一种岩溶地下水系统物理模拟试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种岩溶地下水系统物理模拟试验装置及方法，该装置包括：具有户外场地规模的模型池边界；规则灰岩块体排列组成的岩溶含水介质，第一灰岩块体之间缝隙构成预定裂隙网格结构，至少部分第一灰岩块体内部具有孔洞且彼此连通以构成为预定岩溶通道结构，且在该通道结构中部设有至少一段用于模拟溶洞的大孔洞段；多个水位观测管；及降雨模拟系统。本发明专利技术提供的岩溶地下水系统物理模拟试验装置及方法，提供一种人工裂隙

【技术实现步骤摘要】
一种岩溶地下水系统物理模拟试验装置及方法


[0001]本专利技术涉及岩溶文地质学、地下水科学
，特别是指一种岩溶地下水系统物理模拟试验装置及方法。

技术介绍

[0002]岩溶地下水在西南地区是一种主要的饮用水源。然而，在岩溶区实施的钻井成功出水的概率非常低，钻孔实施的位置与能出水位置有一点偏差，都将不能揭露含水裂隙和溶洞，导致钻井取水失败。这是由于地下岩溶含水介质的高度非均匀性引起的，由于构造和地下岩溶发育形成了众多的裂隙和溶洞，使得岩溶地下水流动过程非常复杂，导致地下水资源赋存规律难以掌握。因此，建立一个能够反映实际岩溶地下水系统的物理模型，是研究岩溶地下水运动和赋存规律的有效方法。
[0003]物理模型在一定程度上能够代表真实的地下岩溶空间结构，刻画出裂隙、管道和溶洞非均质性的含水空间，研究地下水流运动和水量储存，进而获取了真实岩溶地下水运动和储存的规律。然而，数学模型和数值模型是在复杂系统中抽象简化得到的，在现有技术中已知的岩溶地下水系统物理模型在考虑水文地质参数尺度效应、岩溶非均质性和水流复杂性上，还无法做到与岩溶地下水真实情况接近，难以真实反映野外岩溶地下水系统。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例提供了一种岩溶地下水系统物理模拟试验装置及方法，提供一种人工裂隙
‑
管道
‑
溶洞系统物理模型，其规模和设计能够综合考虑水文地质参数尺度效应、岩溶含水介质非均质性、裂隙管道水流非线性，真实反映野外岩溶地下水系统，以实现观测和研究岩溶地下水流运动状态和岩溶地下水资源的赋存规律的目的。
[0005]本专利技术实施例所提供的技术方案如下：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种岩溶地下水系统物理模拟试验装置，包括：
[0007]用于构造岩溶地下水系统物理模型边界条件的模型池，所述模型池的尺寸具有户外场地规模，所述户外场地规模被配置为可满足场地水文地质参数的尺度效应，所述模型池包括底面和侧壁，至少一侧所述侧壁上预埋有岩溶泉出水口，所述底面和/或所述侧壁在不同位置分布有多个水位观测孔位；
[0008]用于构造岩溶地下水系统物理模型的岩溶含水介质，所述岩溶含水介质设置在所述模型池内腔，由多个第一灰岩块体按照预定堆叠规则堆叠而成，所述第一灰岩块体为采用野外灰岩切割而成的规则块体，且多个所述第一灰岩块体之间的缝隙构成为预定裂隙网格结构，至少部分所述第一灰岩块体内部具有孔洞且彼此连通以构成为预定岩溶通道结构，所述预定岩溶通道结构与所述岩溶泉出水口相连通；
[0009]用于观测岩溶地下水系统物理模型不同位置处的水位的多个水位观测管，至少部分所述水位观测孔位内预埋有所述水位观测管，所述水位观测管的一端伸入至所述模型池内腔，另一端经由所述水位观测孔位引出至所述模型池外；
[0010]及用于模拟降雨环境的降雨模拟系统，设置于所述模型池的上方。
[0011]示例性的，所述侧壁上设有处于不同水平高度的多个岩溶泉出水口，每个所述岩溶泉出水口处分别设有阀门开关。
[0012]示例性的，多个所述第一灰岩块体按照预定规则排列为多层，至少部分相邻两层第一灰岩块体交错排列，且所述第一灰岩块体的外侧表面具有第一表面粗糙度，每层所述第一灰岩块体中相邻所述第一灰岩块体之间、及相邻两层所述第一灰岩块体之间的缝隙构成为所述预定裂隙网格结构，
[0013]不同所述第一灰岩块体的表面粗糙度相同；或者
[0014]不同所述第一灰岩块体的表面粗糙度值被配置为：在所述第一表面粗糙度的取值范围内，取若干不同的表面粗糙度数值分别作为若干不同所述第一灰岩块体的表面粗糙度值，其中所述若干不同的表面粗糙度数值被配置为在所述第一表面粗糙度的取值范围内以一预定粗糙度值作为均值且按照第一预定分布规则所分布的若干数值；
[0015]所述预定裂隙网格结构包括远离所述岩溶泉出水口的上游侧和靠近所述岩溶泉出水口的下游侧，其中，
[0016]所述预定裂隙网格结构的张开度沿着从所述上游侧向所述下游侧的方向逐渐增加；或者
[0017]所述预定裂隙网格结构的张开度沿着从所述上游侧向所述下游侧的方向按照第二预定分布规则变化。
[0018]示例性的，所述预定岩溶通道结构为单管状、树枝状或羽状管道；且所述预定岩溶通道结构为树枝状管道时，包括主枝干管道和分枝干管道，所述主枝干管道的内径大于所述分枝干管道的内径，且所述分枝干管道包括远离所述主枝干管道的末端及连通所述主枝干管道的连接端，所述分枝干管道从所述末端向所述连接端的内径逐渐增大，且在所述主枝干管道的中部设有至少一段用于模拟溶洞的直径突然变大的大孔洞段，所述主枝干管道连通至所述岩溶泉出水口；
[0019]所述第一灰岩块体的内部孔洞的横截面呈圆形或者45
°
V形；
[0020]所述第一灰岩块体的内部孔洞的内壁表面粗糙度具有第二表面粗糙度
[0021]不同所述第一灰岩块体的内部孔洞内壁表面粗糙度相同；或者
[0022]不同所述第一灰岩块体的内部孔洞内壁表面粗糙度值被配置为：在所述第二表面粗糙度的取值范围内，取若干不同的表面粗糙度数值分别作为若干不同所述第一灰岩块体的内部孔洞内壁的表面粗糙度值，其中所述若干不同的表面粗糙度数值被配置为在所述第二表面粗糙度的取值范围内以一预定粗糙度值作为均值且按照第三预定分布规则所分布的若干数值。
[0023]示例性的，所述第一表面粗糙度的取值范围为0.05～0.2cm；
[0024]所述第二表面粗糙度的取值范围为0.05～0.2cm；
[0025]所述预定裂隙网格结构的张开度沿着从所述上游侧向所述下游侧的方向数值从0.1cm至0.5cm逐渐增加；或者
[0026]所述预定裂隙网格结构的张开度沿着从所述上游侧向所述下游侧的方向数值从0.1cm至0.5cm按照第二预定分布规则变化；
[0027]沿着从所述上游侧向所述下游侧的方向，所述第一灰岩块体内部孔洞的内径规格
依次为1cm、1.5cm、2cm、2.5cm、3cm、4cm、5cm。
[0028]示例性的，所述模型池的内腔尺寸为长度10米，宽6米，高1.2米；所述第一灰岩块体为立方体，其尺寸为长600mm，宽300mm，高100mm。
[0029]示例性的，所述水位观测管为透明U型管，其包括竖直放置且相互平行的第一竖管段和第二竖管段、及连通所述第一竖管段和所述第二竖管段之间的水平管段，其中，所述水平管段预埋至所述水位观测孔位内；所述第一竖管段位于所述模型池内腔且插入至所述第一灰岩块体内部预先开设的避让孔洞内，且至少部分所述水位观测管的所述第一竖管段的长度不同，以检测不同水平高度的水位；所述第二竖管段位于所述模型池外，所述第二竖管段内放置有水位计；所述多个水位观测孔位包括分布在所述侧壁上的多个第一水位观测孔位和/或分布在所述底面上的多个第二水位观测孔位，多个所述第一水位观测孔位均匀分布于所述底面的中间区域，多个所述第二水位观测孔位分布在所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种岩溶地下水系统物理模拟试验装置，其特征在于，包括：用于构造岩溶地下水系统物理模型边界条件的模型池，所述模型池的尺寸具有户外场地规模，所述户外场地规模被配置为可满足水文地质参数的尺度效应，所述模型池包括底面和侧壁，至少一侧所述侧壁上预埋有岩溶泉出水口，所述底面和/或所述侧壁在不同位置分布有多个水位观测孔位；用于构造岩溶地下水系统物理模型的岩溶含水介质，所述岩溶含水介质设置在所述模型池内腔，由多个第一灰岩块体按照预定堆叠规则堆叠而成，所述第一灰岩块体为采用野外灰岩切割而成的规则块体，且多个所述第一灰岩块体之间的缝隙构成为预定裂隙网格结构，至少部分所述第一灰岩块体内部具有孔洞且彼此连通以构成为预定岩溶通道结构，所述预定岩溶通道结构与所述岩溶泉出水口相连通；用于观测岩溶地下水系统物理模型不同位置处的水位的多个水位观测管，至少部分所述水位观测孔位内预埋有所述水位观测管，所述水位观测管的一端伸入至所述模型池内腔，另一端经由所述水位观测孔位引出至所述模型池外；及用于模拟降雨环境的降雨模拟系统，设置于所述模型池的上方。2.根据权利要求1所述的岩溶地下水系统物理模拟试验装置，其特征在于，所述侧壁上设有处于不同水平高度的多个岩溶泉出水口，每个所述岩溶泉出水口处分别设有阀门开关。3.根据权利要求1所述的岩溶地下水系统物理模拟试验装置，其特征在于，多个所述第一灰岩块体按照预定规则排列为多层，至少部分相邻两层第一灰岩块体交错排列，且所述第一灰岩块体的外侧表面具有第一表面粗糙度，每层所述第一灰岩块体中相邻所述第一灰岩块体之间、及相邻两层所述第一灰岩块体之间的缝隙构成为所述预定裂隙网格结构，不同所述第一灰岩块体的表面粗糙度相同；或者不同所述第一灰岩块体的表面粗糙度值被配置为：在所述第一表面粗糙度的取值范围内，取若干不同的表面粗糙度数值分别作为若干不同所述第一灰岩块体的表面粗糙度值，其中所述若干不同的表面粗糙度数值被配置为在所述第一表面粗糙度的取值范围内以一预定粗糙度值作为均值且按照第一预定分布规则所分布的若干数值；所述预定裂隙网格结构包括远离所述岩溶泉出水口的上游侧和靠近所述岩溶泉出水口的下游侧，其中，所述预定裂隙网格结构的张开度沿着从所述上游侧向所述下游侧的方向逐渐增加；或者所述预定裂隙网格结构的张开度沿着从所述上游侧向所述下游侧的方向按照第二预定分布规则变化。4.根据权利要求3所述的岩溶地下水系统物理模拟试验装置，其特征在于，所述预定岩溶通道结构为单管状、树枝状或羽状管道；且所述预定岩溶通道结构为树枝状管道时，包括主枝干管道和分枝干管道，所述主枝干管道的内径大于所述分枝干管道的内径，且所述分枝干管道包括远离所述主枝干管道的末端及连通所述主枝干管道的连接端，所述分枝干管道从所述末端向所述连接端的内径逐渐增大，且在所述主枝干管道的中部设有至少一段用于模拟溶洞的直径突然变大的大孔洞段，所述主枝干管道连通至所述岩溶泉出水口；所述第一灰岩块体的内部孔洞的横截面呈圆形或者V形；
所述第一灰岩块体的内部孔洞的内壁表面粗糙度具有第二表面粗糙度不同所述第一灰岩块体的内部孔洞内壁表面粗糙度相同；或者不同所述第一灰岩块体的内部孔洞内壁表面粗糙度值被配置为：在所述第二表面粗糙度的取值范围内，取若干不同的表面粗糙度数值分别作为若干不同所述第一灰岩块体的内部孔洞内壁的表面粗糙度值，其中所述若干不同的表面粗糙度数值被配置为在所述第二表面粗糙度的取值范围内以一预定粗糙度值作为均值且按照第三预定分布规则所分布的若干数值。5.根据权利要求4所述的岩溶地下水系统物理模拟试验装置，其特征在于，所述第一表面粗糙度的取值范围为0.05～0.2cm；所述第二表面粗糙度的取值范围为0.05～0.2cm；所述预定裂隙网格结构的张开度沿着从所述上游侧向所述下游侧的方向数值从0.1cm...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦友军，黄奇波，吴华英，罗飞，李腾芳，杨杨，
申请(专利权)人：中国地质科学院岩溶地质研究所，
类型：发明
国别省市：