用于模拟实验的分层地下水单井采灌系统及实验方法

本发明涉及地质灾害物理模拟实验，特别是一种用于模拟实验的分层地下水单井采灌系统及实验方法。

背景技术：

1、随着社会经济的发展与城市化进程的加快，城市对水资源的需求越来越大，在地表水相对匮乏的地区，抽采地下水是城市供水的主要来源。而大量开采地下水引发的地面沉降、塌陷及其带来的次生危害已逐渐成为典型的城市工程地质灾害之一。受限于影响因素众多、地层随机性大等原因，地下水开采导致环境及工程问题的机理尚不清楚。模型实验可再现灾害发生全过程，方便揭示其发生机理，认识灾变演化过程，从而掌握灾害本质规律，是研究复杂问题的有效途径和手段。因此，研发地下水开采室内模型实验设备具有重要的技术保障和社会效益。

2、由于地下水开采通常含有多个含水层，不同层位及埋深地下水开采对所引发的环境和工程问题作用机理和影响程度不同。但现有的研究均未考虑单个抽水井一次性完成对多个含水层分层开采、分层回灌等不同采水条件变化模拟的设备，难以研究多个含水层水文地质条件下地下水开采全生命周期的发展过程和规律及其对工程和环境的影响，因此很难真实地揭示地下水开采诱灾机理和灾变演化规律，从而无法有针对性地制定有效的地下水开采方案以及灾害防控对策。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于模拟实验的分层地下水单井采灌系统及实验方法，适用于单个抽水井一次性完成对多个含水层分层开采、分层回灌等不同采水条件变化模拟的地下水采灌实验。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明的一种用于模拟实验的分层地下水单井采灌系统及实验方法，包括井壁结构、采灌水分层装置、抽灌水动力系统、观测系统；所述井壁结构为封底的中空圆筒结构；所述井壁结构包括多段井壁，多段所述井壁分别对应于地下水含水层和地下水隔水层设置，其中，对应于含水层设置有渗水段井壁，对应于隔水层设置有隔水段井壁；多个所述井壁间通过连接构件连接；所述采灌水分层装置相对于井壁结构内部可拆卸安装设置，所述采灌水分层装置与所述井壁结构内壁面密封配合设置；所述采灌水分层装置包括第一分层结构、第二分层结构、第三分层结构；所述第一分层结构、第二分层结构、第三分层结构中的一个布设于井壁结构内部，用于按采灌水方案分隔获取目标采灌水区域，所述目标采灌水区域由一个或多个连续目标含水层构成；所述抽灌水动力系统包括依次串联的井下管路、井上管路、集储水模块；所述井上管路包括并联的两组动力泵管路；所述井下管路的下端设置有滤头，所述井下管路和滤头伸入目标采灌水区域；所述观测系统包括若干采集端，所述采集端包括布置在井壁结构外侧的传感模块以及内探于井壁结构内部的可视模块和piv量测模块；多个采集端通过线路组接入数据分析系统。

3、进一步地，所述渗水段井壁为多孔的双层中空套筒结构，该套筒间隙填充有过滤层；所述隔水段井壁为单层的中空套筒结构。

4、进一步地，所述第一分层结构为底塞式结构，包括与井壁结构密封配合的封底止水塞；所述封底止水塞上侧与井壁结构之间构成所述目标采灌水区域。

5、进一步地，所述第二分层结构为中塞式结构，包括与井壁结构密封配合的中封止水塞；所述中封止水塞套接于所述中空护杆外侧，所述中封止水塞下方的中空护杆设置为多孔中空护杆；所述中封止水塞下侧与井壁结构之间构成所述目标采灌水区域。

6、进一步地，所述第三分层结构为组合式结构，包括与井壁结构密封配合的封底止水塞和中封止水塞，所述封底止水塞固接于中空护杆底端，所述中封止水塞套接于所述中空护杆外侧，所述封底止水塞与所述中封止水塞间的中空护杆设置为多孔中空护杆；所述封底止水塞、中封止水塞和井壁结构之间构成所述目标采灌水区域。

7、进一步地，所述封底止水塞和中封止水塞与所述隔水段井壁内壁密封配合设置；所述封底止水塞和中封止水塞与所述井壁结构内壁螺纹配合设置。

8、进一步地，所述封底止水塞可拆卸连接于中空护杆底端或辅助护杆底端。

9、进一步地，所述中空护杆下部设置为多孔中空护杆，所述中封止水塞沿所述多孔中空护杆可调节滑动设置；所述中封止水塞通过止卡结构相对于多孔中空护杆固定连接，所述止卡结构与多孔中空护杆上的通孔卡设配合。

10、进一步地，所述中封止水塞上侧固接设置有密封套筒，所述密封套筒套设于中封止水塞上侧的多孔中空护杆外侧。

11、进一步地，采用分层地下水单井采灌系统进行地下水开采模拟实验，具体包括以下步骤：

12、步骤ⅰ，首先将多段井壁按实验方案通过连接构件组装成整体，再在各段井壁外侧卡装传感模块，最后将井壁结构固定安装于地层中后按方案铺设实验土层；

13、步骤ⅱ，选择合适的采灌水分层装置结构并相对于井壁结构进行安装，组合构成特定的分层采灌井结构；其中，选用底塞式结构，用于进行井口的单个目标含水层采灌水实验，或连续多个目标含水层同时采灌水实验；选用中塞式结构，用于进行井底的单个目标含水层采灌水实验，或连续多个目标含水层同时采灌水实验；选用组合式结构，用于进行中部的单个目标含水层采灌水实验，或连续多个目标含水层同时采灌水实验；

14、步骤ⅲ，将安装有滤头的井下管路伸入到目标采灌水区域底部附近；其中，采用中塞式结构和组合式结构时，安装有滤头的井下管路穿过中空护杆内腔伸入到目标采灌水区域；

15、步骤ⅳ，设置实验土层初始地下水条件，布设可视模块和piv量测模块，将监测信号通过线路组连接到数据分析系统，初始化监测数据并达到实验前稳定状态；

16、步骤ⅴ，启动动力泵管路，调整其参数，模拟对目标含水层不同条件的抽灌水过程；

17、步骤ⅵ，抽灌水实验过程中，通过传感模块和piv量测模块观测井壁周围土体土压力、孔隙水压力、地下水水位、含水率、以及地层位移、裂隙、离层的空间分布和发展情况，在数据分析系统集成进行实时采集、记录和分析；

18、步骤ⅶ，完成该次实验后关闭抽水动力系统，储存实验数据，拆除非接触式观测系统采集设备；根据实验方案判断是否需要更换采灌水分层装置，若无需更换则重复步骤ⅲ～ⅶ；若需要更换则将带滤头的井下管路取出，并重复步骤ⅱ～ⅶ，直至全部实验结束。

19、有益效果：本发明的一种用于模拟实验的分层地下水单井采灌系统及实验方法，至少包括以下优点：

20、(1)本发明中的采灌井结构采用模块化设计，井壁结构、采灌水分层装置、抽灌水动力系统、观测系统各部分功能明确、联系紧密，整体结构合理、方便可靠，实现对实际工程中真实井体结构和复杂抽灌水行为(开采层位、开采深度、开采强度，以及常压回灌、加压回灌)的模拟，能够反映多个含水层条件下单个井体地下水开采全生命周期的发展过程。

21、(2)本发明中的井体为装配式结构，可根据地层和采灌水条件灵活组合，精确控制井体内目标含水层分层和采灌水力边界条件，达到单井分层地下水采灌的目的，一井多用，能够满足对多种工况的实验模拟，技术经济性好、实验效率高。

22、(3)本发明中的采灌井主体采用透明材料，借助井内非接触式图像观测系统，并通过相应的后处理分析将实验过程中采灌井井壁周围土体的位移场演化、地层裂隙和离层的空间分布可视化展示以及定量化描述，便于从宏细观角度深入研究采灌水过程中的水土耦合及灾害机理。