專利名稱：一種模擬多年凍土區(qū)水井保溫或加熱的試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可模擬多年凍土區(qū)水井保溫或加熱的試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
在多年凍土區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)或生活時(shí)，必須提供水，但這些地區(qū)常年處于凍結(jié)狀態(tài)，尤其到冬天，到處冰天雪地，很難找到未凍結(jié)的水源。幸運(yùn)的是，在一定厚度(幾米到上百米)的多年凍土層以下可能存在未凍水，稱為凍結(jié)層下水，通過打井抽水，可以提供水源。然而，仍存在一些問題需要解決。凍結(jié)層下水本來是未凍結(jié)的，抽水過 程中經(jīng)過多年凍土層時(shí)，會(huì)與凍土層發(fā)生熱交換，溫度降低，從而可能發(fā)生凍結(jié)，使水抽不出來。因此需要采取一定的措施，例如在水井周圍加保溫層或者在水井里面放置加熱裝置，以保證水井里面的水不完全凍結(jié)。水井里的水發(fā)生凍結(jié)的可能性與現(xiàn)場的水文地質(zhì)條件及采取的措施有關(guān)，如多年凍土層的厚度和溫度、凍結(jié)層下水的水壓、水井直徑、抽水量、抽水速度、保溫層的厚度、加熱裝置的功率等。另外，在多年凍土地區(qū)，能源非常寶貴，對(duì)水井采取措施時(shí)還要考慮節(jié)能的要求。打井前需要進(jìn)行模擬試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場的水文地質(zhì)條件，研究得到合理的水井直徑、抽水速度、保溫層厚度、加熱裝置功率等。因此，尋找一種能夠模擬多年凍土區(qū)水井抽水過程、并設(shè)置保溫或加熱裝置的模型試驗(yàn)裝置十分必要，也是科技人員、工程技術(shù)人員亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)多年凍土區(qū)打井抽水的實(shí)際工程問題，本發(fā)明的目的旨在提供一種可模擬多年凍土區(qū)水井保溫或加熱的試驗(yàn)裝置。裝置中，土體材料裝在試驗(yàn)罐內(nèi)，與制冷控溫裝置連接的試驗(yàn)罐底板和頂板與土體接觸，使土體降溫，從而模擬野外的多年凍土場地。水罐放置在試驗(yàn)罐內(nèi)部，并與補(bǔ)水裝置和抽水裝置相連，模擬水井的抽水過程。根據(jù)試驗(yàn)需要，在水罐外部設(shè)置保溫桶或在水罐內(nèi)放置加熱管，模擬水井在抽水過程中采取的保溫或加熱措施。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
一種可模擬多年凍土區(qū)水井保溫或加熱的試驗(yàn)裝置，含試樣罐外圈、試驗(yàn)罐內(nèi)圈、試驗(yàn)罐頂板、試驗(yàn)罐底板、冷凍液循環(huán)通道、第一制冷控溫裝置、第二制冷控溫裝置、土體、水罐、保溫桶、保溫蓋、補(bǔ)水管、補(bǔ)水裝置、水壓表、抽水管、抽水裝置、流速計(jì)、加熱管、加熱控溫裝置、第一溫度傳感器和第二溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀。試驗(yàn)罐是由試樣罐外圈、試樣罐內(nèi)圈、試樣罐頂板和試樣罐底板構(gòu)成的一個(gè)圓形夾層桶體，夾層內(nèi)填充土體，試驗(yàn)罐頂板和試樣罐底板內(nèi)部開有冷凍液循環(huán)通道，并分別與第一制冷控溫裝置和第二制冷控溫裝置相連，試樣罐頂板和試樣罐底板都與土體接觸；水罐是一個(gè)密封的整體，水罐里面裝水，水罐放置在試樣罐內(nèi)圈里面，水罐和試樣罐內(nèi)圈之間放置保溫桶，水罐上下放置保溫蓋，補(bǔ)水裝置通過補(bǔ)水管與水罐底板相連，補(bǔ)水管上設(shè)置水壓表，抽水裝置通過抽水管與水罐頂蓋相連，抽水管插入水罐里的水中，抽水管上設(shè)置流速計(jì)，加熱控溫裝置通過導(dǎo)線與加熱管相連，加熱管插入水罐里的水中；土體內(nèi)不同位置設(shè)置第一溫度傳感器，水罐里的水中設(shè)置第二溫度傳感器，第一溫度傳感器和第二溫度傳感器分別與數(shù)據(jù)采集儀相連，監(jiān)測土體的溫度和水的溫度。上述的試驗(yàn)罐外圈、試驗(yàn)罐內(nèi)圈、水罐是由環(huán)氧樹脂制成；試驗(yàn)罐頂板和底板是由鋁鎂合金制成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生的有益效果是 I、根據(jù)實(shí)際工程需要，靈活地模擬不同直徑的水井、考慮不同的土體范圍、采取不同厚度的保溫層。2、通過模擬試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場多年凍土場地的水文地質(zhì)條件，研究得到合理的水井直徑、抽水速度、保溫層厚度、加熱裝置的功率等。一方面保證了在多年凍土區(qū)能夠順利打井、抽水，提供水源，另一方面，保證所采取的措施消耗的能源最小，達(dá)到節(jié)能、環(huán)保的目的。3、可以模擬野外條件，使用太陽能板為加熱控溫裝置及數(shù)據(jù)采集儀提供電源，從而選擇合理的太陽能電池。


圖I是本發(fā)明立體示意圖。圖2是圖I的縱剖面示意圖。圖3是圖I中試樣罐底板和頂板主視圖。圖4是圖3中試樣罐底板和頂板內(nèi)部冷凍液循環(huán)通道俯視圖。圖5是圖I中試樣罐底板表面示意圖。其中1第一制冷控溫裝置；2—試樣罐頂板；3—土體；4一流速計(jì)；5—抽水管；6—保溫蓋；7—加熱控溫裝置；8—數(shù)據(jù)采集儀；9一第一溫度傳感器；10—補(bǔ)水裝置；11一試驗(yàn)罐外圈；12—水壓表；13—補(bǔ)水管；14一冷凍液循環(huán)通道；15—加熱管；16—第二溫度傳感器；17—水；18—水iil ；19一保溫桶；20—試驗(yàn)iil底板；21—第二制冷控溫裝置；22—抽水裝置；23—試驗(yàn)罐內(nèi)圈
具體實(shí)施例方式本發(fā)明使用的土體材料3是直接從現(xiàn)場取的土或者根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件由細(xì)顆粒土或較粗顆粒的碎石加水?dāng)嚢枰院笮纬傻囊环N材料；使用的水17是直接從現(xiàn)場取的地下水或根據(jù)現(xiàn)場水文條件配置的含一定礦物質(zhì)的水。下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案再作進(jìn)一步的說明
如圖I-圖3所示，一種可以模擬多年凍土區(qū)水井保溫或加熱的試驗(yàn)裝置，含試驗(yàn)罐外圈11、試驗(yàn)罐內(nèi)圈23、試驗(yàn)罐頂板2、試驗(yàn)罐底板20、冷凍液循環(huán)通道14、第一制冷控溫裝置I和第二制冷控溫裝置21、土體3、水罐18、水17、保溫桶19、保溫蓋6、補(bǔ)水管13、補(bǔ)水裝置10、水壓表12、抽水管5、抽水裝置22、流速計(jì)4、加熱管15、加熱控溫裝置7、第一溫度傳感器9和第二溫度傳感器16、數(shù)據(jù)采集儀8。試驗(yàn)罐是由試樣罐外圈11、試樣罐內(nèi)圈23、試樣罐頂板2和試樣罐底板20構(gòu)成的一個(gè)圓形夾層桶體。試驗(yàn)罐外圈11和試驗(yàn)罐的內(nèi)圈23由導(dǎo)熱性能差、強(qiáng)度高的環(huán)氧樹脂制成；試驗(yàn)罐的頂板2和試驗(yàn)罐底板20由導(dǎo)熱性能好的鋁鎂合金制成，試驗(yàn)罐頂板2和試驗(yàn)罐底板20內(nèi)部開有雙螺旋環(huán)形流道作為冷凍液循環(huán)通道14，試驗(yàn)罐頂板2和試驗(yàn)罐底板20分別通過管道與第一制冷控溫裝置I和第二制冷控溫裝置21相連；試驗(yàn)罐外圈11和試驗(yàn)罐內(nèi)圈23之間裝土體3，第一制冷控溫裝置I和第二制冷控溫裝置21給冷凍液制冷、降溫后的冷凍液流入試驗(yàn)罐頂板2和試驗(yàn)罐底板20內(nèi)部的雙螺旋環(huán)形流道14、試驗(yàn)罐頂板2和試驗(yàn)罐底板20與土體3接觸并發(fā)生熱交換，從而使土體3溫度降低，模擬現(xiàn)場的多年凍土場地。水罐18是由導(dǎo)熱性能差、強(qiáng)度高的環(huán)氧樹脂制成的一個(gè)密封整體，包括側(cè)壁、底板和頂蓋。水灌18置于試驗(yàn)罐內(nèi)圈23里面，水灌18里面裝水17，可以模擬在多年凍土場地打的水井。補(bǔ)水裝置10通過補(bǔ)水管13與水罐18底板相連，補(bǔ)水管13上設(shè)置水壓表12，用于監(jiān)測水壓。抽水裝置22通過抽水管5與水罐18頂蓋相連，抽水管5插入水罐18內(nèi)的水17中，抽水管5上設(shè)置流速計(jì)4，用于監(jiān)測抽水的流速。補(bǔ)水裝置10、抽水裝置22、水罐18連結(jié)在一起可以模擬水井的抽水過程。水罐18與試驗(yàn)罐內(nèi)圈23之間設(shè)置保溫桶19，水罐底板和頂蓋外面設(shè)置保溫蓋6，從而模擬水井抽水過程中的保溫措施。加熱管15插入水罐18內(nèi)的水17中，并通過導(dǎo)線與加熱控溫裝置7相 連，模擬水井抽水過程中的加熱措施。第一溫度傳感器9和第二溫度傳感器16布設(shè)在土體3中和水17中不同位置處，實(shí)時(shí)監(jiān)測土體3和水17的溫度。試驗(yàn)罐底板20的表面刻有不同直徑的凹槽(如附圖4)，配合不同直徑的水罐18、試驗(yàn)罐外圈11和試驗(yàn)罐內(nèi)圈23、不同厚度的保溫桶19使用。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)所模擬的水井直徑來選擇一定直徑的水罐18，放置到試驗(yàn)罐底板20上，然后根據(jù)擬采取的保溫措施來選擇一定厚度的保溫桶19，放置到水罐18外面，再將試驗(yàn)罐內(nèi)圈23插到試驗(yàn)罐底板20上，最后，根據(jù)擬考慮的土體范圍選擇一定直徑的試驗(yàn)罐外圈11、并插到試驗(yàn)罐底板20上。這樣，就可模擬不同直徑的水井、采用不同厚度的保溫層、考慮不同范圍的土體。
權(quán)利要求
1.一種可模擬多年凍土區(qū)水井保溫或加熱的試驗(yàn)裝置，含試樣罐外圈(11)、試驗(yàn)罐內(nèi)圈(23)、試驗(yàn)罐頂板(2)、試驗(yàn)罐底板(20)、冷凍液循環(huán)通道(14)、制冷控溫裝置(I)、第二制冷控溫裝置(21)、土體(3)、水罐(18)、保溫桶(19)、保溫蓋(6)、補(bǔ)水管(13)、補(bǔ)水裝置(10)、水壓表(12)、抽水管(5)、抽水裝置(22)、流速計(jì)(4)、加熱管(15)、加熱控溫裝置(7)、第一溫度傳感器(9)和第二溫度傳感器(16)、數(shù)據(jù)采集儀(8)，其特征是試驗(yàn)罐是由試樣罐外圈(11)、試樣罐內(nèi)圈(23)、試樣罐頂板(2)和試樣罐底板(20)構(gòu)成的一個(gè)圓形夾層桶體,夾層內(nèi)填充土體(3)，試驗(yàn)罐頂板(2)和試樣罐底板(20)內(nèi)部開有冷凍液循環(huán)通道(14)，并分別與第一制冷控溫裝置(I)和第二制冷控溫裝置(21)相連，試樣罐頂板(2)和試樣罐底板(20)都與土體(3)接觸；水罐(18)是一個(gè)密封的整體，水罐(18)里面裝水(17)，水罐(18)放置在試樣罐內(nèi)圈(23)里面，水罐(18)和試樣罐內(nèi)圈(23)之間放置保溫桶(19)，水罐(18)上下放置保溫蓋(6)，補(bǔ)水裝置(10)通過補(bǔ)水管(13)與水罐(18)底板相連，補(bǔ)水管(13)上設(shè)置水壓表(12)，抽水裝置(22)通過抽水管(5)與水罐(18)頂蓋相連，抽水管(5)插入水罐(18)里的水(17)中，抽水管(5)上設(shè)置流速計(jì)(4)，加熱控溫裝置(7)通過導(dǎo)線與加熱管(15)相連，加熱管(15)插入水罐(18)里的水(17)中；土體(3)內(nèi)不同位置設(shè)置第一溫度傳感器(9)，水罐(18)里的水(17)中設(shè)置第二溫度傳感器(16)，第一溫度傳感器(9)和第二溫度傳感器(16)分別與數(shù)據(jù)采集儀(8)相連，監(jiān)測土體(3)的溫度和水(17)的溫度。
2.按權(quán)利要求I所述的可模擬多年凍土區(qū)水井保溫或加熱的試驗(yàn)裝置，其特征是上述的試驗(yàn)罐外圈(11)、試驗(yàn)罐內(nèi)圈(23)、水罐(18)是由環(huán)氧樹脂制成，試驗(yàn)罐頂板(2)和底板(20)是由招續(xù)合金制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可模擬多年凍土區(qū)水井保溫或加熱的試驗(yàn)裝置，其特征是試驗(yàn)罐是由外圈、內(nèi)圈、頂板和底板構(gòu)成圓形夾層桶體，夾層內(nèi)填充土體，頂板和底板內(nèi)部開有冷凍液循環(huán)通道，與制冷控溫裝置相連，并與土體接觸；水罐內(nèi)裝水，置于試驗(yàn)罐內(nèi)，水罐和試驗(yàn)罐間放置保溫桶，水罐上下放置保溫蓋，補(bǔ)水裝置通過補(bǔ)水管與水罐底板相連，補(bǔ)水管上有水壓表，抽水裝置通過抽水管與水罐頂蓋相連，抽水管插入水罐水中，抽水管上有流速計(jì)，加熱控溫裝置通過導(dǎo)線與加熱管相連，加熱管插入水罐水中；土體內(nèi)和水罐水中設(shè)置溫度傳感器，分別與數(shù)采儀相連。本發(fā)明模擬凍土區(qū)水井，得到合理的水井直徑、抽水速度、保溫層厚度、加熱裝置的功率。達(dá)到節(jié)能、環(huán)保的目的。
文檔編號(hào)E02D33/00GK102864793SQ20121019696
公開日2013年1月9日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者趙淑萍, 南卓銅, 杜玉霞, 劉繼民 申請人:中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所