落水洞對裂除管道介質排水過程的影響

齊天松　束龍倉　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物理模型進行多組試驗，探究落水洞對介質排水過程的影響。對裂除管道介質按照介質空隙結構特點進行分區，引入反映介質排水過程中水體排泄快慢的單位時間排水量，進而得到對應不同介質分區和介質整體的四個單位時間排水量。利用單位時間排水量分析九種落水洞橫截面積對裂除管道介質排水過程的影響。結果表明：落水洞橫截面積的增大對裂除管道介質結構的影響為增大其儲水空間和導水空間；落水洞橫截面積的增大會加快裂除管道介質的排水過程，排水過程對落水洞橫截面積增大的響應在橫截面積的增大量達到某一閾值后才會發生，該閾值和介質空隙結構有關；排水過程的三個不同階段的閾值不同，末期的閾值小于初期、中期的閾值。

關鍵詞：落水洞；裂除管道介質；排水過程；物理試驗

中圖分類號：P641 文獻標識碼：A 文章編號：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，是巖溶含水介質的主要儲水空間和導水通道。由于成巖沉積時的非均質性、成巖后的碎裂和巖溶作用等，巖溶含水系統具有高度非均質性，這給巖溶水流運動規律的研究帶來了很多困難，建立物理模型來進行室內試驗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裝置研究了滲透系數與介質空隙結構特點的關系。錢家忠等主要對單一流徑基巖裂隙水的流態進行了物理試驗研究。劉詠根據室內物理試驗，研究了窄縫條件下（0.1～1.5 mm）裂隙水流的雷諾數隨裂隙開啟度、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模型。Faulkner等利用物理模型模擬了孔隙一管道介質中的滲流與管流耦合情況。騰強等在室內建立了一套裂隙介質管道網絡物理模型試驗裝置，并開展裂隙滲流和溶質運移試驗。黃勇等設計了含有單一管道和雙管道的裂隙充填試驗，研究了裂隙填充條件下的地下水流及溶質運移特點。劉波等建立了裂隙管道網絡概念模型，搭建了不同管徑不同連通方式的管道網絡試驗裝置，進行了滲流和溶質運移試驗。

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

本文利用自制的裂除管道介質物理模型進行物理試驗，探究落水洞的變化對裂除管道介質內水體流動的影響。在外界補給停止后，裂除管道介質的排水過程僅與介質自身空隙結構有關，因而排水過程可以較為直觀地反映裂除管道介質結構對其賦存水體運動的影響。總之，落水洞結構的變化對裂除管道介質排水過程的影響可以反映落水洞對介質內水體運動的影響，利用物理模型試驗分析這一影響，對進一步研究落水洞在巖溶水文過程中的儲水與導水作用具有一定的參考價值。

1物理模型與試驗步驟

1.1物理模型

由于巖溶含水介質的高度非均質性，如何利用物理模型準確刻畫高度非均質裂除管道介質中的地下水運動規律，已成為水文地質學研究的熱點之一。本文是該研究方向的初步探討，是從最簡單的含水介質結構出發，設計了裂除管道介質物理模型，其試驗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、降水補給裝置和出流計量系統。

落水洞橫截面積可變的裂除管道介質：如圖1所示，裂除管道介質為物理模型的主體部分。模型整體長1200 mm，高856 mm，厚40 mm，由光滑的有機玻璃板拼接而成。裂隙網絡部分共設置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置10條和水平裂隙垂直連通的隙寬1mm的豎直裂隙。裂隙網絡部分的右側設置一條橫截面積為40 mm×40 mm的豎直落水洞結構，與8層水平裂隙均垂直連通，裂隙網絡部分下方設置一條橫截面積為40 mm×40 mm的水平地下暗河結構，與位于最下層水平裂隙之下的10條豎直裂隙均垂直連通。落水洞結構和地下暗河結構也垂直相連通，構成模型的管道部分。

另有與落水洞結構等高、橫截面積為0.5 cm×4 cm的條狀有機玻璃材質墊片4個，橫截面積為0.25 cm×4 cm的墊片1個，使得模型的落水洞橫截面積可變。將不同條數、規格的墊片插入物理模型的落水洞結構中，可以得到9種橫截面不同的落水洞結構，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給裝置，與降水補給裝置相連接，使由降水補給裝置提供的水流均勻地降落在裂除管道介質模型的上表面；地下暗河結構的左端為一直徑為20 mm的泉口，與出流計量系統相連接。

降水補給裝置和出流計量系統：降水補給裝置由水頭恒定的補給水箱、具有不同開啟度的閥門、內徑為15 mm的軟管構成，通過均勻補給裝置對裂除管道介質進行補給。裂除管道介質的泉口外接一電磁流量計，即為出流計量系統。

1.2試驗步驟

（1）在落水洞結構內插入一定條數、規格的墊片，確定本組試驗的落水洞結構截面條件。

（2）開啟控制補給強度的閥門，記錄時刻為T₁。

（3）當有水體從泉口出流時，記錄時刻為T₂。

（4）當物理模型內水位穩定或水位到達模型頂部時，記錄此時相對于模型底面的相對水位H，同時關閉補給閥門，記錄時刻為T₃。

（5）當物理模型內水位下降至裂隙網絡部分與地下暗河結構交界面盹記錄時刻為T₄。

（6）當物理模型內水位下降至泉口上緣時，記錄時刻為T₅。

（7）當泉口停止出流時，記錄時刻為T₆。endprint

（8）重復步驟（2）至（7），得到同一落水洞結構截面條件下不同補給強度的試驗數據。

（9）重復步驟（1）至（8），得到9種落水洞結構截面條件下各種補給強度的試驗數據。

（10）將流量過程從電磁流量計中讀出。

2研究方法

2.1介質分區

在停止補給之后，裂除管道介質排水過程開始，含水介質內飽和水體的水位隨之下降。介質排水過程對應的介質內飽和水體水位的下降過程可以劃分為三個階段，如圖2所示。

停止補給后，介質排水過程開始，裂除管道介質內飽和水體水位從排水過程初始水位所在平面迅速下降至裂隙網絡與地下暗河交界面，這是水位下降的第一個階段，對應介質排水過程的初期；進而水位從裂隙網絡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階段，對應介質排水過程的中期；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階段，對應介質排水過程的末期。

介質內水位下降過程的這三個階段對應介質不同區域的含水狀態的變化。在水位下降的第一個階段，介質的裂隙網絡和落水洞結構從飽水狀態變為非飽水狀態，此階段地下暗河始終處于飽水狀態，泉口出流為飽和水流。在水位下降的第二個階段，裂隙網絡和落水洞結構始終處于非飽水狀態，地下暗河在泉口上緣所在平面以上部分從飽水狀態變為非飽水狀態，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，泉口出流為飽和水流。在水位下降的第三個階段，裂隙網絡、落水洞結構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，地下暗河結構在泉口上緣所在平面以下部分從飽水狀態變為非飽水狀態，泉口出流為非飽和水流。

在介質排水過程中，不同區域介質內水體的流動特點不同，對應介質排水過程的不同時期；同時，三個介質區域自身的結構特點也不一樣。根據介質內水流特點和自身結構的不同，對裂除管道介質進行分區，利用介質排水時水位下降過程中高度遞減的四個水平面將介質分為三個依次相通但結構特點迥異的區域，如圖2所示。

將水位下降的第一個階段經過的介質分區稱為裂隙網緡落水洞結構區：該分區的儲水介質為裂隙網絡-落水洞結構，裂隙網絡在左，落水洞結構在右，兩者相通；該分區內的水體直接排泄至位于其正下方的、與裂隙網絡和落水洞結構均相通的地下暗河，其排水過程在三個階段中最為迅速；對應介質排水過程的初期。

將水位下降的第二個階段經過的介質分區稱為地下暗河上半區：該區域的儲水介質結構單一，為地下暗河結構（上半部分）；該區域內的水體直接排泄至地下暗河結構（下半部分），其排水過程在三個階段中較為緩慢；對應介質排水過程的中期。

將水位下降的第三個階段經過的介質分區稱為地下暗河下半區：該區域的儲水介質結構單一，為地下暗河結構（下半部分）；該區域內的水體通過位于地下暗河結構（下半部分）左端的圓形泉口排泄至介質外，其排水過程在三個階段中最為緩慢；對應介質排水過程的末期。

相應地，對于裂除管道介質整體：儲水介質為裂隙網絡-落水洞結構-地下暗河，裂隙網絡、落水洞結構一左一右在上，地下暗河在下，三者相互連通；水體通過位于地下暗河結構（下半部分）左端的圓形泉口排泄至介質外，其排水過程綜合了各分區的排水過程，是一個由快至慢的變化過程；對應介質排水的全過程。endprint