一种基于沉陷条件下包气带水分运移变化过程观测物理模型装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种基于沉陷条件下包气带水分运移变化过程观测物理模型装置，装置由包气带形态动态变化的试验槽、雨量雨型可调的降雨模拟系统、获取包气带水位水势的测量系统以及监测包气带形态变化的快速摄像系统。与同类的包气带物理模拟装置相比，本实用新型所提供的基于沉陷条件下包气带水分运移变化过程观测物理模型装置不仅能充分监测包气带土壤中的各种状况，还可以通过监测模拟沉陷区包气带渐进性破坏过程的水位水势变化，记录各阶段的数据，定量研究不同的降雨条件和不同的地下水补排条件下沉陷区包气带内水分参数的动态变化，为分析开采塌陷下地下水分运移变化提供重要研究途径。
【专利说明】
一种基于沉陷条件下包气带水分运移变化过程观测物理模型装置
技术领域
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[0001]本实用新型涉及一种基于沉陷条件下包气带水分运移变化过程观测物理模型装置，属于水文地质研究领域，主要用于研究包气带在不同沉陷阶段、不同补排条件下的水分运移变化过程。
【背景技术】
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[0002]煤炭占我国能源结构的75%，在煤炭资源开发过程中，无可避免地会对土地资源造成不同程度的破坏。我国煤炭以井工开采为主，其产量约占原煤产量的96%，因此我国煤矿破坏土地的类型以采煤塌陷地为主。在采煤造成的沉陷过程中，一方面破坏了包气带原有结构，产生裂隙，导致垂向上水分含量及地下水位变化，而沉陷区农作物生长及生态修复治理取决去包气带水分含量变化;另一方面，包气带内部产生了扰动型阶梯裂缝，不仅破坏了沉陷范围内浅层土壤结构，同时也改变了地表径流、入渗和蒸发条件。
[0003]包气带水分运动是自然界水循环的重要部分，它是联系地表水与地下水之间的重要纽带。在采煤塌陷的不同发展阶段，包气带结构呈现不同的变化特征。因此研究沉陷过程中包气带水分与水位动态时空变化规律，对于矿区沉陷区如何进行生态修复和土地复垦，具有十分重要的理论与实践意义。
[0004]作为此类问题的重要研究方法，室内物理模拟仪具有很多优点，做为物理模拟的主要工具，地下水模拟装置影响着物理模拟研究领域的发展。但当今的地下水模拟装置功能上较为单一，并不能对结构发生动态变化的包气带中水分运移过程进行模拟监测，无法反映沉陷区真实地质条件。
【实用新型内容】:
[0005]本实用新型提供了一种基于沉陷条件下包气带水分运移变化过程观测物理模型装置，以针对性解决目前现有模拟装置的功能上的不足。
[0006]实现本实用新型的技术方案:
[0007]—种基于沉陷条件下包气带水分运移变化过程观测物理模型装置，由动态试验槽、快速摄像系统、降雨模拟系统和水分监测系统构成。动态试验槽主体为由有机玻璃制成的盛装试验土壤的长方体箱体，数字摄影系统位于箱体正前方。箱体左右两侧分别设有水槽，左右水槽外侧接溢流槽，溢流槽通过升降架安装在箱体两侧外壁上。箱体底部左右两端设进水管与出水管，上覆海绵层与气垫层，箱体顶部为降雨模拟系统，内部的测量系统包括水势测量单元与水位测量单元。
[0008]所述动态试验槽为长1.5m、宽0.6m，高2m的长方体箱体，由1mm厚的有机玻璃加工而成，箱体前壁左右两侧设两排高精度标尺，下方装有不锈钢支架。箱体底部上覆两层海绵，两层海绵之间设一排柱状高压气垫，高压气垫的控制气阀由箱体后壁外接。
[0009]所述降雨模拟系统包括多排PVC输水管，输水管上布有若干降雨喷头，并设有流量调节阀和水压表。降雨模拟系统连接在模型箱上部的钢支架上。
[0010]所述水分监测系统包括水势监测单元及水位监测单元。其中水势监测单元由若干负压计组成，负压计包括张力计管、压力表以及数据记录仪，张力计管的首端为多孔的陶土头，穿过动态试验槽的后壁埋填于试验土壤中，张力计管的尾端与压力表相连，显示测量结果，并通过探针与数据记录仪连接，该数据记录仪能够按照设定的时间间隔自动记录土壤中各位置的水势。
[0011]水位监测单元由若干测压管组成，测压管一端穿过动态试验槽的前壁埋填于试验土壤中，另一端通过橡皮管接在标有刻度测压板上。通过测压板所获读数记录土壤水位。
[0012]本实用新型可以通过埋藏在试验土壤下的高压气垫的充放气改变模拟包气带的形态，以模拟采煤塌陷前、采煤发生后的塌陷非稳定阶段、塌陷稳定阶段的沉陷区包气带结构形态变化，同时通过数字摄像系统与测量系统实现对沉陷区包气带位移场与地下水渗流系统的全程监控。
[0013]本试验装置属于多功能的包气带模型试验装置，相较于同类模拟装置，可以综合分析各影响因素对沉陷区包气带地下水渗流的影响。因考虑的因素较为全面和综合，故可以更全面研究沉陷过程中包气带水分与水位动态时空变化规律。
【附图说明】
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[0014]图1为本实用新型提供的基于沉陷条件下包气带水分运移变化过程观测物理模型装置的主体部分结构示意图；
[0015]图2为装置的气垫层部分示意图；
[0016]图3为装置的水势测量单元示意图；
[0017]图4为装置的水位测量单元示意图；
[0018]图5为装置总体的三维示意图；
[0019]图中:丨一动态试验槽;2—水槽;3—溢流槽;4一进水管;5—出水管;6—透水海绵层；7—高压气垫;8—控制气阀；9一降雨模拟系统；10—输水管；11一降雨喷头；12—负压计；13—张力计管；14一压力表；15—数据记录仪；16—陶土头；17—探针；18—测压管；19一橡皮管;20一测压板。
【具体实施方式】
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[0020]下面结合附图对本实用新型做详细具体的说明。
[0021]如图1所示，本实用新型的主体部分由动态试验槽、降雨模拟系统和水分监测系统构成。动态试验槽I为长1.5m、宽0.6m，高2m的长方体箱体，由1mm厚的有机玻璃加工而成，箱体左右两侧设两排高精度标尺，下方装有不锈钢支架。动态试验槽I的内部盛装试验土壤。
[0022]试验槽I左右两侧分别设有水槽2，左侧的水槽2用来模拟给水河渠，右侧的水槽2模拟排水河渠。水槽2内壁与土壤接触的部分设滤网，以保证水分进出土壤时不破坏土壤结构维持土壤稳定性。左右水槽外侧分别设可以调节高度的溢流槽3，用于改变动态试验槽两侧的水位。
[0023]箱体底部两端分别接入进水管4和出水管5，模拟包气带底部补排，上覆两层透水海绵6以确保槽内水位的水平升降。两层透水海绵6之间设一排柱状高压气垫7，用于模拟采空区上方岩层跨落，使模拟包气带发生下沉形变。如图2所示，高压气垫7的控制气阀8由箱体I后壁外接。
[0024]所述降雨模拟系统9由多排PVC输水管10构成，输水管10上布有若干降雨喷头11，并设有控制喷头水量的的流量调节阀和水压表，可定量控制水压和水量，以模拟不同类型的降雨。降雨模拟系统9连接在模型箱I上部的钢支架上。
[0025]所述水分监测系统包括水势监测单元及水位监测单元。其中水势监测单元由若干负压计12组成。如图3所示负压计12包括张力计管13、压力表14以及数据记录仪15。张力计管13的首端穿过动态试验槽I的后壁埋填于试验土壤中，且张力计管13的首端为多孔的陶土头16，张力计管13的尾端与压力表14连接，显示测量结果，并通过探针17与数据记录仪15连接，该数据记录仪15能够按照设定的时间间隔自动记录土壤中各位置的水势。如果再把数据记录仪15连接到计算机上，即可在计算机上实时监测箱体I内不同位置的土壤水势。
[0026]如图4所示水位监测单元由若干测压管18组成，测压管18—端穿过动态试验槽I的前壁埋填于试验土壤中，另一端通过橡皮管19接在标有刻度测压板20上。通过测压板20即可得到箱体I内不同位置的土壤地下水位。
[0027]本实用新型的模拟研究包气带在不同沉陷阶段、不同补排条件下的水分运移变化过程试验方法，具体步骤如下:
[0028]a、选取待研究沉陷区的松散沉积物，将试验土壤中的杂质筛除，然后分层装入动态试验槽I并压实。
[0029]b、根据试验要求补排条件通过试验槽I侧面的水箱3与底部的输水管4向槽内注水，模拟地下水渗流。
[0030]C、打开固定在试验槽I顶部的降雨模拟系统8，通过流量调节阀和水压表调节水压和水量，模拟待研究区的降雨情况。
[0031]d、记录试验槽I内的测量系统测得的试验土壤内初始的水势、水位数据，即模拟沉陷区包气带采煤塌陷前的水文参数。
[0032]e、通过气阀8控制高压气垫7放气，选择合适的数码摄像距离，利用快速摄像系统捕捉模拟包气带失稳破坏过程，通过高分辨率数码相机定时连续采集试验照片，然后运用图像处理软件进行图片分析，结合其间测量系统测得的水位、水势变化实现采煤发生后的塌陷非稳定至稳定阶段的包气带位移场和渗流系统的全场监测与分析。
【主权项】
1.一种基于沉陷条件下包气带水分运移变化过程观测物理模型装置，由动态试验槽、快速摄像系统、降雨模拟系统和水分监测系统构成，其特征在于动态实验槽为盛装试验土壤的长方形箱体，数字摄像系统置于箱体正前方，箱体左右两侧设水槽，左右水槽外侧分别连接可以调节试验槽水位的溢流槽，箱体底部左右两端设进水管与出水管，上覆海绵层与气垫层，箱体顶部为降雨模拟系统，内部的测量系统包括水势测量单元与水位测量单元。2.如权利要求1所述的基于沉陷条件下包气带水分运移变化过程观测物理模型装置，其特征在于动态试验槽为长1.5m、宽0.6m，高2m的长方体箱体，由1mm厚的有机玻璃加工而成，箱体前壁左右两侧设两排高精度标尺，下方装有不锈钢支架。3.如权利要求1所述的基于沉陷条件下包气带水分运移变化过程观测物理模型装置，其特征在于箱体底部上覆两层海绵，两层海绵之间设一排柱状高压气垫，高压气垫的控制气阀由箱体后壁外接。4.如权利要求1所述的基于沉陷条件下包气带水分运移变化过程观测物理模型装置，其特征在于所述的降雨模拟系统由多排PVC输水管构成，输水管上布有若干降雨喷头，并设有控制喷头水量的的流量调节阀和水压表，降雨模拟系统连接在模型箱上部的钢支架上。5.如权利要求1所述的基于沉陷条件下包气带水分运移变化过程观测物理模型装置，其特征在于所述的水势测量单元由若干负压计组成，负压计包括张力计管、压力表以及数据记录仪，张力计管的首端为多孔的陶土头，穿过动态试验槽的后壁埋填于试验土壤中，张力计管的尾端与压力表相连，显示测量结果，并通过探针与数据记录仪连接，该数据记录仪能够按照设定的时间间隔自动记录土壤中各位置的水势。6.如权利要求1所述的基于沉陷条件下包气带水分运移变化过程观测物理模型装置，其特征在于所述的水位测量单元由若干测压管组成，测压管一端穿过动态试验槽的前壁埋填于试验土壤中，另一端通过橡皮管接在标有刻度测压板上。
【文档编号】G01N33/24GK205643336SQ201521003188
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年12月2日
【发明人】马志尚, 许光泉, 汪迁迁, 陈丽, 郑印
【申请人】安徽理工大学