本發明關于巖土工程、水文地質工程和水利工程實驗裝置領域，尤其涉及用于承壓水滲流模型的水循環沙槽試驗裝置。

背景技術：

滲流是水流在巖土空隙中的流動，滲流理論在水利、土建、給水排水、環境保護、地質、石油、化工等許多領域都有廣泛的應用。沙槽模型試驗是研究滲流過程的一種基本方法。對現有的滲流的研究雖有不少成果，但大多針對潛水層的滲流研究。對潛水層滲流的沙槽模擬，可研究穩定、非穩定條件下，土壩滲流、井滲流等工程問題。承壓水作為地下水的一種貯存形態，常埋設于潛水層以下，其滲流過程有其特殊性。在深基坑工程、深部礦產開采工程中需深入了解承壓含水層的滲流過程，但目前對于承壓水滲流的研究有待進一步加強。

對于滲流沙槽模型試驗，滲透水壓力的測量是實驗的一個主要工作。目前沙槽實驗常用的水壓力測量方法很多，且側重點、使用條件及測量范圍各不相同。主要有：測壓管法(多用于穩定滲流)和埋置孔隙水壓力計法(多用于非穩定滲流)等。對于流量的測量可用流量計讀出。溫度計可直接用于測量實驗水溫。在沙槽上設置導軌并裝兩側沉降量的千分表可觀測土體沉降。因上述測量手段和技術的成熟，所以本發明可以借助上述測量手段和成熟技術，以更好地發揮其實驗研究作用。

技術實現要素：

本發明針對現有實驗研究中存在的不足和現今技術的發展，提供了一種用于承壓水滲流模型的水循環沙槽試驗裝置，用于研究承壓水的滲流特性。

承壓含水層不同于潛水層，其上部有隔水頂板，下部有隔水底板，且水層水頭高于隔水頂板。其滲流過程和滲透壓力與潛水層有較大區別。承壓含水層水壓大，其內滲流流速快，滲流梯度較大。其內的水流運動，對土顆粒作用力大，土顆粒運移可能性增加，管涌和流土風險大，進而增加表層地面沉降風險，在基坑降水工程和深部礦產開發過程中，透水流砂風險增加。承壓含水層滲流的這些特有的運動特征和潛在的工程風險，使得對于承壓水滲流成為科學研究的重點問題，而對于承壓水滲流模型試驗裝置的開發和改進為科學研究提供重要的支撐條件。

本發明用于承壓水滲流模型的水循環沙槽試驗裝置可用于研究承壓水中滲流特性、滲流穩定分析等，為相關專業領域的很多問題的實驗研究提供很好的實驗裝置方案。

本發明使得實驗研究更為方便、精確且更能反映實際情況。同時實驗工作對于數模計算起到了很好的驗證及對比作用。本發明可做的實驗包括：(1)穩定滲流實驗，研究常水頭條件下，承壓水層滲流特性及滲流穩定性問題；(2)非穩定滲流實驗，研究水頭下降條件下，承壓水層滲流特性及滲流穩定性問題；(3)研究不同滲流邊界，包括內在水流泥沙條件及外在邊界條件以及滲流防護工程措施等，對上述兩種實驗的滲流場變化規律的影響。

本發明通過如下技術方案予以實現。

用于承壓水滲流模型的水循環沙槽試驗裝置，包括入滲水槽、沙槽、出滲水槽、測壓管、支承結構，其特征在于，所述入滲水槽通過連接件與所述沙槽相連，所述第一連接件上設置有的凹槽，所述凹槽內插放固定有所述入滲隔板，所述入滲隔板表面包裹第一防滲幕布；所述出滲水槽通過連接件與所述沙槽相連，所述第二連接件上設置的凹槽，所述凹槽內插放固定有所述出滲隔板，所述出滲隔板表面包裹第二防滲幕布，所述沙槽上部通過防水膠覆蓋頂部蓋板，所述沙槽兩端通過防水膠與所述入滲隔板和所述出滲隔板相連，所述沙槽側壁設置多個測壓管，所述入滲水槽、所述沙槽、出滲水槽所述下面設置有支承結構。

優選地，所述連接件通過防水膠與所述入滲水槽和所述沙槽相連，所述連接件通過防水膠與所述出滲水槽和所述沙槽相連；

所述入滲水槽內有入流口和溢流口，所述溢流口和所述入流口通過溢流水管和入流水管與水箱相連，所述溢流水管設有第一閥門和第二閥門，所述入流水管上還設置水泵，所述水泵設置在所述第二閥門上端；

所述出滲水槽中設有出流口，所述出流口通過出流水管與所述水箱相連，所述出流水管上設有第三閥門。

所述出滲水槽中還設置抽水管，所述抽水管與所述水箱相連，所述抽水管尾端設置抽水泵。

優選地，所述溢流口和所述出流口所述采用可調節高度結構，所述可調節高度結構包括多段管段，多段管段通過螺紋結構連接；

所述溢流口可根據試驗需求的承壓高度設置溢流口高度，所述溢流口通過連接管段個不同數調節高度；

所述出流口可根據試驗需求的出流水頭高度設置出流口高度，所述出流口通過連接管段個不同數調節高度。

優選地，所述入滲隔板和所述出滲隔板上部開有圓孔。

優選地，所述沙槽側壁設置多個測壓管安裝口，根據用戶需要可設置測壓管安裝口位置、間距和數量，所述測壓管通過所述測壓管安裝口與所述沙槽連接固定。

優選地，在所述沙槽上可根據用戶要求設置若干壓力傳感器(24)實現瞬態孔隙水壓力的精準測量。

優選地，所述入滲水槽、所述沙槽、所述出滲水槽、所述測壓管設置刻度標識，用于讀取記錄數據。

優選地，所述入滲水槽、所述沙槽、所述出滲水槽采用有機玻璃材料，厚度-mm滿足實驗水流及泥沙承重與穩定性的要求；

所述支承結構采用鑄鐵材料，其強度和厚度滿足裝置最大承載力要求；

所述水箱采用鑄鐵材料，所述水箱壁厚為2.5-3.5mm，所述水箱的內部及外部涂有保護層，所述保護層為工業用漆或鍍鋅層；

所述水管和所述抽水管采用鑄鐵材料，所述水管和所述抽水管的管徑為3-5cm滿足最大流量要求，所述水管和所述抽水管的管壁厚度為1.8-2.2mm以滿足承載力要求；

所述測壓管采用玻璃或有機玻璃材料，所述測壓管的管徑為2-4mm滿足最大流量要求，所述測壓管的管壁厚度為1.8-2.2mm其高度滿足最大水頭高度要求。

優選地，所述入滲隔板和所述出滲隔板采用有機玻璃材料，所述入滲隔板和所述出滲隔板開孔部分高度為10-45cm，根據試驗所需入滲面和出滲面高度調整，所述入滲隔板和所述出滲隔板的開孔率為0.3-0.7,所述圓孔孔徑為2-10mm；

所述第一防滲幕布和所述第二防滲幕布為防滲土工膜，所述第一防滲幕布和所述第二防滲幕布孔徑大小為0.08-0-0.12mm和開孔率為0.4-0.6。

優選地，所述第一閥門、所述第二閥門和所述第三閥門為轉閥門或電磁閥。

本發明的有益效果是：

(1)結構簡單、制作加工方便、可操作性強，測量裝置自帶水循環系統，解決了從水庫抽水的困難，節約用水；

(2)測量范圍大，結構調節方便，部分組件可以拆卸，溢流口高度可以調節，出流口高度可以調節，上部蓋板與隔板之間的防水膠可以去除后更換不同開孔率和開孔高度的隔板模擬不同入滲和出滲邊界條件；

(3)用途廣泛，不僅可用于穩定滲流的研究，還可用于非穩定滲流的研究；在拆除防滲幕布后還可以進行穩定和非穩定滲流條件下的滲流穩定性問題；也可設置邊界條件模擬不同防護結構條件下的滲流問題；可模擬壩體滲流和抽水井滲流等各種情況。

附圖說明

圖1為本發明實驗裝置的整體結構正視圖；

圖2為本發明實驗裝置的整體結構左視圖；

圖3為本發明實驗裝置溢流口和出流口的結構示意圖；

圖4為本發明實驗裝置的抽水試驗結構示意圖；

圖5為本發明實驗裝置的入滲水槽、出滲水槽和沙槽的連接示意圖；

圖6為本發明的入滲隔板和出滲隔板結構示意圖。

附圖：1、溢流口，2、入滲隔板，3、第一防滲幕布，4、入流口，5、第一閥門，6、第二閥門，7、水泵，8、水箱，9、第三閥門，10、支承結構，11、出流口，12、出滲隔板，13、第二防滲幕布，14、頂部蓋板，15、入滲水槽，16、出滲水槽，17、沙槽，18、測壓管，19、抽水管，20、抽水泵，21、第一連接件，22、第二連接件，23、管段。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步描述。

用于承壓水滲流模型的水循環沙槽試驗裝置，包括入滲水槽15、沙槽17、出滲水槽16、測壓管18、支承結構10，其特征在于，入滲水槽15通過第一連接件21與沙槽17相連，連接件21上設置有的凹槽，凹槽內插放固定有入滲隔板2，入滲隔板2表面包裹第一防滲幕布3；出滲水槽16通過連接件22與沙槽17相連，第二連接件22上設置的凹槽，凹槽內插放固定有出滲隔板12，出滲隔板12表面包裹第二防滲幕布13，沙槽17上部通過防水膠覆蓋頂部蓋板14，沙槽17兩端通過防水膠與入滲隔板2和出滲隔板12相連，沙槽17側壁設置多個測壓管18，入滲水槽15、沙槽17、出滲水槽16下面設置有支承結構10，連接件21和連接件22,本申請整體結構簡單、制作加工方便、可操作性強；測量范圍大，結構調節方便，部分組件可以拆卸，可操作性強，測量裝置自帶水循環系統，解決了從水庫抽水的困難，節約用水。

連接件21通過防水膠與入滲水槽15和沙槽17相連，連接件22通過防水膠與出滲水槽16和沙槽17相連；上部蓋板與隔板之間的防水膠可以去除后更換不同開孔率和開孔高度的隔板模擬不同入滲和出滲邊界條件；

入滲水槽15內有入流口4和溢流口1，溢流口1和入流口4通過溢流水管和入流水管與水箱8相連，溢流水管設有第一閥門5和第二閥門6，入流水管上還設置水泵7，水泵7設置在第二閥門6上端；對入滲流量進行調節；

出滲水槽16中設有出流口11，出流口11通過出流水管與水箱8相連，出流水管上設有第三閥門9。對出滲流量進行調節，測量裝置自帶水循環系統，解決了從水庫抽水的困難，節約用水；

出滲水槽中還設置抽水管19，抽水管19與水箱8相連，抽水管19尾端設置抽水泵20，可以進承壓水層完整和非完整井的抽水試驗。

溢流口1和出流口采用可調節高度結構，可調節高度結構包括多段管段23，多段管段23通過螺紋結構連接；結構簡單，安裝拆卸方便。

溢流口1可根據試驗需求的承壓高度設置溢流口高度，溢流口1通過連接管段個不同數調節高度；滿足不同承壓高度的測試需求。

出流口11可根據試驗需求的出流水頭高度設置出流口高度，出流口11通過連接管段個不同數調節高度；滿足不同出流水頭高度的測試需求。

入滲隔板2和出滲隔板12上部開有圓孔，配合防滲幕布，實現多種工況下入滲模擬

沙槽17側壁設置多個測壓管安裝口，根據用戶需要可設置測壓管安裝口位置、間距和數量，測壓管18通過測壓管安裝口與沙槽17連接固定，方便在不同位置測量采集數據，易于實現方便快捷。

可根據用戶要求在設置若干壓力傳感器實現瞬態孔隙水壓力的精準測量。

測量簡單快捷，可以通過數據采集卡與電腦連接，電腦通過數據線連接電磁閥，控制管路開關方便快捷。

入滲水槽15、沙槽17、出滲水槽16、測壓管18設置刻度標識，用于讀取記錄數據。

入滲水槽15、沙槽17、出滲水槽16采用有機玻璃材料，厚度5-7mm滿足實驗水流及泥沙承重與穩定性的要求；

水箱8選采用鑄鐵材料，水箱8壁厚為2.5-3.5mm，水箱8的內部及外部涂有保護層，保護層為工業用漆或鍍鋅層，其作用是防止鐵生銹腐蝕，以延長使用壽命儀器的，同時避免生成銹渣影響入滲和出滲；

水管和抽水管19采用鑄鐵材料，水管和抽水管19的管徑為3-5cm滿足最大流量要求，水管和抽水管19的管壁厚度為1.8-2.2mm以滿足承載力要求；

測壓管18采用玻璃或有機玻璃材料，測壓管18的管徑為2-4mm滿足最大流量要求，測壓管18的管壁厚度為1.8-2.2mm其高度滿足最大水頭高度要求。

入滲隔板2和出滲隔板12采用有機玻璃材料，入滲隔板2和出滲隔板12開孔部分高度為10-45cm，根據試驗所需入滲面和出滲面高度調整，入滲隔板2和出滲隔板12的開孔率為0.3-0.7，圓孔孔徑為2-10mm；

第一防滲幕布3和第一防滲幕布13為防滲土工膜，防滲幕布孔徑大小為0.08-0-0.12mm和開孔率為0.4-0.6。

第一閥門5、第二閥門6和第三閥門9為旋轉閥門或電磁閥，實現管路的開啟和關閉，結構簡單，安裝方便，操作方便快捷。

實施例1承壓水穩定滲流特性試驗

圖1為本發明實驗裝置的整體結構正視圖，本發明用于承壓水滲流模型的水循環沙槽試驗裝置可模擬承壓水穩定滲流過程。穩定滲流試驗的原理是：先在沙槽中鋪設試驗沙，然后蓋上頂部蓋板14，并用防水膠密封。開啟水泵7，開啟閥門5和6，水流從水箱8抽出，經過入流口4進入入滲水槽15，當水位上升到溢流口1的高度時，水位不再上升，入滲水槽內維持常水頭條件。入滲水槽15內的水經過入滲隔板2和防滲幕布3進入到沙槽17，再經防滲幕布13和出滲隔板12流入出滲水槽16。開啟閥門9，使得出滲水槽16內的水位維持在出流口11的高度，出流水流入水箱8，完成水循環。通過調節水泵流量大小可使水循環達到穩定狀態，并可通過測壓管18觀測滲流場內各點水壓力大小，測壓管布置示意圖參見圖1和圖2，壓力數據監測記錄方便快捷。

在試驗中可以設置入滲隔板和出滲隔板的開孔率和開孔高度，以模擬不同的入滲和出滲條件，參見圖5和圖6。

本實施例中，入滲水槽15、沙槽17、出滲水槽16選用有機玻璃材料，厚度為6mm。水箱選用鑄鐵材料，厚度為3mm。水箱的內部及外部涂有保護層，所述保護層為工業用漆，其作用是防止鐵生銹腐蝕。水管和抽水管19采用鑄鐵材料，水管和抽水管19的管徑為3cm滿足最大流量要求，水管和抽水管19的管壁厚度為2mm以滿足承載力要求；

測壓管18采用玻璃或有機玻璃材料，測壓管18的管徑為3mm滿足最大流量要求，測壓管18的管壁厚度為2mm，其高度滿足最大水頭高度要求。

入滲隔板2和出滲隔板12采用有機玻璃材料，入滲隔板2和出滲隔板12開孔部分高度為30cm，入滲隔板2和出滲隔板12的開孔率為0.5，圓孔孔徑為3mm；

第一防滲幕布3和第一防滲幕布13為防滲土工膜或防滲帷幕，防滲幕布孔徑大小為0.1mm和開孔率為0.5。

實施例2承壓水非穩定滲流特性試驗

本發明用于承壓水滲流模型的水循環沙槽試驗裝置可模擬承壓水非穩定滲流過程。

非穩定滲流試驗的原理是：先在沙槽中鋪設試驗沙，并埋設孔隙水壓力傳感器，然后蓋上頂部蓋板14，并用防水膠密封。參照穩定滲流試驗步驟，先使裝置處于穩定滲流狀態。然后同時關閉水泵7和閥門6，水流經入滲隔板2和防滲幕布3進入到沙槽17，再經防滲幕布13和出滲隔板12流入出滲水槽16。期間入滲水槽15內的水位逐漸降低，出滲水槽16內水位保持不變。通過壓力傳感器測量滲流場各點水壓變化。

在試驗中可以通過連接不同高度的管段23，人為調節溢流口1的高度，以模擬不同承壓高度情況下的滲流過程。可人為調節出流口11的高度，以模擬不同出流水頭高度情況下的滲流過程，各管段23連接方法采用螺紋連接，參見圖3。

在試驗中可以設置入滲隔板和出滲隔板的開孔率和開孔高度，以模擬不同的入滲和出滲條件，圖6為本發明的入滲隔板和出滲隔板結構示意圖。

本實施例中，入滲水槽15、沙槽17、出滲水槽16選用有機玻璃材料，厚度為6mm。水箱8選用鑄鐵材料，厚度為3mm。水箱的內部及外部涂有保護層，所述保護層為工業用漆，其作用是防止鐵生銹腐蝕。所用水管為鐵管，管徑為3cm，管壁厚2mm。

水管和抽水管19采用鑄鐵材料，水管和抽水管19的管徑為3cm滿足最大流量要求，水管和抽水管19的管壁厚度為2mm以滿足承載力要求；

測壓管18采用玻璃或有機玻璃材料，測壓管18的管徑為3mm滿足最大流量要求，測壓管18的管壁厚度為2mm，其高度滿足最大水頭高度要求。

入滲隔板2和出滲隔板12采用有機玻璃材料，入滲隔板2和出滲隔板12開孔部分高度為30cm，入滲隔板2和出滲隔板12的開孔率為0.5，圓孔孔徑為3mm；

第一防滲幕布3和第一防滲幕布13為防滲土工膜或防滲帷幕，防滲幕布孔徑大小為0.1mm和開孔率為0.5。

實施例3承壓水層完整井抽水試驗

參見圖4，本發明用于承壓水滲流模型的水循環沙槽試驗裝置可模擬承壓水層完整井抽水試驗。其原理是：先在沙槽中鋪設試驗沙，然后蓋上頂部蓋板14，并用防水膠密封。開啟水泵7，開啟閥門5和6，水流從水箱8抽出，經過入流口4進入入滲水槽15，當水位上升到溢流口1的高度時，水位不再上升，入滲水槽內維持常水頭條件。入滲水槽15內的水經過入滲隔板2和防滲幕布3進入到沙槽17，再經防滲幕布13和出滲隔板12流入出滲水槽16。關閉閥門9，使出滲水槽16內水位上升到溢流口1的高度，此時水泵7抽水量等于溢流口1的出水量，無滲流作用。開啟水泵20，水流經過抽水管19，進入水箱8，完成水循環。實驗過程中觀測測壓管內水位變化，或通過預先埋置的壓力傳感器觀測滲流場內水壓變化，模擬不同抽水量條件下的滲流特性。

通過調節出滲隔板12的開孔高度，模擬不同的出滲條件，當出滲隔板12的開孔高度等于隔板高度時，實驗模擬的為承壓水層完整井的抽水試驗。

本實施例中，入滲水槽15、沙槽17、出滲水槽16選用有機玻璃材料，厚度為6mm。水箱選用鑄鐵材料，厚度為3mm。水箱的內部及外部涂有保護層，所述保護層為工業用漆，其作用是防止鐵生銹腐蝕。水管和抽水管19采用鑄鐵材料，水管和抽水管19的管徑為3cm滿足最大流量要求，水管和抽水管19的管壁厚度為2mm以滿足承載力要求；

測壓管18采用玻璃或有機玻璃材料，測壓管18的管徑為3mm滿足最大流量要求，測壓管18的管壁厚度為2mm，其高度滿足最大水頭高度要求。

入滲隔板2和出滲隔板12采用有機玻璃材料，入滲隔板2和出滲隔板12開孔部分高度為30cm，入滲隔板2和出滲隔板12的開孔率為0.5，圓孔孔徑為3mm；

第一防滲幕布3和第一防滲幕布13為防滲土工膜或防滲帷幕，防滲幕布孔徑大小為0.1mm和開孔率為0.5。

實施例4承壓水層完非完整井抽水試驗

本發明用于承壓水滲流模型的水循環沙槽試驗裝置可模擬承壓水層非完整井抽水試驗。當出滲隔板12的開孔高度小于隔板高度時，實驗模擬的為承壓水層非完整井的抽水試驗，其他部分參照承壓水層完非完整井抽水試驗。

本實施例中，入滲水槽15、沙槽17、出滲水槽16選用有機玻璃材料，厚度為6mm。水箱8選用鑄鐵材料，厚度為3mm。水箱的內部及外部涂有保護層，所述保護層為工業用漆，其作用是防止鐵生銹腐蝕。所用水管為鐵管，管徑為3cm，管壁厚2mm。

水管和抽水管19采用鑄鐵材料，水管和抽水管19的管徑為3cm滿足最大流量要求，水管和抽水管19的管壁厚度為2mm以滿足承載力要求；

測壓管18采用玻璃或有機玻璃材料，測壓管18的管徑為3mm滿足最大流量要求，測壓管18的管壁厚度為2cm，其高度滿足最大水頭高度要求。

入滲隔板2和出滲隔板12采用有機玻璃材料，入滲隔板2和出滲隔板12開孔部分高度為30cm，入滲隔板2和出滲隔板12的開孔率為0.5，圓孔孔徑為3mm；

第一防滲幕布3和第一防滲幕布13為防滲土工膜或防滲帷幕，防滲幕布孔徑大小為0.1mm和開孔率為0.5。

實施例5滲流穩定性分析模型模擬實驗

將第一防滲幕布3和第二防滲幕布13去除，此時滲流沙槽內土顆粒可隨水而動，此時可以模擬管涌或流土過程，并用于滲流穩定性分析模型模擬。

本發明適用于不同入滲條件、出滲條件、滲流邊界條件下的承壓水滲流特性、滲流穩定性分析等一系列涉及水利工程學、巖土工程學、水文學、泥沙運動力學的實驗研究，也是適用于其他滲流實驗研究。

與現有技術相比，結構簡單、制作加工方便、可操作性強，測量裝置自帶水循環系統，解決了從水庫抽水的困難，節約用水；測量范圍大，結構調節方便，部分組件可以拆卸，溢流口高度可以調節，出流口高度可以調節，上部蓋板與隔板之間的防水膠可以去除后更換不同開孔率和開孔高度的隔板模擬不同入滲和出滲邊界條件；用途廣泛，不僅可用于穩定滲流的研究，還可用于非穩定滲流的研究；在拆除防滲幕布后還可以進行穩定和非穩定滲流條件下的滲流穩定性問題；也可設置邊界條件模擬不同防護結構條件下的滲流問題；可模擬壩體滲流和抽水井滲流等各種情況。

以上對本發明的一個實例進行了詳細說明，但所述內容僅為本發明的較佳實施例，不能被認為用于限定本發明的實施范圍。凡依本發明申請范圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬于本發明的專利涵蓋范圍之內。