落水洞对裂除管道介质排水过程的影响

齐天松　束龙仓　张依楠　温忠辉　刘波　鲁程鹏

摘要：利用自行研制的裂除管道介质物理模型进行多组试驗，探究落水洞对介质排水过程的影响。对裂除管道介质按照介质空隙结构特点进行分区，引入反映介质排水过程中水体排泄快慢的单位时间排水量，进而得到对应不同介质分区和介质整体的四个单位时间排水量。利用单位时间排水量分析九种落水洞横截面积对裂除管道介质排水过程的影响。结果表明：落水洞横截面积的增大对裂除管道介质结构的影响为增大其储水空间和导水空间；落水洞横截面积的增大会加快裂除管道介质的排水过程，排水过程对落水洞横截面积增大的响应在横截面积的增大量达到某一阈值后才会发生，该阈值和介质空隙结构有关；排水过程的三个不同阶段的阈值不同，末期的阈值小于初期、中期的阈值。

关键词：落水洞；裂除管道介质；排水过程；物理试验

中图分类号：P641 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）05-0097-07

落水洞是消泄地表水的近于垂直的或倾斜的洞穴，是岩溶含水介质的主要储水空间和导水通道。由于成岩沉积时的非均质性、成岩后的碎裂和岩溶作用等，岩溶含水系统具有高度非均质性，这给岩溶水流运动规律的研究带来了很多困难，建立物理模型来进行室内试验成为研究岩溶水流的有效方法。

耿克勤等利用特制的岩石裂隙渗流物理试验装置研究了渗透系数与介质空隙结构特点的关系。钱家忠等主要对单一流径基岩裂隙水的流态进行了物理试验研究。刘咏根据室内物理试验，研究了窄缝条件下（0.1～1.5 mm）裂隙水流的雷诺数随裂隙开启度、裂隙水平均流速以及裂隙壁面粗糙度不同而变化的规律。沈振中等研制了光滑岩溶管道和裂隙交叉的水力特性物理试验模型。Faulkner等利用物理模型模拟了孔隙一管道介质中的渗流与管流耦合情况。腾强等在室内建立了一套裂隙介质管道网络物理模型试验装置，并开展裂隙渗流和溶质运移试验。黄勇等设计了含有单一管道和双管道的裂隙充填试验，研究了裂隙填充条件下的地下水流及溶质运移特点。刘波等建立了裂隙管道网络概念模型，搭建了不同管径不同连通方式的管道网络试验装置，进行了渗流和溶质运移试验。

目前针对落水洞的研究主要为探究其过流能力，在建立岩溶水文模型和探究岩溶水文过程中也会考虑落水洞的影响。

本文利用自制的裂除管道介质物理模型进行物理试验，探究落水洞的变化对裂除管道介质内水体流动的影响。在外界补给停止后，裂除管道介质的排水过程仅与介质自身空隙结构有关，因而排水过程可以较为直观地反映裂除管道介质结构对其赋存水体运动的影响。总之，落水洞结构的变化对裂除管道介质排水过程的影响可以反映落水洞对介质内水体运动的影响，利用物理模型试验分析这一影响，对进一步研究落水洞在岩溶水文过程中的储水与导水作用具有一定的参考价值。

1物理模型与试验步骤

1.1物理模型

由于岩溶含水介质的高度非均质性，如何利用物理模型准确刻画高度非均质裂除管道介质中的地下水运动规律，已成为水文地质学研究的热点之一。本文是该研究方向的初步探讨，是从最简单的含水介质结构出发，设计了裂除管道介质物理模型，其试验装置主要由三部分组成：落水洞横截面积可变的裂除管道介质、降水补给装置和出流计量系统。

落水洞横截面积可变的裂除管道介质：如图1所示，裂除管道介质为物理模型的主体部分。模型整体长1200 mm，高856 mm，厚40 mm，由光滑的有机玻璃板拼接而成。裂隙网络部分共设置8层隙宽2 mm的水平裂隙，在两层水平裂隙之间、最下层水平裂隙之下和最上层水平裂隙之上均匀设置10条和水平裂隙垂直连通的隙宽1mm的竖直裂隙。裂隙网络部分的右侧设置一条横截面积为40 mm×40 mm的竖直落水洞结构，与8层水平裂隙均垂直连通，裂隙网络部分下方设置一条横截面积为40 mm×40 mm的水平地下暗河结构，与位于最下层水平裂隙之下的10条竖直裂隙均垂直连通。落水洞结构和地下暗河结构也垂直相连通，构成模型的管道部分。

另有与落水洞结构等高、横截面积为0.5 cm×4 cm的条状有机玻璃材质垫片4个，横截面积为0.25 cm×4 cm的垫片1个，使得模型的落水洞横截面积可变。将不同条数、规格的垫片插入物理模型的落水洞结构中，可以得到9种横截面不同的落水洞结构，按横截面积从小到大排序依次为：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，模型上方有一均匀补给装置，与降水补给装置相连接，使由降水补给装置提供的水流均匀地降落在裂除管道介质模型的上表面；地下暗河结构的左端为一直径为20 mm的泉口，与出流计量系统相连接。

降水补给装置和出流计量系统：降水补给装置由水头恒定的补给水箱、具有不同开启度的阀门、内径为15 mm的软管构成，通过均匀补给装置对裂除管道介质进行补给。裂除管道介质的泉口外接一电磁流量计，即为出流计量系统。

1.2试验步骤

（1）在落水洞结构内插入一定条数、规格的垫片，确定本组试验的落水洞结构截面条件。

（2）开启控制补给强度的阀门，记录时刻为T₁。

（3）当有水体从泉口出流时，记录时刻为T₂。

（4）当物理模型内水位稳定或水位到达模型顶部时，记录此时相对于模型底面的相对水位H，同时关闭补给阀门，记录时刻为T₃。

（5）当物理模型内水位下降至裂隙网络部分与地下暗河结构交界面盹记录时刻为T₄。

（6）当物理模型内水位下降至泉口上缘时，记录时刻为T₅。

（7）当泉口停止出流时，记录时刻为T₆。endprint

（8）重复步骤（2）至（7），得到同一落水洞结构截面条件下不同补给强度的试验数据。

（9）重复步骤（1）至（8），得到9种落水洞结构截面条件下各种补给强度的试验数据。

（10）将流量过程从电磁流量计中读出。

2研究方法

2.1介质分区

在停止补给之后，裂除管道介质排水过程开始，含水介质内饱和水体的水位随之下降。介质排水过程对应的介质内饱和水体水位的下降过程可以划分为三个阶段，如图2所示。

停止补给后，介质排水过程开始，裂除管道介质内饱和水体水位从排水过程初始水位所在平面迅速下降至裂隙网络与地下暗河交界面，这是水位下降的第一个阶段，对应介质排水过程的初期；进而水位从裂隙网络与地下暗河交界面较为缓慢地下降至泉口上缘所在平面，这是水位下降的第二个阶段，对应介质排水过程的中期；最后水位从泉口上缘所在平面更为缓慢地下降至地下暗河底面，这是水位下降的第三个阶段，对应介质排水过程的末期。

介质内水位下降过程的这三个阶段对应介质不同区域的含水状态的变化。在水位下降的第一个阶段，介质的裂隙网络和落水洞结构从饱水状态变为非饱水状态，此阶段地下暗河始终处于饱水状态，泉口出流为饱和水流。在水位下降的第二个阶段，裂隙网络和落水洞结构始终处于非饱水状态，地下暗河在泉口上缘所在平面以上部分从饱水状态变为非饱水状态，地下暗河在泉口上缘所在平面以下部分始终处于饱水状态，泉口出流为饱和水流。在水位下降的第三个阶段，裂隙网络、落水洞结构和地下暗河在泉口上缘所在平面以上部分始终处于非饱水状态，地下暗河结构在泉口上缘所在平面以下部分从饱水状态变为非饱水状态，泉口出流为非饱和水流。

在介质排水过程中，不同区域介质内水体的流动特点不同，对应介质排水过程的不同时期；同时，三个介质区域自身的结构特点也不一样。根据介质内水流特点和自身结构的不同，对裂除管道介质进行分区，利用介质排水时水位下降过程中高度递减的四个水平面将介质分为三个依次相通但结构特点迥异的区域，如图2所示。

将水位下降的第一个阶段经过的介质分区称为裂隙网缗落水洞结构区：该分区的储水介質为裂隙网络-落水洞结构，裂隙网络在左，落水洞结构在右，两者相通；该分区内的水体直接排泄至位于其正下方的、与裂隙网络和落水洞结构均相通的地下暗河，其排水过程在三个阶段中最为迅速；对应介质排水过程的初期。

将水位下降的第二个阶段经过的介质分区称为地下暗河上半区：该区域的储水介质结构单一，为地下暗河结构（上半部分）；该区域内的水体直接排泄至地下暗河结构（下半部分），其排水过程在三个阶段中较为缓慢；对应介质排水过程的中期。

将水位下降的第三个阶段经过的介质分区称为地下暗河下半区：该区域的储水介质结构单一，为地下暗河结构（下半部分）；该区域内的水体通过位于地下暗河结构（下半部分）左端的圆形泉口排泄至介质外，其排水过程在三个阶段中最为缓慢；对应介质排水过程的末期。

相应地，对于裂除管道介质整体：储水介质为裂隙网络-落水洞结构-地下暗河，裂隙网络、落水洞结构一左一右在上，地下暗河在下，三者相互连通；水体通过位于地下暗河结构（下半部分）左端的圆形泉口排泄至介质外，其排水过程综合了各分区的排水过程，是一个由快至慢的变化过程；对应介质排水的全过程。endprint