本發(fā)明涉及一種非均質(zhì)各向同性含水層地下水滲流規(guī)律模擬試驗(yàn)裝置，屬于水文地質(zhì)研究裝置技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

由于人類活動的日益加劇，滑坡、泥石流、地下水污染、海水入侵等一系列地質(zhì)環(huán)境問題日益突出，地下水的研究工作顯得更加重要。作為地下水研究工作中的重要研究方法，室內(nèi)模擬具有很多優(yōu)點(diǎn)。作為物理模擬的主要工具，地下水模擬裝置影響著物理模擬研究的發(fā)展，近年來，國內(nèi)外涌現(xiàn)了一大批這類的裝置。

例如，前人研制的流線演示儀(申請?zhí)?01020647076.0)，它可以模擬滲流過程中流線的變化過程，但是該儀器不能反映地下水實(shí)際滲流過程中滲流狀態(tài)變化。

從前人的研究中反映出如下幾個缺陷：其一在模擬野外含水層中，現(xiàn)階段所使用的物理模擬模型只能模擬均質(zhì)含水層，而野外情況下大多為非均質(zhì)含水層，以至于試驗(yàn)結(jié)果很難與野外情況吻合；其二現(xiàn)階段的所有的砂槽大部分都是類似于海水入侵的平面模型，很少有能夠既可以模擬橫向滲流又可以模擬豎向入滲的模擬裝置，且沒有模擬裝置能夠模擬地下水在滲流過程中經(jīng)過非均質(zhì)巖土突變界面時(shí)所產(chǎn)生的滲流折射現(xiàn)象以及地下水滲流在低滲巖土層端部所產(chǎn)生的繞流現(xiàn)象。其三現(xiàn)階段關(guān)于非均質(zhì)各向同性地下水滲流過程的模擬都還只在電腦進(jìn)行模擬階段，暫沒有一臺能夠在試驗(yàn)室進(jìn)行物理模擬的設(shè)備。

近年來，各個領(lǐng)域都嘗試運(yùn)用系統(tǒng)理論分析解決實(shí)際問題。運(yùn)用地下水在不同含水層水流系統(tǒng)分析地下水滲流問題，構(gòu)建更接近野外真實(shí)水文地質(zhì)條件的復(fù)雜物理模型是物理模擬發(fā)展的趨勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有地下水滲流模擬裝置不能模擬非均質(zhì)各向同性含水層滲流的問題，提供一種非均質(zhì)各向同性含水層地下水滲流規(guī)律模擬試驗(yàn)裝置，可以進(jìn)行水平方向和豎直方向的地下水滲流試驗(yàn)，模擬地下水水平滲流運(yùn)動和豎向滲流運(yùn)動，并且能夠模擬非均質(zhì)各向同性含水層地下水滲流過程中的狀態(tài)變化。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案為，一種非均質(zhì)各向同性含水層地下水滲流規(guī)律模擬試驗(yàn)裝置，至少包括滲流槽，填充于滲流槽中的滲透體，以及與滲流槽連通的水循環(huán)單元和示蹤單元，沿滲流槽長度方向，一端為上游進(jìn)水端、另一端為下游出水端，所述滲流槽包括底板、一對側(cè)板、上游進(jìn)水組件、入滲組件、下游出水組件和導(dǎo)水組件，上游進(jìn)水組件通過滲透體與下游出水組件相連接，滲透體上接入滲組件、下接導(dǎo)水組件，水循環(huán)單元將水體抽入上游進(jìn)水組件和入滲組件，水體經(jīng)滲透體到達(dá)下游出水組件和導(dǎo)水組件；

所述上游進(jìn)水組件與下游出水組件均由滲透板、水頭控制板和水槽構(gòu)成，底板、一對側(cè)板和兩個水槽構(gòu)成上端開口的密封槽區(qū)，兩個水槽分別分布于密封槽區(qū)的上游進(jìn)水端和下游出水端，滲透體位于密封槽區(qū)的中部，滲透板和水頭控制板位于水槽與滲透體之間，兩個滲透板分別與滲透體的上游進(jìn)水端面和下游出水端面接觸，滲透板和水頭控制板的高度均低于水槽高度；所述滲透板和水頭控制板上均開設(shè)有密布的滲透孔，水頭控制板上滲透孔的孔徑大于滲透板上滲透孔的孔徑，下游出水組件的水頭控制板的滲透孔中塞有孔塞；

所述入滲部分包括進(jìn)水隔板、溢水板和兩個擋水板，進(jìn)水隔板位于上游進(jìn)水組件的滲透板的上部，溢水板位于下游出水組件的滲透板的上部，溢水板中部沿其寬度方向開設(shè)有長條形的溢流孔，進(jìn)水隔板和溢水板均高于水頭控制板，兩個擋水板沿水平方向分別固定于兩個水頭控制板的頂端并且封閉進(jìn)水隔板和溢水板與與之臨近的水頭控制板之間的空隙；

所述導(dǎo)水組件包括導(dǎo)水滲透板、導(dǎo)水槽、導(dǎo)水管和集流器，其中導(dǎo)水滲透板位于滲流槽底板中并且靠近下游出水端，導(dǎo)水滲透板上同樣開設(shè)有密布的滲透孔，導(dǎo)水槽位于導(dǎo)水滲透板下方并且通過導(dǎo)水滲透板與滲流槽連通，集流器與導(dǎo)水槽通過導(dǎo)水管連通，導(dǎo)水管上設(shè)有止水夾；

所述滲透體由高滲巖土和低滲巖土構(gòu)成，高滲巖土分層搗實(shí)，按照實(shí)驗(yàn)要求在高滲巖土中的不同高度處分層搗實(shí)低滲巖土，低滲巖土的豎直方向截面呈傾斜角度為15°～45°的長條形；

所述水循環(huán)單元包括進(jìn)水水箱、連通水管、進(jìn)水管、抽水泵、出水管和出水水箱，其中進(jìn)水水箱與出水水箱通過連通水管連通，抽水泵安裝于抽水管上，抽水管連通進(jìn)水水箱與上游進(jìn)水組件的水槽，出水管連通出水水箱與下游出水組件的水槽；

所述示蹤單元包括馬氏瓶、分流器、示蹤管和閥門，其中馬氏瓶中灌注示蹤劑，馬氏瓶、分流器與滲流槽通過示蹤管依次連通，滲流槽的前側(cè)側(cè)板中開設(shè)有2個以上示蹤孔，示蹤管接于示蹤孔中，示蹤孔沿低滲巖土傾斜方向間隔分布并且正對滲透體。

上游進(jìn)水組件的滲透板的上部為未開孔平面板，該未開孔平面板構(gòu)成進(jìn)水隔板，進(jìn)水隔板的高度為滲透板高度的1/15～1/8倍。

所述下游出水組件的滲透板的上部為開設(shè)長條形孔的未開孔平面板，該開設(shè)長條形孔的未開孔平面板構(gòu)成溢水板，長條形孔構(gòu)成溢流孔。

所述滲透板的高度大于水頭控制板，進(jìn)水隔板和溢水板的高度相同并且均等于滲透板與水頭控制板的高度差。

溢流孔與鄰近的擋水板的高度差為15～40mm。

還包括控壓裝置，所述控壓裝置包括水位傳感器、導(dǎo)線和控制器，水位傳感器和控制器通過導(dǎo)線連接，水位傳感器安裝于上游進(jìn)水組件的水槽槽底。

上游進(jìn)水組件的水槽槽底從中間分為進(jìn)水處和測壓處，測壓處靠近滲透體，其高度相對進(jìn)水處高度高20～50mm，水位傳感器安裝于測壓處。

上述各管件與板件均通過管接頭連接，管接頭內(nèi)部粘接有紗網(wǎng)。

所述滲透體的表面包裹有紗網(wǎng)。

上述各板件的連接處均通過密封膠粘接密封。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的非均質(zhì)各向同性含水層地下水滲流規(guī)律模擬試驗(yàn)裝置是一種基于地下水流動系統(tǒng)理論的地下水滲流規(guī)律的演示裝置，包括滲流槽、滲透體、水循環(huán)單元和示蹤單元四個部分，其中滲透體由高滲巖土和低滲巖土構(gòu)成，可以模擬非均質(zhì)各向同性含水層的滲流規(guī)律，高滲巖土分層搗實(shí)，按照試驗(yàn)要求在高滲巖土中的不同高度處分層搗實(shí)低滲巖土，形成傾斜角度為15°～45°的長條形，配合示蹤劑，能夠清晰顯示地下水在滲流過程中經(jīng)過非均質(zhì)巖土突變界面時(shí)所產(chǎn)生的滲流折射現(xiàn)象和地下水滲流在低滲巖土層端處所產(chǎn)生的繞流現(xiàn)象。

本發(fā)明滲流槽包括上游進(jìn)水組件、入滲組件、下游出水組件和導(dǎo)水組件四個主要功能組件，上游進(jìn)水組件分布于上游進(jìn)水端，下游出水組件分布于下游出水端，上游進(jìn)水組件通過滲透體與下游出水組件相連接，入滲組件位于滲透體頂面上，導(dǎo)水組件位于滲流槽底部，滲透體上接入滲組件、下接導(dǎo)水組件，水循環(huán)單元將水體抽入上游進(jìn)水組件和入滲組件，水體經(jīng)滲透體到達(dá)下游出水組件和導(dǎo)水組件；上游進(jìn)水組件與下游出水組件中均設(shè)置滲透板和水頭控制板，其中滲透板用于水體均勻入滲，同時(shí)其上部突出于滲透體用于形成進(jìn)水隔板和溢水板，水頭控制板用于控制水槽中水位，通過在下游出水組件的水頭控制板的滲透孔中塞孔塞可以調(diào)節(jié)下游出水組件的水槽水位，入滲組件中溢水板的中部設(shè)置溢流孔，保證在滲透體上方形成一定高度的入滲水位，入滲水位高度即溢流孔與鄰近的擋水板之間的高差。

由此，本發(fā)明可提供兩種飽水方式：其一是關(guān)閉底部導(dǎo)水組件中所有止水夾，調(diào)節(jié)上下游水位同時(shí)達(dá)到最大高度，即上游水位設(shè)定在水頭控制板最高一個滲透孔處、下游水位只留出最高處滲透孔溢流，一段時(shí)間后，按設(shè)定要求調(diào)節(jié)上游水位，下游則將孔塞從上至下打開至設(shè)定水位，模擬橫向地下水滲流過程；其二是將下游水頭控制板滲透孔全部使用孔塞，向上游水槽中始終供水，當(dāng)水位高于進(jìn)水隔板時(shí)開始飽水，此時(shí)將止水夾稍微打開以排出土樣中氣體，一段時(shí)間后，打開止水夾的同時(shí)保證入滲處水能夠從溢流孔中流出，模擬豎向地下水滲流過程。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的非均質(zhì)各向同性含水層地下水滲流規(guī)律模擬試驗(yàn)裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)：其一是可以顯示非均質(zhì)各向同性含水層中地下水滲流，能夠清晰顯示地下水在滲流過程中經(jīng)過非均質(zhì)巖土突變界面時(shí)所產(chǎn)生的滲流折射現(xiàn)象和地下水滲流在低滲巖土層端部所產(chǎn)生的繞流現(xiàn)象，并通過示蹤劑給予直觀顯示；其二是既可以模擬橫向地下水滲流過程，又可以模擬豎向地下水滲流過程，能夠從較多角度反映非均質(zhì)各向同性含水層的地下水滲流經(jīng)過非均質(zhì)巖土突變界面時(shí)所產(chǎn)生的滲流折射現(xiàn)象，和地下水滲流在低滲巖土層端部所產(chǎn)生的繞流現(xiàn)象，可為水文地質(zhì)工作、地下水修復(fù)等水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)問題的開展提供解決方案，對地下水系統(tǒng)的研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值和科研價(jià)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的非均質(zhì)各向同性含水層地下水滲流規(guī)律模擬試驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖2為上游進(jìn)水組件的滲透板的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為下游出水組件的滲透板的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為水頭控制板的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為導(dǎo)水組件的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：100-滲流槽，200-滲透體；1-進(jìn)水水箱；2-連通水管；3-進(jìn)水管；4-抽水泵；5-控制器；6-導(dǎo)線；7-水位傳感器；8-滲透孔；9-滲透板；10-水位控制板；11-水槽；12-閥門；13-示蹤管；14-馬氏瓶；15-分流器；16-進(jìn)水隔板；17-紗網(wǎng)；18-溢水板；19-擋水板；20-溢流孔；21-側(cè)板；22-導(dǎo)水管；23-孔塞；24-管接頭；25-出水管；26-導(dǎo)水滲透板；27-導(dǎo)水槽；28-止水夾；29-出水水箱；30-示蹤孔；31-底板；32-高滲巖土；33-低滲巖土；34-集流器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)具體說明，本發(fā)明的內(nèi)容不局限于以下實(shí)施例。

參見圖1，本發(fā)明提供了一種非均質(zhì)各向同性含水層地下水滲流規(guī)律模擬試驗(yàn)裝置，包括滲流槽100，填充于滲流槽中的滲透體200，與滲流槽連通的水循環(huán)單元和示蹤單元，以及控制水循環(huán)單元運(yùn)行的控壓裝置，在沿滲流槽長度方向上，以一端為上游進(jìn)水端、另一端為下游出水端，所述滲流槽100包括底板31、一對側(cè)板21、上游進(jìn)水組件、入滲組件、下游出水組件和導(dǎo)水組件，上游進(jìn)水組件通過滲透體200與下游出水組件相連接，滲透體200上接入滲組件、下接導(dǎo)水組件，水循環(huán)單元將水體抽入上游進(jìn)水組件和入滲組件，水體經(jīng)滲透體200到達(dá)下游出水組件和導(dǎo)水組件；

所述上游進(jìn)水組件與下游出水組件均由滲透板9、水頭控制板10和水槽11構(gòu)成，水槽的其中一面槽壁缺失，底板31、一對側(cè)板21和兩個水槽11構(gòu)成上端開口的密封槽區(qū)，兩個水槽11分別分布于密封槽區(qū)的上游進(jìn)水端和下游出水端，滲透體200位于密封槽區(qū)的中部，滲透板9和水頭控制板10位于水槽11與滲透體200之間，兩個滲透板9分別與滲透體200的上游進(jìn)水端面和下游出水端面接觸，滲透板9和水頭控制板10相當(dāng)于水槽缺失的槽壁，底板、側(cè)板、水槽、滲透板和水頭控制板均為有機(jī)玻璃板，其中底板31規(guī)格為厚20mm、寬20cm、長100cm，側(cè)板21厚15mm、高70cm、長100cm，滲透板9厚10mm、高65cm，水頭控制板10厚5mm、高60cm，水槽高70cm、寬20cm、壁厚15mm，滲透板9和水頭控制板10間隔10mm，各板件的連接處均通過氯仿粘接密封；上游進(jìn)水組件的水槽11槽底從中間分為進(jìn)水處和測壓處，測壓處高度相對進(jìn)水處高度高50mm并且靠近滲透體200；所述滲透板9和水頭控制板10上均開設(shè)有密布的滲透孔8，如圖4所示，水頭控制板10上滲透孔8的孔徑為10mm、梅花狀分布，滲透板9上滲透孔8的孔徑為5mm，下游出水組件的水頭控制板10的滲透孔8中塞有孔塞23；

所述入滲部分包括進(jìn)水隔板16、溢水板18和兩個擋水板19，進(jìn)水隔板16位于上游進(jìn)水組件的滲透板9的上部，溢水板18位于下游出水組件的滲透板9的上部，溢水板18中部沿其寬度方向開設(shè)有長條形的溢流孔20，進(jìn)水隔板16和溢水板18均高于水頭控制板10，兩個擋水板19沿水平方向分別固定于水頭控制板10的頂端并且封閉進(jìn)水隔板16和溢水板18與與之臨近的水頭控制板10之間的空隙，參見圖2，上游進(jìn)水組件的滲透板9的頂端5mm部分為未開孔平面板，該未開孔平面板構(gòu)成進(jìn)水隔板16，參見圖3，下游出水組件的滲透板9的頂端5mm部分為未開孔平面板，在其水平向?qū)ΨQ軸處開有寬度為10mm的長條形孔，該開設(shè)長條形孔的未開孔平面板構(gòu)成溢水板18，該長條形孔即構(gòu)成溢流孔20；

參見圖5，所述導(dǎo)水組件包括導(dǎo)水滲透板26、導(dǎo)水槽27、集流器34和4根導(dǎo)水管22，其中導(dǎo)水滲透板26位于滲流槽底板中并且靠近下游出水端，導(dǎo)水滲透板26上同樣開設(shè)有密布的滲透孔8，該滲透孔孔徑為4mm，導(dǎo)水槽27位于導(dǎo)水滲透板26下方并且通過導(dǎo)水滲透板26與滲流槽連通，4根導(dǎo)水管22中3根為支管、連通集流器34與導(dǎo)水槽27，其上設(shè)有止水夾28，剩余一根導(dǎo)水管22為總管、連通集流器34與水循環(huán)單元；

所述滲透體200由高滲巖土32和低滲巖土33構(gòu)成，高滲巖土32分層搗實(shí)，按照試驗(yàn)要求在高滲巖土32中的不同高度處分層搗實(shí)低滲巖土33，低滲巖土33的豎直方向截面呈傾斜角度為15°～45°的長條形，滲透體200的表面包裹有紗網(wǎng)17，防止?jié)B透水流沖擊巖土體變形；

所述水循環(huán)單元包括進(jìn)水水箱1、連通水管2、進(jìn)水管3、抽水泵4、出水管25和出水水箱29，其中進(jìn)水水箱1與出水水箱29通過連通水管2連通，抽水泵4安裝于抽水管3上，抽水管3連通進(jìn)水水箱1與上游進(jìn)水組件的水槽11，出水管連通出水水箱與下游出水組件的水槽11；

所述示蹤單元包括馬氏瓶14、分流器15、4根示蹤管13和3個閥門12，其中馬氏瓶中灌注一定濃度紅墨水作為示蹤劑，馬氏瓶14、分流器15與滲流槽100通過示蹤管依次連通，滲流槽的前側(cè)側(cè)板中開設(shè)有3個示蹤孔30，3根分支示蹤管13分別接于各示蹤孔中，各示蹤孔30沿低滲巖土33傾斜方向間隔分布并且正對滲透體200，通過閥門12調(diào)節(jié)每根分支示蹤管13的流速使紅墨水呈細(xì)線狀滲流；

所述控壓裝置包括水位傳感器7、導(dǎo)線6和控制器5，水位傳感器7和控制器5通過導(dǎo)線6連接，水位傳感器7安裝于上游進(jìn)水組件的水槽11的測壓處，水位傳感器7測定水壓力大小，形成反饋信號傳遞至控制器5，對抽水泵4的流量進(jìn)行控制，使水位穩(wěn)定在設(shè)定水位；

上述前側(cè)側(cè)板21與示蹤管13、水槽11與進(jìn)水管3和出水管25均通過管接頭24連接，管接頭24外直徑5mm、內(nèi)直徑為2mm，內(nèi)部粘接有紗網(wǎng)，防止巖土漏出。

本發(fā)明提供的非均質(zhì)各向同性含水層地下水滲流規(guī)律模擬試驗(yàn)裝置的使用方法為：

(1)填充滲透巖體

本發(fā)明裝置以模擬非均質(zhì)各向同性含水層滲流為試驗(yàn)對象，將不同滲透性土樣篩選風(fēng)干后均勻裝入滲流槽中，其中低滲透性土樣隨高滲透性土樣進(jìn)行填充，保證兩種土樣各自壓密度相同。

(2)進(jìn)行飽水

本發(fā)明裝置提供兩種飽水方式。其一是關(guān)閉底部所有止水夾，調(diào)節(jié)上下游水位同時(shí)達(dá)到最大高度，即上游水位通過控制器設(shè)定在水頭控制板最高一個滲透孔處、下游水位只留出最高處滲透孔溢流，一段時(shí)間后，上游按設(shè)定試驗(yàn)調(diào)節(jié)控制器至設(shè)定水位、下游則將孔塞從上至下打開至設(shè)定水位；其二是將滲透孔全部使用孔塞塞緊，將抽水泵直接連接電源，此時(shí)抽水泵不受控制器限制，可始終泵水，當(dāng)水位高于進(jìn)水隔板時(shí)開始飽水，此時(shí)將導(dǎo)水組件中止水夾稍微打開以排出土樣中氣體，一段時(shí)間后，打開導(dǎo)水組件中止水夾的同時(shí)保證入滲處水能夠從溢流孔流出。

(3)進(jìn)行模擬

將馬氏瓶放置在稍高處，調(diào)節(jié)示蹤管閥門，使紅墨水能夠在滲流場中呈細(xì)線狀滲流。觀察不同水力條件下，滲流狀態(tài)的變化，在本試驗(yàn)狀態(tài)下，滲流狀態(tài)可表現(xiàn)為折射、滲流兩種基本狀態(tài)。