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大降深渗流井的变饱和管流耦合模型与试验研究
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更新于2024-07-02
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云计算-大降深条件下渗流井计算模型研究是针对传统取水工程中渗流井的独特优势及其在特定环境下的复杂渗流现象展开的深入探讨。渗流井作为一种环保、经济的取水方式,其出水量大、水质优良且管理简便,特别是在干旱半干旱地区如陕北,其应用更为广泛。然而,当抽水量超过河水的自然补给能力时,会形成饱和非饱和流共存的复杂渗流场景,此时,仅依赖饱和渗流模型已不再适用。 研究者依托国家自然科学基金项目,利用物理模拟手段,构建了"变饱和渗流-管流耦合模型"。这一模型考虑了大降深条件下的非饱和渗流,通过渗流砂槽模拟实验,对不同竖井深度和渗漏补给能力的河流下渗流井的取水效果进行了深入研究。实验中,通过测量出水量、竖井降深和砂槽内水位变化,以及通过颗粒分析法和竖管法对砂土渗透性能的测定,验证了模型参数的有效性。 模型的建立过程中,采用了砂芯漏斗法来确定土壤水分特征曲线,以确保模型参数的准确性。研究发现,随着竖井深度的增加,渗流井出水量整体上有所增长;而河流渗漏补给能力越强,渗流井的出水量也会相应提升。然而,当进入大降深非饱和渗流阶段,虽然总出水量依然随竖井深度上升,但单位深度的出水量呈现下降趋势。 通过三维有限差分网格技术,模型精细地模拟了井管与含水层之间的水量交换过程,能够准确预测和解释不同降深条件下渗流井的实际取水效果。这一研究成果对于优化渗流井设计、提高取水效率以及更好地理解复杂地下水资源动态具有重要的理论和实际意义。
资源详情
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第二章 渗流井取水砂槽物理模拟试验
图
2.1
试验渗流砂槽
为了保持试验时“河流”的定水位,在砂槽右侧壁上部设有一排直径为 4mm 的圆
形溢水孔。当砂槽水位高于 1130mm 时,水从溢水孔流出,试验时通过调整供水箱出水
量保持溢水孔始终有水流出。
为了便于试验前砂槽“含水层”的饱水以及试验结束后砂槽的排水,在砂槽底部安
装了 4 个进出水阀门。砂槽底面距地面 500mm,阀门出水口距地面 300mm,阀门末端
与软管相连,从砂槽排出的水通过软管流入储水桶。
2.2.2 渗流井缩微模型
根据实际渗流井取水建筑物结构,在试验前设计了渗流井缩微模型,采用有机玻璃
制作而成。本次试验渗流井缩微模型由 5 个硐室、25 根渗流孔、5 个平巷和 1 个竖井组
成,因为没有 5 硐室渗流井缩微模型的照片,在此提供 3 硐室的渗流井缩微模型作为参
考(见图 2.2),每个硐室顶部连接若干个渗流孔,不同硐室之间通过平巷相连。硐室、
渗流孔、平巷连接好后置于砂槽内的砂层中,竖井则安装在砂槽外,二者通过平巷相连。
硐室:边长为 10cm 的正方体,每个硐室顶面有 5 个渗流孔连接头,直径 20mm。2
个硐室的两个侧面中心设有平巷连接头,直径 50mm。1 个硐室的三个侧面中心设有平
巷连接头,直径 50mm,硐室与硐室、硐室与竖井之间通过平巷相连。
渗流孔:渗流孔长 253mm,外径 20mm,进水孔布设为梅花型,孔径 5mm,渗流
孔一端封闭,另一端通过连接头与硐室相连,渗流孔孔隙率为 14.6%,每个硐室连有 5
根渗流孔,其中 4 根与硐室顶面成 45 度,1 根与硐室顶面成 90 度
[61]
。为防止渗流井取
水时砂粒进入渗流孔内造成堵塞,试验时在渗流孔外壁缠绕尼龙纱网。
供水铁箱
渗流砂槽
测
压
板
8
万方数据
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长安大学硕士学位论文
平巷:本次试验共需 5 个平巷,平巷长 500mm,外径 50mm。其中 4 个平巷通过平
巷连接头连接硐室, 1 个平巷连接砂槽内渗流井中间的硐室与砂槽外的竖井,平巷上没
有进水孔,不进水,在渗流井取水结构中起到连接作用
[61]
。
竖井:竖井长 1000mm,外 径 50mm,从上至下刻度为 0-1000mm。竖井与一方盒顶
部相连,该方盒的尺寸同与硐室相同,在 3 个侧面安装了 3 个出水阀门,在各试验方案
下打开相应数量的出水阀门,以此得到对应方案的出水量和竖井降深。为确保竖井稳定
以及防止连接硐室及方盒的平巷发生断裂,用一个可调节升降的三脚竖井支架对方盒及
竖井进行支撑(见图 2.3)。
图
2.2
渗流井微缩模型整体实物图
9
万方数据
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第二章 渗流井取水砂槽物理模拟试验
图
2.3
渗流井竖井及三脚支架
2.2.3 数据测量系统
本次试验中数据测量系统主要对水头、流量、竖井降深以及负压进行了测量。
水头测量:砂槽前后侧壁开设 18 列×10 排=180 个测压观测孔,每排观测孔在同一
高度上,每两排观测孔之间相距 100mm,观测孔列与列之间相距 400mm(见图 2.4)。
为了观测试验过程中渗流砂槽内部不同位置水头的变化情况,分别设计了长度为
50mm、150mm、250mm 的细铜管,铜管直径 3mm。为了防止试验过程中砂粒堵塞铜管
影响水头观测,在细铜管的一端缠绕尼龙纱网。将细铜管插入测压观测孔,通过橡胶软
管与测压板相连,用来观测渗流砂槽内部不同位置水头的变化,每列观测孔三种长度细
铜管分布情况为自上而下 250mm、150mm、50mm、250mm……250mm(3 种长度相互
循环)。试验前还需对测压观测孔末端涂抹硅胶,防止安装处漏水影响实验观测效果。
渗流砂槽前后各有 9 列测压观测孔,每两列测压观测孔连接在同一个测压观测板上,测
压板量程为 0mm~1160mm,最小刻度为 mm。
竖
井
支架
10
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长安大学硕士学位论文
图
2.4
安装完成的测压板
流量测量:采用三角堰箱和量筒两种测量方法对流量进行测量
(1)三角堰箱测量:采用三角堰箱测量渗流井的出水量,三角堰箱堰高读数精确
到 mm。如 图 2.5 所示,堰箱长 800mm,宽 500mm,高 500mm,箱内有两块带孔挡板。
试验时将三角堰箱放置在出水阀门的下方,尽量使阀门出水处远离出水口,这样挡板可
以有效减小堰箱内的水面波动,降低了堰高测量的误差,使测量的流量更加精确。
三角堰箱流量的计算依据《水工(常规)模型试验规程》SL155-95
[58]
中南京水利科
学研究院的拟合经验公式:
Q=1.33H
2.465
H=0.03~0.025m (2.1)
式中:H 为堰上水头(m); Q 为流量(m
3
/s)。
(2)量筒测量:采用容积为 2000mL 的量筒和秒表对出水量进行测量,根据测量
时段内流入量筒内水的体积,计算出相应流量。在不影响堰箱出水口射流的情况下,安
装一块金属挡板,使水流汇集,便于在挡板末端用量筒测量流量。
试验结束后,对比、校正两种测量方法所测得的流量。
11
万方数据
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