rh水模模擬實驗裝置

2. 根據米勒的實驗性裝置圖，回答下列問題：（1）實驗裝置中將水加熱成沸水的目的是什麼（2）用正負極的用

如圖，在米勒的模擬實驗，一個盛有水溶液的燒瓶代表原始的海洋，其上部球型空間里含有氫氣、氨氣、甲烷和水蒸汽等「還原性大氣」．
（1）米勒實驗的目的是驗證無機物可以生成有機小分子物質，因此，在實驗時，要模擬大氣的環境，左下角的燒瓶中盛放的是蒸餾水，加熱的目的是產生大量的水蒸氣，使空氣中有水蒸氣這一成分，同時提高氣體的溫度，促進氣體的流動．
（2）裝置內電極的作用是火花放電，為原始大氣相互反應合成有機物提供能量．模擬自然界里的閃電．
（3）圖中右上角的燒瓶模擬的是模擬原始地球環境（原始大氣環境），因為原始大氣中沒有氧氣．
（4）C處為取樣活塞，若取樣鑒定，可檢驗到其中含有氨基酸等有機小分子物質，共生成20種有機物，其中11種氨基酸中有4種（即甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸）是生物的蛋白質所含有的．米勒的實驗試圖向人們證實，生命起源的第一步，即從無機小分子物質形成有機小分子物質，在原始地球的條件下是完全可能實現的．
（5）米勒的實驗試圖向人們證實，生命起源的第一步，從無機小分子物質形成有機小分子物質，在原始地球的條件下是完全可能實現的．
（6）原始地球的溫度很高，地面環境與現在完全不同：天空中赤日炎炎、電閃雷鳴，地面上火山噴發、熔岩橫流；從火山中噴出的氣體，如水蒸氣、氨、甲烷等構成了原始的大氣層，與現在的大氣成分明顯不同的是原始大氣中沒有游離的氧；原始大氣在高溫、紫外線以及雷電等自然條件的長期作用下，形成了許多簡單的有機物，隨著地球溫度的逐漸降低，原始大氣中的水蒸氣凝結成雨降落到地面上，這些有機物隨著雨水進入湖泊和河流，最終匯集到原始的海洋中．原始的海洋就像一盆稀薄的熱湯，其中所含的有機物，不斷的相互作用，形成復雜的有機物，經過及其漫長的歲月，逐漸形成了原始生命．可見生命起源於原始海洋．
故答案為：（1）使空氣中有水蒸氣這一成分，同時提高氣體的溫度，促進氣體的流動．
（2）自然界里的閃電；
（3）原始大氣環境
（4）從無機小分子物質形成有機小分子物質，在原始地球的條件下是完全可能實現的．
（5）從無機小分子物質形成有機小分子物質，在原始地球的條件下是完全可能實現的；
（6）原始大氣在高溫、紫外線以及雷電等自然條件的長期作用下，形成了許多簡單的有機物．

3. 模擬大自然中水循環的實驗我的分享是什麼

模擬自然界里水的循環

一、實驗目的

1、能夠通過討論交流、模擬實驗和觀察 等探究方法來認識自然界中水循環的現象和成因。

2 、在探究水循環的活動中提高觀察和 實驗現象的能力。

3、在探究水循環的活動中培養和提高研究地球科學的 。

二、實驗作用 本實驗是三年級第二學期（試用本）第六單元《液體、固體和氣體》中「自然界里水的

循環」中的內容。「自然界中的水」這一單元是在學生初步了解水的三態變化的基礎上，進一

步引導學生探究自然界中的水循環現象及其形成原因，知道水循環會 一些常見的天氣現

象，並了解水循環與人類的關系。而「水的旅行」這一課時從「下雨」這一常見天氣現象出

發，引導學生思考「雨從哪裡來，又到哪裡去」，進而通過討論、交流以及設計和開展模擬實

驗等探究活動，最終認識到自然界中的水循環現象和成因。

三、實驗原理

水從容器中蒸發，到達膜的時候遇冷液化為小水滴，（模擬降水）滴到小燒杯中，泥土浸濕。 （模擬下滲過程），植物進行蒸騰作用（模擬蒸騰）， 盒中放置乾冰，冷凍空氣

器底部的水。（模擬冰川和海里的冰山）

四、實驗過程 【實驗器材】

燒杯、三腳架、 燈、陶土網、溫度計、蓋板、冰塊 【實驗裝置】（設計） 冰 塊 膜 泥土 植 物 水 無底小燒杯 無蓋 盒 【實驗步驟】

① 在透明平底盆中加適量的水，直至水沒過盆底。然後把一個裝干沙子的小盆放人 。 ②用透明 薄膜蓋住盆口，並用橡皮筋扎緊，將盆放在陽光下。 ③過足夠長的時間把冷的小石頭放在 薄膜上壓陷 薄膜。注意小石頭要放在裝干沙 小盆正上方。 【實驗 】

觀察實驗單

請你利用常用的實驗器材設計一套實驗裝置來模擬水循環。

實驗現象： 薄膜上有小水珠凝結（或潮濕水汽）現象。

水珠沿著小石塊下壓的方向 。

水珠往裝干沙的小盆滴下。

最後小盆的干沙由干變濕（或被水滴浸濕）。

該實驗模擬水循環現象的環節有：蒸發、水汽輸送、大氣降水、下滲

4. 模擬實驗

油源對比發現，東營凹陷沙三段砂岩透鏡體內的原油並非完全來自沙三段的烴源岩，其油源主要為沙三段和其下部沙四段的混源油。那麼在沒有明顯大斷層溝通的情況下，沙四段的油是如何進入到沙三段的烴源岩中的呢？前文提出油氣可以通過裂縫和薄層砂作為輸導通道運移到砂岩透鏡體中成藏，裂縫和薄層砂這兩種輸導要素在空間上的配置關系和組合樣式對油氣輸導效率及輸導過程究竟如何呢？本次實驗的目的就是應用細棉線模擬裂縫，將棉線和砂體連接，模擬油氣是否能夠由細棉線導入砂岩體中並在砂體中聚集成藏的過程。

（一）模型的物理模擬實驗

1.模型

圖3-15即為油氣有機網路簡單物理模擬實驗裝置圖。該模型的尺寸為長（50cm）×寬（30cm）×厚（2cm）。左上角和右下兩角扇形體分別以粒徑0.4～0.45mm的石英砂充填，左上角扇形體半徑為11cm，右下角扇形體半徑為10cm；模型中央為一近橢圓形體，以粒徑0.4～0.45mm的石英砂充填，長寬分別為22.5cm、16cm；與左上及右下砂岩扇體的距離分別為9.5cm、8cm。模型內其餘部分以泥岩充填。紅色箭頭A、B指示注油口，孔a為注水口，孔b為排氣口。線1、2、3為細棉線。單股棉線的直徑約0.2mm。在常溫常壓下進行實驗。

圖3-15 簡單模擬實驗裝置示意圖

2.實驗結果

首先由示意圖中的a孔注水，排出裝置中央透鏡體中的空氣，當b孔有水流出時，排氣結束。然後將a、b孔皆關閉。然後由A、B兩個注油口開始注油，注油速度皆為0.5mL/min。經過1h後，下扇形體內的油經過棉線運移到透鏡體內並在浮力作用下至頂部聚集；同時上扇體的油也開始經過棉線運移到透鏡體內（圖3-16左）。

距開始注油大約70min後，A口注油的速度減小到0.1mL/min,B注油口的速度維持0.5mL/min不變。約20min後，上扇體內的油繼續緩慢通過棉線運移到透鏡體內；下扇體內的油也繼續通過棉線運移到透鏡體內，透鏡體上部聚集的油量明顯增加（圖3-16中）。此時再次改變注油速度，A口注油速度變為0.2mL/min;B口停止注油。3h40min後，上扇體的油進一步通過棉線運移到透鏡體內，並上浮至頂部聚集（圖3-16右）。A口停止注油，進入靜觀階段。

圖3-16 實驗進行時的油氣運移結果圖

在經歷了18h的靜觀階段後，由兩邊扇體通過棉線進入透鏡體內的油量明顯增多。油在透鏡體上部大量聚集，累積油柱高度為9cm（圖3-17）。

圖3-17 實驗進行23h油氣運移結果圖

至此實驗結束，本次實驗共持續23h15min，累積注油量：由A口注油77.5mL，由B口注油43.5mL。

（二）較復雜模型的物理模擬實驗

1.實驗模型

圖3-18即為較復雜物理模擬實驗裝置圖。該模型的尺寸為長（50cm）×寬（30cm）×厚（2cm）。一共分為上下5層，其充填物依次為含油泥、細砂、含油泥、細砂、泥岩，有4個透鏡體分別布置在最下層和最上層中，上面兩個透鏡體由單股棉線（模擬裂縫）與其下端的細砂岩相連。其中細砂岩粒徑為0.15～0.2mm（模擬薄砂層），透鏡體內的砂礫粒徑為0.35～0.4mm，含油泥中油與泥的比例約為1:5.16,a口為注油口，本實驗在常溫常壓下進行。

圖3-18 油氣有機網路運移復雜模擬實驗裝置示意圖

2.實驗過程

實驗裝置完畢即為開始實驗，7h25min後，右下側透鏡體開始進油（圖3-19左），無其他現象發生。

26h15min後，左下側透鏡體內的聚集的油進一步增加，從下往上數第二層細砂岩條帶有油氣滲入（圖3-19右）。

到第9天，改變實驗措施，由a口開始注油，注油速度為0.15mL/min,53min後（222h33min），下條帶細砂層開始進油（圖3-20左）。

6h55min後，下細砂條帶聚油量增加，左下側扇體聚油量增加，此時停止注油，進入靜觀階段。1天後，下細砂條帶內油從右向左運移，且下側兩個透鏡體聚油量增加，聚油體積都約占整個透鏡體的70%。再過l天（累計進行到約269h），左下側透鏡體聚油體積約占整個透鏡體體積的90%，右下側透鏡體的聚油體積約佔95%（圖3-20右）。

此後再次由a口注油，隨著注油量的增加，下面兩個透鏡體都逐漸完全被油充注，下細砂條帶的聚油量也逐漸占滿整個條帶，隨後上細砂條帶也開始見油（圖3-21左）。

圖3-19 復雜模擬實驗油氣運移圖

圖3-20 復雜模擬實驗油氣運移圖

隨著實驗的繼續進行，上細砂岩條帶的聚油量逐漸增加，最終充滿整個條帶，且該條帶內的油通過棉線導入上面兩個透鏡體中（圖3-21右），至此實驗結束，累計進行時間約359h，本次實驗累積注油量348.69mL。

圖3-21 復雜模擬實驗油氣運移圖

3.實驗討論

本次實驗歷時共約359h，由以上實驗可以發現，常溫常壓下，由於烴濃度差引起的滲透壓差和擴散壓差，底層含油泥岩內的油具有運移到與其相鄰的砂岩體中的趨勢。在毛細管力差和烴濃度差的作用下，底層泥岩中的油首先進入被其包圍的孔隙較大的砂岩透鏡體中，而不太容易運移到其上部的細砂岩條帶中。

隨著底層油不斷的注入，壓力不斷增大，最終能夠克服底層泥岩與其上層細砂岩的毛細管力時，油就進入到其中，當其濃度足夠大時，在烴濃度差的作用下，油運移到層3中。層3中的油在滲透壓差的作用下，運移到層4中。聯結頂層砂岩透鏡體與層4的棉線能起到很好的輸導油的作用，因此層4的油能沿著棉線模擬的裂縫運移到頂層的兩個砂岩透鏡體中。

通過本次實驗，可以看出，僅靠底層泥岩中的油自然滲透和擴散，其運移能力有限。但是在油源充足的情況下，底層的油最終能夠運移到與之相隔幾層的砂岩透鏡體中。

5. 哪裡能做水下壓力模擬實驗

水的壓力F=水的壓強P×裝水的容器的底面積S 水的壓強P=ρgh

公式為：F=ρghS

ρ=1.0×1000 千克/立方米

g=10 牛/千克

h=水的深度

• 壓強

  在國際單位制中，壓強的單位為帕斯卡（簡稱帕），1帕=1牛頓/米2。標准條件（溫度T=288.15開（K），空氣密度ρ=1.225千克/立方米）下海平面高度大氣壓力為101325帕，稱為標准大氣壓。工業上採用1千克力/厘米2為1個工程大氣壓，其值為98066.5帕。氣象學中定義106達因/厘米2為1巴，1巴=105帕，接近1個標准大氣壓。

• 壓力

  物理學上的壓力，是指發生在兩個物體的接觸表面的作用力，或者是氣體對於固體和液體表面的垂直作用力，或者是液體對於固體表面的垂直作用力。流體的壓力與溫度、密度等參數有關。理想氣體壓力p=ρRT，式中R為氣體常數，與氣體種類有關，空氣的R=287.0焦/(千克·開/攝氏度)【J/（kg·K/℃）】。液體壓力隨密度而增加。

• 公式

  壓強=壓力/受壓面積（P=F/S）；

  壓力=壓強*受力面積（F=PS）。

6. 朱家岩隧道涌水物理模擬

4.3.1 物理模擬基本原理

岩溶管道水系統物理模擬是用等效水箱（水能儲存單位）與變徑管束（水能輸送單位）組合的模擬模型來逼近真實的岩溶地下水系統。按水力相似原理，以一定的時空比例來組裝模擬模型，通過動態模擬，尋求岩溶管道水系統含水介質體和地下水運動特徵，求取水文地質參數，為岩溶地下水系統定量評價和水量預報提供依據。

岩溶管道水系統進行物理模擬要進行一定的概化和時空縮小等多方面的處理。概化與處理必須遵循一定的規律，即滿足力學相似條件。力學相似條件是指系統與模型內的水流中同類運動要素（例如某點速度或阻力）之間存在一定的比例關系。力學相似包括幾何相似、運動相似、動力相似、邊界相似等四個方面。

岩溶地下水系統的物理模擬以力學相似定律為基礎，同時結合系統自身的結構與水流運動特徵，建立相應的相似准則。

岩溶管道水系統中地下水的運動受控於水力梯度與介質空隙空間體形態及其組合。經分析與總結前人的研究成果表明，在系統中，重力和紊動阻力作用是影響地下水運動狀態的關鍵因素。因此，系統物理模擬需同時建立重力相似准則與紊動阻力相似准則。

據水力學推導，紊動阻力相似要求兩個水流沿程阻力系數對應相等。沿程阻力系數僅與管壁粗糙度有關。紊動阻力相似准則是模型中管壁粗糙度與原型中對應點管壁粗糙度之比是模型與原型線性比的1/6次方倍^[1]。

4.3.2 岩溶管道水流物理模擬過程

岩溶管道水系統物理模擬，包括了對岩溶儲水介質的模擬、對岩溶導水介質的模擬以及對其二者的混合模擬。其中對岩溶導水介質水流的模擬是整個系統模擬的關鍵，又是一個極其復雜的過程，難度很大，它涉及水能轉換、質量守恆及介質對水流的阻力等問題。同時，由於岩溶管道介質的復雜多變性，其模擬技術很值得研究。

在對岩溶管道水流物理模擬中，首先通過對野外資料，特別是水位與水流的關系資料進行分析，然後考慮如何對其進行模擬。在一般情況下，岩溶管道可採用變徑管束來對其進行模擬，用阻力元件模擬管道阻力，實現對實際管道的模擬模擬，其模擬過程如圖4.4所示^[2]。

圖4.4 岩溶管道水流物理模擬過程

4.3.2.1 管道流量-水位曲線分析

在整個岩溶管道水系統中，管道斷面很不規則，是一個很難測量的量，這給岩溶管道水流流速的研究帶來了困難。而水流流量中已經包含了水流斷面和流速的信息，它是水流速率與斷面面積的乘積。如果已知管道流量和某斷面面積，也就等於知道了流速。另外，由於水的不可壓縮性，當管道全部充水時，管道內各斷面的流量都是相同的。因此，為了簡化所研究的問題，在物理模擬時，以水流流量作為基本量。

在岩溶管道系統中，管道的流量與流速一樣，它與管道的長度、水力半徑、水的密度、水動力黏度系數、管道的粗糙度、水流流態等因素有關。在這眾多的影響因素中，大多數因素是難以知道的。因此，在研究岩溶管道的流量與介質的關系時，應先將上述因素用管道的綜合流量參數加以表示，然後，有條件時，再逐步深入，研究其他具體的影響因素。

在單一的岩溶管道里，其流量與其驅動水頭的關系如下^[3]：

q_v（t）=α[H（t）-H₀]^1/n（4.8）

式中：H（t）、H₀為某瞬時管道進、出口的水位；ΔH=H（t）—H₀為某瞬時管道的驅動水頭；q_v（t）為某瞬時通過管道的流量；α為管道的綜合流量參數；n為流態指數，當管道流態為紊流時n=1.75～2，當管道流態是層流時n=1。

ΔH-Q的特徵曲線見圖4.5。從圖中知道，當流量參數α較大時，其流量較大，曲線遠離ΔH軸，說明管道的阻力小、導水能力強；反之當流量參數α較小時，其流量較小，曲線靠近ΔH軸，說明其管道阻力大、導水能力弱。依據單一管道流量特徵曲線，很容易採用單一管道來模擬單一的岩溶管道。在模擬時，可採用模擬管道中的阻力元件來模擬實際管道阻力。在多數情況下，其模擬結果能達到異構同功的效果。

圖4.5 單一岩溶管道流量與驅動水頭關系曲線

4.3.2.2 岩溶管道的等效箱-管組合模擬

在自然界里，岩溶管道往往都不是以孤立、單一的形式存在，而是以組合交叉或網路等形式存在，這時就要用管道組合來模擬，或者說等效箱-管組合模擬。這是因為岩溶管道還是一個灰箱或黑箱系統，因而只能在過水能力和過水方式上進行等效模擬。模擬時，根據實際資料所提供的信息，包括管道的空間狀態、流量動態、通道條數及過水能力等作為模擬初值。在對岩溶管道水流模擬中，以機控水箱來模擬儲水空間，以玻璃管來模擬管道。而模擬結果則是要確定管道系統是單一（主）通道或是多通道（包括管束或有差異的導水介質）以及管道（或導水介質）間的組合方式，求出綜合流量參數。因此，首先要對管道的q_v=f（ΔH）特徵曲線作分析，繪出其流量與驅動水頭的特徵曲線，如果該管道是單一管道，則其流量與驅動水頭的關系滿足於式（4.8）；反之則實測曲線與模擬曲線相差甚大，此時要考慮用等效箱-管來組合模擬。經過反復切換管道組合模式，最終確定一種模擬結果較理想的組合模式。

4.3.3 物理模擬的應用

郭純青等^[1]對廣西北山鉛鋅黃鐵礦區岩溶管道水系統進行了物理模擬，選取1983年6月百年一遇的雙洪峰（21日、22日），以及S2、S18、903、10A2四個觀測孔水位資料及1號、2號、3號、4號泉溢洪洞四個觀測資料，將北山礦區岩溶管道水系統概化為4個等效水箱，經多次反復模擬實驗，實現了對8個主要水文點水位及流量的最佳擬合，擬合精度較高。對桂林岩溶水文地質試驗場S31泉子系統進行了物理模擬，將該子系統概化為3個等效水箱，選取1989年4月13日8時至4月15日12時共60 h為模擬時段，模擬了降雨退水段，求取了管道水動力參數。

4.3.4 物理模擬裝置

採用的模擬裝置是由郭純青教授設計的「岩溶管道水系統模擬裝置」。該裝置是目前國內外唯一一個岩溶管道水系統物理模擬裝置。本套模擬裝置依託傳統的物理模擬方法，採取微電子技術與計算結合的方式，建立岩溶管道水系統物理模擬模型，是一套全自動水流控制系統。主要由液位檢測感測器、液位壓力感測器、流量感測器、A/D變換器、CPU監控中心和流量控制器等器件組成。實驗裝置簡圖如圖4.6。岩溶管道水系統物理模擬裝置主要包括兩大部分——等效實體模型部分和數據採集監控部分。

圖4.6 「岩溶管道水系統模擬裝置」簡圖

4.3.4.1 等效實體模型

根據物理模擬建模要求，概化岩溶管道水系統多重含水介質體及水流特徵為水能儲存單元和輸送單元的組合，採用等效水箱與變徑管束的模擬裝置建立等效實體模型，實現對岩溶管道水系統的水動力特徵及系統轉換功能的模擬目的。

系統被概化為水能貯存單元的亞系統，必須取得該單元出口端附近上游水位及流量的動態信息：

Q（t）=f_i[h（T）]（4.9）

岩溶地區地下水與環境的特殊性研究

h（t）=f_z（t）（4.11）

單元的水位與流量必須是同步的，流量可能是多端同時輸出，包括季節性的分級溢洪泉。一般情況下，水能貯存和輸送兩單元總是配套組合模擬，等效水箱的容積也是將兩者統一概化在內。對於水箱貯存量的計算，有如下兩種方法。

用圈定岩溶體積幾何空間的方式計算：

岩溶地區地下水與環境的特殊性研究

式中：V為岩溶管道水某子系統在h₁與h₂兩標高范圍內的貯存總體積；A（h）為不同標高等效水箱面積；h為水箱出口端有代表性的水位。

由於A（h）面積函數在實際中是不易求得，它不僅包括含水體所圈定的范圍，也包括岩溶率在內的空間變數函數。

採用系統動態信息反求貯存體積：

岩溶地區地下水與環境的特殊性研究

當子系統的水位和流量動態處於無入滲狀態單調下降情況下，可以選取適合的時段將流量動態做分段（時段和相應的標高段）積分求和，可求得總體積和分段體積：

岩溶地區地下水與環境的特殊性研究

式中：t_i、t_i+1為針對水位變化比較一致的相鄰時段。

岩溶地區地下水與環境的特殊性研究

式中：

、

為不同水位時水箱出口的流量；

、

為不同水位時的相應時間間隔。

式（4.8）是式（4.7）的離散式。等效水箱的建立，由於經過上述動態分析，已經可以求出分段的ΔV_i的體積，由此可以通過式（4.5）的變換求得等效水箱分段的底面積：

A_i（h）=ΔV_i/（h_i-h_i+1）（4.16）

面積函數A_i（h）的下標i與標高段h_i是相應的。據此，等效水箱的空間容積就被完全確定，可以按照既定的模擬比值縮制模型。

4.3.4.2 數據採集監控系統

（1）數據採集子系統

數據採集子系統主要用於對岩溶管道水系統物理模擬模型運轉過程的檢測及運行情況的顯示；同時對採集到的輸入和輸出數據，與野外實測數據對比並作預測分析。

測試元件主要通過微壓差感測器對水箱測壓管即文杜里流量計以及孔口流量計等進行水頭壓力（或壓差）測量；以求得等效水箱水位與管間流量的測試，數據採集主要通過A/D板將感測器採集到的物理信號轉換為數字信號與計算機共同完成（圖4.7）。

圖4.7 數據採集子系統示意

通過多通道的信號輸入，計算機可以按照規定的間隔時間，對全部被測試點的壓力（或壓差）數據做瞬時同步採集。

（2）數據監控子系統

物理模擬裝置中的數據監控子系統，包括帶控製程序的微機，以及執行微機指令的可控水箱的進水裝置。監控子系統的功能是通過對各測試元件所採集模擬模型的信息，反饋控制水箱進水量，實現對岩溶管道子系統的水能儲存和釋放的模擬。

可控水箱進水裝置由電磁閥構成，根據微機指令的數字信號通過D/A板轉換為電訊號，經放大控制電磁閥開關。

物理模擬過程的微機控製程序包括以下兩個方面：

1）識別模擬階段：根據模擬模型中對儲能單元在空間變化（水位的函數）規律，編制出不同標高段相應的進水量的控製程序。

2）預報模擬階段：控製程序編制根據預報期內的降水有效入滲，轉化為水能儲存單元在規定的模擬時段接受隨機滯後輸入量的控制。

通過微機將數據採集與監控兩子系統耦合構成模擬模型的重要組成部分。

4.3.5 朱家岩隧道涌水物理模擬

4.3.5.1 研究區隧道涌水物理模型概化

根據水動力相似原理，按朱家岩隧道實際水文地質條件，選取線性相似比例系數1/103，從而面積相似系數為1/106，體積相似系數為1/109，時間相似系數為1/10，流速相似系數為1/10，流量相似系數為1/107。

研究區補給面積取8×10^-2km²，范圍為硐身及其兩側附近地帶，其中包括可能與隧道溝通的匯水窪地、落水洞等地帶，由1/10000岩溶水文地質圖上量取。根據資料綜合分析，隧道硐身均在飽氣帶，枯水期為表層岩溶帶、垂直下滲帶和季節交替帶，厚度為230～355m，豐水期為表層岩溶帶和垂直下滲帶，厚度為210～305m。因此，水箱（儲水介質）概化為面積為800cm²，枯水期高度為35cm，豐水期高度為30cm的垂向變體積水箱。由於研究區以管道流為主，對各子系統之間以裂隙方式的面狀水量變換，可以等效到管道連接部分合並處理。對岩溶管道（包括箱間連接管道及排泄通道）的模擬，先根據地質、水文地質及岩溶發育條件的分析給出初值（包括管道空間狀態、流量分配及阻力狀況等），然後根據動態模擬結果反復調整。初值的給出，遵循下列約束條件：第一，管道條數，根據流量衰減分析的結果，初步確定管道條數為3條，如果模擬結果跟實際相差很大，則重新選擇管道條數。第二，管道位置高度。第三，管道流量約束，水箱補給管道水量應近似於降水補給研究區的水量，管道總排泄量應近似於隧道涌水量。經多次反復模擬試驗，實現對朱家岩隧道涌水過程的最佳模擬，擬合程度最好的即為該區管道組合結構。

研究區補給面積為8×10^-2km²，遠小於紅岩泉地下河系統的匯水面積（10.5km²），而實測隧道最大涌水量為3400m³/d，即39.4L/s，也遠小於紅岩泉洪水期的流量（1000～2000L/s），隧道涌水雖然對紅岩泉地下河系統造成了一定的影響，但是影響不大，又由於缺乏長觀資料，因此不考慮紅岩泉流量，只是對隧道涌水系統進行了研究。

4.3.5.2 朱家岩隧道岩溶管道涌水的物理模型研究

根據8月15日的降水量、涌水量資料（因4月30日和6月15日的涌水衰減量不大，有些管道可能沒有參與衰減過程，故採用8月15日的數據進行物理模擬），建立朱家岩隧道包氣帶岩溶管道水系統物理模擬模型，用等效箱-管模型來組合模擬，經過反復使用1條、2條、3條切換管道的組合模擬，最終確定採用3 條切換管道，模擬結果才較為理想，模型見圖4.8。這一結果跟流量衰減分析的結果「該區管道發育程度有三個級別」相一致，驗證了衰減分析的可靠性。

圖4.8 朱家岩隧道物理模型裝置示意

應用該模型來模擬朱家岩隧道8月15日涌水的時間-流量過程線如圖4.9，圖4.10所示。8月16日至9月4日的結果見表4.4。

圖4.9 時間—流量曲線

圖4.10 時間—流量曲線

表4.4 模擬最接近實測數據的一次實驗數據

表中8月19日和8月20日1號、2號流量的大小關系與別的時段的大小關系不一致，可能是由於模型概化時水箱邊界條件的選取不是很精確而造成的，在以後的工作中會予以重視。

據文字記載，湖北宜昌市最大日降水量為385.5mm（1935年7月5日），將此降水量值輸入該模型，經過反復實驗，求得最大涌水量為9800m³/d。

7. 物理模擬實驗儀器選用

根據煤粉產出物理模擬實驗的原理及目的,需要設計可以滿足該實驗要求的儀器裝置。這些要求包括:

(1)滿足模擬地層流體在煤儲層裂隙之間的流動要求;

(2)滿足模擬煤儲層經儲層改造後的裂隙展布效果要求;

(3)滿足模擬煤儲層在含煤地層中的賦存狀態要求;

(4)滿足模擬煤層氣井排水→降壓→采氣的生產模式要求。

通過一系列的摸索與嘗試,確定了該物理模擬實驗儀器裝置的主體系統結構,其中包括計算機監控系統、樣品制備系統、泵送驅替系統、物理模擬系統、煤粉儲集系統、煤粉分析系統、電力動力系統等。

(1)計算機監控系統:主要由計算機操控平台和驅替導流監測平台等組成。計算機操控平台提供半自動半人工化功能服務,通過計算機實現對驅替導流監測平台的操控,可以滿足不同條件下物理模擬實驗的要求。同時,驅替導流監測平台實現流體相態驅替模式、自動調控驅替流速及壓力、實時監測導流狀況及實時記錄排出產物狀況等。

表5-3 煤體結構差異對煤粉產出的影響研究實驗方案

(2)樣品制備系統:主要由制樣模具、升降施壓油缸、平台支架等組成。制備樣品的前期准備工作需要碎樣機、標准樣品篩、電子天平等輔助設備。首先使用碎樣機將煤岩樣品破碎,經過標准樣品篩的篩選,選用一定粒度的煤粉顆粒,依據制樣模具的尺寸形狀,在升降施壓油缸的擠壓作用下,製作煤磚樣,用於煤粉產出物理模擬實驗。該系統需要通過計算機監控系統控制升降施壓油缸,為制樣提供穩定的壓力。

(3)泵送驅替系統:主要由平流泵、儲液容器、驅替液、導流室、無縫鋼導管、法蘭等組成。該系統的工作原理是通過調整平流泵的泵送功率,使其提供一定流速的穩定流體,該流體將儲液容器內的驅替液以同等速率注入導流室內,對導流室中的煤磚進行驅替作用,同時,需要導流室的左右兩側分別安裝進出液孔道,並在進出口端部安裝測壓孔道及相應法蘭。在此過程中,通過驅替導流監測平台調控平流泵的泵送功率、設置驅替作用的周期及數據記錄頻率等參數。

(4)物理模擬系統:主要由煤磚樣、石英砂、導流室、金屬墊片、塑料密封圈、差壓感測器、升降施壓油缸、平台支架等組成。該系統的工作原理是通過在兩塊煤磚中夾持石英砂顆粒進行人工造縫,模擬煤儲層經過儲層改造後的裂隙延展狀態;由泵送驅替系統向導流室內提供一定流速的驅替液,模擬地層流體在煤儲層裂隙之間的流動過程;由計算機監控系統調控升降施壓油缸,使其對導流室內的煤磚產生穩定圍壓,模擬煤儲層在含煤地層中的賦存狀態。該系統是在計算機監控系統、泵送驅替系統及物理模擬系統的相互配合下進行的,由平流泵提供驅替流體,由升降施壓油缸提供擠壓力,由驅替導流監測平台調控記錄驅替液流速、油缸壓力等參數,由金屬墊片和塑料密封圈來保證導流室中煤磚處於密封狀態。

(5)煤粉儲集系統:主要由電子天平、無縫鋼導管、燒杯等組成。該系統的工作原理是收集由物理模擬系統排出的液體及其中煤粉,同時通過驅替導流監測平台對排出液進行實時稱重並儲存數據結果。

(6)煤粉分析系統:主要由激光粒度儀、濾紙、過濾器、恆溫烘乾機、電子天平、顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀等組成。該系統的工作原理是採用激光粒度儀對不同實驗條件中產出的煤粉進行粒度分布測試;採用過濾器及恆溫烘乾機將排出液中的煤粉進行過濾烘乾;採用電子天平對乾燥的煤粉顆粒進行精密稱重;採用顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀分析煤粉的顯微形態及物質成分。從煤粉的粒度、質量、顯微狀態和物質成分等角度研究煤粉的產出物性特徵。

(7)電力動力系統:主要由配電箱和電動機等組成。該系統為物理模擬實驗設備裝置的其他系統提供電力及動力保障。

圖5-1 煤粉產出物理模擬實驗儀器設計示意圖

根據上述物理模擬實驗儀器裝置功能要求,實驗儀器設計如圖5-1所示。通過調研,在綜合考慮物理模擬實驗的可行性情況下,採用HXDL-Ⅱ型酸蝕裂隙導流儀作為測試儀器。該儀器可以在標准實驗條件下模擬地層壓力及溫度狀態,可以實現氣、液兩相驅替過程,並能評價裂縫的導流能力。其裝置流程如圖5-2所示。根據上述物理模擬實驗裝置的說明,選用的酸蝕裂隙導流儀的主體系統均達到開展實驗的要求,各個裝置部件可以滿足實驗的需求。該儀器的各項參數是參照《SY-T 6302—1997 壓裂支撐劑充填層短期導流能力評價推薦方法》標准而設定的。

圖5-2 酸蝕裂縫導流儀流程示意圖

8. 實驗方案設計

一、 實驗內容

考慮不同庫水升降條件下,「浸泡—風干」循環作用對岩石試樣實驗, 對每一期試樣進行單軸或三軸實驗, 得出在不同水位升降條件下對岩體力學參數的影響規律, 及在不同「浸泡—風干」循環期次作用下力學參數劣化規律。

二、 試驗岩樣

試驗所用砂岩取自三峽庫區秭歸沙鎮溪鎮白水河滑坡, 為侏羅繫上沙溪廟組砂岩。在同一個岩層開出較大片的岩塊, 並在現場切割成小塊運回試驗室鑽心取樣。 根據《工程岩體試驗方法標准》(GB/T50266—99)、 《水利水電工程岩石試驗規程》(SL264—2001)以及國際岩石力學學會推薦標准, 同時滿足RMT-150C岩石力學試驗系統三軸試驗岩樣規格要求, 經過細心切磨製成尺寸為Φ50mm×100mm圓柱形試件。 試樣的精度嚴格滿足規范要求: 高度、 直徑偏差≤±0.3mm, 試件兩端面不平整度≤±0.05mm(圖5-1)。

岩石礦物鑒定結果為絹雲母中粒石英砂岩(圖5-2), 孔隙式鈣質膠結結構, 基質具微細鱗片變晶結構的中粒砂狀結構。 岩石由石英、 長石、 岩屑、 雲母等組成。 碎屑組分有燧石岩屑, 次角-次圓狀, 粒徑0.3mm, 佔10%; 石英碎屑, 次角-次圓狀, 均勻分布,粒徑0.3～0.5mm, 佔80%; 基質組分為絹雲母, 佔10%。

圖5-9 有壓岩石溶解儀的結構圖

圖5-10 水壓力室俯視圖

圖5-11 控制箱

YRK-1岩石溶解試驗儀為本試驗開發的一種模擬庫水壓及庫水升降條件下岩石溶解試驗儀, 下面將對該儀器進行詳細的介紹。

(1)一種模擬庫水壓力條件的儀器的研製

本實驗儀器為一種模擬庫水壓力狀態下水-岩作用的實驗裝置, 模擬蓄水後庫岸岩(土)體所受水壓力環境, 通過考慮不同水壓力及水位升降條件下的岩石-水作用的浸泡實驗, 研究庫水條件下的水-岩作用及力學損傷特徵。 為了達到上述目的, 本儀器製作由岩石溶解室(壓力室), 動、 靜水模擬控制系統, 壓力控制系統, 壓力感測帶等組成。

水壓力室: 主要由底座、 圓柱形水壓力室和蓋板組成, 底板與蓋板之間分布有八根加固螺栓, 通過密封墊圈將圓柱形水壓力室固定在底座和蓋板之間。水壓力室採用不銹鋼和有機玻璃製作, 以便承受較大壓力。

壓力控制系統: 由內部壓力傳導系統和外部壓力控制系統組成。在水壓力室底部安裝一個壓力感測帶與外部壓力控制系統相接, 該壓力感測帶與外部壓力控制系統相連; 外部壓力控制系統由供壓裝置和高精度壓力表以及壓力傳導管道組成, 通過高精度壓力表將15MP壓力轉變為0～1.4MP(量程范圍)的壓力傳遞到壓力感測帶(穩壓狀態), 通過壓力感測帶將壓力傳遞給水, 進而控制水壓力室中的水壓, 滿足實驗要求達到的壓力狀態。

動、 靜水模擬控制系統: 該系統由穩壓電源、 直流電機、 葉輪組成。 直流電機安裝在水壓力室的底板下部, 通過轉軸與水壓力室內部的葉輪相連。 可以模擬在動水狀態下岩石的溶解特徵, 也可以模擬在靜水狀態下岩石的溶解特徵; 同時, 通過控制直流電機轉速進一步模擬在不同動水狀態下岩石的溶解特徵。 與壓力控制系統組合可以進一步模擬在水庫庫水壓力狀態下(具有一定的流速情況下)的水-岩作用。 同時在水壓力室下部設置水樣採集口, 通過水樣分析研究岩石溶解特徵。

(2)岩石溶解儀操作步驟

a. 壓力室放置試樣。 首先將制備好的岩樣放入水壓力室內, 分層直立或橫卧擺放;蓋上蓋板並將加固螺栓擰緊, 固定好。

b. 壓力室充水。 通過進水管向水壓力室內注水, 注水期間將放氣螺絲打開, 將水壓力室內空氣排除, 直至水漫出注水管後, 封閉進水管, 擰緊放氣螺絲。

c. 控制壓力室水壓力。 連接外部壓力控制系統與內部壓力控制系統, 確認連接完成後, 將總控箱中的氣源壓力調節閥全部放開(擰至最松位置), 放氣閥放到「開」的位置。 緩慢旋轉氣源壓力調節閥, 按照實驗要求調節壓力, 並通過外部壓力系統通過壓力傳到裝置將壓力傳遞給水, 保證水-岩作用是在一定庫水條件下進行。

d. 取出試樣。 完成一個實驗周期之後(實驗流程要求), 獲取試樣之前, 首先關閉總氣源(氮氣瓶), 按照試驗流程調節閥慢慢將氣源壓力減小, 打開放氣閥以及放氣螺絲,使殘余氣體放出。 開放水樣採集口, 獲取足夠水樣供分析。 取出岩樣做相應分析。

(3)岩石溶解試驗儀的特點

該儀器製作的優點是: 結構簡單、 易操作、安全可靠, 可以模擬庫區岩體所處不同水壓力環境, 根據需要保持或調節水壓力狀態模擬庫水位升降; 設置動、 靜水模擬控制系統, 以模擬庫水擾動; 設置取水管道, 以便分析離子濃度的變化。

該儀器可以模擬在庫水升降條件及水壓力狀態下岩石所處的水環境, 為研究庫水條件下水-岩作用機理及力學特性而提供一套室內實驗平台。