肖先煊， 許 模， 蔡國(guó)軍， 虞修竟， 付小敏

(成都理工大學(xué) a.環(huán)境與土木工程學(xué)院； b.國(guó)家級(jí)地質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,四川 成都 610059)

0 引 言

自1998年教育部頒布新的本科專業(yè)目錄后，地質(zhì)工科專業(yè)教育和培養(yǎng)模式發(fā)生了很大的變化，各校在發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢(shì)、保持專業(yè)特色等方面均進(jìn)行了積極的探索[1]。培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才是高等教育在新的歷史時(shí)期重要的目標(biāo)[2-4]。如何進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)踐性環(huán)節(jié)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，是當(dāng)前高校教學(xué)改革的一個(gè)重要課題[5]。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的基本建設(shè)，如擴(kuò)展實(shí)踐性環(huán)節(jié)教學(xué)基地、增設(shè)自主研發(fā)新型實(shí)驗(yàn)設(shè)備、鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目獨(dú)立設(shè)課將有助于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力及解決實(shí)際問題的能力。同時(shí)，也大大提高了學(xué)生試驗(yàn)的主觀能動(dòng)性[6-7]。

地下水動(dòng)力學(xué)是針對(duì)水文地質(zhì)專業(yè)(地下水科學(xué)與工程)本科學(xué)生開設(shè)的一門重要的理論課程，據(jù)學(xué)生反映，該課程內(nèi)容豐富卻抽象難懂，應(yīng)將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合才能使學(xué)生更好地掌握其內(nèi)容。抽水試驗(yàn)是地下水動(dòng)力學(xué)中的一項(xiàng)重要的試驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生通過試驗(yàn)可了解地下水向井中的運(yùn)動(dòng)特征及確定相應(yīng)的水文地質(zhì)參數(shù)。目前，生產(chǎn)單位很難接受學(xué)生赴工地實(shí)習(xí)，而組織開展野外抽水試驗(yàn)具有耗資巨大、耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)，用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯然欠妥。因此為了滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，在學(xué)校有關(guān)部門的支持下，組織具有豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和野外、科研、生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員在尚無更多資料可借鑒的情況下，研制了承壓完整井抽水模擬試驗(yàn)裝置，通過開展室內(nèi)抽水物理模擬試驗(yàn)以保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

完整井抽水試驗(yàn)裝置是一種模擬并研究地下水在抽水時(shí)向完整井穩(wěn)定滲流的物理模型，可在室內(nèi)進(jìn)行模擬完整井抽水試驗(yàn)及相關(guān)數(shù)據(jù)處理、資料整理，具有耗時(shí)短、耗資小，試驗(yàn)現(xiàn)象直觀等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，能提高學(xué)生對(duì)野外復(fù)雜地質(zhì)體的感性認(rèn)識(shí)[8]，一定程度彌補(bǔ)了野外生產(chǎn)實(shí)習(xí)的不足。

1 抽水試驗(yàn)?zāi)M裝置介紹

1.1 設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)

承壓完整井抽水模擬裝置[9]是以野外抽水時(shí)，地下水向承壓完整井穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的水文地質(zhì)實(shí)體作為模擬對(duì)象，根據(jù)相似理論[10]而研制的一種抽水試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型模擬范圍為野外實(shí)際360°井的1/18，即20°的扇形條塊體。抽水時(shí)模型體上的動(dòng)態(tài)過程應(yīng)與自然界地質(zhì)體抽水出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)過程存在一定的比例關(guān)系[11]。主要有：① 幾何相似；② 運(yùn)動(dòng)相似；③ 動(dòng)力相似；④ 邊界條件相似。因此，試驗(yàn)過程中通過對(duì)模型中各運(yùn)動(dòng)要素進(jìn)行觀測(cè)，其結(jié)果按一定比例放大，就可以獲得與自然界承壓完整井相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)要素。地下水向20°井中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與向360°井中運(yùn)動(dòng)規(guī)律是一致的，其穩(wěn)定滲流狀態(tài)下所測(cè)定的流量的18倍即為360°井穩(wěn)定滲流流量。且其運(yùn)動(dòng)規(guī)律都可以用裘布依井流方程形式來描述[12-13]：

式中:Q為360°承壓井穩(wěn)定流量,cm3/s；q為20°承壓井穩(wěn)定流量,cm3/s；式(2)中Q為承壓完整井穩(wěn)定流量,cm3/s；K為滲流系數(shù),cm/s；M為承壓含水層厚度,cm；s為井中水位下降值,cm；R為降位漏斗的影響半徑,cm；rw為井半徑，cm。因此，根據(jù)上述兩式即可確定含水層的相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。

儀器主要由井流試驗(yàn)箱，隔水頂板和隔水底板，承壓含水層，抽水井，給水、抽水溢流箱，測(cè)壓管(觀測(cè)孔)，升降系統(tǒng)，閉路循環(huán)的給水、排水系統(tǒng)等組成的(見圖1)。

圖1 承壓完整井抽水模擬結(jié)構(gòu)示意圖

1—含水層；2—蓄水箱；3—穩(wěn)定流供水箱；4—穩(wěn)定流排水箱；5—測(cè)壓管；6—含水層補(bǔ)給區(qū)；7—抽水井；8—水泵；9—排水口；10—升降系統(tǒng)；11—量筒；12—隔水層

(1) 井流試驗(yàn)箱是模型的主體，為20°的一扇形條塊體。扇形條塊體上部和下部有水平固定的有機(jī)玻璃板，厚20 mm，用于模擬隔水頂板和隔水底板，隔水頂板上覆用致密粘土夾礫石模擬隔水頂板的層厚，上下兩塊水平有機(jī)玻璃板中間的空間堆置了模型試驗(yàn)的滲透介質(zhì)(本模型采用經(jīng)過篩分的石英砂)，用于模擬承壓含水層。為了便于觀測(cè)，箱體采用全透明有機(jī)玻璃材料。為了控制上、下游水位，在滲流試驗(yàn)箱體的首端和末端附有可通過升降系統(tǒng)控制高程的給水、抽水溢流箱。

(2) 抽水井中心為扇形體圓心軸線(見圖2)，它與井流試驗(yàn)箱相連通，并通過塑膠軟管與抽水溢流箱連接。井流試驗(yàn)箱的上游段則與含水層補(bǔ)給區(qū)相連通，給水溢流箱可控制含水層補(bǔ)給區(qū)的水位，模擬承壓含水層無限延伸。在井流試驗(yàn)箱側(cè)面均勻布置7個(gè)斷面，從上游至下游依次為7，6，…,3，2，1斷面，每個(gè)斷面的中部及底部安置測(cè)壓管，用于測(cè)定抽水過程任意時(shí)刻承壓含水層的承壓水頭值。

圖2 承壓完整井抽水模擬裝置俯視圖

1—抽水井；2—隔水層；3—供水箱；4—測(cè)壓管；5—儲(chǔ)水箱邊框；6—供水箱水位調(diào)節(jié)器；7—抽水井水位調(diào)節(jié)器

(3) 試驗(yàn)時(shí)，模型的抽水量可以通過調(diào)節(jié)抽水溢流箱的高低來控制，抽水溢流箱的位置越低抽水量越大。抽水溢流箱的出水口用流量計(jì)或量筒測(cè)得其流量。

(4) 儲(chǔ)水箱位于儀器的下層，用于儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)用水，試驗(yàn)時(shí)通過設(shè)置于水箱內(nèi)的水泵將試驗(yàn)用水送至給水溢流箱，再輸入給水箱提供試驗(yàn)用水，溢出水流通過回水管回流至儲(chǔ)水箱，實(shí)驗(yàn)時(shí)不需外接水源。

承壓完整井抽水模擬裝置(見圖3)可完整展現(xiàn)承壓完整井抽水過程中承壓含水層的水頭分布和變化特點(diǎn)以及地下水滲流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。試驗(yàn)人員可應(yīng)用裘布依井流方程描述該抽水試驗(yàn)過程中各要素的變化，并測(cè)定滲透系數(shù)，繪制相關(guān)的流量及降深關(guān)系曲線。

圖3 承壓完整井抽水模擬裝置

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

外形尺寸2.30 m×0.70 m×1.60 m,水泵功率70 W、口徑18 mm、揚(yáng)程3.2 m、流量3 500 L/h、電壓220 V。模擬箱為20°的扇形體，半徑1.5 m,高0.8 m。采用厚度15 mm的有機(jī)玻璃板制作，固定支架采用邊寬5 cm的角鋼制作。單側(cè)設(shè)置7排測(cè)壓管，每排上下各一支，管徑φ=10 mm,L=1 m。蓄水箱采用厚10 mm的PVC板制作，容量：長(zhǎng)×寬×高=1.8 m×0.6 m×0.35 m，閉路式水循環(huán)系統(tǒng)，不另接供、排水管路，可移動(dòng)。

2 學(xué)生試驗(yàn)過程

試驗(yàn)開始前，先接通電源，使儲(chǔ)水箱中水通過軟管進(jìn)入給水溢流箱，溢流箱中水通過軟管進(jìn)入給水箱，再經(jīng)透水孔的有機(jī)玻璃板流入井流試驗(yàn)箱體中，待抽水井中水經(jīng)軟管進(jìn)入抽水溢流箱后溢出時(shí)，關(guān)閉電源，微調(diào)使給水溢流箱與抽水溢流箱處于同一水平面上，這時(shí)所有測(cè)壓管水位也處于該承壓面上。

通過升降裝置使抽水溢流箱下降5 cm，井流試驗(yàn)箱中承壓水向井中作徑向運(yùn)動(dòng)，觀察測(cè)壓管中水位變化可發(fā)現(xiàn)，承壓降位漏斗在逐漸形成，5 min后，用體積法測(cè)定20°井的穩(wěn)定流量(穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：連續(xù)兩次所測(cè)的流量誤差在3%以內(nèi))，測(cè)定各斷面上下測(cè)壓管的水位，各斷面至井中心的水平距離r7，r6，…,r2,r1，承壓含水層的厚度M,影響半徑R，抽水井半徑rw。二次抽水過程使抽水溢流箱在原基礎(chǔ)上再下降5 cm，可觀察到降位漏斗的影響半徑在增大，同樣測(cè)定首次抽水過程所需各個(gè)參數(shù)。第三次抽水過程則在第二次抽水降深基礎(chǔ)上再下降5 cm，可觀察到降位漏斗的影響半徑再次逐漸增大，同樣測(cè)定各個(gè)參數(shù)。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

通過承壓井的三次抽水過程，便可得到對(duì)應(yīng)三次不同井中水位降深對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定流量?？衫L制井流量Q與井中水位降深s的關(guān)系曲線。根據(jù)裘布依承壓完整單井井流方程計(jì)算透水介質(zhì)(石英砂)的滲透系數(shù)K，對(duì)K按相似比放大，即得到了自然界地質(zhì)實(shí)體的滲透系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果如表2及表3所示。

表2 測(cè)壓管水位記錄表

表3 抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

表2中數(shù)據(jù)顯示，承壓完整井抽水模擬裝置第一次抽水井水位降深(s=5 cm)穩(wěn)定流抽水后，從補(bǔ)給邊界至抽水井的7個(gè)斷面上，靠近補(bǔ)給邊界的7、6斷面，同一斷面上所測(cè)定的上、下測(cè)壓管水位存在上高下低的現(xiàn)象，5、4、3及2斷面的上下測(cè)壓管水位一樣，1斷面的上下測(cè)壓管水位則表現(xiàn)為上低下高；第二次抽水井水位降深(s=10 cm)穩(wěn)定流抽水后，7斷面處上下測(cè)壓管水位一致，其它6個(gè)斷面的上下測(cè)壓管水位均表現(xiàn)為上低而下高；第三次抽水井水位降深(s=15 cm)穩(wěn)定流抽水后，7個(gè)斷面的上下測(cè)壓管水位都有上低下高的規(guī)律。

依據(jù)Darcy定律[14]及水力學(xué)中伯努利能量方程[15]：

(3)

(4)

(5)

式中：Q為抽水流量,cm3/s；K為滲透系數(shù),cm/s；M為承壓含水層厚度,cm；b為模擬箱凈寬,cm；Δh為補(bǔ)給邊界水位與抽水井水位差,cm；l為滲透途徑,cm；I為水力梯度；z+P/γ為測(cè)壓管水頭(勢(shì)能),cm；V2/2g為流速水頭(動(dòng)能),cm。

可以看出，抽水井的流量Q不變，含水層厚度M不變，K不變，I不變，整個(gè)途徑上的滲透流速V不變。而在這三次對(duì)應(yīng)不同井中水位降深穩(wěn)定流抽水后，同一斷面上測(cè)壓管水位大多數(shù)都出現(xiàn)上低下高的現(xiàn)象是因?yàn)槊恳淮纬樗€(wěn)定后水力梯度不變，靠近承壓含水層隔水底板滲透途徑長(zhǎng)，則水力梯度小，測(cè)壓管處滲透流速小，流速水頭便小，同一斷面的總能量不變，動(dòng)能小，勢(shì)能則大，表現(xiàn)為測(cè)壓管水頭值高；而靠近隔水頂板則滲透途徑短，滲透流速大，動(dòng)能大，則勢(shì)能小，表現(xiàn)為測(cè)壓管水頭值低。同時(shí)可以看出在同一斷面上伯努利能量的轉(zhuǎn)換及能量分布規(guī)律。

而比較三次不同井中水位降深下抽水穩(wěn)定后的測(cè)壓管水頭，可以看出，補(bǔ)給邊界水位不變，同一斷面的上下測(cè)壓管水頭值的差值也隨井中水位降深s的增加(相當(dāng)于增大I)而增大。

三次不同井中水位降深穩(wěn)定流抽水后，抽水井水位降深與抽水流量的關(guān)系如圖4所示，可看出，承壓完整井穩(wěn)定流抽水井中水位降深與流量之間表現(xiàn)出線性規(guī)律，這與理論推導(dǎo)相吻合?？珊芎玫胤从骋巴獬袎号璧劂@孔抽水試驗(yàn)井中水位降深與出水量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 承壓完整井抽水試驗(yàn)Q—s曲線

抽水引起的降落漏斗半徑與抽水量大小相關(guān)，兩者之間存在正比關(guān)系(見圖5)。這些對(duì)地下水資源的評(píng)價(jià)及合理開發(fā)利用具有實(shí)踐意義和工程參考價(jià)值。同時(shí)，通過開展本次室內(nèi)抽水試驗(yàn)，確定了承壓完整井抽水模擬裝置中含水層的滲透系數(shù)為0.163 11 cm/s(見表3)。

4 教學(xué)對(duì)象及其反饋

目前，我校水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室共設(shè)有水力學(xué)實(shí)驗(yàn)、水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)及地下水動(dòng)力學(xué)學(xué)實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程。地下水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)地下水科學(xué)與工程和環(huán)境工程兩個(gè)專業(yè)的本科生開設(shè)。與水力學(xué)及水文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程不同是，地下水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)為獨(dú)立設(shè)置的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，有獨(dú)立的考核辦法和標(biāo)準(zhǔn)，修滿合格學(xué)分為1.5。該實(shí)驗(yàn)課程主要包含潛水完整井抽水模擬試驗(yàn)、承壓完整井抽水模擬試驗(yàn)及間歇泉成因模型試驗(yàn)等試驗(yàn)項(xiàng)目。每個(gè)試驗(yàn)為8個(gè)學(xué)時(shí)，共24學(xué)時(shí)。平均每年培養(yǎng)本科生90人。可見，承壓完整井抽水模擬試驗(yàn)是一項(xiàng)重要的試驗(yàn)。

圖5 承壓完整井抽水試驗(yàn)Q～R曲線

通過試驗(yàn)，逾9成以上學(xué)生認(rèn)為地下水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)很大程度上幫助了加深對(duì)地下水力學(xué)理論知識(shí)的理解，如：該試驗(yàn)過程中，可以形象地刻畫承壓完整單井在抽水的過程中，一定井中水位降深(抽水穩(wěn)定后)所形成的降位漏斗曲線的形態(tài)，幫助理解裘布依如何用數(shù)學(xué)方程對(duì)抽水動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行描述的。

在學(xué)生評(píng)教系統(tǒng)中，歷屆環(huán)境水文地質(zhì)專業(yè)本科學(xué)生對(duì)地下水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的評(píng)價(jià)良好，平均分在90以上。

5 結(jié) 語

本儀器合理地運(yùn)用相似理論模擬野外承壓含水層完整井抽水實(shí)驗(yàn)，承壓完整井抽水模擬裝置設(shè)計(jì)具有獨(dú)創(chuàng)性與新穎性，該試驗(yàn)項(xiàng)目的開設(shè)一方面幫助了學(xué)生加深理解地下水動(dòng)力學(xué)理論課中承壓完整井抽水試驗(yàn)過程，提高對(duì)自然界復(fù)雜地質(zhì)體抽水動(dòng)態(tài)過程的認(rèn)識(shí)，訓(xùn)煉學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的水動(dòng)力學(xué)理論知識(shí)分析基本的試驗(yàn)現(xiàn)象，提升處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，激發(fā)了學(xué)生的試驗(yàn)興趣和主觀能動(dòng)性；另一方面，為我校相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供了較好的試驗(yàn)平臺(tái)，推動(dòng)了學(xué)校國(guó)家級(jí)地質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心實(shí)驗(yàn)室的基本建設(shè)和發(fā)展。

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