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一种可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验装置及方法

阅读：254发布：2024-02-19

专利汇可以提供一种可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验装置及方法；包括进水系统、裂隙模型、出水系统、监测系统、角度调节系统。本发明采用可调节倾角的试验平台；本发明更新了自然电位监测常用的Ag/AgCl 电极，改为直径2mm 铜棒电极，且将置于裂隙模型内的参考电极调至进水缓冲箱内，六个测量电极依次间距150mm布置于裂隙模型内；六个测量电以及参考电极均通过导线与数据采集仪相连，数据采集仪将获取的数据传输并储存到电脑上。采用自然电位法，结合传统取样测试，通过改变充填裂隙上下游水头差，调整水流速度，开展了充填裂隙溶质运移试验，根据自然电位响应特征监测充填裂隙内部溶质运移过程，提高监测精度，进一步提升了野外监测实用性和操作性。，下面是一种可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验装置，其特征在于，包括底座(14)、进水系统、裂隙模型、出水系统、监测系统、角度调节系统；
进水系统包含恒压进水槽(1)、进水缓冲箱(2)；
出水系统包含恒压出水槽(8)、出水缓冲箱(7)；
裂隙模型(5)的两端底部分别设有溶质注入口(3)及取样口(6)，所述裂隙模型(5)通过溶质主入口(3)注入有已知浓度的NaCl溶液；
所述监测系统包括电极(4)、DT85G 数据采集仪、电脑，所述电极(4)包括参考电极(401)以及六个测量电极(402)；
所述裂隙模型(5)靠近溶质注入口(3)的一端通过导管依次连接进水缓冲箱(2)、恒压进水槽(1)；所述裂隙模型(5)靠近取样口(6)的一端通过导管依次连接出水缓冲箱(7)、恒压出水槽(8)；所述参考电极(401)设置于进水缓冲箱(2)内，所述六个测量电极(402)依次间距150mm布置于裂隙模型(5)内；所述六个测量电(402)以及参考电极(401)均通过导线与DT85G数据采集仪相连，所述DT85G数据采集仪将获取的数据传输并储存到电脑上；
所述角度调节系统包括载物板(11)、上固定装置(9)、下固定装置(10)、锯齿形螺杆(12)以及量角尺(13)，置于裂隙模型(5)下端载物板(11)之上，所述裂隙模型(5)的两端分别通过上固定装置(9)、下固定装置(10)限位在载物板(11)上，所述载物板(11)的一端通过转轴连接在底座(14)上一端，另一端通过锯齿形螺杆(12)定位固定；载物板(11)、锯齿形螺杆(12)与底座(14)之间形成三角形稳定结构；所述转轴的轴心处设有量角尺(13)。
2.根据权利要求1所述的可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验装置，其特征在于，所述裂隙模型(5)尺寸为：长1200mm×宽200mm×隙宽5mm，可根据试验的需要调整隙宽；裂隙模型内等间距的六个测量电极(402)记为1#测量电极、2#测量电极、3#测量电极、4#测量电极、5#测量电极以及6#测量电极，1#测量电极设置在距溶质注入口(3)100mm处。
3.根据权利要求1所述的可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验装置，其特征在于，所述电极(4)为直径2mm的铜棒。
4.根据权利要求1所述的可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验装置，其特征在于，所述裂隙模型(5)内充填河砂。
5.根据权利要求1所述的可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验装置，其特征在于，所述锯齿形螺杆(12)可根据需要调节在载物板(11)和底座(14)上的相对位置。
6.根据权利要求1所述的可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验装置，其特征在于，所述量角尺(12)平行于底座。
7.一种可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、水流试验：调节好试验裂隙角度，利用备好的砂样填充裂隙模型，调节上、下游水箱，通过改变上下游水位差调整水流速度；试验时，在出水口处采用体积法测得流量，计算出水流平均流速，开展了平均流速为0.202mm/s-2.652mm/s范围内充填裂隙水流试验；
S2、溶质运移试验：选取水流平均流速u为0.247mm/s、0.431mm/s和0.661mm/s，开展充填裂隙溶质运移试验；试验过程中，溶质注入后，立即在取样口处取样，采用电导率仪(DDS-
307)测试其电导率，计算NaCl溶液浓度，绘制穿透曲线(BTC)；
S3、自然电位监测：设置参考电极于进水缓冲箱内，测量电极于充填裂隙模型内，利用监测系统动态采集溶质运移试验过程中自然电位响应数据，采集频率为5s/次；试验用水为实验室内自来水，试验过程中室温基本稳定在25℃。
8.根据权利要求7所述的可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验方法，其特征在于，在所述步骤S2中：溶质运移试验开始前，保持裂隙模型系统内水流稳定，首先进行示踪剂运移预试验，以确定溶质初始和最后到达时间，作为取样与监测时间间隔依据；连续两次溶质运移试验之间，充填裂隙用试验用水冲洗足够长时间，直至测得NaCl浓度低于检出限。

说明书全文

一种可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及水源识别领域，尤其涉及一种可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验装置及方法。

背景技术

[0002] 随着人类活动不断向地下深入，基岩裂隙水受到日益严重的污染，引起人们的广泛关注，基岩裂隙水内溶质运移规律成为当前地下水科学的研究热点。天然岩体裂隙往往由未固结的松散物质充填，使得充填裂隙水流及溶质运移特征既不同于非充填裂隙，也与多孔介质有差异。

[0003] 以往人们较多地关注于非充填裂隙水流及溶质运移特征，近年来，充填裂隙水流及溶质运移也引起了人们的兴趣。现有技术中也研究了充填裂隙水流特性，发现充填裂隙的渗透性仍可用立方定律予以量化描述，不仅受制于裂隙开度和充填物的孔隙性，也与充填介质的物质构成密切相关。另外，现有研究发现以下结果：(1)相较于ADE和ADE-R模型，对于充填裂隙溶质运移穿透曲线采用MIM模型拟合效果更好；(2)充填单管裂隙模型的浓度峰值到达时间快于双管裂隙模型，峰值浓度也高于双管裂隙模型，双管裂隙模型存在两个浓度峰值，且分支裂隙越长，则第一浓度峰值到达时间越快；(3)模拟非均匀填充裂缝中的溶质运移，结果表明填充介质的非均质性不仅导致了非均质速度场的产生，而且还导致了BTCs的早到和拖尾现象；(4)针对两种不同流动条件下的充填裂隙-基质系统中的溶质运移开展研究，发现在径向分散性和注入速率保持不变时，该系统对分散性最敏感，对流动/固定比率不敏感，对径向流动模型中的一级传质速率最不敏感。(5)现有自然电位法多采用Ag/AgCl 电极，该电极整体为玻璃材质，内含溶液，多适用于隙宽较大的裂隙中，对于隙宽较小的裂隙存在局限性，且本身易受曝光分解，不宜长期滞留在空气中，保存不易。(6)现有的裂隙模型只能模拟水平方向上的溶质运移试验，存在应用的局限性，不能模拟非水平方向下的溶质运移试验。

[0004] 上述对充填裂隙溶质运移试验研究结果多采用取样测试溶质浓度、绘制穿透曲线等手段，由于取样点往往只有一处，不能精细刻画充填裂隙内部溶质运移过程。近年来，由于自然电位方法在研究地下水流、传热传质等方面的明显优势，该方法成功应用于地下含水介质渗透系数估算、热量运移及多孔介质溶质运移参数估算。

[0005] 基于此，目前急需一种可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验装置及方法，能够开展较小隙宽内不同流速条件下溶质运移试验，结合不同测点SP实时动态监测数据并详细刻画充填裂隙内部溶质运移过程。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验装置及方法，能够开展较小隙宽内不同流速条件下溶质运移试验，结合不同测点SP实时动态监测数据并详细刻画充填裂隙内部溶质运移过程。

[0007] 本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

[0008] 一种可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验装置，包括底座、进水系统、裂隙模型、出水系统、监测系统、角度调节系统；

[0009] 进水系统包含恒压进水槽、进水缓冲箱；

[0010] 出水系统包含恒压出水槽、出水缓冲箱；

[0011] 裂隙模型的两端底部分别设有溶质注入口及取样口，所述裂隙模型通过溶质主入口注入有已知浓度的NaCl溶液；

[0012] 所述监测系统包括电极、DT85G 数据采集仪、电脑，所述电极包括参考电极以及六个测量电极；

[0013] 所述裂隙模型靠近溶质注入口的一端通过导管依次连接进水缓冲箱、恒压进水槽；所述裂隙模型靠近取样口的一端通过导管依次连接出水缓冲箱、恒压出水槽；所述参考电极设置于进水缓冲箱内，所述六个测量电极依次间距150mm布置于裂隙模型内；所述六个测量电以及参考电极均通过导线与DT85G数据采集仪相连，所述DT85G数据采集仪将获取的数据传输并储存到电脑上；

[0014] 所述角度调节系统包括载物板、上固定装置、下固定装置、锯齿形螺杆以及量角尺，置于裂隙模型下端载物板之上，所述裂隙模型的两端分别通过上固定装置、下固定装置限位在载物板上，所述载物板的一端通过转轴连接在底座上一端，另一端通过锯齿形螺杆定位固定；载物板、锯齿形螺杆与底座之间形成三角形稳定结构；所述转轴的轴心处设有量角尺。

[0015] 作为本发明的优选方式之一，所述裂隙模型尺寸为：长1200mm×宽200mm×隙宽5mm，可根据试验的需要调整隙宽；裂隙模型内等间距的六个测量电极记为1#测量电极、2#测量电极、3#测量电极、4#测量电极、5#测量电极以及6#测量电极，1#测量电极设置在距溶质注入口100mm处。

[0016] 作为本发明的优选方式之一，所述电极为直径2mm的铜棒。

[0017] 作为本发明的优选方式之一，所述裂隙模型内充填河砂。

[0018] 作为本发明的优选方式之一，所述锯齿形螺杆可根据需要调节在载物板和底座上的相对位置。

[0019] 作为本发明的优选方式之一，所述量角尺平行于底座。

[0020] 本发明还公开了一种基于自然电位的充填裂隙溶质运移试验方法，包括以下步骤：

[0021] S1、水流试验：调节好试验裂隙角度，利用备好的砂样填充裂隙模型，调节上、下游水箱，通过改变上下游水位差调整水流速度；试验时，在出水口处采用体积法测得流量，计算出水流平均流速，开展了平均流速为0.202mm/s～2.652mm/s范围内充填裂隙水流试验；

[0022] S2、溶质运移试验：选取水流平均流速u为0.247mm/s、0.431mm/s和0.661mm/s，开展充填裂隙溶质运移试验；试验过程中，溶质注入后，立即在取样口处取样，采用电导率仪(DDS-307)测试其电导率，计算NaCl溶液浓度，绘制穿透曲线(BTC)；

[0023] S3、自然电位监测：设置参考电极于进水缓冲箱内，测量电极于充填裂隙模型内，利用监测系统动态采集溶质运移试验过程中自然电位响应数据，采集频率为5s/次；试验用水为实验室内自来水，试验过程中室温基本稳定在25℃。

[0024] 作为本发明的优选方式之一，在所述步骤S2中：溶质运移试验开始前，保持裂隙模型系统内水流稳定，首先进行示踪剂运移预试验，以确定溶质初始和最后到达时间，作为取样与监测时间间隔依据；连续两次溶质运移试验之间，充填裂隙用试验用水冲洗足够长时间，直至测得NaCl浓度低于检出限。

[0025] 本发明相比现有技术的优点在于：本发明通过角度调节系统，裂隙模型不仅能模拟水平方向上的溶质运移试验，而且能模拟非水平(倾斜角度)方向下的溶质运移试验，适用范围广。本发明设置参考电极，提高了本装置的测试实验结果的准确性。本发明采用自然电位法，结合传统取样测试，通过改变充填裂隙上下游水头差，调整水流速度，开展了充填裂隙溶质运移试验，根据自然电位响应特征探讨了充填裂隙内部溶质运移过程。本发明在本试验流速范围内，水流符合达西定律。相同流速u时，自然电位响应峰值随溶质运移距离呈对数函数增加；随着流速u增加，相同电极处溶质运移达到时间和峰值达到时间减小，溶质峰值浓度及峰值自然电位绝对值均增加。利用溶质峰值浓度和峰值SP计算流速值基本一致，但峰值SP计算流速值更接近根据流量计算平均流速值，且流速越大，误差越小。根据初始自然电位计算流速u更加接近由流量数据计算的流速。附图说明

[0026] 图1是实施例中的可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验装置的结构示意图；

[0027] 图2是实施例中的可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验装置的截面结构示意图。

具体实施方式

[0028] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0029] 实施例1

[0030] 如图1-2所示，本实施例的一种可调节充填裂隙倾斜角的溶质运移试验装置，包括底座14、进水系统、裂隙模型、出水系统、监测系统、角度调节系统；

[0031] 进水系统包含恒压进水槽1、进水缓冲箱2；

[0032] 出水系统包含恒压出水槽8、出水缓冲箱7；

[0033] 裂隙模型5的两端底部分别设有溶质注入口3及取样口6，所述裂隙模型5通过溶质主入口3注入有已知浓度的NaCl溶液；

[0034] 所述监测系统包括电极4、DT85G数据采集仪、电脑，所述电极4包括参考电极401以及六个测量电极402；

[0035] 所述裂隙模型5靠近溶质注入口3的一端通过导管依次连接进水缓冲箱2、恒压进水槽1；所述裂隙模型5靠近取样口6的一端通过导管依次连接出水缓冲箱7、恒压出水槽8；所述参考电极401设置于进水缓冲箱2内，所述六个测量电极402依次间距150mm布置于裂隙模型5内；所述六个测量电402以及参考电极401均通过导线与DT85G数据采集仪相连，所述DT85G数据采集仪将获取的数据传输并储存到电脑上；

[0036] 所述角度调节系统包括载物板11、上固定装置9、下固定装置10、锯齿形螺杆12以及量角尺13，置于裂隙模型5下端载物板11之上，所述裂隙模型5的两端分别通过上固定装置9、下固定装置10限位在载物板11上，所述载物板11的一端通过转轴连接在底座14上一端，另一端通过锯齿形螺杆12定位固定；载物板11、锯齿形螺杆12与底座14之间形成三角形稳定结构；所述转轴的轴心处设有量角尺13。

[0037] 需要说明的是，与传统使用的电极不同，本发明采用的电极是直径为2mm的铜棒，铜棒电极能满足自然电位监测需要，且铜棒电极可适应于隙宽较小的裂隙且更适用于野外监测，弥补了传统电极价格昂贵、不易保存的不足，大大便利了试验的开展；与以往自然电位方法不同，本发明将参考电极设置在进水缓冲箱内，将参考电极置于水中相较置于裂隙模型内，前者水流更趋于稳定，提升了自然电位监测的准确度；且相对于传统溶质运移监测方法，本发明监测时无需取出定量溶液，保持了充填裂隙内原系统平衡，所取样监测值能代表瞬时溶液数值，实时数据监测具有准确性；弥补了传统取样监测的不足，同时能够实时的检测到溶质运移过程中自然电位响应数值，将溶质运移实时状态可视化，能更便捷的掌握充填裂隙内溶质运移的情况，提高试验过程中监测的准确性。另外，本发明通过角度调节系统，裂隙模型不仅能模拟水平方向上的溶质运移试验，而且能模拟非水平(倾斜角度)方向下的溶质运移试验，适用范围广。

[0038] 优选的，所述裂隙模型5尺寸为：长1200mm×宽200mm×隙宽5mm，可根据试验的需要调整隙宽；裂隙模型内等间距的六个测量电极402记为1#测量电极、2#测量电极、3#测量电极、4#测量电极、5#测量电极以及6#测量电极，1#测量电极设置在距溶质注入口3100mm处。

[0039] 优选的，所述电极4为直径2mm的铜棒；相较于以往Ag/AgCl电极，能满足自然电位监测需要，且铜棒电极可适应于隙宽较小的裂隙且更适用于野外监测，此外，相较于Ag/AgCl电极经济实用，方便取材，便于保存。

[0040] 在一具体的实施例中，所述裂隙模型5内充填河砂，所述锯齿形螺杆12可根据需要调节在载物板11和底座14上的相对位置，所述量角尺12平行于底座。

[0041] 实施例2

[0042] 本实施例还公开了一种基于自然电位的充填裂隙溶质运移试验方法，包括以下步骤：

[0043] S1、水流试验：调节好试验裂隙角度，利用备好的砂样填充裂隙模型，调节上、下游水箱，通过改变上下游水位差调整水流速度；试验时，在出水口处采用体积法测得流量，计算出水流平均流速，开展了平均流速为0.202mm/s-2.652mm/s范围内充填裂隙水流试验；

[0044] S2、溶质运移试验：选取水流平均流速u为0.247mm/s、0.431mm/s和0.661mm/s，开展充填裂隙溶质运移试验；试验过程中，溶质注入后，立即在取样口处取样，采用电导率仪(DDS-307)测试其电导率，计算NaCl溶液浓度，绘制穿透曲线(BTC)；

[0045] S3、自然电位监测：设置参考电极于进水缓冲箱内，测量电极于充填裂隙模型内，利用监测系统动态采集溶质运移试验过程中自然电位响应数据，采集频率为5s/次；试验用水为实验室内自来水，试验过程中室温基本稳定在25℃。

[0046] 进一步的，在所述步骤S2中：溶质运移试验开始前，保持裂隙模型系统内水流稳定，首先进行示踪剂运移预试验，以确定溶质初始和最后到达时间，作为取样与监测时间间隔依据；连续两次溶质运移试验之间，充填裂隙用试验用水冲洗足够长时间，直至测得NaCl浓度低于检出限。

[0047] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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