雙層介質(zhì)水氣二相流模擬實驗裝置及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及水文地質(zhì)學(xué)的地下水動力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是設(shè)及一種雙層介質(zhì)水氣 二相流模擬實驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在水文地質(zhì)領(lǐng)域，雙層介質(zhì)一般被認(rèn)為是上層透水性較弱而下層透水性相對較強(qiáng) 的復(fù)合水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，它廣泛存在自然界中。如平原區(qū)河流兩側(cè)的階地，上覆為薄層粘±下 伏為砂卵堿石層，形成典型的二元結(jié)構(gòu)；如中生界保羅系、白里系地層，由于特殊的沉積環(huán) 境，形成泥巖覆蓋在砂巖上的典型雙層結(jié)構(gòu)；又如城市路面填±，也可形成上弱下強(qiáng)滲透的 雙層結(jié)構(gòu)。地下水可賦存于雙層介質(zhì)中。
[0003] 自然界中地下水W重力水、結(jié)合水、毛細(xì)水等多種形式賦存于雙層介質(zhì)中。通過水 文地質(zhì)調(diào)查、勘測、試驗等技術(shù)手段可掌握地下水的動態(tài)特征。而在氣象、水文等因素的影 響下，地下水位反復(fù)升降。自然界中的潛水面一般指地表W下，第一個具有自由表面的地下 水位面。該個地下水位面是可W變化的，最高的地下水位面與最低的地下水位面的范圍稱 為地下水位變動帶。如果潛水面上部包氣帶的空氣與大氣始終處于自由連通狀態(tài)，保持大 氣壓不變，從而不影響飽和水流的運動。在多數(shù)情況下，包氣帶的確與外界大氣保持很強(qiáng)的 連通性。而對于具有弱滲透蓋層包氣帶中，地下水位升降可導(dǎo)致包氣帶中的氣壓變化（出 現(xiàn)真空或正壓），氣壓的變化過程則反作用于地下水位的升降過程，影響地下水位升降的速 率及升降幅度，在該個過程中，水氣相互作用強(qiáng)烈。同時，該個過程將直接影響包氣帶降雨 入滲條件，直接改變降雨入滲路徑、速率及入滲率等。
[0004] 對于雙層介質(zhì)而言，一定時間后，支持毛細(xì)水的分布穩(wěn)定，毛細(xì)水的上升高度達(dá)到 最大值。而地下水位變動后，下層強(qiáng)滲透介質(zhì)中的氣壓變化（出現(xiàn)真空或正壓）后，該直接 破壞了原有的支持毛細(xì)水的分布，致使支持毛細(xì)水重分布。一方面，該對非飽和帶中溶質(zhì)的 遷移和轉(zhuǎn)化有直接影響，此外，支持毛細(xì)水的再分布將改變介質(zhì)性質(zhì)參數(shù)（如含水量、滲透 性、給水度等），也改變了介質(zhì)的±水特征曲線，該對工程建設(shè)可研階段的工程地質(zhì)問題的 研究具有重要意義。
[0005] 雙層介質(zhì)中地下水位變化后，水-氣相互驅(qū)動過程復(fù)雜，研究難度大，如果采用計 算機(jī)模擬作為研究手段，不便于認(rèn)識介質(zhì)中空氣壓力隨時間演化的全過程，無法量測和捕 捉重要的試驗現(xiàn)象和水文地質(zhì)信息，對水文地質(zhì)概念模型進(jìn)行概化后，計算結(jié)果模棱兩可， 給人們對包氣帶水-氣相互作用機(jī)理的認(rèn)識和研究帶來很大的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明同時兼顧了空氣流對注、排水過程的影響，將為水-氣二相流的研究提供 直接的實驗數(shù)據(jù)。通過對試驗數(shù)據(jù)深入分析，結(jié)合本學(xué)科相關(guān)理論，揭示包氣帶中水氣二相 流的動力學(xué)規(guī)律，探究雙層介質(zhì)中地下水變動過程對空氣流的壓力變化規(guī)律，水-氣作用 對毛細(xì)上升高度、上升速率等的影響。本發(fā)明根據(jù)相似模擬的原理，W自然界的雙層介質(zhì)作 為模擬對象，研究地下水位升降下，雙層介質(zhì)包氣帶中水-氣相互驅(qū)動的機(jī)理和過程，研究 在該個過程中支持毛細(xì)水的重分布過程，該為研究雙層介質(zhì)的水-氣相互作用提供了一種 有效的技術(shù)手段，對水文地質(zhì)學(xué)科的發(fā)展有一定的推動作用。
[0007] 本發(fā)明提供的一種雙層介質(zhì)水氣二相流模擬實驗裝置，其特征在于：包括具有開 口的容器，所述容器為模擬槽，所述模擬槽中對稱設(shè)置有兩塊與所述模擬槽的槽底垂直的 第一隔板，所述第一隔板下部有透水孔；兩個所述第一隔板將所述模擬槽分割成=個腔室， 兩側(cè)的腔室為地表水體模擬腔，中間的腔室為模擬箱；
[0008] 所述模擬箱內(nèi)，自下而上設(shè)置有強(qiáng)滲透介質(zhì)和弱滲透介質(zhì)，所述強(qiáng)滲透介質(zhì)和所 述弱滲透介質(zhì)用于模擬自然界中的雙層松散孔隙介質(zhì)；
[0009] 在所述模擬箱外壁上，設(shè)置數(shù)個間隔設(shè)置的觀測管，所述觀測管包括兩端具有開 口的U型測壓管、地下水位觀測管，其中一根U型測壓管和兩根地下水位觀測管形成一組觀 測管組，所述兩根地下水位觀測管分別為第一水位觀測管、第二水位觀測管，同時數(shù)個插管 穿透模擬箱外壁安裝在模擬箱上，且每個插管分別對應(yīng)一個U型測壓管和第一地下水位觀 測管，其中與U型測壓管對應(yīng)的插管其一端插入在強(qiáng)滲透介質(zhì)的上部，另一端通過連接管 與U型測壓管底部連通，同時與第一地下水位觀測管對應(yīng)的插管其一端插入在強(qiáng)滲透介質(zhì) 底部地下水位位置，插管另一端通過連接管與第一地下水位觀測管底部連通，而在模擬箱 底部也插入一根插管，其中插管的一端插入強(qiáng)滲透介質(zhì)內(nèi)，另一端通過連接管與第二觀測 管底部連通，觀測管上沒有設(shè)置連接管的一端與大氣連通；
[0010] 地下水位觀測管測量強(qiáng)滲透介質(zhì)中的地下水位的變化；
[0011] 所述模擬槽外，對稱安裝有升降裝置，所述升降裝置上均設(shè)置有定水頭溢流箱，所 述定水頭溢流箱中設(shè)置有第二隔板，第二隔板將定水頭溢流箱分成進(jìn)水箱和排水箱，所述 進(jìn)水箱用于向地表水體模擬腔中供水，所述排水箱用于排水。
[0012] 本發(fā)明提供的實驗裝置，根據(jù)穩(wěn)定后的U型測壓管水頭差可測定包氣帶中的氣 壓，并可確定其氣壓變化規(guī)律；同時根據(jù)地下水位觀測管的水頭變化可觀測地下水位受氣 壓變化后的動態(tài)特征，W研究水-氣作用的機(jī)理。此外，根據(jù)示蹤劑注入管也可觀測不同時 刻的毛細(xì)水分布特征、爬升速率和最大上升高度。
【附圖說明】
[0013] 為了更清楚地說明本發(fā)明【具體實施方式】或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對具體 實施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的 附圖是本發(fā)明的一些實施方式，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前 提下，還可W根據(jù)該些附圖獲得其他的附圖。
[0014] 圖1為本發(fā)明實施例主視圖；
[001引圖2為圖1的后視圖
[0016] 圖3為B-B方向示意圖
[0017] 圖4為A-A方向示意圖 [001引圖5為本發(fā)明俯視圖
[0019] 圖6位圖1局部放大圖
[0020] 附圖序號說明；模擬箱1、第一隔板1-3、地表水體模擬腔1-4、模擬箱1-5、強(qiáng)滲透 介質(zhì)1-1、弱滲透介質(zhì)1-2、儲水箱2、模擬地表河流及水位3、U型測壓管4、0. 9g/cm3的酒精 和水混合物5、地下水位觀測管6、進(jìn)水閥7、管道8、主管一 81、主管二82、主管分支一 81-1、 主管分支二81-2、主管分支S82-1、主管分支四82-2、定水頭溢流箱9、升降系統(tǒng)10、量筒 11、水累12、排水閥13、第二隔板14、第一插管15、軟管16、第二插管17、第S插管18、連接 夾19、示蹤劑注入管20
【具體實施方式】
[0021] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施 例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0022] 圖1為本發(fā)明實施例提供雙層介質(zhì)水氣二相流模擬實驗裝置的示意圖。如圖1所 示，本實施例提供的一種雙層介質(zhì)水氣二相流模擬實驗裝置，包括：具有開口的容器，所述 容器為模擬槽1，模擬槽1中對稱設(shè)置有兩塊與模擬槽1的槽底垂直的第一隔板1-3,第一 隔板1-3下部有透水孔；兩個第一隔板1-3將模擬槽1分隔成=個腔室，兩側(cè)的腔室為地 表水體模