一种潜水完整井模拟试验方法

本专利为申请号“201910389599.5”；名称“井群抽回灌模拟试验装置和方法”的分案申请。

本发明涉及一种潜水完整井模拟试验方法。

背景技术：

地下水的抽取与回灌问题广泛存在于基坑降水、地下水源热泵、华北平原机井取水等工程中。为研究单井或井群抽回灌过程中地下水的运动规律，工程中常常采用现场抽水和回灌试验。然而，该方法试验成本较高，且试验过程不透明，能获取的试验参数也较少。另外，水文地质相关课程的学习中也迫切需要一种能够模拟多种情况下抽水和回灌试验的室内试验装置。基于此，开发一种能够进行多种条件下井群抽回灌模拟的试验装置具有较高的实用价值。

目前已有部分装置可以进行抽水和回灌的相关试验。例如中国发明专利（申请公布号：cn100446052c）公开的承压完整井抽水模拟装置，能够模拟地下承压水在抽水时向完整井稳定渗流，其模拟腔的横截面形状为扇形。中国发明专利（申请公布号：cn100568318c）公开的潜水完整井抽水模拟装置，可模拟地下潜水在抽水时向完整井稳定渗流的过程，其模拟腔的横截面形状为扇形。中国发明专利（申请公布号：cn107462497a）公开的一种单井注入-抽水示踪实验模拟分析系统，能够高精度、高频率的进行单井回灌-抽水示踪实验的测试，其试验箱体为扇形。

可以发现，现有试验装置一方面只能进行单一类型的单井抽水或回灌试验，然而实际工程中通常采用井群进行抽回灌，且布置方式灵活多变，现有专利无法实现对该类型井群的模拟试验；另一方面，现有试验箱体为扇形，而扇形试验箱仅能模拟某一方向上的水流过程，并不能全面且真实反映实际情况下各个方向的流动特性，另外，扇形箱体的壁面对水流过程有显著影响，这也是与实际情况不符。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种潜水完整井模拟试验方法，不仅能够模拟实际工程中的井群模拟试验，而且能够更加全面真实反映实际情况下水流各方向的流动特性。

为了解决上述问题，本发明要解决的技术方案为：

井群抽回灌模拟试验装置，包括试验箱，试验箱两侧分别设有一台升降平台，在各升降平台上均设有第一水箱，两个第一水箱分别通过第一管道接通试验箱底部两端，在各根第一管道上均安装有阀门，在试验箱一侧接通在测压管。

在各第一水箱上均接通有溢流管。

在试验箱上设有悬挂架，在试验箱内间隔设置有多组花管，每组花管是由依次排列设置的多根花管组成，各根花管上端均匀悬挂架连接，在各根花管内均设有第二管道，还包括多个第二水箱，在各第二水箱下端均连通有第三管道，各组花管中的第二管道分别与各根第三管道接通，在各根第三管道上均安装有抽水泵和流量计。

在试验箱底部安装有多个压力传感器，各压力传感器均通过数据线与数据采集器7电连接。

包括如下步骤；

第一步、在试验箱下部填充砂土作为承压含水层，随后在承压含水层上填充粘土作为隔水层，最后在隔水层上填充杂填土作为潜水层，要求花管下端位于承压含水层中；

第二步、向各第一水箱中注入相同质量水后，通过各升降平台调整各第一水箱高低，使各第一水箱水位形成一定高低差，并使试验箱内水力梯度满足要求，较高第一水箱高度为h，较低第一水箱高度为h，试验箱长度为l，则试验箱内水力梯度为(h-h)/l；

第三步、打开各根第一管道上的阀门，使水逐渐进入试验箱承压含水层，让水形成承压水，随后从试验箱上部缓慢注水，并实时观测测压管，使得上层潜水水位达到设计要求；

第四步、打开其中试验箱一端各根第三管道上的抽水泵，同时向试验箱另外一端各根第三管道中灌入水，开始进行抽回灌井群模拟试验，与此同时，记录各流量计的流量、流速，并利用压力传感器实时记录试验体中压力分布及变化情况；

第五步、试验结束后，排空试验箱中的水。

一种使用井群抽回灌模拟试验装置对潜水完整井模拟试验方法，包括如下步骤；

第一步、在试验箱体中分层填筑细砂或者中粗砂；

第二步、向各第一水箱中注入相同质量水后，通过各升降平台调整各第一水箱高低，使各第一水箱水位形成一定高低差，并使试验箱内水力梯度满足要求，较高第一水箱高度为h，较低第一水箱高度为h，试验箱长度为l，则试验箱内水力梯度为(h-h)/l；

第三步、打开各根第一管道上的阀门，使水逐渐进入试验箱内，并实时观测测压管，使得上层潜水水位达到设计要求；

第四步、打开其中试验箱一端各根第三管道上的抽水泵，同时向试验箱另外一端各根第三管道中灌入水，开始进行抽回灌井群模拟试验，与此同时，记录各流量计的流量、流速，并利用压力传感器实时记录试验体中压力分布及变化情况；

第五步、试验结束后，排空试验箱中的水。

本发明的技术效果为：

通过在试验箱体中采取不同的填料步骤，可以模拟承压完整井和潜水完整井的抽水回灌过程，这两种井是工程中最常遇到的类型；

通过在试验箱体中填入不同种类、粒径的填料，可以模拟多种地质条件下的抽水回灌过程；

抽水井和回灌井可以根据需要进行调节，包括增减井数量、更换井类型、调节井位置、调节井尺寸等，从而实现采用一套设备进行多种试验的目的；

左侧水箱和右侧水箱分别安装在左侧升降台和右侧升降台上，通过调节左侧升降台和右侧升降台，可以进行不同水力梯度条件下的抽水回灌试验；

左侧水箱通过进水管一和左侧水位调节管控制水位，右侧水箱通过进水管二和右侧水位调节管控制水位，从而使得左侧水箱和右侧水箱水位保持不变，进而使得试验进行时砂箱内水力梯度保持恒定；

通过抽水井流量计、回灌井流量计、压力传感器，可以实现试验中流量、流速、水压等参数的实时采集，从而可以获取不同抽回灌速率、不同井群分布条件下井群周边的压力分布特性数据。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为本发明的结构示意图，

图2为本发明关于花管的结构示意图，

图3为本发明关于花管的俯视结构示意图，

图4为本发明关于压力传感器的结构示意图。

图中：试验箱1、升降平台2、第一水箱3、第二水箱4、花管5、压力传感器6、数据采集器7、悬挂架8、测压管9、第一管道31、阀门32、溢流管33、第三管道41、抽水泵42、流量计43、第二管道44。

具体实施方式

如图1到4所示，井群抽回灌模拟试验装置，包括矩形试验箱1，试验箱1两侧分别设有一台升降平台2，在各升降平台2上均设有第一水箱3，两个第一水箱3分别通过第一管道31接通试验箱1底部两端，在各根第一管道31上均安装有阀门32，在试验箱1一侧接通在测压管9，测压管9上设有刻度线，刻度线用于观测试验箱1中水位，另外也可以将试验箱1使用透明亚克力板或者钢化玻璃板制成，使其能够是试验的过程中直观观察到试验箱1中水的流动情况的同时，同样也能够观测水位。

在各第一水箱3上均接通有溢流管33。溢流管33的作用在于两个第一水箱3中水位保持一致。

在试验箱1上设有悬挂架8，在试验箱1内间隔设置有多组不锈钢花管，每组花管是由依次排列设置的多根花管5组成，各根花管5上端均与悬挂架8连接，在各根花管5内均设有第二管道44，还包括多个第二水箱4，在各第二水箱4下端均连通有第三管道41，各组花管中的第二管道44分别与各根第三管道41接通，在各根第三管道41上均安装有抽水泵42和流量计43。

在试验箱1底部安装有多个压力传感器6，各压力传感器6均通过数据线与数据采集器7电连接。压力传感器6采用水利部南京水利水文自动化研究所生产的sxx系列压力计，数据采集器7采用赛默飞世尔科技澳大利亚公司生产的datatakerdt500系列数据采集器7。流量计43采用上海驰控自动化仪表有限公司生产的ldg电磁流量计43。

一种使用井群抽回灌模拟试验装置对承压完整井模拟试验方法，包括如下步骤；

第一步、在试验箱1下部填充砂土透水土体作为承压含水层，随后在承压含水层上填充粘土等弱透水或者不透水土体作为隔水层，最后在隔水层上填充杂填土作为潜水层，要求花管5全部位于承压含水层中；

第二步、向各第一水箱3中注入相同质量水后，通过各升降平台2调整各第一水箱3高低，使各第一水箱3水位形成一定高低差，并使试验箱1内水力梯度满足要求，较高第一水箱3高度为h1，较低第一水箱3高度为h2，试验箱1长度为l，则试验箱1内水力梯度为(h1-h2)/l；通过调节两个升降平台2高低，可以进行不同水力梯度条件下的抽水回灌试验；

第三步、打开各根第一管道31上的阀门32，使水逐渐进入试验箱1承压含水层，让水形成承压水，随后从试验箱1上部缓慢注水，并实时观测测压管9，使得上层潜水水位达到设计要求；

第四步、打开其中试验箱1一端各根第三管道41上的抽水泵42，同时向试验箱1另外一端各根第三管道41中灌入水，开始进行抽回灌井群模拟试验，与此同时，记录各流量计43的流量、流速，并利用压力传感器6实时记录试验体中压力分布及变化情况；

第五步、试验结束后，排空试验箱1中的水。

由此通过抽水井流量计43、回灌井流量计43、压力传感器6，可以实现试验中流量、流速、水压等参数的实时采集，从而可以获取不同抽回灌速率、不同井群分布条件下井群周边的压力分布特性数据。

一种使用井群抽回灌模拟试验装置对潜水完整井模拟试验方法，包括如下步骤；

第一步、在试验箱1体中分层填筑细砂或者中粗砂；

第二步、向各第一水箱3中注入相同质量水后，通过各升降平台2调整各第一水箱3高低，使各第一水箱3水位形成一定高低差，并使试验箱1内水力梯度满足要求，较高第一水箱3高度为h1，较低第一水箱3高度为h2，试验箱1长度为l，则试验箱1内水力梯度为(h1-h2)/l；

第三步、打开各根第一管道31上的阀门32，使水逐渐进入试验箱1内，并实时观测测压管9，使得上层潜水水位达到设计要求；

第四步、打开其中试验箱1一端各根第三管道41上的抽水泵42，同时向试验箱1另外一端各根第三管道41中灌入水，开始进行抽回灌井群模拟试验，与此同时，记录各流量计43的流量、流速，并利用压力传感器6实时记录试验体中压力分布及变化情况；

第五步、试验结束后，排空试验箱1中的水。