人工充气法控制地面沉降的现场试验方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及控制地面沉降的试验方法与技术领域，具体涉及一种人工充气法控制地面沉降的现场试验方法和装置。
【背景技术】
[0002]地面沉降是在自然和人为因素作用下，由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的一种缓变性地质灾害，是一种不可补偿的永久性环境和资源损失。我国地面沉降主要集中在中部和东部沿海城市，对这些经济高速发展的地区危害极大。从我国地面沉降的特点来看，地下水的过度开采是主要原因，另外还包括地质的变形等自然因素。从地面沉降的基本情况而言，地面沉降的地区范围大，过程比较缓慢，故早期不易发现沉降问题所在，且对人们生活影响极大，成为一种严重的环境地质灾害。因此，开展对控制地面沉降的探索研究具有重要的现实意义。
[0003]目前，控制地面沉降主要从加强监测预测、综合防治与区域性防治相结合、限制或减少地下水开采量、调整地下水开采层次、合理支配开采时间、地下水人工回灌、加大地面沉降防治的宣传教育力度等方面入手。减少地下水开采量，有可能会加剧供需水矛盾;人工回灌需要大量的水资源，对于水资源匮乏地区，需兴修水利工程，势必增加成本;宣传教育对控制沉降的贡献微乎其微;总之，这些灾害治理措施、监测研究措施和行政法规措施，并不能有效的控制地面沉降。因此，这就要求尝试新的试验方法来探索研究地面沉降问题，达到有效控制地面沉降的目的。
【发明内容】
[0004]为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种用压缩空气替代淡水回灌入地下含水层来控制地面沉降的现场试验方法，它既可以解决以往控制地面沉降方法的浪费水资源、费时费力、成本高等问题，又不会对地下环境形成二次污染。
[0005]本发明采用的技术方案是，人工充气法控制地面沉降的现场试验装置，包括以下部分:
[0006](I)充气井与监测井
[0007]包含I口充气井，根据需要设置数口监测井，监测井沿充气井周边布置；
[0008](2)充气系统
[0009]由空气压缩机实现充气过程，空压机的工作压力视充气井的深度而定，深度越大，工作压力要求越大;空压机的压缩空气流量根据充气井的孔径大小选择，孔径越大，要求空压机的压缩空气流量越大；
[0010](3)控制系统
[0011]由初级减压阀、过滤器、高精度减压阀和数字压力计组成，其中过滤器包括除油过滤器和/或干燥过滤器；
[0012](4)采集系统
[0013]在每个监测井设置TDR、土压力盒、渗压计，还包括:采用8通道的土壤水分监测采集仪来采集土壤体积含水量和土壤温度数据，采用16通道的应变采集仪采集土压力值和孔隙水压力值，采用水准仪配合水准观测粧获取高程值。
[0014]空气压缩机产生的高压空气通过充气井内的送气钢管来导入地下，在送气钢管充气段制作成筛孔，送气钢管在地下固定，防止其在充气的过程中发生移动。
[0015]监测井深度布置要求:正南和正北两个方向的监测井的深度应大于充气段上端的深度；东北和西南两个方向的监测井深度应位于紧邻充气含水层上部的第一个土层中部；正东、正西、东南和西北四个方向的监测井深度位置应在充气含水层上部的第二个土层中部。监测井的具体深度根据土层分布确定。
[0016]监测井深度布置要求:正南和正北两个方向的监测井的深度应大于充气井下充气出口上端的深度;东北和西南两个方向的监测井深度应位于紧邻充气含水层上部的第一个土层中部;正东、正西、东南和西北四个方向的监测井深度位置应在充气含水层上部的第二个土层中部;监测井的具体深度值根据土层分布确定。
[0017]人工充气法控制地面沉降的现场试验方法，包括以下步骤:
[0018]I)设置I 口充气井，根据需要设置数口监测井，监测井沿充气井周边布置；
[0019]2)利用空气压缩机实现充气过程，空压机的工作压力视充气井的深度而定，深度越大，工作压力要求越大；空压机的压缩空气流量根据充气井的孔径大小选择，孔径越大，要求空压机的压缩空气流量越大；
[0020]3)利用初级减压阀、过滤器、高精度减压阀和数字压力计将空气压缩机产生的气体导入充气井下，其中过滤器包括除油过滤器和/或干燥过滤器；
[0021]利用TDR、土压力盒、渗压计测出数据，采用8通道的土壤水分监测采集仪来采集土壤体积含水量和土壤温度数据，采用16通道的应变采集仪采集土压力值和孔隙水压力值，采用水准仪配合水准观测粧获取高程值。
[0022]在空气压缩机使用的过程中，压力应逐级增加，绝不能逆向施加压力。
[0023]充气井中充气段的位置布置原则是应位于渗透性较好的土层，渗透性较好的土层为粉土或粉砂层，并且注气段上下存在渗透率较小的相对弱透水层；监测井的深度布置原则是应满足对充气段附近及充气段上部的数据获取，监测井与充气井的径向距离布置原则是距离越小的监测井相对较深，且与充气段中部的深度相近，径向距离大的监测井的深度减小，且位于充气段上部与地下水位之间的不同深度处。
[0024]本发明的特点及有益效果是:
[0025]与已有人工回灌淡水等技术相比较，本发明节约了宝贵的淡水资源，且不会对地下环境造成污染;本发明利用技术较成熟的传感器和采集仪获取实验区实时同步数据，操作简便快捷，可长期进行;本发明利用空气取代淡水回灌进入地下含水层，是一种节约成本、高效性的探索研究。
【附图说明】
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[0026]图1是充气井与观测井剖面布置示意图；
[0027]图2是充气井与观测井平面布置示意图；
[0028]图3是电移动式空气压缩机；
[0029]图4是压力调节控制面板；
[0030]图5是采集到的部分数据曲线；
[0031]图6是采集到的部分数据列表；
[0032]图7是完整装置示意图。
【具体实施方式】
[0033]本发明通过如下技术方案予以实现。
[0034]—种人工充气法控制地面沉降的现场试验方法，包含以下部分:
[0035](I)充气井与监测井
[0036]本发明包含I口充气井，根据需要可设置数口监测井，剖面布置示意图见附图1，平面布置示意图见附图2。
[0037](2)充气系统
[0038]由空气压缩机实现充气过程，由于在野外适宜选用移动式的，如附图3所示，空压机的工作压力视充气井的深度而定，深度越大，工作压力要求越大;空压机的压缩空气流量根据充气井的孔径大小选择，孔径越大，要求空压机的压缩空气流量越大。
[0039](3)控制系统
[0040]由初级减压阀、过滤器、高精度减压阀和数字压力计组成，由空压机出来的压缩空气依次通过上述装置。其中初级减压阀是通过调节，将进口压力减至某一需要的出口压力，并依靠介质本身的能量，使出口压力自动保持稳定的阀门；过滤器是除去压缩空气携带的少量油、水分、粉尘等物质。当压缩空气通过第一级筒状网眼过滤时产生聚结效应，大一点的颗粒将被吸附在滤材上，并且水分会凝结成较大的水滴。进入分离时，压缩空气速度减缓，使得颗粒再一次聚集，水雾在一个蜂窝状的聚水器上。水沿底部流到排水的装置，通过自动或手动排水阀将其排出。这时压缩空气中的95%以上的水滴、油滴以及大颗粒已被第一滤芯滤除，经第一级过滤后的压缩空气进入了第二级滤芯。压缩空气通过第二级由特殊材料所制成的纤维过滤网时，会产生数以千计的小旋涡，同时压缩空气将被加速数十倍，形成真空状态，在第一过滤没有被滤除的水滴再次被汽化、转换、滤除，同时，小到5微米的颗粒也被第二滤网完全清除；高精度减压阀同初级减压阀工作原理一样，只是在压力调节精度上更高;数字压力计是以马格努斯效应为基础的，可以在仪器面板上显示流量、压力、温度等指标的仪器，该仪器内置差压传感器，通过与计算机相连，可实时记录压力、流量等数据。控制面板示意图如附图4所示。
[0041](4)采集系统
[0042]包括对TDR、土压力盒、渗压计测出的数据及高程数据的采集，本发明采用8通道的土壤水分监测采集仪来采集土壤体积含水量和土壤温度数据，采用16通道的应变采集仪采集土压力值和孔隙水压力值，采用水准仪配合水准观测粧获取高程值。采集数据的部分结果示意图如附图5、6所示。
[0043]下面结合具体实施例对本发明进一步详细的说明，本例完整装置示意图如附图7所示。
[0044](I)选址
[0045]应尽可能选择