[發明專利]可模擬凍土區地下水熱效應及滲流效應的裝置及方法

在審

• 申請號: 201710562902.8
• 申請日: 2017-07-11
• 公開（公告）號: CN107290262A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 吳亞平;王進昌;段志東;孫永寧;孫安元;王海新;梁浩;趙海濤;車寶
• 申請（專利權）人: 蘭州交通大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N25/00
• 代理公司: 北京中恒高博知識產權代理有限公司11249
• 代理人: 陸菊華

技術領域

本發明涉及鐵路領域的一種室內試驗裝置，具體地，涉及可模擬凍土區地下水熱效應與滲流效應裝置及方法。

背景技術

地球上凍土區的面積約占陸地總面積的50％。其中多年凍土區占陸地總面積25％。在我國，多年凍土區分布自青藏高原、大小興安嶺、天山、祁連山、長白山等地區，季節凍土區則分布整個北方。凍土是一種對溫度極為敏感的土體介質，含有豐富的地下冰、地下水。而凍土區地下水熱效應及熱效應與滲流效應的耦合作用造成的問題一直是軌道交通中的一項重大問題，特別是近年來鐵路的高速化和重載化，使的這類問題造成的影響更為突出，大大增加了線路的運行和維護成本，嚴重影響列車運行的安全性和舒適性，造成了巨大的人力和物力損失。因此，研究凍土區地下水熱效應及熱效應與滲流效應的耦合作用，對于保證輪軌的穩定性、安全性以及延長其使用壽命具有重要的現實和經濟意義。

由于凍土區地下水熱效應及熱效應與滲流效應耦合作用是多種因素共同作用的結果，其機理非常復雜，數值分析方法難以實現對復雜工況下的定量分析。因此，為了更好地研究地下水對路基沉降影響的關系，揭示不同工況對沉降的影響，進行試驗研究是非常必要且可行的方法。目前，現有的試驗方法只能模擬熱效應，雖然比較接近實際情況，但對熱效應與滲流效應的耦合作用卻沒有考慮，很難定性的模擬凍土區地下水熱效應與滲流效應耦合作用下的影響。

發明內容

本發明的目的在于，針對上述問題，提出可模擬凍土區地下水熱效應與滲流效應裝置及方法，以實現高效率、精度高、維護費用小和花費時間短的優點。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：可模擬凍土區地下水熱效應與滲流效應裝置，主要包括集成溫控系統、水量控制系統、工程塑料水箱、雙通道復合碳化硅管道組件、凍土區土層模擬系統和溫度傳感系統；

所述集成溫控系統，用以控制水路管道內水流的溫度；

所述水量控制系統，用以控制工程塑料水箱內的水流入雙通道復合碳化硅管道內的量和速度；

所述工程塑料水箱，用以存放試驗用的水；

所述雙通道復合碳化硅管道組件，是水流的通道，其一部分埋入凍土層，埋入凍土層的雙通道復合碳化硅管道上開有能將水滲透入土層的小孔；

所述凍土層模擬系統，是試驗用凍土層及其應變測量、溫度測量裝置；

所述溫度傳感系統，是用以測量地下水溫度、土層溫度的試驗裝置。

進一步地，所述集成溫控系統與水量控制系統的配合，對循環水流進行精準控制，可實現恒溫、定速的水流輸出。

進一步地，所述水量控制系統包括水量傳感器、PID智能調節儀和電動比例調節閥，可以精準地控制水流流速。

進一步地，所述集成溫控系統包括加熱控流系統、工程塑料水箱、水泵、管道連接件、球型轉換閥門、雙通道復合碳化硅管道、通水管、連接線、溫度儀和溫度傳感器。

進一步地，所述加熱控流系統采用微波加熱方式，具有加熱均勻、加熱效率高的特點，可實現溫度升降的快速、準確控制。

進一步地，所述雙通道復合碳化硅管道數目可以為多個，可實現同時進行多個凍土區地層模擬部位的試驗，通過組合管道可適應各種大小的凍土區地層模擬裝置；管道之間可以組合連接，可使該設備滿足各種大小的凍土區地層模擬裝置。

進一步地，所述雙通道復合碳化硅管道為內外兩層管壁構成，雙通道復合碳化硅管道內壁布置熱敏電阻，是為了在進行熱效應與滲流效應共同作用的試驗的過程中，可觀察管內水的溫度是否符合要求；

雙通道復合碳化硅管道外壁布置熱敏電阻，是為了在進行熱效應試驗的過程中，可觀察管外壁的溫度是否符合要求。

進一步地，所述雙通道復合碳化硅管道壁均勻螺旋分布滲水孔，再用精密特級濾網包裹滲水孔，滲水孔采用螺旋式環繞均勻分布，使其可以更好的模擬水流流入土體的實際狀況。

進一步地，所述雙通道復合碳化硅管道口采用三個小球連接的球閥式閥門，通過調節球形閥門來轉換水流路徑，實現內管道注水可模擬凍土區地下水的熱效應與滲流效應的耦合作用，可簡單有效的控制水流輸入雙通道復合管道的位置，方便熱效應試驗與熱效應與滲流效應耦合作用試驗地相互轉換。

進一步地，可模擬凍土區地下水熱效應與滲流效應方法，具體包括：

步驟1：根據試驗要求組裝雙通道復合碳化硅管道，將其埋入凍土區土層模擬系統中的預定位置；

步驟2：使用連接器連接集成溫控系統、水量控制系統、工程塑料水箱、雙通道復合碳化硅管道組件、凍土區土層模擬系統、溫度傳感系統；

步驟3：根據試驗種類選擇不同的球型閥門開關；