一种三维固液耦合相似模拟松散含水层模拟装置及方法与流程

本发明涉及固液耦合相似模拟实验技术领域，尤其涉及一种三维固液耦合相似模拟松散含水层模拟装置及方法。

背景技术：

三维固液耦合相似模拟实验是一种工程模拟实验，基于相似理论选取相似材料模拟各个地层的结构，并铺设于实验箱体中以进行仿真模拟。实验时通过外力加载使模拟含水层发生永久性的破坏，含水层中的水转移进入地层，试验结果对工程领域具有一定的理论指导意义。

其中模拟松散含水层是整个相似模拟实验的关键所在，根据试验要求，模拟含水层可以储水，并在试验过程中，使得水转移进入模拟地层。目前，模拟松散含水层的方法是通过直接注水。但是，此种方法水流转移路径不受人为控制。

还有一种模拟含水层的方法是利用具有一定承载力的储水水袋，在施加压力后，使得水袋破裂，水袋中的水转移进入模拟地层。但是，水袋破裂时间及水流转移路径不受人为控制，同时铺设水袋工艺繁琐，水袋注水难度较大。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种三维固液耦合相似模拟松散含水层模拟装置及方法，用以解决现有模拟水层方法中水流转移路径不受人为控制的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，提供了一种三维固液耦合相似模拟松散含水层模拟装置，包括箱体(1)、水袋(2)、监测设备(3)；所述箱体内部自上而下分为表土层(101)、含水层(102)、模拟地层(103)；所述模拟地层(103)和表土层(101)铺设有相似材料，所述含水层(102)均匀铺设至少一个所述水袋(2)；所述水袋(2)与模拟地层(103)之间均匀铺设有导水钢管(4)；所述水袋(2)通过所述监测设备(3)与所述导水钢管(4)相连；所述监测设备(3)用于监测水流速度。

本发明有益效果如下：通过使用特质水袋和监测设备，可以在仿真实现三维固液耦合相似模拟松散含水层过程中人为控制水流转移路径，使得水流均匀转移至模拟地层，操作简便、工程可靠、经济环保。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，所述装置还包括阀门(5)和管道(6)；所述监测设备(3)设置在箱体外部；所述水袋(2)、监测设备(3)、阀门(5)、导水钢管(4)通过管道(6)依次相连。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过监测设备实时观测水袋流出的水流流量，通过阀门控制水流的流速；同时监测设备和阀门设置在实验箱体外部，便于实验操作控制。

进一步，所述导水钢管(4)上等间距的开设有多个孔径相同的漏水孔(401)。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过漏水孔可以使水流均匀的转移到模拟地层中。

进一步，所述箱体(1)均匀开设有至少一个孔洞，所述管道(6)穿过孔洞分别与水袋(2)出水口和导水钢管(4)的进水端相连。

进一步，所述箱体(1)包括前面板、后面板、左面板、右面板，所述前面板、后面板、左面板、右面版中至少一个采用玻璃钢材质。

采用上述进一步方案的有益效果是：实验人员可以通过玻璃钢板观察对箱体类实验过程和现象进行观察与记录。

进一步，所述水袋(2)、监测设备(3)的数量相同，导水钢管(4)的数量不小于水袋(2)的数量。

采用上述进一步方案的有益效果是：根据模拟实验的需求，通过监测设备观察和控制不同水袋的水流速度。

进一步，所述箱体(1)还包括底面板，各面板组成长方体，且各面板连接处通过密封条进行密封。

采用上述进一步方案的有益效果是：可以根据实验需求安装成不同比例的箱体，简单易操作，实现循环利用，同时通过密封条确保箱体密封，防止实验过程中水流溢出箱体。

进一步，所述监测设备(3)内置有流量传感器，实时获取液体流速，并将流速数据传输给外部数据接收器。

采用上述进一步方案的有益效果是：方便试验人员实时准确的获得流速信息，避免了人为查看多个流量计时带来的误差干扰，提高了试验精度。

进一步，所述水袋(2)为长方体结构。

采用上述进一步方案的有益效果是：水袋采用长方体结构可以节约空间，方便水袋铺满含水层。

另一方面，提供了一种三维固液耦合相似模拟松散含水层模拟方法，包括以下步骤：

步骤s1，按照相似比例安装箱体(1)；选取相似材料铺设模拟地层(103)，且保持铺设的地层平直；

步骤s2，将导水钢管(4)等间距的铺设在模拟地层(103)上方；

步骤s3，将储满水的水袋(2)均匀铺设在导水钢管(4)上方，模拟含水层(102)；

步骤s4，将监测设备(3)通过箱体上的孔洞与水袋(2)出水口、导水钢管(4)进水端分别连接，并保持阀门(5)关闭；

步骤s5，依照相似原理，在水袋(2)上方铺设相似材料，模拟表土层(101)；

步骤s6，对水袋(2)均匀的施加压力，同时利用阀门(5)使得水袋(2)中的水从导水钢管(4)的漏水孔(401)流出，含水层(102)中的水均匀转移进入模拟地层(103)；

步骤s7，观测监测设备(3)，并通过阀门(5)控制水流速度。

本发明有益效果如下：通过使用水袋仿真实现三维固液耦合相似模拟松散含水层模拟方法，可以实时控制水流速度和路径，使得水流均匀转移至模拟地层，操作简便、工程可靠、经济环保。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中模拟装置结构图；

图2为本发明实施例中模拟装置主视图；

图3为本发明实施例中模拟装置侧视图；

图4为本发明实施例中模拟装置俯视图；

图5为本发明实施例中模拟装置主视图的局部放大图；

图6为本发明实施例中模拟装置俯视图的局部放大图；

图7为本发明实施例中模拟装置侧视图的局部放大图；

图8为本发明实施例中模拟装置水袋与监测设备连接图；

图9为本发明实施例中模拟方法流程图。

附图标记：

1-箱体；101-表土层；102-含水层；103-模拟地层；2-水袋；3-监测设备；4-导水钢管；401-漏水孔；5-阀门；6-管道。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1，公开了一种三维固液耦合相似模拟松散含水层模拟装置，包括箱体1、水袋2、监测设备3；箱体内部自上而下分为表土层101、含水层102、模拟地层103；模拟地层和表土层通过相似材料铺满，含水层均匀铺设有若干上述水袋；水袋与模拟地层之间均匀铺设有导水钢管；水袋通过监测设备与导水钢管4相连，监测设备用于监测水流速度。

与现有技术相比，本实施例提供的三维固液耦合相似模拟松散含水层模拟装置；通过使用特质水袋和监测设备，可以在仿真实现三维固液耦合相似模拟松散含水层过程中人为控制水流转移路径，使得水流均匀转移至模拟地层，操作简便、工程可靠、经济环保。

需要说明的是，监测设备设置在箱体外部，便于实验操作控制。优选的，可以为液体流量计；液体流量计是实时显示液体流速的仪器，分为仪表盘和管路连接部分；监测设备还可以选用内置传感器元件的流量计，安装在液体管路上，通过数据接收器实时接收显示液体流速数据，方便试验人员实时准确的获得流速信息，避免了人为查看多个监测设备带来的误差干扰，提高了试验精度和操作便利性。

该装置还包括管道6、阀门5；水袋、液体流量计、阀门、导水钢管通过管道依次相连。阀门是液体输送系统中的控制部件，具有截止、调节、导流、防止逆流等功能，以实现精准调节液体流速，提高试验精度；还可以选用流速调节器代替阀门，均可达到相同的效果。

箱体包括：底面板、前面板、后面板、左面板、右面版；各面板可拆卸地围成一长方体结构，且各面板连接处通过密封条或喷胶进行密封，防止实验过程中水流溢出箱体。为了进一步防止水流溢出，还可以在箱体内部，紧贴各侧面板铺设一定厚度(优选的，厚度为100mm)的相似材料，用于吸收从模拟地层溢出的水流。

箱体可以根据具体实验的需要安装顶面板或者安装液压装置，在实验过程中，液压装置可以向水袋施加压力，使得水袋中的水充分均匀的流出。

需要强调的是，为了便于观察实验过程中水袋中水流排出，及水流转移至模拟地层的情况，前面板、后面板、左面板、右面版中至少一个采用玻璃钢材质；实验人员可以通过玻璃钢板对箱体内实验过程和现象进行观察与记录。其余面板选用钢板，提高装置的抗压能力。

在具体实验时，可根据相似比例选定实验箱体的规格，进行安装，优选的，箱体的内部长度为1800mm，箱体的内部宽度为1000mm。

导水钢管为中空圆柱体，导水钢管的一端密封、另一端开口，将开口一侧作为进水端，并与监测设备相连；导水钢管沿箱体长度方向等间距的并排铺设在模拟地层与水袋之间，优选的，导水钢管铺设在水袋的下方中间位置，且导水钢管的长度与水袋的长度相同。在导水钢管上等间距的开设有若干漏水孔401，且漏水孔孔径相同，通过漏水孔可以使水流均匀的转移到模拟地层中。需要说明的，导水钢管可选用耐压不变形的橡胶管替代，同时橡胶管上开设有上述漏水孔。

优选的，水袋选取耐压水袋，采用橡胶尼龙布、高密度聚乙烯等材料制成长方体结构。便于水袋的在受压后水流流出，同时长方体结构可以节约空间，方便水袋铺满含水层。为了更加真实的模拟含水层实际情况，可在水袋中加入适量沙砾或砂石，当水袋中水分全部排出后，含水层仍占据一定的体积空间。在具体实验时，根据相似比例、实际含水层及箱体的体积选定水袋的数量和规格，使得水袋铺满含水层，优选的，沿箱体长度方向铺设。

考虑到箱体外部的监测设备与箱体内部的水袋和导水钢管的连接问题，在箱体的侧面板中(优选的，前面板)均匀开设有若干孔洞，使得管道通过孔洞与水袋出水口和导水钢管的进水端相连。优选的，可以在侧面板的含水层区域外部设置两排平行的孔洞，分为第一孔洞和第二孔洞；其中，管道通过第一孔洞与水袋的出水口连接(优选的，通过软体胶管连接)，通过第二孔洞与导水钢管的进水端相连。

为了满足不同模拟实验的需求，通过监测设备和阀门观察和控制不同水袋的水流速度。水袋、监测装置、导水钢管的数量可以根据需求选定。优选的，水袋、监测装置、导水钢管的数量相同，且导水钢管分别铺设在不同的水袋下方，每个水袋通过不同监测装置与铺设在其下方的导水钢管相连。需要强调的是，导水钢管的数量不小于水袋的数量，当水袋体积较大，数量较少时，可以选用多个导水钢管均匀铺设在水袋下方，以便水流均匀转移到模拟地层。

实施例2，公开了一种三维固液耦合相似模拟松散含水层模拟方法，包括如下步骤：

步骤s1，按照相似比例安装箱体；选取相似材料铺着模拟地层，且保持铺设的地层平直；

步骤s2，将导水钢管等间距的铺设在模拟地层上方；

步骤s3，将储满水的水袋均匀铺设在导水钢管上方，模拟含水层；

步骤s4，将监测设备通过箱体上的孔洞与水袋出水口、导水钢管进水端分别连接，并保持阀门关闭；

步骤s5，依照相似原理，在水袋上方铺设相似材料，模拟表土层；

步骤s6，对水袋均匀的施加压力，同时利用控制阀门将水袋中的水由导水钢管漏水孔流出，使水转移进入模拟地层；

步骤s7，观察监测设备，并通过阀门控制水流速度。

与现有技术相比，本实施例提供的三维固液耦合相似模拟松散含水层模拟方法，通过使用特质水袋仿真实现三维固液耦合相似模拟松散含水层模拟方法，可以实时控制水流速度和路径，使得水流均匀转移至模拟地层，操作简便、工程可靠、经济环保。

具体来说，在步骤s1中，实验人员按照实际需要模拟的地层参数，根据相似比例，计算出箱体的体积，水袋的规格和数量，并进行安装，同时依照相似原理，选取相似材料铺满箱体中的模拟地层区域，且保持铺设的地层平直。需要说明的是，相似材料模拟实验原理是采用与天然地层物理力学性质相似的材料，按一定的几何相似常数缩制成试验模型进行相应目的研究的一种试验方法。相似材料包括骨料和胶结物两部分，骨料：砂，铁粉，重晶石粉，铝粉，云母粉等。胶结物：水泥，石膏，石灰，碳酸钙(白垩土，可赛银)，高岭土，石蜡，水玻璃等。将相似材料按照配比混合铺设来模拟地层，如对于粗粒岩层，可以选用石子、石灰和石膏等材料按一定比例配比进行模拟。

在步骤s2中，选用与水袋数量相同的导水钢管(当水袋数量过少是时，可以选择多个导水钢管)，沿箱体长度方向等间距的铺设在模拟地层上方，并使得导水钢管的漏水孔朝下。

在步骤s3中，将储满水的水袋铺设在导水钢管上方，模拟含水层，水袋的规格按照相似比例由实际含水层决定。

在步骤s4中，将监测设备的管道一端通过箱体中的第一孔洞伸入箱体中，并与水袋的出水口紧密连接；管道的另一端通过箱体中的第二孔洞伸入箱体中，并与导水钢管的进水端紧密连接。

在步骤s5中，根据实际需要模拟的表土层参数，选择相似材料，并铺满在水袋上方的表土层区域。优选的，如厚为20m、抗压强度为2.3mpa的表土层，可以选用石膏、碳酸钙和砂子等材料按照1：100的几何比例确定配比号及用水量，模拟厚为20cm、抗压强度为23kpa的表土层。

在步骤s6中，可以利用液压装置从箱体上方，对箱体内部均匀的施加压力，使得水袋均匀受力，同时利用阀门控制不同的水袋中的水由导水钢管漏水孔流出，使水转移进入模拟地层。

在步骤s7中，实验人员观测液体流量计，并通过阀门控制水流速度，模拟不同的含水层水流转移过程。由于导水钢管均匀铺设与水袋下部，且导水钢管均匀设置有漏水孔，保证了含水层水流均匀的转移到模拟地层。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。