喀斯特间歇泉模拟装置的研制

肖先煊， 蔡国军， 虞修竟

（成都理工大学国家级地质工程实验教学示范中心；环境与土木工程学院；地质与岩土工程国家级虚拟仿真实验教学中心，成都 610059）

0 引 言

地质学是一门理论性及实践性很强的学科，学习过程中要求理论和实践相结合［1-9］。地质学类课程的实验教学作为学科专业教学的重要环节，目的是使学生在掌握基础理论知识的同时，通过现象观察、数据量测及综合分析，更好地理解地质过程，掌握地质体内部的物质-能量之间的作用机理，为解释一些复杂的地质现象奠定基础，从而提高学生地质技能。因此，传统的实验教学具有显著的局限性，不能让学生清晰地观测现象，也就无法让学生全面认识地质过程，不利于培养学生的创新精神［10］。因而，现代实验教学中，野外工程实践设计与室内模拟实验具有较好的同步性，模拟过程为新的实验提供了更多的趋势［11］。水文地质学是一门重要的专业核心课程，在新修订的本科教学方案里面占有重要地位。它面向我校地质工程（原勘查技术与工程）、地下水科学与工程（原环境水文地质）、

岩土工程等专业本科学生开设，除了理论课的学习，实验教学也是重要组成部分。在完成了理论课的学习后，实验部分无疑可帮助学生巩固和加深理解其所学过的理论知识，提高对地质过程的感性认识。学生在实验课后，都一致认为实验课程的设置对他们学习本门课程帮助极大，也激发了他们的学习兴趣，更容易、直观地去补充理解理论课堂上未完全掌握的知识点。

喀斯特间歇泉稀缺地分布在岩溶地区，具有极好的利用价值和观赏价值。它是出露在岩溶化程度高的碳酸盐岩地层中的岩溶泉，是一种特殊水文地质现象，在我国重庆、贵州、广西等地均有分布。因其流量呈周期性有规律地变化，又称为多潮泉［12］或周期泉［13］。

过去，在喀斯特间歇泉出露的地区，由于人们对它的认识不清而将其看作为神秘、迷信之物。在这样的背景下，实验室教师在没有更多资料借鉴的情况下，在实验室研制了喀斯特间歇泉成因模拟实验装置，为地质工程、地下水科学与工程等专业的本科生增设了这一实验项目。为学生们加深对水文地质现象的理解提供了平台，也大大激发了学生对地质学的学习兴趣，培养了其对大自然的热爱和对科学问题的穷究与追逐。

1 实验装置

1.1 设计思路

基于地下水动力学［14］和水力学［15］原理，采用室内模拟实验来还原间歇泉形成的全过程。

如图1所示的喀斯特间歇泉成因概化模型，河谷左岸的山体岩性为碳酸盐岩（如P1y、T2l等），可溶岩发育有溶洞，溶洞右侧有一组X剪节理后期溶蚀改造而成的岩溶管道，岩溶管道一端与溶洞相连通，另一端通向河谷地带，即为间歇泉的出口。在溶洞的上部，有长期水流冲刷和溶蚀作用形成的洼地，降雨入渗可直接经洼地垂向渗流补给溶洞，溶洞的左侧接受侧向岩溶水的补给，为岩溶间歇泉形成提供水源和水动力条件。

图1 喀斯特间歇泉成因概化模型

降水后，雨水在洼地汇集，并沿贯通的溶隙向下渗漏，补给溶洞，在垂向入渗补给及侧向补给下（这一补给过程在一定时间内相对稳定），溶洞内地下水位上升，且水位与岩溶管道M段的水位保持一致，当溶洞地下水位与岩溶管道M段与N段的连接处，即拐点位置时，溶洞水能通过岩溶管道向外排泄，喀斯特间歇泉泉口已出现水流，且在缓慢地增大。当溶洞地下水位高于M段与N段连接处的顶部时，N段的空气可被水迅速赶出，岩溶管道充满水，虹吸现象形成，间歇泉流量突然增大至流量峰值，由于补给量小于间歇泉最大流量，溶洞内地下水位降低，相应地，间歇泉流量也不断减小。当溶洞水位降至M段与溶洞相连接位置处，空气吸入岩溶管道内，水流断开，虹吸现象消失，泉口干涸。在稳定的入渗补给下，溶洞水位又一次上升，又重复出现上述现象。可以看出，发生间歇泉现象最直接的原因是：①稳定的补给量Q0；②Q0足够大，能在一定时间后使得M段与N段连接处产生真空，岩溶管道充满水流；③泉口最大流量Qmax大于稳定补给量Q0，使得一定时间水流能断开。

依照上述条件，参照图1的示意图，作者在室内设计了喀斯特间歇泉简易装置，反复调节Q0，直至虹吸的形成和间歇现象的出现，并最终制作了喀斯特间歇泉模拟实验装置。

1.2 装置结构

喀斯特间歇泉由地质体模拟箱、供排水系统、升降系统、测流系统组成（见图2）。

(1)地质体模拟箱。主要包括模拟石灰岩、溶洞、岩溶管道、洼地、间歇泉等。模拟箱体为一矩形槽，长1.2 m，宽0.45 m，高0.75 m。模拟石灰岩用砖块砌成。模拟石灰岩内发育有溶洞，溶洞内接受垂向大气降雨的补给，模拟岩溶溶洞地下水位动态变化。溶洞正上方设置有模拟洼地，洼地用于收集降雨，汇水后顺溶蚀裂隙向下入渗进入溶洞。溶洞还接受侧向岩溶地下水的补给，溶洞的右侧中下部与岩溶管道相连，岩溶管道形如“牛背”，管道另一端与大气相通，端口为间歇泉的出水口。间歇泉的泉口高程略高于河流水面。

(2)升降系统。在地质体模拟箱体左侧安装有固定在框体上的升降系统，顶部手柄逆时针旋转可使固定在其上的稳定溢流水箱下降，顺时针旋转可实现稳定溢流水箱上升。

(3)供排水系统。固定在升降系统上的稳定溢流水箱、水管、水泵、水阀、底部储水箱等组成供排水系统。稳定溢流箱一分为二，一段的分水箱底部与水泵相连，用于供水；另一分水箱与储水箱相连，用于排水。所供水可提供模拟侧向补给和垂向降雨入渗补给。

(4)测流系统。在地质体模拟箱右侧，间歇泉下游，设置有三角堰测流系统。该系统由消能板、三角堰及水位测针等组成。

图2 喀斯特间歇泉模拟实验装置结构示意图

1.3 工作原理和功能

喀斯特岩溶间歇泉模拟实验装置主要包括如下功能：

(1)展现间歇泉的形成过程。从溶洞、岩溶管道、洼地、溶隙等间歇泉要素的模拟，到降雨从地表进入地下，溶洞水位变化，再到间歇泉的产生，可全过程清晰地呈现，仪器采用全透明材料制作，实验现象非常直观，利于学生认识和分析间歇泉成因。

(2)溶洞水位与间歇泉流量实时监测。从溶洞水位开始上升到间歇泉口出水，虹吸现象形成的流量突变，再到流量衰减至0，整个过程中，模拟了溶洞水位与间歇泉流量的关系。

(3)模拟不同补给量、不同溶洞体积与间歇泉周期的关系。在补给量不大时，溶洞水位上升较慢，水位突破临界虹吸点时，虹吸现象形成，流量达到最大值，此后，因补给量不大，溶洞水位下降较快，间歇泉断开所需时间短，周期小。同样补给量，溶洞体积越大，所需时间越长，断开时间越长。

(4)确定补给量的范围。间歇泉形成的补给量可以较小，但有个下限，如果补给量足够小，补给流量与岩溶管道出水量相等时，虹吸无法形成。间歇泉形成的补给量也不能过大，补给流量大于虹吸最大流量时，尽管形成了虹吸，但溶洞水位始终保持不变或略有上升，在溶洞高水位地带跳跃，始终不能断开，也不能形成周期性的流量变化。

喀斯特间歇泉模拟实验装置的工作原理，可用伯努利能量方程解释这个虹吸力。从溶洞水面到虹吸临界点（图1中M段与N段的连接点），虹吸临界点的压强则等于溶洞水面位置水头减去临界点的位置水头加上水面压强水头再减去临界点处的流速水头。而由于临界点与间歇泉出口的流速相等（假设岩溶管道均匀过水断面面积相同），则临界点处的流速为溶洞水面与间歇泉泉口的高差的那部分重力势能转化成动能产生的流速。因此，在临界点处的相对压强pr为负值，其大小等于水的重度γ与临界点至间歇泉口高差Δh的乘积，即pr＝－γ·Δh。正是在这个负压的作用下，产生了虹吸现象，导致泉流量大于补给量导致溶洞水位下降，断开，再蓄水，再形成流量极值，再断开。

1.4 实验过程

间歇泉的实验过程主要分如下几个步骤：

(1)试验准备。对喀斯特间歇泉模拟实验装置进行调试。将自来水管放入储水箱中，直到储水箱中的水约占体积的2／3后关闭自来水管停止供水。检查模拟溶洞底部开关确保其处于关闭状态，间歇泉泉口底部开关，使其始终为打开的状态。利用自来水管往三角堰上游堰箱供水，当三角堰堰口有水溢出时立刻关闭自来水管供水，一定时间后，上游堰箱的多余水全部排出，在水位测针处读取堰口高程H0。检查溶洞与岩溶管道的连通性（见图3）。

图3 喀斯特间歇泉模拟实验装置图

(2)间歇泉形成、观测及记录。

①间歇泉Q（t）曲线及周期。记录溶洞初始水位后，接通水泵电源，储水箱中水经软管进入稳定溢流箱中，一部分通过右侧管进入洼地内，供给实验用水；另一部分向左侧，回流至储水箱当中。进入洼地内的实验用水的流量、流速与稳定溢流箱高度有关，模拟降雨入渗对溶洞的补给量。溶洞水位开始上升，其水位与管道M段中的水位保持一致，溶洞水位需不断记录，当溶洞水位高于岩溶管道M与N段连接点底部时，泉口开始出流，记录这一时刻的溶洞高水位特征值hcr1，同时不断读取三角堰测流系统水位测针的读数，按照2 s的时间间隔进行读数采集堰上水头数据并记录，同步记录对应的时间。当虹吸形成后，泉口流量突然增加，但水位标尺读数的突变存在滞后，这时按1 s一个数据的频率进行读数，确保间歇泉流量随时间变化曲线的测量精度。间歇泉断开时，记录这一时刻的溶洞低水位特征值hcr2，此后并非立刻停止读取水位测针，由于水流滞后，需不断地进行读数与测定。为了测量数据的准确性，每次试验应至少测定3个以上的周期的数据。实验数据记录于表1中。

②确定间歇泉形成条件。在完成3个周期的流量测定实验后，通过逐级升高稳定溢流箱增大入渗补给量，直至间歇泉无法断开时，记录那个入渗补给量Q0max；再通过逐渐降低稳定溢流箱高度减小入渗补给量，直至无法形成间歇泉（虹吸不能形成），记录那个最小补给量Q0min。从而得到间歇泉形成的补给流量范围（Q0min，Q0max）。再测量溶洞高水位特征值Hcr1与泉口高程Hs的差值、每次间歇泉断开时溶洞低水位特征值Hcr2等。

表1 间歇泉模拟实验观察数据

③分析间歇泉周期影响因素。间歇泉的周期与溶洞体积、管道尺寸、入渗补给量、虹吸临界点与泉口的高差等因素有关。在完成上述试验后，将溶洞体积扩大至原来的3倍，其他因子不变，测定一个以上周期的间歇泉流量随时间的数据，获取新的Q（t）曲线。还可不断调节入渗补给量，得到不同的周期性数据。其他条件如管道尺寸、虹吸点与泉口的高差因设备原因固定不变不宜作为变量。

(3)数据分析与处理。经过上述实验过程，处理所记录的实验数据，得到喀斯特间歇泉流量与时间的关系曲线（见图4），从图中可得到每个循环所需的时间，最大流量值，虹吸发生的时间、断开时间以及对应的溶洞水位特征值。也能看出，从泉口开始溢流到虹吸产生的所需时间，峰值从衰减至断开所需时间等，为岩溶间歇泉的水文地质条件的分析提供了重要数据支撑。这为野外预测间歇泉的出流时间和一次性的出流量提供依据，指导岩溶水资源的可持续开发与利用。

图4 定补给量、溶洞体积为V/3条件下的Q（t）曲线

在其他条件不变时，改变溶洞的体积，使其增长至原来的3倍，同样的方法开展实验，得到的间歇泉流量与时间的关系如图5所示。可以看出，溶洞体积增大后，间歇泉的最大流量并没有发生改变，而间歇周期延长。这表明，在MN段连接处与泉口高差不变时，间歇泉流量最大流量与溶洞体积无关，而与入渗补给量正相关。

图5 定补给量、溶洞体积为V条件下的Q（t）曲线

(4)试验总结。学生分组进行上述实验后，得到的数据和曲线分析，展开现场讨论和总结。教师引导学生从喀斯特间歇泉野外地质条件调查、水动力条件调查入手，有意识去建立概化模型［16-17］，主动性地设计实验条件，改变单变量去开展实验，得到间歇泉相关因子之间的关系。不仅从定性地角度去认识间歇泉的成因机制，且要通过开展实验去深一步探索。学生们在实验后对问题的总结和讨论极为重要，是本实验的一个重要环节。

2 教学课程设置及教学对象

目前，我校的本科培养方案中，水文地质学基础（水文地质学）课程面向3个学院，5个专业的本科学生开设，具体分布情况如表2所示。

表2 成都理工大学水文地质学基础（水文地质学）课程开设情况

可以看出，水文地质学实验教学部分在课程体系里面具有重要地位。针对地质工程创新班学生开设的水文地质学基础课程，实验课时占总课程课时的28.6%；岩土工程专业所开设的水文地质学课程中，实验课时占课程总课时的10%；其他专业所开设的水文地质学基础课程中，实验部分占课程总学时的14%～20%。实验环节的进行，对学生掌握本门专业课的理论知识和专业技能具有重要的帮助。因此，如何让学生的知识结构从理论到实践，再从实践反馈到理论的升华过程，是实验教学的重要目的所在。对实验教学项目的拓展和创新性实验内容的增加，是一条重要途径。

我校的水文地质学基础实验项目主要包括达西渗流实验、观测岩土毛细水上升高度实验、岩土水理性质实验、编制潜水等水位线图实验等内容。实验项目与水文地质学基础理论课程内容基本匹配。现有的实验项目和实验内容固然经典，但已经逐渐难以适应新时代社会对创新人才的日益需求。基于本课程的理论基础，研制新的实验设备，开发新的实验项目对启发学生思维和培养其创新能力有促进作用。下表介绍了我校水文地质学基础及水文地质学的实验课程项目开设情况及学时组成（见表3）。

表3 水文地质学基础（水文地质学）实验项目一览表

就水文地质学基础实验课程而言，将间歇泉成因模拟实验作为一个实验项目，要求学生不仅要掌握其原理和实验方法，还要通过实验、数据测定及成果分析去理解，去分析水文地质问题。而对于岩土工程专业的学生，也需要通过理解实验原理，观察实验现象，掌握一定的地质基础和实验知识。容易看出，将喀斯特间歇泉模拟实验项目增设进水文地质学基础和水文地质学实验课程具有良好的教学意义。

3 结 语

喀斯特间歇泉模拟实验装置的研制为室内开展间歇泉成因模拟实验提供了条件。实验装置基于对岩溶间歇泉地质条件和水动力条件的认识，并掌握其成因机理的基础上而成功研制，间歇泉成因模拟实验项目的增设在促进现代化水文地质学基础课程实验教学的发展发挥了重要的作用。一方面，扩展了实验教学平台，丰富了实验教学内容，激发了学生的实验兴趣，锻炼了学生的动手能力，为培养应用型创新人才提供了技术保障；另一方面，作为我校国家级地质工程实验教学示范中心的一部分，水文地质实验室实验教学项目和深化改革，更多从无到有的水文地质设备的增加，实践教学平台的建设和实验教学水平的提高，增加了示范中心的影响力，在全国范围内起到更好的带头作用和辐射作用。