落水洞對(duì)裂除管道介質(zhì)排水過(guò)程的影響

齊天松　束龍倉(cāng)　張依楠　溫忠輝　劉波　魯程鵬

摘要：利用自行研制的裂除管道介質(zhì)物理模型進(jìn)行多組試驗(yàn)，探究落水洞對(duì)介質(zhì)排水過(guò)程的影響。對(duì)裂除管道介質(zhì)按照介質(zhì)空隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)，引入反映介質(zhì)排水過(guò)程中水體排泄快慢的單位時(shí)間排水量，進(jìn)而得到對(duì)應(yīng)不同介質(zhì)分區(qū)和介質(zhì)整體的四個(gè)單位時(shí)間排水量。利用單位時(shí)間排水量分析九種落水洞橫截面積對(duì)裂除管道介質(zhì)排水過(guò)程的影響。結(jié)果表明：落水洞橫截面積的增大對(duì)裂除管道介質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響為增大其儲(chǔ)水空間和導(dǎo)水空間；落水洞橫截面積的增大會(huì)加快裂除管道介質(zhì)的排水過(guò)程，排水過(guò)程對(duì)落水洞橫截面積增大的響應(yīng)在橫截面積的增大量達(dá)到某一閾值后才會(huì)發(fā)生，該閾值和介質(zhì)空隙結(jié)構(gòu)有關(guān)；排水過(guò)程的三個(gè)不同階段的閾值不同，末期的閾值小于初期、中期的閾值。

關(guān)鍵詞：落水洞；裂除管道介質(zhì)；排水過(guò)程；物理試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：P641 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）05-0097-07

落水洞是消泄地表水的近于垂直的或傾斜的洞穴，是巖溶含水介質(zhì)的主要儲(chǔ)水空間和導(dǎo)水通道。由于成巖沉積時(shí)的非均質(zhì)性、成巖后的碎裂和巖溶作用等，巖溶含水系統(tǒng)具有高度非均質(zhì)性，這給巖溶水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究帶來(lái)了很多困難，建立物理模型來(lái)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)成為研究巖溶水流的有效方法。

耿克勤等利用特制的巖石裂隙滲流物理試驗(yàn)裝置研究了滲透系數(shù)與介質(zhì)空隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的關(guān)系。錢(qián)家忠等主要對(duì)單一流徑基巖裂隙水的流態(tài)進(jìn)行了物理試驗(yàn)研究。劉詠根據(jù)室內(nèi)物理試驗(yàn)，研究了窄縫條件下（0.1～1.5 mm）裂隙水流的雷諾數(shù)隨裂隙開(kāi)啟度、裂隙水平均流速以及裂隙壁面粗糙度不同而變化的規(guī)律。沈振中等研制了光滑巖溶管道和裂隙交叉的水力特性物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。Faulkner等利用物理模型模擬了孔隙一管道介質(zhì)中的滲流與管流耦合情況。騰強(qiáng)等在室內(nèi)建立了一套裂隙介質(zhì)管道網(wǎng)絡(luò)物理模型試驗(yàn)裝置，并開(kāi)展裂隙滲流和溶質(zhì)運(yùn)移試驗(yàn)。黃勇等設(shè)計(jì)了含有單一管道和雙管道的裂隙充填試驗(yàn)，研究了裂隙填充條件下的地下水流及溶質(zhì)運(yùn)移特點(diǎn)。劉波等建立了裂隙管道網(wǎng)絡(luò)概念模型，搭建了不同管徑不同連通方式的管道網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了滲流和溶質(zhì)運(yùn)移試驗(yàn)。

目前針對(duì)落水洞的研究主要為探究其過(guò)流能力，在建立巖溶水文模型和探究巖溶水文過(guò)程中也會(huì)考慮落水洞的影響。

本文利用自制的裂除管道介質(zhì)物理模型進(jìn)行物理試驗(yàn)，探究落水洞的變化對(duì)裂除管道介質(zhì)內(nèi)水體流動(dòng)的影響。在外界補(bǔ)給停止后，裂除管道介質(zhì)的排水過(guò)程僅與介質(zhì)自身空隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，因而排水過(guò)程可以較為直觀地反映裂除管道介質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)其賦存水體運(yùn)動(dòng)的影響?？傊?，落水洞結(jié)構(gòu)的變化對(duì)裂除管道介質(zhì)排水過(guò)程的影響可以反映落水洞對(duì)介質(zhì)內(nèi)水體運(yùn)動(dòng)的影響，利用物理模型試驗(yàn)分析這一影響，對(duì)進(jìn)一步研究落水洞在巖溶水文過(guò)程中的儲(chǔ)水與導(dǎo)水作用具有一定的參考價(jià)值。

1物理模型與試驗(yàn)步驟

1.1物理模型

由于巖溶含水介質(zhì)的高度非均質(zhì)性，如何利用物理模型準(zhǔn)確刻畫(huà)高度非均質(zhì)裂除管道介質(zhì)中的地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，已成為水文地質(zhì)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。本文是該研究方向的初步探討，是從最簡(jiǎn)單的含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計(jì)了裂除管道介質(zhì)物理模型，其試驗(yàn)裝置主要由三部分組成：落水洞橫截面積可變的裂除管道介質(zhì)、降水補(bǔ)給裝置和出流計(jì)量系統(tǒng)。

落水洞橫截面積可變的裂除管道介質(zhì)：如圖1所示，裂除管道介質(zhì)為物理模型的主體部分。模型整體長(zhǎng)1200 mm，高856 mm，厚40 mm，由光滑的有機(jī)玻璃板拼接而成。裂隙網(wǎng)絡(luò)部分共設(shè)置8層隙寬2 mm的水平裂隙，在兩層水平裂隙之間、最下層水平裂隙之下和最上層水平裂隙之上均勻設(shè)置10條和水平裂隙垂直連通的隙寬1mm的豎直裂隙。裂隙網(wǎng)絡(luò)部分的右側(cè)設(shè)置一條橫截面積為40 mm×40 mm的豎直落水洞結(jié)構(gòu)，與8層水平裂隙均垂直連通，裂隙網(wǎng)絡(luò)部分下方設(shè)置一條橫截面積為40 mm×40 mm的水平地下暗河結(jié)構(gòu)，與位于最下層水平裂隙之下的10條豎直裂隙均垂直連通。落水洞結(jié)構(gòu)和地下暗河結(jié)構(gòu)也垂直相連通，構(gòu)成模型的管道部分。

另有與落水洞結(jié)構(gòu)等高、橫截面積為0.5 cm×4 cm的條狀有機(jī)玻璃材質(zhì)墊片4個(gè)，橫截面積為0.25 cm×4 cm的墊片1個(gè)，使得模型的落水洞橫截面積可變。將不同條數(shù)、規(guī)格的墊片插入物理模型的落水洞結(jié)構(gòu)中，可以得到9種橫截面不同的落水洞結(jié)構(gòu)，按橫截面積從小到大排序依次為：2 cm×4 cm、2.25 cm×4 cm、2.5 cm×4 cm、2.75 cm×4cm、3 cm×4 cm、3.25 cm×4cm、3.5 cm×4 cm、3.75 cm×4cm、4cm×4cm。

另外，模型上方有一均勻補(bǔ)給裝置，與降水補(bǔ)給裝置相連接，使由降水補(bǔ)給裝置提供的水流均勻地降落在裂除管道介質(zhì)模型的上表面；地下暗河結(jié)構(gòu)的左端為一直徑為20 mm的泉口，與出流計(jì)量系統(tǒng)相連接。

降水補(bǔ)給裝置和出流計(jì)量系統(tǒng)：降水補(bǔ)給裝置由水頭恒定的補(bǔ)給水箱、具有不同開(kāi)啟度的閥門(mén)、內(nèi)徑為15 mm的軟管構(gòu)成，通過(guò)均勻補(bǔ)給裝置對(duì)裂除管道介質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)給。裂除管道介質(zhì)的泉口外接一電磁流量計(jì)，即為出流計(jì)量系統(tǒng)。

1.2試驗(yàn)步驟

（1）在落水洞結(jié)構(gòu)內(nèi)插入一定條數(shù)、規(guī)格的墊片，確定本組試驗(yàn)的落水洞結(jié)構(gòu)截面條件。

（2）開(kāi)啟控制補(bǔ)給強(qiáng)度的閥門(mén)，記錄時(shí)刻為T(mén)₁。

（3）當(dāng)有水體從泉口出流時(shí)，記錄時(shí)刻為T(mén)₂。

（4）當(dāng)物理模型內(nèi)水位穩(wěn)定或水位到達(dá)模型頂部時(shí)，記錄此時(shí)相對(duì)于模型底面的相對(duì)水位H，同時(shí)關(guān)閉補(bǔ)給閥門(mén)，記錄時(shí)刻為T(mén)₃。

（5）當(dāng)物理模型內(nèi)水位下降至裂隙網(wǎng)絡(luò)部分與地下暗河結(jié)構(gòu)交界面盹記錄時(shí)刻為T(mén)₄。

（6）當(dāng)物理模型內(nèi)水位下降至泉口上緣時(shí)，記錄時(shí)刻為T(mén)₅。

（7）當(dāng)泉口停止出流時(shí)，記錄時(shí)刻為T(mén)₆。endprint

（8）重復(fù)步驟（2）至（7），得到同一落水洞結(jié)構(gòu)截面條件下不同補(bǔ)給強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（9）重復(fù)步驟（1）至（8），得到9種落水洞結(jié)構(gòu)截面條件下各種補(bǔ)給強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（10）將流量過(guò)程從電磁流量計(jì)中讀出。

2研究方法

2.1介質(zhì)分區(qū)

在停止補(bǔ)給之后，裂除管道介質(zhì)排水過(guò)程開(kāi)始，含水介質(zhì)內(nèi)飽和水體的水位隨之下降。介質(zhì)排水過(guò)程對(duì)應(yīng)的介質(zhì)內(nèi)飽和水體水位的下降過(guò)程可以劃分為三個(gè)階段，如圖2所示。

停止補(bǔ)給后，介質(zhì)排水過(guò)程開(kāi)始，裂除管道介質(zhì)內(nèi)飽和水體水位從排水過(guò)程初始水位所在平面迅速下降至裂隙網(wǎng)絡(luò)與地下暗河交界面，這是水位下降的第一個(gè)階段，對(duì)應(yīng)介質(zhì)排水過(guò)程的初期；進(jìn)而水位從裂隙網(wǎng)絡(luò)與地下暗河交界面較為緩慢地下降至泉口上緣所在平面，這是水位下降的第二個(gè)階段，對(duì)應(yīng)介質(zhì)排水過(guò)程的中期；最后水位從泉口上緣所在平面更為緩慢地下降至地下暗河底面，這是水位下降的第三個(gè)階段，對(duì)應(yīng)介質(zhì)排水過(guò)程的末期。

介質(zhì)內(nèi)水位下降過(guò)程的這三個(gè)階段對(duì)應(yīng)介質(zhì)不同區(qū)域的含水狀態(tài)的變化。在水位下降的第一個(gè)階段，介質(zhì)的裂隙網(wǎng)絡(luò)和落水洞結(jié)構(gòu)從飽水狀態(tài)變?yōu)榉秋査疇顟B(tài)，此階段地下暗河始終處于飽水狀態(tài)，泉口出流為飽和水流。在水位下降的第二個(gè)階段，裂隙網(wǎng)絡(luò)和落水洞結(jié)構(gòu)始終處于非飽水狀態(tài)，地下暗河在泉口上緣所在平面以上部分從飽水狀態(tài)變?yōu)榉秋査疇顟B(tài)，地下暗河在泉口上緣所在平面以下部分始終處于飽水狀態(tài)，泉口出流為飽和水流。在水位下降的第三個(gè)階段，裂隙網(wǎng)絡(luò)、落水洞結(jié)構(gòu)和地下暗河在泉口上緣所在平面以上部分始終處于非飽水狀態(tài)，地下暗河結(jié)構(gòu)在泉口上緣所在平面以下部分從飽水狀態(tài)變?yōu)榉秋査疇顟B(tài)，泉口出流為非飽和水流。

在介質(zhì)排水過(guò)程中，不同區(qū)域介質(zhì)內(nèi)水體的流動(dòng)特點(diǎn)不同，對(duì)應(yīng)介質(zhì)排水過(guò)程的不同時(shí)期；同時(shí)，三個(gè)介質(zhì)區(qū)域自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也不一樣。根據(jù)介質(zhì)內(nèi)水流特點(diǎn)和自身結(jié)構(gòu)的不同，對(duì)裂除管道介質(zhì)進(jìn)行分區(qū)，利用介質(zhì)排水時(shí)水位下降過(guò)程中高度遞減的四個(gè)水平面將介質(zhì)分為三個(gè)依次相通但結(jié)構(gòu)特點(diǎn)迥異的區(qū)域，如圖2所示。

將水位下降的第一個(gè)階段經(jīng)過(guò)的介質(zhì)分區(qū)稱(chēng)為裂隙網(wǎng)緡落水洞結(jié)構(gòu)區(qū)：該分區(qū)的儲(chǔ)水介質(zhì)為裂隙網(wǎng)絡(luò)-落水洞結(jié)構(gòu)，裂隙網(wǎng)絡(luò)在左，落水洞結(jié)構(gòu)在右，兩者相通；該分區(qū)內(nèi)的水體直接排泄至位于其正下方的、與裂隙網(wǎng)絡(luò)和落水洞結(jié)構(gòu)均相通的地下暗河，其排水過(guò)程在三個(gè)階段中最為迅速；對(duì)應(yīng)介質(zhì)排水過(guò)程的初期。

將水位下降的第二個(gè)階段經(jīng)過(guò)的介質(zhì)分區(qū)稱(chēng)為地下暗河上半?yún)^(qū)：該區(qū)域的儲(chǔ)水介質(zhì)結(jié)構(gòu)單一，為地下暗河結(jié)構(gòu)（上半部分）；該區(qū)域內(nèi)的水體直接排泄至地下暗河結(jié)構(gòu)（下半部分），其排水過(guò)程在三個(gè)階段中較為緩慢；對(duì)應(yīng)介質(zhì)排水過(guò)程的中期。

將水位下降的第三個(gè)階段經(jīng)過(guò)的介質(zhì)分區(qū)稱(chēng)為地下暗河下半?yún)^(qū)：該區(qū)域的儲(chǔ)水介質(zhì)結(jié)構(gòu)單一，為地下暗河結(jié)構(gòu)（下半部分）；該區(qū)域內(nèi)的水體通過(guò)位于地下暗河結(jié)構(gòu)（下半部分）左端的圓形泉口排泄至介質(zhì)外，其排水過(guò)程在三個(gè)階段中最為緩慢；對(duì)應(yīng)介質(zhì)排水過(guò)程的末期。

相應(yīng)地，對(duì)于裂除管道介質(zhì)整體：儲(chǔ)水介質(zhì)為裂隙網(wǎng)絡(luò)-落水洞結(jié)構(gòu)-地下暗河，裂隙網(wǎng)絡(luò)、落水洞結(jié)構(gòu)一左一右在上，地下暗河在下，三者相互連通；水體通過(guò)位于地下暗河結(jié)構(gòu)（下半部分）左端的圓形泉口排泄至介質(zhì)外，其排水過(guò)程綜合了各分區(qū)的排水過(guò)程，是一個(gè)由快至慢的變化過(guò)程；對(duì)應(yīng)介質(zhì)排水的全過(guò)程。endprint