多因素控制功能的溶蚀作用模拟试验装置及其溶蚀试验方法

技术领域

本发明涉及岩溶水文地质研究的技术领域，具体涉及多因素控制功能的溶蚀作用模拟试验装置及其溶蚀试验方法。

背景技术

溶蚀作用指水对可溶性岩石的化学侵蚀过程。影响岩溶溶蚀反应的因素主要有气候条件(包括温度、湿度等)、外源酸以及可溶岩自身出露和埋藏条件等。在现有研究与装置中，多数装置只针对某单一影响因素进行设计和试验，不能实现同时控制多种反应因素模拟溶蚀作用。同时，目前现有的绝大多数岩溶试验装置只有对岩溶溶蚀反应的模拟，对岩溶样本的后续处理基本与装置分离，极大地增加了操作量和测量误差。

发明内容

本发明的目的在于提供多因素控制功能的溶蚀作用模拟试验装置及其溶蚀试验方法，其可模拟单因素控制下和多因素控制下的溶蚀作用过程。

在本发明的一个方面，本发明提出了多因素控制功能的溶蚀作用模拟试验装置。根据本发明的实施例，包括：

主体支架；

设置在主体支架上的反应物供给机构，所述反应物供给机构包括储液瓶、储气瓶；

反应机构，所述反应机构设置在反应物供给机构下方，所述反应机构包括恒温水浴床和反应筒，所述恒温水浴床内设有上下敞口的安装腔，所述反应筒安装在安装腔内，所述反应筒与反应物供给机构连接；

模块功能机构，所述模块功能机构设置在反应机构下方，所述模块功能机构包括可转动的转盘，所述转盘上端固定安装有可在竖直方向进行移动的溶蚀液导流模块、岩样烘干模块、磁力称重模块；

反应物收集机构，所述反应物收集机构设置在模块功能机构下方，所述反应物收集机构与模块功能机构连接。

另外，根据本发明上述实施例的多因素控制功能的溶蚀作用模拟试验装置，还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述主体支架包括侧板、上层隔板、中层隔板、底板，所述上层隔板、中层隔板、底板从下往下依次固定在侧板上，所述底板下端固定有支撑座。

在本发明的一些实施例中，所述反应物供给机构安装在上层隔板上端，所述反应机构安装在上层隔板下端，所述模块功能机构安装在中层隔板上，所述反应物收集机构安装在底板上端。

在本发明的一些实施例中，所述反应物供给机构还包括压力泵，所述压力泵分别通过连接管与储液瓶、储气瓶、反应筒连接。

在本发明的一些实施例中，所述反应筒包括上端盖和安装筒，所述上端盖上设有导气孔，所述导气孔与储气瓶连接，所述上端盖上安装有喷淋头，所述喷淋头与储液瓶连接，所述安装筒通过伸缩杆与移动筒固定，所述移动筒上端和下端均为敞口，所述移动筒内设有反应腔，所述反应腔底部安装有过滤板，所述移动筒下端固定有环形吸附磁铁。

在本发明的一些实施例中，所述上端盖和安装筒通过螺纹连接。

在本发明的一些实施例中，模块功能机构还包括电机，所述电机的输出轴与转轴固定，所述转轴与转盘固定，所述转盘上端固定有横梁，所述溶蚀液导流模块、岩样烘干模块、磁力称重模块分别安装在横梁上。

在本发明的一些实施例中，所述溶蚀液导流模块包括上端敞口的筒体一，所述筒体一内设有滤网，所述筒体一底部设有导流斜板，所述筒体一底部设有出液口，所述出液口处安装有阀门；

所述岩样烘干模块包括上端敞口的筒体二，所述筒体二内设有烘干机构；

所述磁力称重模块包括筒体三，所述筒体三内底部设有磁悬浮称重装置；

所述筒体一、筒体二、筒体三分别与转盘通过螺杆连接。

在本发明的一些实施例中，所述反应物收集机构包括吸水泵和溶蚀液收集瓶，所述溶蚀液收集瓶与吸水泵连接，所述吸水泵与溶蚀液导流模块连接。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种溶蚀试验方法。根据本发明的实施例，具体包括如下步骤：

(1)模拟试验开始前，检查各装置是否正常，根据试验要求，在储液瓶、储气瓶中置入相应物质，在反应筒上放置岩溶样本，组装完成后接通电源；

(2)当进行溶蚀模拟时，转动转盘，将溶蚀导流模块转动到反应筒正下方，然后向上移动溶蚀导流模块，使反应筒与溶蚀导流模块相嵌合，溶蚀导流模块与反应物收集机构相连接；

(3)将储液瓶中的液体、储气瓶中的气体导入反应筒，并控制气体和液体的流量，通过恒温水浴床控制反应筒的反应温度，控制溶岩在溶蚀导流模块中的裸露状态，以此模拟不同因素下的溶蚀作用，反应物收集机构接收反应后的溶蚀液；

(4)溶蚀模拟结束，使溶蚀导流模块向下移动，与反应筒分开，然后转动转盘，将岩样烘干模块转动到反应筒正下方，使岩样烘干模块向上移动，直至反应筒与岩样烘干模块嵌合，进行烘干操作；

5)烘干结束后，岩样烘干模块向下移动，与反应筒分离，转动转盘，将磁力称重模块转动到反应筒正下方，使反应筒与磁力称重模块嵌合，测出岩样的重量；

6)试验结束后，根据反应物收集机构中的溶蚀液的量，计算单位体积溶蚀量，并分析溶蚀液化学成分，最后将岩样取出，进行后续观察研究。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明设置了转盘，将溶蚀实验流程的条件模拟、溶蚀液收集、岩溶样本的烘干称量等原先一系列人工分步的操作同时集成于一台试验装置上，大幅缩短了人工操作的流程，减少了操作的复杂度，提高了试验过程的一体性和科学性。

2、本发明的储液瓶、储气瓶通过压力泵和喷淋头管道连通，可以提供溶蚀反应所需的反应物，例如CO

3、本发明转盘上的溶蚀导流装置，可通过阀门启闭调整反应筒中的液面高度，使可溶岩处于裸露、半裸露或浸泡状态，以模拟不同埋置条件、不同湿度或不同水动力条件下发生的溶蚀反应。

4、本发明的喷淋头为可更换装置，可更换为雾化喷头和不同强度水滴喷头和直流喷头，实现水雾、降雨及水流等不同方式及流速的模拟。

5、本发明采用全新的称重模式，利用磁铁间同极相斥的原理，在不需要人工拿取岩溶样本的条件下对其进行对重量的隔空称取，更加灵敏和准确，极大避免在人工操作过程中岩溶样本磕蹭导致的误差，提高了试验的准确性。

6、本发明设置的模块多功能转盘，可在其基础上进行其他功能的延伸和拓展，需要在转盘上设置相应的模块，已到达对岩溶试验的补充和对岩溶样本的多样化处理，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例中多因素控制功能的溶蚀作用模拟试验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中反应筒的结构示意图；

图3是本发明实施例中溶蚀液导流模块的结构示意图；

图4是本发明实施例中岩样烘干模块的结构示意图；

图5是本发明实施例中磁力称重模块的结构示意图；

图6是本发明实施例中筒体一的结构示意图；

图中，1、侧板，2、上层隔板，3、中层隔板，4、底板，5、支撑座，6、控制屏，7、储液瓶，8、储气瓶，9、压力泵，10、恒温水浴床，11、上端盖，12、安装筒，13、移动筒，14、导气孔，15、喷淋头，16、伸缩杆，17、过滤板，18、环形吸附磁铁，19、转盘，20、电机，21、横梁，22、筒体一，23、滤网，24、导流斜板，25、出液口，26、筒体二，27、烘干机构，28、筒体三，29、磁悬浮称重装置，30、吸水泵，31、溶蚀液收集瓶，32、螺杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请查阅图1-6所示，多因素控制功能的溶蚀作用模拟试验装置，包括主体支架、反应物供给机构、反应机构、模块功能机构、反应物收集机构、供能机构，供能机构为整个装置供电。

如图1所示，主体支架包括侧板1、上层隔板2、中层隔板3、底板4，上层隔板2、中层隔板3、底板4从下往下依次固定在侧板1上，底板4下端固定有支撑座5，支撑座5设置有四个，且分布在底板4的四个拐角处。中层隔板3上端安装有控制屏6，控制屏6与各个机构电性连接，可用于调控各个机构的参数并显示试验结果。

反应物供给机构用来提供模拟条件所需的部分水环境条件，包括储液瓶7、储气瓶8、压力泵9，储液瓶7、储气瓶8、压力泵9均安装在上层隔板2上端，压力泵9分别通过连接管与储液瓶7、储气瓶8连接。储气瓶8用于控制反应的空气条件，储液瓶7用于控制模拟水流的酸碱性，压力泵9用于模拟水压。

反应机构包括恒温水浴床10和反应筒，恒温水浴床10固定在上层隔板2的下端，恒温水浴床10用于控制实验环境的温度。恒温水浴床10内设有上下敞口的安装腔，反应筒安装在安装腔内。如图2所示，反应筒包括上端盖11、安装筒12、移动筒13，安装筒12上端和下端均为敞口，上端盖11和安装筒12通过螺纹可拆卸连接。上端盖11通过螺纹连接固定在上层隔板2上，上端盖11上设有导气孔14，导气孔14通过连接管与压力泵9连接，且连接管上安装有阀门，导气孔14用于控制气体种类和压强。上端盖11上可拆卸安装有喷淋头15，喷淋头15通过连接管与压力泵9连接，连接管上安装有阀门，喷头可更换为雾化喷头和不同强度水滴喷头和直流喷头，实现水雾、降雨及水流等不同方式及流速的模拟。安装筒12通过伸缩杆16与移动筒13固定，伸缩杆16由上杆和下杆组成，下杆为空心杆，上杆套设在下杆内，上杆的下端固定在移动筒13上，上杆的上端固定在安装筒12下端，上杆可在下杆内进行移动，从而控制伸缩的长度，上杆和下杆可通过螺栓进行紧固定位。移动筒13上端和下端均为敞口，移动筒13内设有反应腔，反应腔底部安装有过滤板17，移动筒13下端固定有环形吸附磁铁18。

如图1所示，模块功能机构包括可转动的转盘19、电机20，转盘19安装在中层隔板3上端，电机20安装在底板4上端，电机20的输出轴通过链轮传动与转轴连接，即电机20的输出轴与主动链轮固定，从动链轮与转轴固定，主动链轮与从动链轮通过传动链连接，转轴穿过中层隔板3与转盘19中心固定。为了增加稳定性，转轴与中层隔板3可通过轴承连接，且转盘19可通过环形滑轨与中层隔板3连接。转盘19上端固定有横梁21，横梁21设置有三个，且设置在转盘19的径向，相邻两个横梁21之间的夹角相同。三个横梁21上分别固定有溶蚀液导流模块、岩样烘干模块、磁力称重模块。

溶蚀液导流模块包括上端敞口的筒体一22，如图3所示，筒体一22内设有滤网23，筒体一22底部设有导流斜板24，筒体一22底部设有出液口25，出液口25位于导流斜板24较低的一端，出液口25处安装有阀门，可通过阀门启闭调整反应筒中的液面高度，使可溶岩处于裸露、半裸露或浸泡状态，以模拟不同埋置条件、不同湿度或不同水动力条件下发生的溶蚀反应。如图4所示，岩样烘干模块包括上端敞口的筒体二26，筒体二26内设有烘干机构27。如图5所示，磁力称重模块包括筒体三28，筒体三28内底部设有磁悬浮称重装置29，磁悬浮称重装置29为现有装置，包括压力传感器和磁感应装置，磁感应装置包括磁铁板，磁铁板的磁性与环形电磁铁相斥。筒体一22、筒体二26、筒体三28下端均固定有螺杆32，螺杆32分别与转盘19通过螺纹连接。通过顺逆时针旋转筒体一22、筒体二26、筒体三28，实现溶蚀液导流模块、岩样烘干模块、磁力称重模块的升降，从而和反应筒实现闭合和脱离。

如图1所示，反应物收集机构包括安装在底板4上端的吸水泵30和溶蚀液收集瓶31，溶蚀液收集瓶31与吸水泵30连接，吸水泵30与溶蚀液导流模块的出液口25连接。

实施例2

一种溶蚀试验方法，具体包括如下步骤：

1)试验开始前，先检查各个配件的完整性，运行是否正常。

2)根据试验要求在储液瓶7和储气瓶8内放置相应的溶液和气体，并选择相应的喷淋头15安装在上端盖11上，将上端盖11上层隔板2旋紧固定。供能机构开启，为装置供电。储液瓶7通过压力泵9与上端盖11中的喷淋头15相连，储气瓶8通过压力泵9与上端盖11中的导气孔14相连。

3)开始溶蚀试验，先将反应物可溶岩样置于过滤板17上，通过转轴将溶蚀液导流模块转动至反应筒正下方，反应腔通过可伸缩杆16调整移动距离，然后转动筒体一22，使筒体一22上升，直至安装筒12和反应腔位于筒体一22内。

4)通过压力泵9、阀门调控进入安装筒12内气、液的压强和流量，并通过恒温水浴床10控制安装筒12内的反应温度，通过吸水泵30和溶蚀液导流模块中的阀门来调控可溶岩裸露状态，以此可实现模拟不同因素下的溶蚀作用。试验过程中的溶蚀液经导流斜板24、出液口25、吸水泵30进入溶蚀液收集瓶31内。

5)溶蚀反应完成，进行岩样烘干操作。旋转筒体一22，调节伸缩杆16的长度，使安装筒12和反应腔离开筒体一22。启动电机20一，利用电机20一带动转轴和转盘19进行转动，使岩样烘干模块转动至反应筒正下方，调节伸缩杆16长度，旋转筒体二26，使反应腔和安装筒12伸入筒体二26内，启动烘干机构27，对岩样进行烘干。

6)烘干操作完成，进行岩样称重。将筒体二26与反应腔脱离，并转动转盘19，使磁力称重模块位于反应筒正下方。调节伸缩杆16长度，旋转筒体二26，将反应腔伸入筒体三28内，由于利用磁悬浮称重装置29测得岩样的质量。在控制屏6上读取数据。

7)所有试验完成后，取出溶蚀液收集瓶31，计算单位体积溶蚀量，并分析溶蚀液化学成分。取出过滤板17上的岩样，并观察溶蚀试验后的岩样溶蚀形态，关闭仪器，采取其他操作。

8)重复进行多组试验，将试验所设置的温度、流速、反应液PH值等作为对比条件，揭示不同影响因素对岩溶发育的影响。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。