一种地下水模拟系统及方法与流程

本发明涉及试验设备技术领域，尤其是指一种地下水模拟系统及方法。

背景技术：

对于大型岩土工程，在工程论证阶段必须进行充分的实验论证才能够确保工程开始后能够顺利进行。对于岩土工程来说，岩石的应力以及地下水的作用都会对工程带来很大的影响，因此必须进行精确地试验。现有的地下水模拟系统一般都可以针对土壤层和地下水继续模拟，但是在实际使用中发现模拟结果并不精确。

技术实现要素：

针对现有技术中的地下水模拟系统结构不合理导致最终试验结果不够准确的问题，本发明实施例要解决的技术问题是提出一种结构合理且试验结果更为精确地地下水模拟系统及方法。

为了解决上述问题，本发明实施例提出了一种地下水模拟系统，包括：供水循环装置、用于模拟土壤层的模型装置、冷却装置、测量装置；其中所述供水循环装置用于模拟地下水的流动并将带有压力的模拟地下水注入到模型装置内的土壤层中；其中所述模型装置用于模拟土壤层；所述模型装置设有n个不同类型土壤组成的土壤层以使供水循环装置的模拟地下水流经土壤层以模拟地下水在砂卵石层间流动；所述冷却装置沿竖直方向插入模拟装置的土壤层内以模拟周围土壤的冷却和/或冻结；所述测量装置用于测量模型装置内部的温度和模拟地下水的流速。

其中，该供水循环装置包括水槽和循环水泵，该循环水泵连接水槽和模型装置以将模拟地下水输送到模型装置内；该循环水泵通过溢流阀连接模型装置。

其中，该模型装置包括外壳，所述外壳至少包括前面板和后面板；其中前面板上设有多个供水腔，且每一供水腔都设有接头以连接供水循环装置，且所述供水腔朝向模型装置内的一侧壁上设有多个渗水孔以模拟地下水向土壤层的渗透；其中后面板上设有多个出水口以模拟地下水经过模型装置内的土壤层后的出水；在后面板外还设有集水槽，该集水槽通过后面板上的出水口与模型装置的内腔导通。

其中，冷却装置为模型装置从上至下贯穿安装有冷却用的不锈钢管，该不锈钢管内设循环流动的冷却盐水以将周围土壤冷却、冻结，该不锈钢冷却管通过带保温层的软管与制冷装置相连接。

其中，测量系统包括温度传感器组、水流流速传感器组和光栅传感分析仪，以检测模型内的温度分布和水流流速变化；其中，温度传感器组、水流流速传感器组为光栅类型；其中温度传感器组的温度传感器为光纤光栅温度传感器，其具有不锈钢金属管封装，利用光栅自有的温度敏感特性来监测温度。

其中，制冷装置包括：冷却管、储水槽、水泵、压缩机组、制冷控制器和连接管路；制冷装置工作时水泵将储水槽内的制冷介质通过热交换器制冷后注入到模型内的冷却管，冷却管内的盐水对模型进行冷却并回流到储水槽；压缩机制冷剂与盐水通过热交换器进行热量传递。

其中，不锈钢制冷管采用双层结构，进水从中心底部流出，通过夹层向上流动，热量通过外层的钢管壁进行交换；

同时，本发明实施例还提出了一种利用如前任一项所述的地下水模拟系统进行模拟的方法，包括：

将供水循环装置、冷却装置、测量装置连接模型装置；

在施工现场开挖实验用基坑，将模型装置放置在基坑中并进行填土；利用测量装置进行测量。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：上述技术方案提出了一种地下水模拟系统，能够对地下水进行模拟，且其模拟效果好、数据准确。

附图说明

图1为本发明实施例的地下水模拟系统的结构示意图；

图2为模型装置的外壳结构示意图；

图3为模型装置内的土壤层的结构示意图；

图4为冷却管的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明实施例提出了一种如图1所示的地下水模拟系统，包括：供水循环装置、用于模拟土壤层的模型装置1、冷却装置4、测量装置5；其中所述供水循环装置用于模拟地下水的流动并将带有压力的模拟地下水注入到模型装置1内的土壤层中；其中所述模型装置1用于模拟土壤层；所述模型装置1设有n个不同类型土壤组成的土壤层以使供水循环装置的模拟地下水流经土壤层以模拟地下水在砂卵石层间流动；所述冷却装置4沿竖直方向插入模拟装置的土壤层内以模拟周围土壤的冷却和/或冻结；所述测量装置5用于测量模型装置1内部的温度和模拟地下水的流速。

如图1所示的，该供水循环装置包括水槽3和循环水泵2，该循环水泵2连接水槽3和模型装置1以将模拟地下水输送到模型装置1内。如图1所示的，该循环水泵2通过溢流阀7连接模型装置1。冷却装置4为模型装置1从上至下贯穿安装有冷却用的不锈钢管，该不锈钢管内设循环流动的冷却盐水以将周围土壤冷却、冻结，该不锈钢冷却管通过带保温层的软管与制冷装置6相连接。

如图2所示的，该模型装置包括外壳，所述外壳至少包括前面板和后面板；其中前面板上设有多个供水腔，且每一供水腔都设有接头以连接供水循环装置，且所述供水腔朝向模型装置1内的一侧壁上设有多个渗水孔以模拟地下水向土壤层的渗透；其中后面板上设有多个出水口以模拟地下水经过模型装置1内的土壤层后的出水。如图2所示的，在后面板外还设有集水槽，该集水槽通过后面板上的出水口与模型装置1的内腔导通。如图3所示的，在模型装置内可以包括三个不同土壤组成的土壤层。

模型装置零部件采用5mm碳钢钢板和型钢焊接而成，表面电镀防腐处理。由底板、前面板和后面板组成(如不在现场进行试验需配左右面板)，内部模型净尺寸为2000×2000×2000mm。前后面板均分布有密集的进出水孔，前面板分为单独的6个供水腔体，可根据实际情况选择供水腔体。其中每一个供水腔体设有1个独立的供水孔和57个渗水孔；供水孔通过接头与供水循环系统相互连通，渗水孔与模型相通。后面板的出水孔直接与集水槽相连通。

测量系统由温度传感器组、水流流速传感器组和光栅传感分析仪组成，用于检测模型内的温度分布和水流流速变化。其中，温度传感器组、水流流速传感器组都采用光栅类型。其中温度传感器组的温度传感器为光纤光栅温度传感器，其具有不锈钢金属管封装，利用光栅自有的温度敏感特性来监测温度，安装方式可表面粘贴，亦可埋入待测结构内对结构进行内部温度监测。该光纤光栅温度传感器适用于电站、铁路和油罐的长期温度监测，以及电力、军工、航空航天等领域的分布式温度测量。光栅传感分析仪是采用扫描激光技术的光纤光栅传感解调分析仪器。应用于桥梁、隧道、石油石化、电网电站、航海航空领域的温度、应变、压力、位移、振动、加速度等物理量高精度测量。分析仪扫描范围宽，分辨率高，动态范围大，高稳定。传感器拟合可任意物理量动态补偿，对非线性传感器完美支持。系统内置自动温度补偿和自校准扫描激光。系统平台基于linux和c开发，安全、稳定。兼容多种通讯协议，主从设备通讯便捷。兼容国内外厂商的同类型光纤光栅传感器。

其中制冷装置包括：冷却管、储水槽、水泵、压缩机组、制冷控制器和连接管路，冷却介质可以是盐水、乙二醇或酒精等，考虑到设备在施工现场使用，建议采用盐水。制冷装置工作时水泵将储水槽内的盐水通过热交换器制冷后注入到模型内的冷却管，冷却管内的盐水对模型进行冷却并回流到储水槽。压缩机制冷剂与盐水通过热交换器进行热量传递，相互不干扰，压缩机组的冷却散热风扇将热量直接排放到空气中。温度控制采用专用数显温度控仪，操作简单、方便。出水槽容量最大容量为100升，也根据需要定制，每组冷却盐水出水、回水口配有节流阀和流量计，可根据需要调节流量。标配数量为6组，可按需要定制。如图4所示的，不锈钢制冷管采用双层结构，进水从中心底部流出，通过夹层向上流动，热量通过外层的钢管壁进行交换。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。