[发明专利]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

说明书

本发明公开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，主体箱内铺设砂粘土试样，环绕分层进水箱三面环绕密封于主体箱外侧，主体箱侧壁分布有与环绕分层进水箱联通的进水孔一；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；抽水装置包括抽水井、蠕动泵和硅胶管，抽水井包括井壁和抽水井实体，抽水井通过硅胶管和蠕动泵与沉淀池相连，沉淀池通过管路连接水源池。本发明所公开的试验系统及试验方法充分考虑抽水井因素和地下水三维补给条件，可用于不同抽水条件下土体变形、沉降传递及地面沉降全过程的宏细观演化机理和规律研究。

技术领域

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

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。

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

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。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

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。

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。

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。

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。

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。

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。