承壓井注水試驗裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明承壓井注水試驗裝置，包括儲水箱、有水平隔水底板的模擬箱，模擬箱中有橫截面形狀為圓心角至少為30°的扇形槽、與扇形槽上的圓弧透水壁相通的排水腔，位于扇形槽中的與圓弧透水壁同圓心的圓弧透水井壁將扇形槽分隔成承壓注水井、有含水層的模擬腔，位于模擬箱承壓注水井端的定水頭溢流箱通過管道分別與儲水箱相通、承壓注水井相通，位于模擬箱排水腔處的排水箱通過管道分別與儲水箱、排水腔相通，在模擬箱頂部相對模擬腔靠近注水井的位置裝有注示蹤劑水箱，位于注示蹤劑水箱頂部有示蹤劑箱，至少五組測壓管等距離豎直裝在模擬腔壁上。本發(fā)明可以直觀了解向承壓井中穩(wěn)定注水過程中，井中水向承壓含水層中運動的特征及水頭分布規(guī)律，進行相關(guān)試驗及參數(shù)測定。
【專利說明】承壓井注水試驗裝置
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】:
本發(fā)明與地質(zhì)學的水文地質(zhì)學科相關(guān)，特別與承壓含水層及承壓井相關(guān)。
[0002]【背景技術(shù)】:
承壓水是廣泛存在于自然界中的地下水，根據(jù)其埋藏條件，承壓水是指充滿于兩個隔水層之間的含水層中的地下水。承壓水上部的隔水層稱為隔水頂板，下部的隔水層稱為隔水底板。頂、底板之間的垂直距離為承壓含水層的厚度。
[0003]井孔揭露承壓含水層隔水頂板的底面時，瞬間測得是初見水位。隨之，水位升到頂板底面以上一定高度穩(wěn)定，此時測得的水位稱為穩(wěn)定水位。穩(wěn)定水位的高程便是該點承壓水的測壓水位。穩(wěn)定水位與隔水頂板高程差稱為承壓高度，即該點承壓水的測壓高度。
[0004]由于隔水頂板的存在，不僅使承壓水具有承壓性，還限制其補給和排泄范圍。阻礙承壓水與大氣降水、地表水之間的水力聯(lián)系。承壓含水層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)越封閉，其參與水文循環(huán)的程度越低，水交替循環(huán)越慢，地下水質(zhì)水量變化越小。承壓含水層根據(jù)在地下產(chǎn)出狀態(tài)，可分為單斜承壓含水層，水平含水層，若呈U形則稱為承壓盆地。
[0005]承壓水通常由于埋藏較深及受地質(zhì)構(gòu)造的影響，其水位、水質(zhì)及水量沒有明顯的季節(jié)性和多年性變化，承壓水水交替緩慢，補給資源貧乏，再生能力較差。承壓水不容易被污染，常常被人類開采利用作為飲用水資源。但是承壓水一旦被污染，難以自凈修復。
[0006]為研究一個地區(qū)的承壓水在地層中的運動規(guī)律時，尤其是在確定地下水在地層中的滲流速度時，除了利用抽水試驗來確定外，有些時候需要開展注水試驗。如在野外，鉆孔中的地下水位埋深較大或試驗層透水卻不含水時，可以用注水試驗來代替抽水試驗，從而近似獲取地層滲透系數(shù)。
[0007]試驗室測定承壓含水層中地下水的實際流速時，對于均質(zhì)各向同性的含水介質(zhì)而言，可用滲透流速與有效孔隙度之比來求得，但往往這種方法測算的流速與其實際流速之間存在差異，這是由于地下水的運動路徑復雜，遇到固相介質(zhì)繞流而致。
[0008]承壓水通常由于埋藏較深及受地質(zhì)構(gòu)造的影響，給人們對承壓水的學習和研究，承壓水的運動規(guī)律研究等帶來很大的難度，往往采用勘探、鉆探揭露含水層或采用數(shù)值模擬的方法，成本高，不直觀。
[0009]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明的目的是為了提供一種結(jié)構(gòu)合理、可以直觀了解向承壓井中穩(wěn)定注水過程中，井中水向承壓含水層中運動的特征及水頭分布規(guī)律，進行相關(guān)試驗及參數(shù)測定的試驗裝置。
[0010]本發(fā)明的目的是這樣來實現(xiàn)的:
本發(fā)明承壓井注水試驗裝置，包括帶水泵的儲水箱、有水平隔水底板的模擬箱，模擬箱中有橫截面形狀為圓心角至少為30°的扇形槽、與扇形槽上的圓弧透水壁相通的排水腔，位于扇形槽中的底部固定在隔水底板上且與圓弧透水壁同圓心的圓弧透水井壁將扇形槽分隔成承壓注水井、有含水層的模擬腔，在含水層頂面有與隔水底板平行的隔水頂板，位于模擬箱承壓注水井端的能上、下升降的有溢流槽的定水頭溢流箱中的位于溢流槽處的溢流回水腔通過管道與儲水箱相通，定水頭溢流箱中的溢流槽通過管道分別與儲水箱水泵和承壓注水井相通，位于模擬箱排水腔處的能上、下升降的有排水溢流槽的排水箱中位于排水溢流槽外的排水回水腔通過管道與儲水箱相通，排水溢流槽通過管道與排水腔相通，在模擬箱頂部相對模擬腔靠近注水井的位置裝有注示蹤劑水箱，注示蹤劑水箱底部有下部穿過隔水頂板伸入含水層中的示蹤劑水管，注示蹤劑水箱頂部有示蹤劑箱，示蹤劑箱上有伸入注示蹤劑水箱中的示蹤劑管，至少五組測壓管等距離豎直裝在模擬腔壁上，每組測壓管為三根，與每組測壓管底部連通的三根測壓軟管的另一端分別插入含水層中同一斷面的上部，中部、下部。
[0011]上述的模擬箱上相對承壓注水井、排水腔的位置分別設(shè)置有升降調(diào)節(jié)裝置，升降調(diào)節(jié)裝置中有裝在模擬箱上、下端的帶螺紋的螺母、支座，與定水頭溢流箱或排水箱連接的帶螺紋的支耳，調(diào)節(jié)螺桿一端依次穿過螺母、支耳上的螺紋而伸入支座中且能轉(zhuǎn)動。
[0012]上述的扇形槽中的圓心角為35°。
[0013]根據(jù)相似原理，將自然界中的承壓含水層及鉆孔(井)按照一定比例縮小制作成注水試驗模型，采用砂槽模擬承壓含水層來模擬注水時井中水向承壓含水層滲流及地下水在承壓含水層中的運動。為了使模型與原型各物理量成一定的比例關(guān)系，本發(fā)明遵從以下4個條件:①幾何相似；模型的長度因次物理量與原型應相似，設(shè)X*為相似常數(shù)，X*=Xp/Xm，即為原型(P)與模型(m)的相似比，本發(fā)明模型的長度(L)、寬度(B)、含水層厚度(M)、及水頭值(H)符合關(guān)系式:L*=B*=M*=H*。②動力相似；模型和原型滲流相應質(zhì)點所作用的性質(zhì)相同的力保持了一定的比例關(guān)系。本發(fā)明中地下水滲流符合線性滲透定律，其滲透流速(V)和滲透系數(shù)(K)符合關(guān)系式:v*=K*。③運動相似；時間(t)和有效孔隙度(?)滿足如下關(guān)系:t*= ne* ;④邊界條件相似。地表水水頭及入滲量等相似。
[0014]本發(fā)明工作時，先將扇形槽兩端的定水頭流溢流箱和排水箱通過升降裝置保持在同一高度，打開水泵抽水，當發(fā)現(xiàn)扇形槽兩側(cè)的穩(wěn)定流溢流系統(tǒng)開始溢出時，關(guān)閉水泵電源，待多余的水排出后，扇形槽一側(cè)的多組測壓管水頭值都在同一水平面上，即模擬注水前承壓含水層的天然地下水位。此時，將位于承壓注水井一側(cè)的定水頭溢流箱通過升降裝置升值一定高度后，接通水泵電源，進行定流量注水，隨著注水時間的延續(xù)承壓注水井和排水腔的動水位會達到穩(wěn)定。待注水井中水位與溢流箱中水位一致時，在承壓含水層中以壓注水井為中心，測壓管的水頭逐漸降低。形成了穩(wěn)定的反向充水漏斗。
[0015]承壓井注水過程可用承壓井抽水穩(wěn)定運動的裘布依井流方程來描述:
Q=2jiKM (h-H)/ln(R/rw) (I)
qn-qn_i/q ^ 2%(2)
Q=12q(3)
上述3式中，(I)式為注水時井中水向承壓含水層穩(wěn)定運動的裘布依數(shù)學方程，其中:Q為360°承壓井注水量(ml/s) ；K為模擬承壓含水層的滲透系數(shù)(cm/s) ；H為注水前的天然地下水位(cm) ；h為承壓注水井的動水位(cm) ;R為注水影響半徑(cm) ;rw為注水井的半徑(cm); (2)式為承壓井注水量穩(wěn)定性判別式，其中:qn為第η次測定的承壓井注水量(ml/Shqlri為第η-l次測定承壓井注水量(ml/s);q為第η次與第η_1次所測注水量的平均值。
(3)式為扇形槽穩(wěn)定注水量與360°井穩(wěn)定注水量的關(guān)系。
[0016]當承壓井中的動水位為h時，可通過溢流排水箱不斷的測定承壓井的穩(wěn)定注水量，可按(2)式判定注水后滲流是否穩(wěn)定，取q即為穩(wěn)定后的模擬承壓井穩(wěn)定注水量，然后利用(3)式計算360°承壓井注水量Q。再測定這些觀測管的承壓水位，并將水位用平滑曲線相連從而得到反向充水漏斗。并將充水漏斗與初始水平線對比來確定影響半徑R，同時，測定模擬注水前的天然地下水位和井半徑rw，并最終確定承壓含水層的滲透系數(shù)K。試驗過程中，通過靠近井一端的升降裝置控制承壓井注水量，從而控制反向充水漏斗的形狀及承壓井中的動水位h等，這樣便可獲取承壓井注水后動水位與承壓井注水量Q之間的關(guān)系，也能確定承壓井注水后動水位與影響半徑的關(guān)系曲線。通過測定滲透系數(shù)可了解承壓含水層的透水性能大小，從而評價污染物在地下水中的滲流特征及遷移規(guī)律。而R?h曲線則能用于評價承壓含水層的排泄的暢通性、富水性，儲水性，為區(qū)域地下水資源開發(fā)利用及評價提供理論依據(jù)。
[0017]當承壓中的動水位為h時，打開示蹤劑注入系統(tǒng)，待示蹤劑在含水層中形成穩(wěn)定的流線時，可關(guān)閉示蹤劑注入閥。
[0018]沿流線的切線方向均勻布量待測點，以測定地下水實際流速。
[0019]地下水實際流速可采用如下公式來測算，
Ui=V /ne(4)
U2=L/ Δ t(5)
(4)為第理論公式計算的實際流速U1, Vit為地下水滲透流速，ne為試樣的有效孔隙度；
(5)式為示蹤劑法所得地下水實際流速u2，為地下水跡線長，Λ t為地下水質(zhì)點運動L長度的耗時。試驗后，通過對比(4)式及(5)式的地下水實際流速測定結(jié)果，可合理確定地下水在含水層中的真實流速，評價承壓含水層中地下水的徑流、排泄特點。
[0020]本發(fā)明可清晰、直觀展現(xiàn)向承壓井注水時地下水的運動過程和特征，通過本發(fā)明，可以直觀了解承壓井中水向承壓含水層運動的特征，也可觀測注水穩(wěn)定后承壓含水層中的水頭分布情況及浸潤曲線的變化規(guī)律，還可獲取地層的滲透系數(shù)及注水形成反向充水漏斗的規(guī)模與注水量的關(guān)系。通過試驗，可熟悉承壓井注水試驗的過程和相關(guān)的基礎(chǔ)概念，學習注水試驗資料整理和分析，為野外原位注水試驗的開展打下良好的理論基礎(chǔ)。
[0021]本發(fā)明根據(jù)相似模擬的原理，以水平承壓含水層注水井為模擬對象，研究承壓注水井中注水時承壓含水層中地下水的運動規(guī)律，清晰直觀的呈現(xiàn)水流運動的狀態(tài)，為研究注水試驗提供了一種有效手段，可大大降低研究成本。同時，本發(fā)明將為環(huán)境水文地質(zhì)領(lǐng)域研究人員研究污染物在地下水的徑流特征和遷移規(guī)律提供一種有效的途徑，也為水文地質(zhì)工作者在認識某一特定含水層的人工儲能、地下水的人工補給等研究中提供參考依據(jù)，在水利水電工程建設(shè)中具有重要的工程價值。
[0022]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2為圖1中的A向視圖。
[0024]圖3為圖2中的H向視圖。
[0025]圖4為圖1中的B— B剖視圖。
[0026]圖5為圖1中的C一C剖視圖。
[0027]圖6為圖1的俯視圖。
[0028]【具體實施方式】: 參見圖1?圖6，本實施例承壓井注水試驗裝置，包括帶水泵I的儲水箱2、有水平隔水底板3的模擬箱4。模擬箱中有橫截面形狀為圓心角為35°的扇形槽5、與扇形槽上的圓弧透水壁6相通的排水腔7。位于扇形槽中的底部固定在隔水底板上且與圓弧透水壁同圓心的圓弧透水井壁8將扇形槽分隔成承壓注水井9、有含水層10的模擬腔11。在含水層頂面有與隔水底板平行的隔水頂板12。位于模擬箱承壓注水井端的能通過升降調(diào)節(jié)裝置上、下升降的有溢流槽13的定水頭溢流箱14中的位于溢流槽外的溢流回水腔15通過管道16與儲水箱相通。定水頭溢流箱中的溢流槽通過帶控制閥的管道17、管道17 — I分別與儲水箱水泵和承壓注水井相通。位于模擬箱排水腔處的通過升降調(diào)節(jié)裝置能上、下升降的有排水溢流槽18的排水箱19中位于排水溢流槽外的排水回水腔20通過管道與儲水箱相通。排水溢流槽通過管道與排水腔相通。在模擬箱頂部相對模擬腔靠近注水井的位置裝有注示蹤劑水箱21。注示蹤劑水箱底部有下部穿過隔水頂板伸入含水層中的示蹤劑水管22。注示蹤劑水箱頂部有示蹤劑箱23。示蹤劑箱上有伸入注示蹤劑水箱中的示蹤劑管24。六組測壓管25等距離豎直裝在模擬腔壁上。每組測壓管為三根，與每組測壓管底部連通的三根測壓軟管26的另一端分別插入含水層中同一斷面的上部，中部、下部。
[0029]參見圖1，模擬箱上相對承壓注水井、排水腔的位置分別設(shè)置有升降調(diào)節(jié)裝置27。升降調(diào)節(jié)裝置中有裝在模擬箱上、下端的帶螺紋的螺母28、支座29，與定水頭溢流箱或排水箱連接的帶螺紋的支耳30，調(diào)節(jié)螺桿31 —端依次穿過螺母、支耳上的螺紋而伸入支座中且能轉(zhuǎn)動。
[0030]參見圖1，注示蹤劑水箱上有通過帶控制閥的水管32與水泵連通。圖中序號33為穩(wěn)定承壓面。
[0031]參見圖3，試驗時，帶有示蹤劑的水流經(jīng)承壓注水井時就可以在圓弧透水井壁側(cè)觀察到邊壁流效應34。
[0032]參見圖1、圖6，扇形槽的結(jié)構(gòu):往承壓注水井中注水時，井中水向四周發(fā)散的承壓含水層運動，形成一個反向充水漏斗狀的(錐體形)穩(wěn)定承壓面，這個過程可用J -Dupuit穩(wěn)定井流方程來描述。為了便于觀測試驗現(xiàn)象，采用35°的扇形槽來代替360°圓柱形地質(zhì)體。地下水在35°扇形槽中的滲流規(guī)律與360°圓柱形地質(zhì)體相似。扇形槽尺寸為:邊長L=L 5m。扇形弧長0.785m，槽高0.5m。再將扇形槽固定在儲水箱之上。扇形槽及模擬箱材料均為厚1mm透明有機玻璃材料制作，為滿足裝置的剛度及強度，有機玻璃均用厚50mm的角鋼包邊。
[0033]參見圖1、圖6，承壓注水井:在扇形槽的圓心設(shè)置注水井，注水井下端至隔水底板，上端與大氣相通。本發(fā)明承壓注水井為35°的井，井半徑為15cm。圓弧透水井壁圓弧形與扇形槽圓弧形透水壁的圓心一致。
[0034]參見圖1，承壓含水層:根據(jù)動力條件相似，選用粒徑為0.1?1_的標準砂用于模擬自然界中的松散孔隙介質(zhì)，即模擬承壓含水層。
[0035]參見圖1，測壓管(相當于自然界中的觀測孔):在扇形槽的一側(cè)，等間距設(shè)置6個鉛垂斷面，在每個斷面的上、中、下設(shè)置測壓管，任意兩個斷面上、中、下測壓管的位置完全一致。測壓管下端穿透扇形槽一側(cè)的有機玻璃與承壓含水層接通，上端與大氣相通。測壓管用于觀測注水前、注水過程中及注水穩(wěn)定后的承壓位變化情況。
[0036]參見圖1，儲水箱:儲水箱位于矩形箱正下方，尺寸:1.8mX0.5mX0.35m。厚1mm的PVC材料制作，用厚50mm的角鋼包邊。儲水箱內(nèi)有恒流量水泵。用于試驗給水。
[0037]參見圖1，在地質(zhì)體模擬箱正上方，靠近承壓注水井(補給區(qū))處設(shè)置了示蹤劑測流系統(tǒng)，該系統(tǒng)由示蹤劑注入管(Φ=0.5cm)、穩(wěn)定流供示蹤劑箱組成。示蹤劑注入管上部與穩(wěn)定流供示蹤劑箱連通，下部直接伸入承壓含水層。穩(wěn)定流供示蹤劑箱的常水頭相對高度大于承壓面高程才能保證示蹤劑的穩(wěn)定供給，且穩(wěn)定流供示蹤劑箱的常水頭高程(Hw)與承壓面高程(H。)的差值不宜過大。
[0038]通過注水試驗可以觀測到:注水前各觀測孔水位相同，承壓位連線為一水平線，注水時，以注水井為中心，觀測孔水位依次降低，形成反向充水漏斗。根據(jù)穩(wěn)定后的反向充水漏斗可確定注水影響半徑R，注水孔內(nèi)動水位h，確定承壓含水層的滲透系數(shù)K。
[0039]上述實施例是對本發(fā)明的上述內(nèi)容作進一步的說明，但不應該將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于上述實施例。凡基于上述內(nèi)容所實現(xiàn)的技術(shù)均屬本發(fā)明的范圍。
【權(quán)利要求】
1.承壓井注水試驗裝置，包括帶水泵的儲水箱、有水平隔水底板的模擬箱，模擬箱中有橫截面形狀為圓心角至少為30°的扇形槽、與扇形槽上的圓弧透水壁相通的排水腔,位于扇形槽中的底部固定在隔水底板上且與圓弧透水壁同圓心的圓弧透水井壁將扇形槽分隔成承壓注水井、有含水層的模擬腔，在含水層頂面有與隔水底板平行的隔水頂板，位于模擬箱承壓注水井端的能上、下升降的有溢流槽的定水頭溢流箱中的位于溢流槽外的溢流回水腔通過管道與儲水箱相通，定水頭溢流箱中的溢流槽通過管道分別與儲水箱水泵和承壓注水井相通，位于模擬箱排水腔處的能上、下升降的有排水溢流槽的排水箱中位于排水溢流槽外的排水回水腔通過管道與儲水箱相通，排水溢流槽通過管道與排水腔相通，在模擬箱頂部相對模擬腔靠近注水井的位置裝有注示蹤劑水箱，注示蹤劑水箱底部有下部穿過隔水頂板伸入含水層中的示蹤劑水管，注示蹤劑水箱頂部有示蹤劑箱，示蹤劑箱上有伸入注示蹤劑水箱中的示蹤劑管，至少五組測壓管等距離豎直裝在模擬腔壁上，每組測壓管為三根，與每組測壓管底部連通的三根測壓軟管的另一端分別插入含水層中同一斷面的上部，中部、下部。
2.如權(quán)利要求1所述的承壓井注水試驗裝置，其特征在于模擬箱上相對承壓注水井、排水腔的位置分別設(shè)置有升降調(diào)節(jié)裝置，升降調(diào)節(jié)裝置中有裝在模擬箱上、下端的帶螺紋的螺母、支座，與定水頭溢流箱或排水箱連接的帶螺紋的支耳，調(diào)節(jié)螺桿一端依次穿過螺母、支耳上的螺紋而伸入支座中且能轉(zhuǎn)動。
3.如權(quán)利要求1或2所述的承壓井注水試驗裝置，其特征在于扇形槽中的圓心角為35。。
【文檔編號】G09B23/40GK104318843SQ201410654698
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】肖先煊, 許模, 李天斌, 蔡國軍, 張強, 曾桃敏 申請人:成都理工大學