技术领域
[0001] 本
发明涉及环境地质工程技术领域，特别涉及一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验系统及试验方法。
背景技术
[0002] 城市内大量开采
地下水引发的地面沉降现象逐渐成为严重的环境地质灾害问题，已受到国内外众多研究学者的广泛关注和研究。尤其是在城市中心地区，由于抽水井的过度集中开采地下承压水，导致大量城市中心区出现沉降漏斗等不均匀沉降现象，严重阻碍社会经济发展。其产生机理、演化过程及主导因素的揭示是进行地面沉降
预防控制的重要依据和理论
基础，但受限于影响因素众多、随机性大、土体历史构造等原因，目前对于该领域的研究仍主要停留在监控量测、传统理论修正改进、宏观数值模拟预测等方面，具有区域地质特性，无法从根本上系统揭示其本质机理。而模型试验是揭示发生机理、认识演化过程和掌握本质规律的有效途径和手段。因此，研究抽水井开采地下水引发地面沉降的发生机理及演化过程具有必要现实意义和社会效益。
[0003] 目前，在地面沉降模型试验方面研究相对较少。现有的研究均未考虑抽水井因素(水井布置、抽水层位、抽水强度等)对“沉降漏斗”等不均匀地面沉降现象影响，无法研究抽水导致水井附近土体
变形、沉降传递及地面沉降发生的全过程发展机理和规律，也未涉及抽水过程中地下水的三维补给和径流情况，因此，很难揭示真实情况下地面沉降的本质机理及演化规律，从而也就无法针对性提出有效的地下水防控措施及方案。
发明内容
[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验系统及试验方法，以达到充分考虑抽水井因素，在多组可调地下承压水的三维同时补给条件下进行地面沉降机理研究的目的。
[0005] 为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
[0006] 一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验系统，该系统包括主体箱、环绕分层进水箱、定
水头水箱、抽水装置和
数据采集系统，所述主体箱内铺设砂粘土试样，所述环绕分层进水箱三面环绕密封于主体箱外侧，所述主体箱
侧壁分布有与环绕分层进水箱联通的进水孔一；所述定水头水箱底部设置升降机，并分别通过管路连接水源池和环绕分层进水箱；所述抽水装置包括抽水井、
蠕动泵和
硅胶管，所述抽水井包括井壁和位于井壁内的抽水井实体，抽水井通过硅胶管和
蠕动泵与
沉淀池相连，所述抽水井埋设到主体箱底部，所述沉淀池通过管路连接水源池；所述数据采集系统包括位移监测装置、应变监测装置、土压
力监测装置、孔隙水压力监测装置、数码成像记录装置、计算机以及PIV
粒子图像测速分析系统。
[0007] 上述方案中，所述环绕分层进水箱内部分为相互独立的上下两层
箱体，所述定水头水箱包括两个，分别与环绕分层进水箱的上下两层箱体通过管路连接。
[0008] 进一步的技术方案中，所述环绕分层进水箱为密闭箱体结构，上下两层箱体上分别开设排气孔与进水孔二。
[0009] 上述方案中，所述井壁由两层相互嵌套的滤网构成，所述抽水井实体可从井壁中抽出，所述井壁的两层滤网之间在抽水层位填充6-8d50粒径的碎砂石，在非抽水层位填充黏
土球并
压实。
[0010] 上述方案中，所述主体箱为无盖箱体结构，前侧面设置观察窗和刻度标记，所述观察窗位于抽水井的
位置处；所述主体箱内壁位于进水孔一的位置处设置过滤筛网。
[0011] 进一步的技术方案中，所述主体箱外围间隔设置纵横组合的有机玻璃肋板进行固定，所述主体箱为全透明结构。
[0012] 上述方案中，所述定水头水箱上部设置溢流孔，所述溢流孔通过管路连接水源池。
[0013] 上述方案中，所述位移监测装置包括设置于主体箱内部的分层沉降标和与其连接的沉降数据采集仪，所述应变监测装置包括设置于主体箱内部的应变
传感器和与其连接的光纤应变监测仪，所述土压力监测装置包括设置于主体箱内部的土
压力传感器和与其连接的
电阻应变采集仪，所述孔隙水压力监测装置包括设置于主体箱内部的孔隙水压力传感器和与其连接的电阻应变采集仪。
[0014] 进一步的技术方案中，所述沉降数据采集仪、光纤应变监测仪、电阻应变采集仪均与计算机相连，所述数码成像记录装置通过PIV粒子图像测速分析系统与计算机相连。
[0015] 一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验方法，采用上述的一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验系统，包括如下过程：
[0016] (1)将抽水井安装固定于主体箱内，在井壁的抽水层位填充6-8d50粒径的碎砂石，在非抽水层位填充黏土球并压实；
[0017] (2)向主体箱内铺设砂粘土试样，并在铺设过程中布设位移监测装置、应变监测装置、土压力监测装置和孔隙水压力监测装置；同时通过定水头水箱向环绕分层进水箱中缓慢注水，水通过进水孔一进入主体箱内，使土体缓慢逐层饱和；
[0018] (3)利用升降机调节定水头水箱至设计承压水位高度，当土体变形及孔隙水压达到稳定状态以及定水头水箱水位不再下降后，达到试验前稳定状态；
[0019] (4)将井壁中的抽水井实体抽出，将硅胶管伸入到抽水井底部，启动蠕动泵，模拟抽取承压水的过程，在定水头试验条件下，水源池持续向定水头水箱供水，保持定水头水箱的水位不变；在变水头试验条件下，水源池停止向定水头水箱供水；
[0020] (5)在抽水过程中，数据采集系统通过位移监测装置、应变监测装置、土压力监测装置、孔隙水压力监测装置实时采集记录试验过程数据，并通过计算机相应
软件对试验数据进行实时分析。
[0021] 通过上述技术方案，本发明提供的一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验系统及方法具有如下有益效果：
[0022] (1)实现抽水试验过程中含水层的分层三维水流补给条件，能够更加符合实际工程中的真实水流环境。
[0023] (2)抽水装置及实施工艺采用地下水开采过程中的真实抽水井结构和方法，可真实刻画实际抽水过程中地下水向井中的流动条件及规律。
[0024] (3)通过在主体箱观察窗位置布设用于抽水的井壁和抽水井实体，可结合数码成像装置与PIV粒子图像测速分析系统，深入研究抽水导致抽水井附近土体变形、土体变形传递及地面沉降发展的全过程机理及规律，从宏细观
角度揭示抽水导致地面沉降发展及演化的本质机理。
[0025] (4)采用的扩散硅孔隙水压力传感器，是以
单晶硅为基体，采用先进的
离子注入工艺和微
机械加工工艺，制造成具有惠斯顿电桥和精密力学结构的硅敏感元件，能够实时记录土体中孔隙水压力变化规律，并能够监测过度抽水时存在于非饱和土中的空气
负压，为土体变形机理研究提供有力数据
支撑。
[0026] (5)通过调节封堵主体箱中不同高度位置处的进水孔一，可实现不同含水层厚度的水源补给条件，灵活增加研究范围，研究不同土层厚度及组成结构对地面沉降的影响规律。
[0027] (6)通过调节定水头水箱的高度，可实现含水层中不同高度水头的水源补给条件，两定水头水箱可相互独立调节，互不影响，模拟真实情况中相互独立的水文地质及地下水赋存补给条件。
[0028] (7)采用蠕动泵进行抽水试验，可实现定流速、定流量和定降深等不同抽水条件下的抽水试验，详细记录抽水流量等详细信息，为后期理论研究提供真实详细数据。
附图说明
[0029] 为了更清楚地说明本发明
实施例或
现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0030] 图1为本发明实施例所公开的一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验系统结构示意图；
[0031] 图2为本发明实施例所公开的主体箱和环绕分层进水箱结构示意图；
[0032] 图3为本发明实施例所公开的抽水井实体结构示意图；
[0033] 图4为本发明实施例所公开的井壁结构正视图；
[0034] 图5为本发明实施例所公开的抽水井俯视图。
[0035] 图中，1、主体箱；2、环绕分层进水箱；3、进水孔一；4、过滤筛网；5、观察窗；6、数码成像记录装置；7、井壁；8、刻度标记；9、有机玻璃肋板；10、
阀门；11、进水孔二；12、水管；13、
钢架结构；14、定水头水箱；15、升降机；16、刻度尺；17、三角支撑结构；18、出水孔；19、溢流孔；20、进水孔三；21、水源管；22、控制
开关；23、硅胶管；24、智能蠕动泵；25、抽水井实体；26、滤水孔；27、水源池；28、沉淀池；29、抽水泵；30、分层沉降标；31、应变传感器；32、土压力传感器；33、孔隙水压力传感器；34、计算机；35、PIV粒子图像测速分析系统；36、沉降数据采集仪；37、光纤应变监测仪；38、电阻应变采集仪；39、排气孔。
具体实施方式
[0036] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0037] 本发明提供了一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验系统及试验方法，该装置如图1所示，包括主体箱1、环绕分层进水箱2、定水头水箱14、抽水装置和数据采集系统。
[0038] 如图1和图2所示，主体箱1为30mm厚全透明亚克力板材粘接而成的无盖箱体结构，密封防水，主体箱1左、右、后侧面布置直径为10mm的进水孔一3与环绕分层进水箱2相连为含水层提供水源补给，保证水流顺畅；每个进水孔一3横向间距160mm，竖向间距60mm，上部进水层为4排，下部进水层为8排；左右侧面排列方式为每排7个，后侧面排列方式为每排13个。
[0039] 主体箱1内部布置孔径为200目的过滤筛网与内壁紧紧贴合以防止模拟材料通过进水孔一3向环绕分层进水箱2反流造成堵塞。前中面为观察窗5，用于配合数码成像记录装置6观察抽水过程中抽水井附近的土体细观变形特征，左侧面、右侧面及后侧面在主箱体外设置三向环绕的环绕分层进水箱2，用于模拟抽水过程中实际地下水的三维补给情况。主体箱1前侧面增加刻度标记8以直观观察分析土体表面的沉降量及分布特征，主体箱1外围每隔0.34m采用横纵组合有机玻璃肋板9进行固定，以控制土体试样自重引起的箱体侧向变形，有机玻璃肋板9间距在观察窗位置处增大至0.5m，以便于观察记录抽水井中颗粒流失情况，竖向有机玻璃肋板9加粗至50mm，确保主体箱1的整体安全稳定。
[0040] 环绕分层进水箱2为20mm厚全透明亚克力板材粘接而成的封闭箱体结构，密封不渗水，分为上下两层，用于实现多个含水层的不同承压水水源同时补给，每层设有上下平行的带有阀门的进水孔二11和排气孔39，进水孔二11与定水头水箱14通过可拆卸的水管12连接，同时该进水孔二11也可作为出水孔使用，方便试验结束排水；注水时打开排气孔39，以排出土体中存在的气体，防止土体结构破坏。
[0041] 定水头水箱14分别通过管路12连接水源池27和环绕分层进水箱2，且定水头水箱14底部设置升降机15，定水头水箱14和升降机15位于钢架结构13内，钢架结构13长、宽、高分别为1.2m、0.98m、2.56m，在外部支柱上布置刻度尺16以便精准调控水头，下部为三角支撑结构17以固定钢架结构。定水头水箱14为两个相互独立控制的有盖有机玻璃箱体，平行放置于钢架结构13内部，定水头水箱底部分别布置有出水孔18，通过水管12与环绕分层进水箱2的进水孔二11连接，定水头水箱14上部布置有溢流孔19通过水管12连接流至水源池
27，保证定水头水箱14内部的定水头补给，定水头水箱14上部布置进水孔三20，通过抽水泵
29将水源池27中水泵送到定水头水箱14中。升降机15采用固定剪叉式升降机，通过控制固定于钢架结构13上的控制开关22，可实现定水头水箱14平稳匀速升降至设计高度以满足不同定水头供水要求。
[0042] 抽水装置包括抽水井、蠕动泵24和硅胶管23，抽水井包括井壁7和位于井壁7内的抽水井实体25，抽水井通过硅胶管23和蠕动泵24与沉淀池28相连，井壁7和抽水井实体25埋设到主体箱1观察窗位置中间底部。如图3、图4和图5所示，井壁7由两个相互嵌套的半圆筒状滤网结构组成，其中内部滤网结构为亚克力材质打孔而成，外部滤网结构为钢板
冲压打孔而成，内外壁均布排列孔径为3mm的滤水孔26；试验前使用高强防水粘胶将其分别粘贴固定在箱体观察窗的中间位置处，并防止侧向水和砂粒进入井内。然后在井壁7抽水层位填充6-8d50粒径的碎砂石，以模拟抽水井的砾石过滤作用，其余非抽水层位填充黏土球并压实以起到隔水作用。抽水井实体25利用隔水轻质、外弹内硬性的塑胶材质制成，与井壁相互嵌套安装、紧密贴合，安装时在上部留出一定空间，在开始进行抽水试验时相对井壁抽出，以模拟抽水井的开挖。抽水井实体25抽出后，将硅胶管23小心缓慢送到抽水井的底部，蠕动泵24配合使用，实现定流量、定流速等抽水条件。
[0043] 本发明在保证试验正常进行的基础上，可以实现水资源的循环利用，以解决因供水需求较大可能造成的供水不足和水源浪费问题。蠕动泵24将试验过程中抽出的水经由硅胶管23泵送到沉淀池28中，沉淀可能从抽水井抽出的细小砂粒，防止水管堵塞，然后通过抽水泵29送到水源池27中。水源池27为定水头水箱14的供水装置，与
自来水源21相连，并同时接收来自定水头水箱14溢流孔19溢流出的水源和来自沉淀池28中的水源，保证水源池27内有足够的水源供给，然后经由抽水泵29将水送到定水头水箱14，以实现水的循环利用。
[0044] 数据采集系统主要包括位移(沉降量)监测装置、应变监测装置、土压力监测装置、孔隙水压力监测装置、数码成像记录装置6、计算机34以及PIV粒子图像测速系统35等。位移(沉降量)监测装置采用自动化采集的由千分表组装而成的分层沉降标30进行测量，
分辨率为0.001mm，按设计方案分别布置在不同位置，通过沉降数据采集仪36将数据自动采集并传输到计算机34；应变监测装置包括设置于主体箱1内部的应变传感器31和与其连接的光纤应变监测仪37，主要目的为获取不同土层及其交界面处的应变状态，判断对应位置处所发生的
应力演化规律，同时辅助量测相应位置处的位移变化情况，采用光纤应变监测仪37与计算机34相连；土压力监测装置用于监测模型试验中土体自重产生的自重应力及试验过程中的变化规律，采用扩散硅土压力传感器32，分辨率达到≤0.002％F.S，按照试验方案埋设在相应位置，埋设时须注意传感器方向，首先小心在传感器表面轻铺一层细小均匀土，然后再逐级向上铺设其他土体；孔隙水压力监测装置采用扩散硅孔隙水压力传感器33，分辨率为≤0.002％F.S，主要目的是获取因开采井开挖和抽取地下水造成的孔隙水压力变化规律以及监测抽水过程中由于水位补给不足或补给不及时造成的非饱和带土体的水压及空气负压数据，得到开采井形成后及抽取水后地下水的孔隙压力场分布规律，按设计方案由下往上依次布设在相应位置；土压力传感器32和孔隙水压力传感器33均通过电阻应变采集仪38与计算机34连接。
[0045] 数码成像记录装置6重点用于拍摄记录抽水井开挖之后及在抽水过程中，观察窗5位置处的土体失水沉降过程中的颗粒启动、变形演变及最终沉降形态等图像信息；PIV粒子图像测速系统35用以分析处理模型试验过程中数码成像记录装置6所得的试验结果，以研究流场动态变化及土体颗粒细观位移场变化规律。综上所述，各监测装置均通过采用数据自动化采集方式采集并传输到计算机34进行记录分析。
[0046] 一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验方法，采用上述的一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验系统，包括如下过程：
[0047] (1)基于地下
水动力学和土体固结变形沉降理论开展抽水导致
地下水流动及土体固结沉降的相似理论分析，建立模型试验体系与工程
原型的相似准则，确定模型试验各主要物理参数的相似准数，确定相应的时间、几何、应力及其他物理力学参数相似比，用以指导模型试验过程中的各物理参数和边界条件，同时为后期试验结果分析提供理论依据。
[0048] (2)土样处理。对
砂土及粘土试样分别进行处理备用。对于砂土，首先经水洗晒干后，根据渗透试验结果，将颗粒筛分后的砂粒按照相应比例配制成满足相似准则的颗粒级配及含水率的含水层试样；对于粘土，采用
粉碎机粉碎后，去除较大土粒及杂质备用，制样时加入相应含水率制备成同样符合相似准则压缩系数和强度的隔水层试样。
[0049] (3)主体箱1的处理及抽水装置安装。首先在主体箱1的左、后和右侧三向环绕分层进水侧面位置施加孔径为200目的过滤筛网4，以防止主体箱1中土样反流到环绕分层进水箱2中；然后在主体箱1内侧壁均匀涂抹凡士林，以尽量消除模型边界处的边界效应；将井壁7的内外井壁结构利用高强防水粘胶依次固定在观察窗5中间位置处，然后将抽水井实体25插入到井壁7的内部；向井壁7中的抽水层位按照工程地质手册规范填入6-8d50的砾石以起到井壁过滤作用，在非抽水层位，依次填入30％左右相应含水率的黏土球并压实捣密，以保证非抽水层位没有水流进入井体内，确保试验条件控制和后期结果分析。
[0050] (4)传感器布设。在主体箱1内设计位置，按照不同试验设计方案，依次有序安装布置数据采集系统的土压力传感器32、孔隙水压力传感器33和应变传感器31等传感器设备，土压力传感器埋设时需注意传感器方向，上部朝上，然后在上部均匀轻洒少量土样，全部
覆盖后，再依次向上填埋土样；连接电阻应变采集仪38与计算机34，并对各
传感器数据接收装置进行调试，确保传感器的数据采集实时有效。将位移(沉降量)监测装置30的分层沉降标分别放置在需要测试土体变形和沉降的位置，连接沉降数据采集仪36与计算机34。
[0051] (5)模型制样。模型采用自重固结方法在主体箱1中进行制样。铺设砂土含水层时，由下向上均匀摊铺，每隔5cm摊铺一次，每摊铺完一次，开通水源池27、抽水泵29和环绕分层进水箱2，打开底部进水孔二11，控制进水孔阀门10为较小打开状态，确保水以较低流速从定水头水箱14经由环绕分层进水箱2缓慢注入到主体箱1中的土层至饱和状态，排气孔39完全打开，防止气体排不出破坏土体结构，在固结沉降至稳定后再继续铺设上一次，采用相同方法由下往上依次铺设至土层设计厚度，在自重作用下固结至稳定状态；然后进行后续传感器的布设，进而进行上部粘土层制样，采用边搅拌边制样、分层砌筑的方法，每隔5cm砌筑一层，砌筑过程中确保土样完整，中间无大的贯通孔隙；按照步骤(4)-(5)-(4)-(5)方法循环依次完成模型的制样。
[0052] (6)施加承压水及土体固结至稳定。步骤(5)完成之后，保持进水孔二11及排气孔39状态不变，调节定水头水箱14的高度，使得主体箱1土体中的水位以较低流速缓慢上升，当环绕分层进水箱2注满之后，关闭上部排气孔39；然后通过调节升降机15将定水头水箱14分别平稳固定到设计方案中相应的承压水位设计高度，保持进水孔二11状态不变，继续以同样缓慢较低的流速注水，当定水位水箱14中的水位不再下降时，则主体箱1中的试验土样水位达到设计承压水位高度；同时打开沉降数据采集仪36、光纤应变监测仪37和电阻应变采集仪38，通过计算机34实时监测主体箱1内土体孔隙水压及变形沉降情况，当土体各土层沉降量变化率≤0.01mm/d且孔隙水压力变化率≤0.05KPa/d时，认为土体整体固结达到稳定状态，满足抽水试验前的初始条件。
[0053] (7)开始抽水实验。调节环绕分层进水箱2中的底部的进水孔阀门10为完全打开状态，以保证抽水试验过程中的水流补给效率，上部排气孔39关闭，所有装置系统全部打开运行并调试至正常运行状态，实验室环境、尤其是观察窗5和数码成像记录装置6位置保持良好光线，以能够记录试验过程中详细图片信息及数据等。其中，定水头补给条件下的试验，在试验过程中水源池一直向定水头水箱供水，溢流孔19持续溢流，保持定水头水位不变，进水孔三20和进水孔二11一直保持完全打开状态；变水头(无水源补给)条件下的试验，关闭抽水泵29，停止水源循环，关闭定水头水箱的进水孔三20，停止给定水头水箱14供水，同样保持进水孔二11一直为完全打开状态，使定水头水箱14中的水和环绕分层进水箱2中的水在抽水条件下水位持续下降，满足变水头条件下的抽水试验。
[0054] 开挖形成抽水井，将抽水井井壁7中的抽水井实体25缓慢抽出，以模拟实际工程中的开挖成井过程。启动蠕动泵24，基于实验内容和实验目的，开展实施不同工况下的各组实验，调节蠕动泵参数和水位控制系统，以实现不同抽水条件和水源补给条件下的抽水试验。
[0055] (8)试验结束后，对数据采集系统所得各组试验数据采用计算机34及PIV粒子图像测速分析系统35等工具，结合理论分析、数值模拟、常规物理力学试验等研究手段对试验结果进行深入系统研究分析。
[0056] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种
修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
