可模拟冻土区地下水热效应及渗流效应的装置及方法与流程

本发明涉及铁路领域的一种室内试验装置，具体地，涉及可模拟冻土区地下水热效应与渗流效应装置及方法。

背景技术：

地球上冻土区的面积约占陆地总面积的50％。其中多年冻土区占陆地总面积25％。在我国，多年冻土区分布自青藏高原、大小兴安岭、天山、祁连山、长白山等地区，季节冻土区则分布整个北方。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰、地下水。而冻土区地下水热效应及热效应与渗流效应的耦合作用造成的问题一直是轨道交通中的一项重大问题，特别是近年来铁路的高速化和重载化，使的这类问题造成的影响更为突出，大大增加了线路的运行和维护成本，严重影响列车运行的安全性和舒适性，造成了巨大的人力和物力损失。因此，研究冻土区地下水热效应及热效应与渗流效应的耦合作用，对于保证轮轨的稳定性、安全性以及延长其使用寿命具有重要的现实和经济意义。

由于冻土区地下水热效应及热效应与渗流效应耦合作用是多种因素共同作用的结果，其机理非常复杂，数值分析方法难以实现对复杂工况下的定量分析。因此，为了更好地研究地下水对路基沉降影响的关系，揭示不同工况对沉降的影响，进行试验研究是非常必要且可行的方法。目前，现有的试验方法只能模拟热效应，虽然比较接近实际情况，但对热效应与渗流效应的耦合作用却没有考虑，很难定性的模拟冻土区地下水热效应与渗流效应耦合作用下的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述问题，提出可模拟冻土区地下水热效应与渗流效应装置及方法，以实现高效率、精度高、维护费用小和花费时间短的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：可模拟冻土区地下水热效应与渗流效应装置，主要包括集成温控系统、水量控制系统、工程塑料水箱、双通道复合碳化硅管道组件、冻土区土层模拟系统和温度传感系统；

所述集成温控系统，用以控制水路管道内水流的温度；

所述水量控制系统，用以控制工程塑料水箱内的水流入双通道复合碳化硅管道内的量和速度；

所述工程塑料水箱，用以存放试验用的水；

所述双通道复合碳化硅管道组件，是水流的通道，其一部分埋入冻土层，埋入冻土层的双通道复合碳化硅管道上开有能将水渗透入土层的小孔；

所述冻土层模拟系统，是试验用冻土层及其应变测量、温度测量装置；

所述温度传感系统，是用以测量地下水温度、土层温度的试验装置。

进一步地，所述集成温控系统与水量控制系统的配合，对循环水流进行精准控制，可实现恒温、定速的水流输出。

进一步地，所述水量控制系统包括水量传感器、pid智能调节仪和电动比例调节阀，可以精准地控制水流流速。

进一步地，所述集成温控系统包括加热控流系统、工程塑料水箱、水泵、管道连接件、球型转换阀门、双通道复合碳化硅管道、通水管、连接线、温度仪和温度传感器。

进一步地，所述加热控流系统采用微波加热方式，具有加热均匀、加热效率高的特点，可实现温度升降的快速、准确控制。

进一步地，所述双通道复合碳化硅管道数目可以为多个，可实现同时进行多个冻土区地层模拟部位的试验，通过组合管道可适应各种大小的冻土区地层模拟装置；管道之间可以组合连接，可使该设备满足各种大小的冻土区地层模拟装置。

进一步地，所述双通道复合碳化硅管道为内外两层管壁构成，双通道复合碳化硅管道内壁布置热敏电阻，是为了在进行热效应与渗流效应共同作用的试验的过程中，可观察管内水的温度是否符合要求；

双通道复合碳化硅管道外壁布置热敏电阻，是为了在进行热效应试验的过程中，可观察管外壁的温度是否符合要求。

进一步地，所述双通道复合碳化硅管道壁均匀螺旋分布渗水孔，再用精密特级滤网包裹渗水孔，渗水孔采用螺旋式环绕均匀分布，使其可以更好的模拟水流流入土体的实际状况。

进一步地，所述双通道复合碳化硅管道口采用三个小球连接的球阀式阀门，通过调节球形阀门来转换水流路径，实现内管道注水可模拟冻土区地下水的热效应与渗流效应的耦合作用，可简单有效的控制水流输入双通道复合管道的位置，方便热效应试验与热效应与渗流效应耦合作用试验地相互转换。

进一步地，可模拟冻土区地下水热效应与渗流效应方法，具体包括：

步骤1：根据试验要求组装双通道复合碳化硅管道，将其埋入冻土区土层模拟系统中的预定位置；

步骤2：使用连接器连接集成温控系统、水量控制系统、工程塑料水箱、双通道复合碳化硅管道组件、冻土区土层模拟系统、温度传感系统；

步骤3：根据试验种类选择不同的球型阀门开关；

步骤4：打开水流控制系统开关，设定温度和流速；

步骤5：打开温度仪开关，使其可以观察到土内管壁内外的温度变化；

步骤6：打开水泵开关，使水从水箱中输入到加热系统中，使水流输入到双通道复合管道中；

步骤7：进行模拟试验，记录相关数据。

本发明的有益技术效果：

1、对水流进行温度和流速双向控制，模拟不同温度的地下水对冻土区的影响；

2、通过集成温控系统、水量控制系统的配合对循环水流进行精准控制，可实现恒温、定速的水流输出，通过调节球形阀门来转换水流路径，可分别模拟冻土区地下水的热效应及热效应与渗流效应的耦合作用；

3、实验装置高效率、高准确度、成本低、维护费用小、节省人力、运行稳定、使用寿命长。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明所述可模拟冻土区地下水热效应与渗流效应装置的集成温控系统结构示意图；

图2为本发明所述可模拟冻土区地下水热效应与渗流效应装置的水量控制系统界面显示图；

图3为本发明所述可模拟冻土区地下水热效应与渗流效应装置的水量控制系统装备内部结构示意图；

图4为本发明所述可模拟冻土区地下水热效应与渗流效应装置的双层复合碳化硅管道结构示意图；

图5为本发明所述可模拟冻土区地下水热效应与渗流效应装置的双层复合碳化硅管道的渗水孔分布示意图。

结合附图1，本发明实施例中附图标记如下：

1-加热控流系统，2-工程塑料水箱，3-水泵，4-管道连接件，5-球型转换阀门，6-

双通道复合碳化硅管道，7-通水管，8-连接线，9-温度仪，10-温度传感器；

结合附图2，本发明实施例中附图标记如下：

1001-水流流速显示屏，1002-水流流速控制键，1003-水流温度显示屏，1004-水流温度控制键；

结合附图3，本发明实施例中附图标记如下：

1005-集成加热器，1006-水量控制器，1007-出水管，1008-入水管；

结合附图4，本发明实施例中附图标记如下：

6001-双通道复合碳化硅管道外壁，6002-双通道复合碳化硅管道内壁；

结合附图5，本发明实施例中附图标记如下：

6003-渗水孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

可模拟冻土区地下水热效应与渗流效应装置，主要包括集成温控系统、水量控制系统、工程塑料水箱、双通道复合碳化硅管道组件、冻土区土层模拟系统和温度传感系统；

所述集成温控系统，用以控制水路管道内水流的温度；

所述水量控制系统，用以控制工程塑料水箱内的水流入双通道复合碳化硅管道内的量和速度；

所述工程塑料水箱，用以存放试验用的水；

所述双通道复合碳化硅管道组件，是水流的通道，其一部分埋入冻土层，埋入冻土层的双通道复合碳化硅管道上开有能将水渗透入土层的小孔；

所述冻土层模拟系统，是试验用冻土层及其应变测量、温度测量装置；

所述温度传感系统，是用以测量地下水温度、土层温度的试验装置。

所述集成温控系统与水量控制系统的配合，对循环水流进行精准控制，可实现恒温、定速的水流输出。

水量控制系统包括水量传感器、pid智能调节仪和电动比例调节阀，可以精准地控制水流流速。

如图2所示，水量控制系统界面包括水流流速显示屏1001，水流流速控制键1002，水流温度显示屏1003和水流温度控制键1004。

如图3所示，水量控制系统装备内部设置集成加热器1005，水量控制器1006，出水管1007和入水管1008。

如图1所示，所述集成温控系统包括加热控流系统1、工程塑料水箱2、水泵3、管道连接件4、球型转换阀门5、双通道复合碳化硅管道6、通水管7、连接线8、温度仪9和温度传感器10。

水泵3与工程塑料水箱2链接，工程塑料水箱2、管道连接件4、加热控流系统1、球型转换阀门5、双通道复合碳化硅管道6和通水管7连接形成试验用水路。水泵3从工程塑料水箱2内抽出水送到加热控流系统1进行加热，水温符合试验用温度后打开管道上的球型转换阀门5，控制水流量和水流速度流入双通道复合碳化硅管道6，小部分水通过开设在双通道复合碳化硅管道6上的渗水孔6003渗透到冻土层，大部分水通过管道流入工程塑料水箱2。

所述加热控流系统1采用微波加热方式，具有加热均匀、加热效率高的特点，可实现温度升降的快速、准确控制。

所述双通道复合碳化硅管道6数目可以为多个，可实现同时进行多个冻土区地层模拟部位的试验，通过组合管道可适应各种大小的冻土区地层模拟装置；管道之间可以组合连接，可使该设备满足各种大小的冻土区地层模拟装置。

如图4所示，所述双通道复合碳化硅管道6为内外两层管壁构成，双通道复合碳化硅管道内壁6002布置热敏电阻，是为了在进行热效应与渗流效应共同作用的试验的过程中，可观察管内水的温度是否符合要求；

双通道复合碳化硅管道外壁6001布置热敏电阻，是为了在进行热效应试验的过程中，可观察管外壁的温度是否符合要求。

如图5所示，所述双通道复合碳化硅管道6壁均匀螺旋分布渗水孔6003，再用精密特级滤网包裹渗水孔6003，渗水孔6003采用螺旋式环绕均匀分布，使其可以更好的模拟水流流入土体的实际状况。

所述双通道复合碳化硅管道6口采用三个小球连接的球阀式阀门，通过调节球形阀门来转换水流路径，实现内管道注水可模拟冻土区地下水的热效应与渗流效应的耦合作用，可简单有效的控制水流输入双通道复合管道的位置，方便热效应试验与热效应与渗流效应耦合作用试验地相互转换。

所述可模拟冻土区地下水热效应与渗流效应装置，所述的导水管是双通道复合碳化硅管道，管道埋设部分周围设有均匀螺旋分布的渗水孔，再用精密特级滤网包裹渗水孔，可通过水泵将水从水箱中抽出，输入到水流加热控制系统中，从而得到不同温度、不同流量的水输入预先分层埋设在冻土区地层模拟装置中的双通道复合碳化硅管道中，可模拟冻土区地下水热效及热效应与渗流效应的耦合作用。

可模拟冻土区地下水热效应与渗流效应方法，具体包括：

步骤1：根据试验要求组装双通道复合碳化硅管道，将其埋入冻土区土层模拟系统中的预定位置；

步骤2：使用连接器连接集成温控系统、水量控制系统、工程塑料水箱、双通道复合碳化硅管道组件、冻土区土层模拟系统、温度传感系统；

步骤3：根据试验种类选择不同的球型阀门开关；

步骤4：打开水流控制系统开关，设定温度和流速；

步骤5：打开温度仪开关，使其可以观察到土内管壁内外的温度变化；

步骤6：打开水泵开关，使水从水箱中输入到加热系统中，使水流输入到双通道复合管道中；

步骤7：进行模拟试验，记录相关数据。

至少可以达到以下有益技术效果：

1、对水流进行温度和流速双向控制，模拟不同温度的地下水对冻土区的影响；

2、通过集成温控系统、水量控制系统的配合对循环水流进行精准控制，可实现恒温、定速的水流输出，通过调节球形阀门来转换水流路径，可分别模拟冻土区地下水的热效应及热效应与渗流效应的耦合作用；

3、实验装置高效率、高准确度、成本低、维护费用小、节省人力、运行稳定、使用寿命长。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。