CN103645297B - 岩溶塌陷的模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩溶塌陷的模拟装置。其中，该装置包括：岩溶塌陷环境模拟装置，包括箱体和岩溶模拟装置，其中，箱体的顶部开口，岩溶模拟装置设置在箱体的底部；水动力条件模拟装置，包括供水装置和排水装置；监测系统，布置在岩溶模拟装置内部，用于监测岩溶塌陷的临界状态。通过本发明，能够实现可以对不同塌陷类型、不同工况下的岩溶塌陷进行模拟。

Description

岩溶塌陷的模拟装置

技术领域

本发明涉及工程领域，具体而言，涉及一种岩溶塌陷的模拟装置。

背景技术

在工程地质、水文地质领域中，岩溶塌陷是岩溶地区，特别是隐伏岩溶地区的一种重要地质灾害。作为这种特定的地质、水文及工程地质条件下的特殊地质灾害，其具有自身独特的形成条件。它是岩溶洞穴上方的岩、土体在自然或人为因素作用下引起变形破坏，并在地面形成塌陷坑（洞）的一种岩溶动力地质作用与现象，及岩溶的一种驱溶（溶蚀或沉淀）的动力地质作用和现象。地下岩溶洞穴、洞隙、上覆松散盖层岩土体及动力条件（主要是地下水动力条件）是岩溶塌陷的三个要素，只有在具备了以上三要素的基础上，才有可能产生塌陷。

为了能够进一步研究岩溶洞穴，可以对于岩溶塌陷进行物理模拟，现有技术中用于模拟岩溶塌陷的物理模拟试验平台目前只能够做到岩土土洞塌陷的模拟，但对于隐伏顶板岩溶塌陷以及岩溶土洞的产生、扩大等的模拟还不能实现，从而还不能满足对于各类型岩溶塌陷机理的研究。

目前针对相关技术的岩溶塌陷的模拟装置无法对不同塌陷类型、不同工况下的岩溶塌陷进行模拟的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术的岩溶塌陷的模拟装置无法对不同塌陷类型、不同工况下的岩溶塌陷进行模拟的问题，目前尚未提出有效的解决方案，为此，本发明的主要目的在于提供一种岩溶塌陷的模拟装置，以解决上述问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种岩溶塌陷的模拟装置，该模拟装置包括：岩溶塌陷环境模拟装置，包括箱体和岩溶模拟装置，其中，箱体的顶部开口，岩溶模拟装置设置在箱体的底部；水动力条件模拟装置，包括供水装置和排水装置；监测系统，布置在岩溶模拟装置内部，用于监测岩溶塌陷的临界状态。

通过本发明，采用岩溶塌陷环境模拟装置，包括箱体和岩溶模拟装置，其中，箱体的顶部开口，岩溶模拟装置设置在箱体的底部；水动力条件模拟装置，包括供水装置和排水装置；监测系统，布置在岩溶模拟装置内部，用于监测岩溶塌陷的临界状态，解决了相关技术的岩溶塌陷的模拟装置无法对不同塌陷类型、不同工况下的岩溶塌陷进行模拟的问题，进而实现可以对不同塌陷类型、不同工况下的岩溶塌陷进行模拟的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的岩溶塌陷的模拟装置的整体结构示意图；

图2是根据本发明实施例的一种优选岩溶塌陷的模拟装置的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的一种优选岩溶塌陷的模拟装置的俯视平面结构示意图；

图4是根据本发明实施例的一种优选岩溶塌陷的模拟装置的立体结构示意图；以及

图5是根据本发明实施例的一种优选岩溶塌陷的模拟装置的侧面结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

在其最基本的配置中，图1是根据本发明实施例的岩溶塌陷的模拟装置的结构示意图。如图1所示，该岩溶塌陷的模拟装置可以包括：岩溶塌陷环境模拟装置1、水动力条件模拟装置2和检测系统3

岩溶塌陷环境模拟装置1，该岩溶塌陷环境模拟装置1为本申请岩溶塌陷的模拟装置的主体结构，可以包括：箱体11和岩溶模拟装置13，其中，箱体1的顶部开口，岩溶模拟装置13设置在箱体11的底部，岩溶塌陷环境模拟装置1用于模拟岩溶塌陷环境。

水动力条件模拟装置2，该水动力条件模拟装置2可以是一个供排水系统，可以包括：供水装置21和排水装置23，用于户模拟水动力条件。

监测系统3，布置在岩溶模拟装置13内部，用于监测岩溶塌陷的临界状态。

比较现有技术对于岩溶塌陷的物理模拟，本申请上述实施例提供的岩溶塌陷的模拟装置是一种多类型的模拟试验平台，实现原理是根据岩溶塌陷的要素进行实体模拟，主要由三部分构成：岩溶塌陷环境模拟装置系统、水动力条件模拟装置以及监测系统。主体系统由箱体11和岩溶模拟装置13构成，其中，箱体中可以通过放置岩土来模拟岩洞上的覆岩土体，岩溶模拟装置可以模拟岩溶空洞和裂隙等特征；水动力条件模拟装置2用于模拟自然情况下岩溶系统的水动力条件的变化，其中供水装置21用于模拟在岩土上方降水的环境，而排水装置用来模拟地下水流动的状态；而监测系统实现了监测岩溶塌陷时的各种临界状态，例如由土压力、孔隙水压力、负压计等多种传感器组成，来研究岩溶塌陷的临界状态。从而可知，上述方案解决了相关技术的岩溶塌陷的模拟装置无法对不同塌陷类型、不同工况下的岩溶塌陷进行模拟的问题，进而实现可以对不同塌陷类型、不同工况下的岩溶塌陷进行模拟的效果。

如图2所示，本申请上述实施例中，岩溶塌陷环境模拟装置1还可以包括：

至少一个隔板结构15，设置在箱体的空腔内部，分别与箱体11的各个侧面相对设置，并与各个侧面之间形成预定距离的间隙。上述隔板结构15可以是砖墙。

具体的，如图2所示，本申请上述实施例中的箱体11的内侧壁可以设置相对的砖墙，两侧的砖墙用以模拟岩土体两侧有水头差、即岩土体内存在水平渗流的情况下，研究水平渗流对岩溶土洞发展的影响。

优选地，岩溶塌陷环境模拟装置1中的箱体11由金属板焊接而成，是一个立体结构，顶部没有封闭。岩溶模拟装置13焊接在箱体11底部的支撑地板上，岩溶模拟装置的边长可以小于等于箱体的边长。

如图3所示，本申请上述实施例中，从俯视平面来观察，上述岩溶模拟装置13可以包括：岩溶管道131、至少一个岩溶开口132、出泥管133和至少一个开合板。

其中，该岩溶管道131可以为一个空腔式结构，安装在箱体底部的支撑底板的外侧，用于模拟岩溶洞穴。

岩溶开口132可以设置在箱体的支撑板的表面上，且箱体可以通过岩溶开口与岩溶管道连通，岩溶开口132用于模拟岩溶洞隙。由此可知，设置在箱体的支撑板的表面上的岩溶开口，使得箱体与岩溶管道的空间相连通，用于模拟岩溶洞隙。岩溶开口数量和大小可以根据模拟场景变换。

开合板可以安装在对应的岩溶开口上，用于打开或闭合岩溶开口，在开合板打开的情况下，使得箱体中的岩土通过岩溶开口下沉到岩溶管道中。

出泥管133可以设置在岩溶管道的任意一个侧表面上，用于模拟排出岩溶管道内的水和/或岩土。

具体的，本申请提供的上述方案中，该试验平台的主体系统11的箱体结构由钢板切割、焊接而成，在模拟岩溶洞穴的岩溶管道的上部可以设置可大可小，形状也可随意多样的岩溶开口，即岩溶管道131与箱体11连接面上的开口可以按照需求设置。岩溶顶板采用不同力学特征的相似材料来模拟，如石膏、水泥砂浆等材料。箱体11内部放置岩土，即在箱体11的底部、岩溶管道的顶部上可以覆盖的覆土体可根据实际情况采用不同类型、不同级配或多元结构的土体。

优选地，本申请上述实施例中的开合板可以位于底板的岩溶开口之下，岩溶管道之中，尺寸较岩溶开口一侧较窄，另一侧较长，中间穿孔并系钢丝。在试验的准备过程中，先将闭合板用钢丝吊起，若进行岩溶顶板塌陷的模拟试验，需在顶板上打孔，并将钢丝绳穿过。提起闭合板后，即可在模型箱内填不同类型、不同级配的土体。准备完成后，放松钢丝绳，闭合板在自重作用下落入岩溶管道底板，岩溶开口打开。打开各监测设备，即可模拟在大气降水、抽水等条件下岩溶顶板破坏及岩溶土洞扩展的过程。

优选地，本申请上述实施例中的开合板可以使用覆盖板进行替换，从而本申请岩溶模拟装置13可以包括：至少一个覆盖板，覆盖板覆盖在对应的岩溶开口上方，用于模拟岩土塌陷表面，当覆盖板上覆盖的岩土重量达到临界值时，覆盖板被岩土破坏，使得箱体中的岩土通过岩溶开口下沉到岩溶管道中。

具体的，结合图1和2所示，本申请上述实施例中的岩溶塌陷环境模拟装置可以由6mm厚铁板焊接而成，长2m，宽2m，高2.5m。岩溶塌陷环境模拟装置底部安装了一个用以模拟岩溶洞穴的岩溶管道131，岩溶管道可以设计为高0.4m，宽0.6m，长1.6m，并且与框架支撑底板焊接。如图3所示，支撑底板上可以开设两处岩溶开口132，用于模拟岩溶洞隙，两个开口的尺寸可以分别为50cm×50cm和20cm×20cm，即可以模拟不同尺寸大小的岩溶洞隙。其中，主体系统的模型空腔内可以设置距两侧边壁15cm处砌有两面隔板结构，该隔板结构可以是砖混强，可以设置墙高1.8m。

进一步需要说明的是，如图4所示，本申请上述实施例中，供水装置可以包括：至少一个水箱41和至少一个出水装置42和放水装置43，其中，水箱41用于提供水源；出水装置42布置在箱体的顶部，可以通过供水管道与水箱连通，用于模拟大气降水；放水装置43，安装在岩溶管道的侧表面上，与出泥管相对设置，通过供水管道与水箱连通，用于模拟流动的地下水。而排水装置可以包括：抽水装置，与岩溶管道一侧的开孔连接，用于模拟地下水开采或矿山疏排水。上述实施例中的出水装置42上可以安装喷头。

具体的，在模拟降水或地下水的过程中，可以打开上述供水装置，用于模拟在大气降雨条件下的岩溶塌陷发育过程，该塌陷机理主要为渗压效应和软化效应；亦可模拟在洪水、地下水开采或矿山疏排水条件下岩溶塌陷的机理，模拟过程如下：在供水装置中打开水箱，水箱中的水通过出水装置42流向箱体内部，水通过岩溶开口进入岩溶管道，或者可以通过放水装置将水输入到岩溶管道中，在上述两种条件下，岩溶管道内是充满水的，地下水水位高于岩溶土洞顶部，在洪水消退、抽水或疏排水条件下，地下水快速下降，当水位低于岩溶顶板时，在岩溶空腔内会形成一个负压，也会使地下水垂直渗流加速，增加渗透压力。这样，在真空吸蚀力及渗透压力的作用下，岩溶顶板可能会发生破坏或者岩溶土洞会渐进向上扩展，经历若干次后，岩溶塌陷会发展至地表。

优选地，本申请上述实施例中的供水管道可以包括三通装置，使得供水管道的一端与水箱连接，另一端分出多条水管，分别与出水装置连接。

其中，如图4所示，出水装置可以包括：喷头、第一阀门和第一水表，每条水管连接一个所述喷头，用于模拟记录和控制大气降水量；放水装置包括：岩溶管道的侧表面上的开口和第二阀门，岩溶管道的侧表面上的开口与水箱连接，用于模拟控制地下水的流动量；抽水装置包括：用于抽水的抽水泵、阀门和水表，抽水泵与岩溶管道连接，用于模拟记录和控制地下水开采或矿山疏排水的水量。

优选地，本申请上述实施例中的箱体的底部可以开设至少一个孔间隙，当出水装置向箱体放水时，水通过孔间隙流入岩溶管道内，用于模拟岩溶裂隙。

具体的，结合上述图1-图4，对上述水动力条件模拟装置所提供的实际场景说明如下：

在主体机构1的箱体11底部铺设一根供水管道，一端与水箱相接获取水源，一端封闭，在中间安设四个三通，得到四根水管，通过水管引水至箱体11上部，这四根水管一端安装喷头，用以模拟大气降水。在水源相接端安装水表与阀门，用以记录和控制大气降水量。

在底部岩溶管道与出泥孔相对一侧开孔，与水箱相连接，由于模型底部处于地下2m处，水箱架设在地面上2m处，因此，该水箱可提供约4m水柱的自然压，用以模拟承压水。当使用抽水泵将岩溶管道中模拟的地下水进行抽取之后，可以继续向水箱内放水，并打开阀门，用以模拟岩溶管道水流，使管道内的塌陷土体被水流携带出去。具体的，可以在箱体底部的岩溶管道的一侧开孔，与抽水泵相连，然后接上水表和开关，用以模拟地下水开采或矿山疏排水。

由此可知，水动力条件模拟装置由水箱、供水管道、阀门、水表等组成，可模拟不同强度的大气降雨、抽水或矿山疏排水。

优选地，如图5所示，结合上述图1-图4可知，本申请上述实施例中的监测系统3可以包括：土压力监测装置、负压监测装置和摄像装置

土压力监测装置，安装在任意一个岩溶开口的覆盖板处，用于监测箱体中承载的岩土对覆盖板形成的土压力。

具体的，土压力计用来监测岩溶空腔上覆土体中土压力的变化，可以在岩溶开口上覆土板不同高度处埋设土压力计，当岩溶土洞向上扩展发育时，土体中的土压力值会发生变化，其中距岩溶土洞顶板最近的土压力计数值变化最大，这样可推断岩溶土洞的发育的高度。当某个土压力计数值瞬间变为零时，则说明岩溶土洞已发展至此高度，土压力计悬空或掉落。

负压监测装置，安装在岩溶管道内部，用于监测抽水泵对岩溶管道进行抽水时产生的负压。该负压监测装置可以是负压测量仪器。

具体的，当岩溶管道内充满水，且水位位于岩溶空腔的顶板以上，试验开始后，打开排水阀门，岩溶管道内水位迅速下降，此时岩溶管道未与外界相通，在岩溶空腔内会产生一个负压，负压计即用来监测岩溶空腔内负压的大小。

摄像装置，安装在岩溶管道的观测窗处，用于监测岩溶管道内发生岩溶塌陷时的临界状态。

优选地，本申请上述实施例中的监测系统还可以包括：水压力监测装置，用于监测孔间隙处的孔隙水压力。

具体的，监测系统可以由不同用途的传感器、数据采集器及数据显示装置、存储装置组成，主体系统上部、下部可安装高速摄像机，监控上覆岩土体的微量变形。在岩溶管道内亦安装负压测量装置，分析负压的产生与岩溶塌陷之间的关系。

上述监测系统的具体实施过程如下：在模型试验中，土压力监测装置主要对模拟岩溶洞穴的箱体11底部上的覆盖板及土层中的土压力和孔隙水压力进行监测。另外，并在岩溶管道中安装负压测量仪器，用以记录和观测抽水过程中产生的负压对岩溶塌陷的影响。负压的产生，会在岩溶空腔内形成一个真空吸蚀力，即产生一个将岩溶顶板或土层向下拖拽的拉力。负压越大，拖拽力越大，岩溶土洞向上扩展的速度越快。而且，在负压存在期间，岩溶土洞扩展的速度与时间成对数关系。数据采集系统采用动静态应变仪和动态信号数据采集器。

由此可知，本申请提供的方案中，该试验平台的主要优点在于可以模拟不同类型、不同工况下岩溶塌陷的机理及过程，多方位的监测手段更是有助于研究不同类型岩溶塌陷的控制因素及塌陷临界状态。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种岩溶塌陷的模拟装置，其特征在于，包括：

岩溶塌陷环境模拟装置，包括箱体和岩溶模拟装置，其中，所述箱体的顶部开口，所述岩溶模拟装置设置在所述箱体的底部；

水动力条件模拟装置，包括供水装置和排水装置；

监测系统，布置在所述岩溶模拟装置内部，用于监测岩溶塌陷的临界状态；

所述岩溶模拟装置还包括：岩溶管道，安装在所述箱体底部的支撑底板的外侧，用于模拟岩溶洞穴；至少一个岩溶开口，设置在所述箱体的支撑板的表面上，且所述箱体通过所述岩溶开口与所述岩溶管道连通，该岩溶开口用于模拟岩溶洞隙；至少一个开合板，安装在所述岩溶开口之下，所述岩溶管道之中，尺寸较所述岩溶开口一侧较窄，另一侧较长，中间穿孔并系钢丝。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述岩溶模拟装置包括：

至少一个开合板，安装在对应的岩溶开口上，用于打开或闭合所述岩溶开口，在所述开合板打开的情况下，使得所述箱体中的岩土通过所述岩溶开口进入到所述岩溶管道中；

出泥管，设置在所述岩溶管道的任意一个侧表面上，用于模拟排出所述岩溶管道内的水和/或岩土。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述岩溶模拟装置包括：

岩溶管道，安装在所述箱体底部的支撑底板的外侧，用于模拟岩溶洞穴；

至少一个岩溶开口，设置在所述箱体的支撑板的表面上，且所述箱体通过所述岩溶开口与所述岩溶管道连通，该岩溶开口用于模拟岩溶洞隙；

至少一个覆盖板，覆盖在对应的岩溶开口上方，用于模拟岩土塌陷表面，当所述覆盖板上覆盖的岩土重量达到临界值时，所述覆盖板被所述岩土破坏，使得所述箱体中的岩土通过所述岩溶开口下沉到所述岩溶管道中；

出泥管，设置在所述岩溶管道的任意一个侧表面上，用于模拟排出所述岩溶管道内的水和/或岩土。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，

所述供水装置包括：

至少一个水箱，用于提供水源；

至少一个出水装置，布置在所述箱体的顶部，与所述水箱连通，用于模拟大气降水；

放水装置，安装在所述岩溶管道的侧表面上，与所述出泥管相对设置，通过供水管道与所述水箱连通，用于模拟流动的地下水；

所述排水装置包括：

抽水装置，与所述岩溶管道一侧的开孔连接，用于模拟所述地下水开采或矿山疏排水。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述供水管道包括三通装置，使得所述供水管道的一端与所述水箱连接，另一端分出多条水管，分别与所述出水装置连接；

所述出水装置包括：喷头、第一阀门和第一水表，每条水管连接一个所述喷头，用于模拟记录和控制所述大气降水量；

所述放水装置包括：所述岩溶管道的侧表面上的开口和第二阀门，所述岩溶管道的侧表面上的开口与所述水箱连接，用于模拟控制所述地下水的流动量；

所述抽水装置包括：用于抽水的抽水泵、阀门和水表，所述抽水泵与所述岩溶管道连接，用于模拟记录和控制所述地下水开采或矿山疏排水的水量。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述监测系统包括：

土压力监测装置，安装在任意一个所述岩溶开口的覆盖板处，用于监测所述箱体中承载的岩土对所述覆盖板形成的土压力；

负压监测装置，安装在所述岩溶管道内部，用于监测所述抽水泵对所述岩溶管道进行抽水时产生的负压；

摄像装置，安装在所述岩溶管道的观测窗处，用于监测所述岩溶管道内发生岩溶塌陷时的临界状态。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述箱体的底部开设至少一个孔间隙，当所述出水装置向所述箱体放水时，水通过所述孔间隙流入所述岩溶管道内，用于模拟岩溶裂隙。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述监测系统还包括：

水压力监测装置，用于监测所述孔间隙处的孔隙水压力。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述岩溶塌陷环境模拟装置的还包括：

至少一个隔板结构，设置在所述箱体的空腔内部，分别与所述箱体的各个侧面相对设置，并与所述各个侧面之间形成预定距离的间隙。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述岩溶塌陷环境模拟装置中的箱体由金属板焊接而成，所述岩溶模拟装置焊接在所述箱体底部的支撑地板上，所述岩溶模拟装置的边长小于等于所述箱体的边长。