一种富水砂层降水控砂模型试验箱及其试验方法

本发明涉及土体渗流研究，尤其涉及一种富水砂层降水控砂模型试验箱及其试验方法。

背景技术：

1、模型试验是探究土体渗流侵蚀最为直观、有效的方法。进行富水砂层水文地质特征及其控制技术物理模型试验，可以对不同参数下(如有无地下水补给、是否为连续透水层)渗流场及其渗透破坏应力应变进行物理模型试验模拟，以及各种工况(不同工程措施、不同工程参数)下的地下水控制效果分析。物理模型试验既可以对数值模拟研究结果进行验证分析，又可以为富水砂层地下水控制技术提供重要的技术支撑。

2、在地下水流作用下，泥沙颗粒发生运移存在一个临界起动流速条件，即流经该通道各处的水流速大于各颗粒对应的临界起动流速时，土中的颗粒不再稳定，首先土中粒径较小的颗粒会在水流作用下率先流失，水流通道贯通扩大，流速上升致使较大粒径的颗粒被带走，破坏进一步加强。因此，需对砂源、水源、渗流通道、水动力进行全面分析，摸清水动力机制，防治涌沙现象。

技术实现思路

1、针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种富水砂层降水控砂模型试验箱及其试验方法，通过设置不同级配的砂样，模拟不同水力坡度、不同抽水速率、不同孔径滤网情况下的砂岩稳定性和滤网堵塞情况，实时监控实际出水量大小，识别涌沙的主要驱动因子，构建临界起动流速的水动力数学模型，确定砂层的涌沙阈值。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种富水砂层降水控砂模型试验箱，包括试验箱本体，其特征在于：所述试验箱本体为顶部开口的45°扇形结构，且所述试验箱本体内靠近扇形结构圆心处固设有第一隔断板，所述试验箱本体内靠近扇形结构圆弧处固设有第二隔断板，所述第一隔断板上开设有多个第一渗水孔，所述第二隔断板上开设有多个第二渗水孔。

4、进一步的，所述试验箱本体包括底板，所述底板为45°扇形结构，且所述底板的顶部沿边缘处分别固设有第一直侧板、第二直侧板和圆弧板，所述第一直侧板、第二直侧板和圆弧板两两相交固定。

5、进一步的，所述第一隔断板与所述底板、第一直侧板和第二直侧板围成的空间为模拟井，所述模拟井的底部连通设有抽水管。

6、进一步的，所述第一隔断板、第二隔断板与所述底板、第一直侧板和第二直侧板围成的空间为沙槽。

7、进一步的，所述第二隔断板与所述底板、第一直侧板、第二直侧板和圆弧板围成的空间为定水头槽，所述定水头槽内连通设有进水管和溢水管，所述溢水管靠近所述定水头槽的顶部。

8、进一步的，所述第一直侧板或者所述第二直侧板上开设有多个测压孔。

9、进一步的，一种富水砂层降水控砂模型试验箱的试验方法，其特征在于，包括以下步骤，

10、s1：检查模型试验箱的完好性；

11、s2：在模型试验箱的测压孔处连接测压管，并将测压管固定在有刻度的板子上，在第一隔断板(2)、第二隔断板(3)和设有测压孔(10)的试验箱本体(1)侧板处放置滤网；

12、s3：采用分层装样法在沙槽中装入砂样；

13、s4：向定水头槽中加水，使沙槽中的水位与定水头槽中的水位齐平，形成一条直线水位面；

14、s5：打开抽水管，通过调节抽水管出水量大小使得水头值稳定在固定值，计算沙槽中总水力梯度为设计水力梯度；

15、s6：调节模拟井的水位稳定在设计值，测量抽水管的流量、测压管中的水头值、水样的浊度、出砂率；

16、s7：改变水力梯度、抽水速率、滤网孔径，重复进行实验。

17、本发明的有益效果是：

18、1、本发明中的模型试验箱采用45°扇形结构，可利用45°模拟井来代替360°井，其稳定流状态下的流量是360°井流量的1/8，模拟过程中地下水向45°井中的运动规律与向360°井中的运动规律是一致的，可以真实的模拟土体渗流的情况，定水头槽中连通设置的进水管和溢水管，既可以使定水头槽保持固定水头，还可以实现水资源的重复使用。

19、2、本发明中的模型试验箱在试验过程中，可以通过设置不同级配的砂样，模拟不同水力坡度、不同抽水速率、不同孔径滤网情况下的砂岩稳定性和滤网堵塞情况，实时监控实际出水量大小，识别涌沙的主要驱动因子，构建临界起动流速的水动力数学模型，确定砂层的涌沙阈值。

技术特征：

1.一种富水砂层降水控砂模型试验箱，包括试验箱本体(1)，其特征在于：所述试验箱本体(1)为顶部开口的45°扇形结构，且所述试验箱本体(1)内靠近扇形结构圆心处固设有第一隔断板(2)，所述试验箱本体(1)内靠近扇形结构圆弧处固设有第二隔断板(3)，所述第一隔断板(2)上开设有多个第一渗水孔(201)，所述第二隔断板(3)上开设有多个第二渗水孔(301)。

2.根据权利要求书1所述的一种富水砂层降水控砂模型试验箱，其特征在于：所述试验箱本体(1)包括底板(101)，所述底板(1)为45°扇形结构，且所述底板(1)的顶部沿边缘处分别固设有第一直侧板(102)、第二直侧板(103)和圆弧板(104)，所述第一直侧板(102)、第二直侧板(103)和圆弧板(104)两两相交固定。

3.根据权利要求书2所述的一种富水砂层降水控砂模型试验箱，其特征在于：所述第一隔断板(2)与所述底板(101)、第一直侧板(102)和第二直侧板(103)围成的空间为模拟井(4)，所述模拟井(4)的底部连通设有抽水管(5)。

4.根据权利要求书3所述的一种富水砂层降水控砂模型试验箱，其特征在于：所述第一隔断板(2)、第二隔断板(3)与所述底板(101)、第一直侧板(102)和第二直侧板(103)围成的空间为沙槽(6)。

5.根据权利要求书4所述的一种富水砂层降水控砂模型试验箱，其特征在于：所述第二隔断板(3)与所述底板(101)、第一直侧板(102)、第二直侧板(103)和圆弧板(104)围成的空间为定水头槽(7)，所述定水头槽(7)内连通设有进水管(8)和溢水管(9)，所述溢水管(9)靠近所述定水头槽(7)的顶部。

6.根据权利要求书5所述的一种富水砂层降水控砂模型试验箱，其特征在于：所述第一直侧板(102)或者所述第二直侧板(103)上开设有多个测压孔(10)。

7.根据权利要求6所述的一种富水砂层降水控砂模型试验箱的试验方法，其特征在于，包括以下步骤，

技术总结
本发明公开了一种富水砂层降水控砂模型试验箱及其试验方法，属于土体渗流研究技术领域，所述模型试验箱包括试验箱本体，试验箱本体为顶部开口的45°扇形结构，且其内靠近圆心处固设有第一隔断板，靠近圆弧处固设有第二隔断板，第一隔断板和第二隔断板上均开设有渗水孔；所述第一隔断板和第二隔断板将试验箱本体分隔成模拟井、沙槽和定水头槽，模拟井的底部连通设有抽水管，定水头槽内连通设有进水管和溢水管。该模型试验箱通过设置不同级配的砂样，模拟不同水力坡度、不同抽水速率、不同孔径滤网情况下的砂岩稳定性和滤网堵塞情况，实时监控实际出水量大小，识别涌沙的主要驱动因子，构建临界起动流速的水动力数学模型，确定砂层的涌沙阈值。

技术研发人员：高燕燕,钱会,胡向阳,魏磊强,郭亚科,潘登丽,严耿升,高艳涛,田正豪
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16