一种模拟岩溶隧道排水管结晶的实验装置的制作方法

本实用新型属于排水管道结晶研究技术领域，具体涉及到一种模拟岩溶隧道排水管结晶的实验装置和实验方法。

背景技术：

岩溶(又称喀斯特)地区在我国分布非常广泛，其可溶岩地层面积约占全国土地面积的三分之一，尤其以云南、贵州、广西和广东等部分地区的岩溶最为发育。隧道工程在穿越岩溶地带时，会面临各种各样的困难，其中，岩溶地下水渗流在排水管中结晶而阻塞隧道排水系统已成为亟待解决的难题之一。

要想解决上述难题，就必须研究地下水在排水管中结晶的规律，分析结晶条件、结晶速度等晶体积聚的影响因素，模型实验是实现这一目标的重要手段之一，而目前针对这一问题而发明的实验装置较少，并且已创造的实验装置及实验方法往往存在一些问题，例如：实验装置考虑的影响因素单一，没有尽可能全面地探究排水管结晶规律；实验装置较小，不能尽可能还原真实岩溶隧道排水管中水的结晶情况。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,提供一种设计合理、结构简单、实验装置影响因素全面、体积小、高效探索减少排水管结晶的模拟岩溶隧道排水管结晶的实验装置。

解决上述技术问题采用的技术方案是：在支架上设置有主水箱，主水箱长度方向一侧设置有第一辅助水箱、另一侧设置有第二辅助水箱，第一辅助水箱通过第一排水单元与主水箱相连通，第二辅助水箱通过第二排水单元与主水箱相连通，第一排水单元和第二排水单元设置于安装在地面上的调节架上，主水箱宽度一侧通过安装在供水管上的水泵与第二辅助水箱相连通，水泵与控制单元电连接，主水箱宽度另一侧通过回水管与第一辅助水箱和第二辅助水箱相连通。

本实用新型的第一排水单元为：5组Ⅰ型排水管均设置于安装在地面上的调节架上。

本实用新型的Ⅰ型排水管为：硬直管一端与主水箱相连通、另一端与软管相连通，软管与横向波纹管相连通，硬直管上设置有阀门。

本实用新型的第二排水单元为：Ⅱ型排水管、Ⅲ型排水管、Ⅳ型排水管、Ⅴ型排水管、Ⅵ型排水管均设置于安装在底面上的调节架上。

本实用新型的Ⅱ型排水管为：硬直管一端与主水箱相连通、另一端与软管相连通，软管与横向波纹管相连通，横向波纹管端部水平设置有与横向波纹管相垂直的纵向波纹管，硬直管上设置有阀门；

Ⅲ型排水管为：硬直管一端与主水箱相连通、另一端与软管相连通，软管与横向波纹管相连通，横向波纹管内表面敷设有碎布料，硬直管上设置有阀门；

Ⅳ型排水管为：硬直管一端与主水箱相连通、另一端与软管相连通，软管与横向波纹管相连通，横向波纹管内表面敷设有混凝土碎渣，硬直管上设置有阀门；

Ⅴ型排水管为：硬直管一端与主水箱相连通、另一端与软管相连通，软管与横向波纹管相连通，硬直管上设置有阀门；Ⅴ型排水管的管径小于其余各排水管的管径；

Ⅵ型排水管为：硬直管一端与主水箱相连通、另一端与软管相连通，软管与横向波纹管相连通，横向波纹管外表面依次敷设有加热层和保温层，硬直管上设置有阀门。

本实用新型的主水箱、第一辅助水箱、第二辅助水箱为密闭结构，第二辅助水箱上设置有溶质添加窗口。

本实用新型的控制单元为：空气开关和变频器电连接，变频器与水泵电连接。

本实用新型的调节架为可伸缩调节架。

本实用新型相比于现有技术具有以下优点：

1、本实用新型设置的三个水箱都带有封闭盖，保证实验进行时，整个系统处于相对封闭状态，与实际岩溶隧道地区排水管埋置状态贴合，同时，封闭盖有效的隔绝了空气中其他物质，例如二氧化碳对于溶液的侵染，严格控制实验影响因素。

2、本实用新型设置回水管、供水管、水泵和控制台，控制台设置空气开关和变频器，能有效灵活地控制水泵的功率，使水为不断循环流动的状态，能够模拟实际岩溶隧道排水管中水结晶的不断发生。

3、本实用新型旨在探究岩溶隧道排水管结晶的影响因素和规律，不仅考虑了排水管的坡度、流量对于结晶的影响，还通过粘贴碎布料和混凝土碎渣，考虑了排水管内壁摩擦和施工不规范情况对于结晶的影响；通过增设纵向波纹管，模拟横纵排水管交接时对于结晶的影响；通过在波纹管外设置加热层和保温层，模拟温度对于排水管结晶的影响；通过设置较小直径的排水管单元，模拟不同直径排水管对于结晶的影响。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的结构示意图。

图2是图1的右视图。

图3是图1中Ⅰ型排水管2的结构示意图。

图4是图1中Ⅱ型排水管12的结构示意图。

图5是图1中Ⅲ型排水管11的结构示意图。

图6是图1中Ⅳ型排水管10的结构示意图。

图7是图1中Ⅴ型排水管9的结构示意图。

图8是图1中Ⅵ型排水管8的结构示意图。

图中：1、主水箱；2、Ⅰ型排水管；3、第一辅助水箱；4、回水管；5、支架；6、调节架；7、第二辅助水箱；8、Ⅵ型排水管；9、Ⅴ型排水管；10、Ⅳ型排水管；11、Ⅲ型排水管；12、Ⅱ型排水管；13、控制单元；14、水泵；15、供水管；16、硬直管；17、阀门；18、软管；19、横向波纹管；20、纵向波纹管；21、碎布料、22、混凝土碎渣；23、加热层；24、保温层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明，但本实用新型不限于这些实施例。

实施例1

在图1、2中，本实用新型一种模拟岩溶隧道排水管结晶的实验装置,在支架5上安装有主水箱1，主水箱1宽度一侧通过回水管4与第一辅助水箱3和第二辅助水箱7相连通，保证主水箱1内液面不超过一定高度，保证了装置的稳定性，主水箱1宽度另一侧通过安装在供水管15上的水泵14与第二辅助水箱7相连通，第二辅助水箱7内的溶液通过水泵抽至主水箱1内，水泵13与控制单元12电连接的控制单元13由空气开关和变频器组成，空气开关和变频器电连接，变频器与水泵14电连接，可通过调节变频器和空气开关调节水泵14的功率，保证整个系统水循环的正常平稳进行。本实施例的主水箱1上长度方向两侧分别加工有5组出水孔，主水箱1长度方向一侧设置有第一辅助水箱3、另一侧设置有第二辅助水箱7，第一辅助水箱3通过第一排水单元与主水箱1相连通，第二辅助水箱7通过第二排水单元与主水箱1相连通，本实用新型的主水箱1、第一辅助水箱3、第二辅助水箱7为密闭结构，避免空气杂质对溶液的侵染，提高实验结果的可信度，第二辅助水箱7上设置有溶质添加窗口，每隔2周，往第二辅助水箱7中添加适量溶质。

第一排水单元和第二排水单元设置于安装在地面上的调节架6上，调节架6为可伸缩调节架，如图3所示，本实施例的第一排水单元由5组Ⅰ型排水管组成，Ⅰ型排水管2为：硬直管16一端与主水箱1相连通、另一端与软管18相连通，软管18与横向波纹管19相连通，硬直管16上安装有阀门17；其中3组Ⅰ型排水管2调节调节架6的高度使其坡度不同，探究坡度对排水管结晶的影响，另外2组Ⅰ型排水管2调节阀门17控制水流量不同，用于探究流速对于排水管结晶的影响。

本实施例的第二排水单元由Ⅱ型排水管12、Ⅲ型排水管11、Ⅳ型排水管10、Ⅴ型排水管9、Ⅵ型排水管8组成，第二排水单元中各组排水管的坡度相同，如图4～8所示，Ⅱ型排水管12为：硬直管16一端与主水箱1相连通、另一端与软管18相连通，软管18与横向波纹管19相连通，横向波纹管19端部水平设置有与横向波纹管19相垂直的纵向波纹管20，硬直管16上设置有阀门，用于探究排水管横纵交接时对排水管结晶的影响；

Ⅲ型排水管11为：硬直管16一端与主水箱1相连通、另一端与软管18相连通，软管18与横向波纹管19相连通，横向波纹管19内表面敷设有碎布料21，硬直管16上设置有阀门17，用于探究排水管内壁材料的不同，即摩擦系数不同时对排水管结晶的影响；

Ⅳ型排水管10为：硬直管16一端与主水箱1相连通、另一端与软管18相连通，软管18与横向波纹管19相连通，横向波纹管19内表面敷设有混凝土碎渣22，硬直管16上设置有阀门17，用于探究施工不规范时，对排水管结晶的影响；

Ⅴ型排水管9为：硬直管16一端与主水箱1相连通、另一端与软管18相连通，软管18与横向波纹管19相连通，硬直管16上设置有阀门17；Ⅴ型排水管9的管径小于其余各排水管的管径，用于探究排水管直径不同对排水管结晶的影响。

Ⅵ型排水管8为：硬直管16一端与主水箱1相连通、另一端与软管18相连通，软管18与横向波纹管19相连通，横向波纹管19外表面依次敷设有加热层23和保温层24，硬直管16上设置有阀门17，用于探究排水管所处温度不同对排水管结晶的影响。

根据上述一种模拟岩溶隧道排水管结晶的实验装置的实验方法，由以下步骤组成：

S1、拼接上述的第一排水单元、第二排水单元前，用精密的电子秤称出每组波纹管的质量w0，并分别记录，拼接并按实验要求设置好第一排水单元、第二排水单元后，将对应的阀门关闭；

S2、将配置好的岩溶隧道水溶液置于第二辅助水箱7中，并调节变频器和空气开关，使第二辅助水箱7中的水溶液抽至主水箱1中，当主水箱1中液面达到所需高度后，关闭变频器和空气开关，并将主水箱1、第一辅助水箱3、第二辅助水箱7加盖封闭；

S3、将阀门打开至所需要求，再次调节变频器和空气开关，主水箱1中的水溶液通过第一排水单元流至第一辅助水箱3、通过第二排水单元流至第二辅助水箱7，水泵14再将第二辅助水箱7的水抽回主水箱1中，从而保证整个系统水循环能长时间的正常进行；

S4、每隔2周拆卸下横向波纹管19和纵向波纹管20，并往第二辅助水箱7中添加适量溶质；用精密的电子秤称量出每组波纹管的质量w1，并分别记录，减去初始波纹管的净重w0，得到结晶质量w，即w＝w1-w0，记录时间t，即可得到每组排水管结晶速率并分别记录；

S5、实验周期为1年，将记录的w和v绘制成统计图，分析排水管结晶的影响因素，总结结晶规律。

采用上述装置及方法进行结晶实验，本实验中主水箱1尺寸为0.8m*2.5m*1m，第一辅助水箱1和第二辅助水箱7的尺寸为0.4m*2.2m*0.6m,第一辅助水箱3、第二辅助水箱7内溶液体积为352L，溶液PH为8.66，碳酸钙密度为2.93g/cm³，氯化钙质量为57.2g，碳酸氢钠为83.6g，氢氧化钠80.5g，每次测量时间为2周，共进行6次测量，记录实验开始时，记录每组螺纹管的初始质量，实验开始后，记录每隔两周后每组螺纹管的质量，结晶前后螺纹管的质量对比如下表。

表1排水单元结晶前后质量对照表

由上表可知，

(1)流速在一定范围之内，随着流速的增大，结晶速率逐渐增大，随着流速的减小，结晶速率逐渐减小。(2)排水管坡度在一定范围内，随着坡度的增大，结晶速率增大。

(3)排水管直径较小时，结晶速率一般也较小。

(4)温度在一定范围内，温度较高时，结晶速率较高。

(5)排水管内壁粗糙程度在一定范围内，越粗糙越易结晶，越光滑，越不易结晶。