺母40、支座41，与溢流箱连接的带螺纹的支耳42，调节螺杆43 —端依次穿过螺
母、支耳上的螺纹而伸入支座中且能转动而另一端上装有调节手柄44。流量计45与溢流测
流管连通的。 入渗实验； 打开入渗装置入渗液管控制阀，观察示踪剂的入渗情况；1、渗润阶段；入渗初期， 入渗液被岩土颗粒所吸附形成薄膜水。2、渗漏阶段；随着岩土含水率的不断增大，水在岩土 空隙中作不稳定运动。3、渗透阶段；岩土空隙被水充满达到饱和状态，水主要受重力作用呈 稳定流动，补给含水层。实验发现；渗润阶段和渗漏阶段可以观察到，但渗透阶段时，入渗水 向下的渗透的过程中由于受到毛细水上升力的阻挡，水不能渗透到含水层而是沿潜水面以 上一定的高度向排泄边界运移，当入渗水向下的渗透力大于毛细水上升高度阻力后才能渗 透进入含水层(见图9，图中箭头46所示为毛细水上升高度)。
潜水渗流模拟实验； 潜水渗流模拟是以野外渗流的水文地质实体为模型对象，相当于模拟实际渗流区 的一矩形条块。 潜水渗流模拟通过对模型中各运动要素进行观测，其结果按一定比例放大，以获 得与自然界渗流相对应的运动要素。因此，模型一定要遵循相似模拟的原则，即，几何相似、 运动相似、动力相似、边界相似的原则。其运动规律都可以用裘布依方程形式来描述，艮卩 流量方程为 2A7—, (D 式中Q——渗流水量(cm3/s); K——渗透系数(cm/s); b——模拟含水层宽度(cm); h7——最上游端断面含水层厚度(cm); ^——最下游端断面含水层厚度(cm); L7—工——上游第7断面至下游第1断面的距离(cm)。 水头方程为A - }72 - i( 2 ) 式中hi——任意断面的水头值(cm)。 其它各项同式(1)。因含水底板为水平，式(1)中的含水层厚度读数与式(2)中含
水层水头值相同。 实验内容及步骤 (1)调节上、下游溢流箱水位差为0，此时上、下雜溢流箱水位、各断面上的上、中、
下测压管水位相等，表明仪器处于正常状态(如图10中水位线47所示)。 (2)接通电源，打开水控制阀，调节上、下游溢流箱水位差(约15cm)，待各测压管水位稳定。
观察并讨论 ①同一铅垂断面上各测压管水位上高下低的原因(因潜水面为曲面，流线与潜水 面平行，等水头与流线垂直所致，如图ll所示)。 ②对比分析上、下游不同断面上相应各测压管水位的差值及下游大于上游的原因 (因下游过水断面变小，流速变大所致，如图11所示)。图11中序号48、49分别为等水头 线水位线。 (3)测定仪器参数和测压管水位及流量，根据公式(1)计算渗透系数。
⑤测定地下水实际流速在含水层上游注入红色示踪剂，计时，分别观测到达第 1 7断面的时间，分别计算各断面及1 7断面的地下水实际流速，分析实测地下水实际 流速与理论计算流速差异巨大的原因(因理论计算是将渗流通道理想为直线，而地下水是 在含水层空隙中运动遇到固体颗粒将产生绕行，使地下水实际渗流通道大大延长所致(如 图12、图13)。图12、图13中序号50、51分别为地下水理论渗流线、地下水实际渗流线。
上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明上 述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
权利要求
入渗与渗流模拟实验装置，其特征在于包括带水泵的储水箱、底板保持水平的模拟箱，模拟箱内有含供水孔的供水腔、有含水层的模拟腔、含排水孔的排水腔，模拟腔与供水腔、模拟腔与排水腔之间有透水网孔板，位于模拟箱上游端的有溢流槽的定水头溢流箱中位于溢流槽外的溢流回水腔有通过溢流管与储水箱相通的溢流孔，定水头溢流箱的溢流槽中有通过管道分别与储水箱水泵和供水腔相通的进水孔、出水孔，位于模似箱下游端的有溢流槽的排水溢流箱中位于溢流槽外的溢流回水腔有通过溢流测流管与储水箱相通的溢流孔，排水溢流箱的溢流槽中有通过管道与排水腔中排水孔连通的进水孔，至少三组测压管竖直装在模拟腔壁上，分别与测压管底部连通的测压软管的一端穿过模拟腔壁插入含水层中，在模拟腔中有装在模拟箱顶部的入渗装置，入渗装置中有底部含入渗降雨板的入渗箱、位于入渗箱顶部的入渗液供给箱、位于入渗箱中顶部与入渗液供给箱底部连通的入渗液管，在模拟腔上游端有装在模拟箱顶部的示踪剂注入箱，至少三根位于模拟腔含水层内的带控制阀的示踪剂控制管的顶部分别与示踪剂注入箱底部连通。
2. 如权利要求1所述的入渗与渗流模拟实验装置，其特征在于测压管为七组，等间距 设置于模拟腔壁上，每组测压管为三根，与每组测压管底部连通的三根测压软管的另一端 分别插入含水层的同一断面的上部、中部、下部。
3. 如权利要求1或2所述的入渗与渗流模拟实验装置，其特征在于示踪控制管为三根， 等距离分布在模拟腔上游沿宽度方向的同一截面上。
4. 如权利要求1或2所述的入渗与渗流模拟实验装置，其特征在于模拟箱上、下游处分 别有能调节定水头溢流箱、排水溢流箱高度的水位调节器，水位调节器中有装在模拟箱上、 下端的带螺纹的螺母、支座，与溢流箱连接的带螺纹的支耳，调节螺杆一端依次穿过螺母、 支耳上的螺纹而伸入支座中且能转动。
5. 如权利要求1或2所述的入渗与渗流模拟实验装置，其特征在于有与溢流测流管连 通的流量计。
全文摘要
本发明入渗与渗流模拟实验装置，包括带储水箱、底板保持水平的模拟箱，模拟箱内有供水腔、有含水层的模拟腔、排水腔，在模拟腔中有装在模拟箱顶部的入渗装置，入渗装置中有底部含入渗降雨板的入渗箱、位于入渗箱顶部的入渗液供给箱，位于入渗箱中的入渗液管的顶部午与入渗液供给箱底部连通，在模拟腔上游端有装在模拟箱顶部的示踪剂注入箱，至少三根位于模拟腔含水层内的带控制阀的示踪剂控制管的顶部分别与示踪剂注入箱底部连通。本发明结构合理、可以直观了解水在地表入渗补给地下水的物理过程，了解地下水补给方式、地下水稳定运动的渗流特征、进行相关实验及参数测定。
文档编号G09B23/40GK101763765SQ20101010574
公开日2010年6月30日 申请日期2010年2月4日 优先权日2010年2月4日
发明者付小敏, 吴宗祥, 张晓超, 蔡国军, 虞修竞, 高涌涛 申请人:成都理工大学