CN104005363A - 一种三维地下承压水流-地铁隧道结构相互作用模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维地下承压水流-地铁隧道结构相互作用模拟装置，包括模型箱、线性隧道结构系统、进排水系统、承压水水头控制系统、加载系统和测量系统；将线性隧道结构系统设置在模型箱内的砂性土层中，进排水系统和承压水水头控制系统对砂性土层的水头进行控制模拟形成含水承压层，实验过程中，测量系统实时检测各种数据。模型箱作为承载装置，与其他几个系统配合，可以模拟线性地铁隧道结构对地下承压水流流态的影响及地下承压水流变化对地铁隧道结构的影响，地铁隧道结构抗浮设计效果的验证及地下承压水流对其影响的评价，局部渗漏对地铁隧道结构安全影响的评价等。

Description

一种三维地下承压水流-地铁隧道结构相互作用模拟装置

技术领域

本发明涉及土木建筑、隧道及地下空间工程、环境工程领域，尤其涉及一种三维地下承压水流-地铁隧道结构相互作用模拟装置。

背景技术

我国经济最发达的沿江沿海地区，地下广泛分布有潜水含水层和多层承压含水层，近年来，随着轨道交通系统的建设飞速发展，长大线性地铁隧道网络的构建对区域地下水环境不可避免的产生影响，反之，区域地下水抽降回灌诱发的地下水环境的动态演化对其中线性隧道结构物长期性态的发展也起着关键作用。如何评价地下承压水流-地铁隧道结构的相互作用规律，对确保生命线工程-地铁隧道的长期安全性及维持区域地下水环境的动态平衡具有重要意义，同时，鉴于该类问题的复杂性及研究手段的有限，也一直是工程界没有得到充分重视的问题之一。

经技术文献检索发现，国内外对地下水渗流或循环运移问题已进行了大量研究，开发了多种水槽或水箱等模拟设备，对工程中由于地下水抽降引起的地面沉降环境问题、污染物运移等问题开展了物理模拟试验，但这些模拟设备多为对开放性的无障碍物地下水系统的一维或二维水流模拟，含地铁隧道等地下结构物的模型装置很少，仅见中国专利文献号CN101831924A记载了一种对地下结构物阻断地下水路的模拟装置，但该装置采用挡板插入土层的简化模拟方式并不能反映地下水渗流的三维特性，也不能对地下线性隧道结构系统网络进行很好的模拟。鉴于上述原因，迫切需要研发一种能够对三维地下承压水流-地铁隧道结构相互作用进行有效模拟的新装置，以提高对该工程问题的认识，为工程建设服务。

发明内容

要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种三维地下承压水流-地铁隧道结构相互作用模拟试验系统，解决现有试验装置不能很好地模拟三维地下承压水流-地铁隧道结构相互作用的技术问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种三维地下承压水流-地铁隧道结构相互作用模拟装置，包括模型箱、线性隧道结构系统、进排水系统、承压水水头控制系统、加载系统和测量系统；

所述模型箱内设置有粘性土层和砂性土层模拟形成地下含水结构；

所述线性隧道结构系统设置于模型箱内的砂性土层中；

所述承压水水头控制系统与进排水系统连接，所述进排水系统设置在模型箱内的地下含水结构中；

所述加载系统设置在模型箱的上部，所述加载系统对地下含水结构施加向下的压力；

所述测量系统包括测试元件和数据采集系统，所述测试元件设置于模型箱内，测试元件实时检测模型箱内的动态变化并将数据传输给数据采集系统；

还包括抽水孔，所述抽水孔设置在模型箱的一侧且抽水孔一端设置在砂性土层内，另一端与模型箱外部的抽水装置连通。

在本发明中，模型箱与线性隧道结构系统、进排水系统、承压水水头控制系统、加载系统和测量系统六个模块进行有机组合，实现地下承压水流与地下地铁隧道结构系统相互作用的模拟；模型箱为各系统的载体；线性隧道结构系统内置于模型箱中特定承压含水层中，单条直线布置或环状、网状布置；进排水系统控制地下水的流进输出，模拟地下水的动态补给与排泄；水头控制系统控制承压含水层水头高度，与进排水系统连接；加载系统对模型箱施加垂向荷载，模拟地面建构筑物静荷载作用；测量系统完成试验过程中水位、结构受力、变形等的动态测试。

进一步的，在本发明中，还包括示踪系统，所述示踪系统包括示踪剂投放孔和示踪剂观测孔；以抽水孔所在位置为模型箱内水流的下游方向，示踪剂观测孔位于示踪剂投放孔的下游位置；示踪剂投放孔和示踪剂观测孔的一端连通至砂性土层中，另一端与模型箱外部连通。

示踪系统为本发明的一大特色，通过对因模型隧道的植入引起的地下水流场(流速、流向)变化观测，可为进一步的三维地下水渗流场变化的理论模拟提供验证比较。

进一步的，在本发明中，所述模型箱顶部设置有活动盖板；所述模型箱上预设有孔洞。活动盖板类似活塞可上下运动，辅助加载系统实现均匀加载；孔洞作为模型箱内外连通的通道，可以作为导线、水管等的通道，也可作为透气孔用。

进一步的，在本发明中，所述线性隧道结构系统为多段隧道模型柔性连接形成，每个隧道模型由微粒混凝土制作且微粒混凝土内设置有双层镀锌铁丝网。线性隧道布置方法可模拟现有的实际情况，形成单条直线布置或环状、网状布置。

进一步的，在本发明中，所述进排水系统包括多个环状水管，环状水管沿模拟箱的内侧壁分层布置，所述环状水管上设有进水口和出水口，所述进水口与承压水水头控制系统相连，所述出水口设置在环状水管迎土侧。分层布置可以确保进排水时砂性土层中水流均匀渗透,承压水水头控制系统的水位保持均衡。

进一步的，在本发明中，所述测试元件包括微型位移计、渗压计、土压计、测压管、电阻率探针和应变片；所述微型位移计、渗压计、土压计、测压管、电阻率探针均埋设在地下含水结构中不同位置处，所述应变片粘附在线性隧道结构系统的不同位置处；所述数据采集系统包括自动化数据采集仪和自动电阻率测试仪，所述微型位移计、渗压计、土压计、测压管和应变片分别通过导线与自动化数据采集仪连接，所述、电阻率探针通过导线与自动电阻率测试仪相连。多种测试元件配合，可对模型箱内的情况进行充分监测。

进一步的，在本发明中，所述加载系统采用千斤顶、砝码堆载、小载荷板加载的形式中的一种，且加载系统设置在活动盖板上。加载系统可实现模拟地面建构筑物静荷载作用。

进一步的，在本发明中，所述承压水水头控制系统包括可升降高度的多个水箱，每个水箱分别与一个环状水管对应，水箱通过水管与对应环状水管的进水口相连，相连位置处的水管上设置有流量表和压力表。水箱与环状水管配合，调整砂性土层的水头和压力，模拟形成承压水层。实际模拟过程中，只启用与埋设在砂性土层中的进排水管相连的水箱，埋设在粘性土壤中的进排水管以及与之相连的水箱均作为备用，以便模拟不同地层组合时可以相应地更换使用与砂性土层位置对应的进排水管和水箱。

有益效果：

本发明试验系统采用模块化设计方式，通过模型箱、线性隧道结构系统、进排水系统、承压水水头控制系统、加载系统、测量系统六个部分的有机组成，实现多种复杂工况的模拟，包括：模拟线性地铁隧道结构对地下承压水流的阻滞影响及地下承压水流变化对地铁隧道结构的影响，地铁隧道结构抗浮设计效果的验证及地下承压水流对其影响的评价，局部渗漏对地铁隧道结构安全影响的评价等。

本发明实现了对地下承压水流-地铁隧道结构相互作用的三维模拟，适应性强，对于研究地下地铁网络系统与地下水系统之间的相互作用规律，进而评价地下地铁隧道结构长期安全性、地下水生态环境变化具有重要作用。

附图说明

图1为本发明的模型箱的三维示意图；

图2为本发明模型箱纵剖面示意简图；

图3为本发明模型隧道结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种三维地下承压水流-地铁隧道结构相互作用模拟试验装置，包括模型箱1、线性隧道结构系统2、进排水系统3、承压水水头控制系统4、加载系统5和测量系统6。

如图1所示，所述模型箱1采用有机玻璃或钢板焊接制作成长方体，且长方体的尺寸长宽高为2.5m×3.5m×1.6m；模型箱1的顶部设计有可拆卸的、上下自由滑动的活动盖板7，沿模型箱1的侧壁和活动盖板7上均开设若干孔洞8，并且孔洞8可根据需要采用橡皮塞密封或使用，这些孔洞8作为模型箱1内外连接的通道。

可根据需要采用橡皮塞密封或使用在模型箱1的内部从下至上分层铺设砂性土层9/粘性土层10/砂性土层9/粘性土层10，每层厚度40cm，为形成稳定渗流，还可将模型箱1中的土层设置成倾斜地层，以形成水力梯度；模型箱1的侧壁上设置有4道环形的凹槽，用于放置进排水系统，每道凹槽基本位于每层土的中下部位置处。

在砂性土层10内呈直线状或环状放置线性隧道结构系统2，所述线性隧道结构系统2为多段隧道模型通过柔性橡胶环26连接形成，每段长10cm，每个隧道模型由微粒混凝土制作且微粒混凝土内设置有双层镀锌铁丝网24用于模拟实际隧道中的配筋，隧道模型的断面为圆形或马蹄形；制作隧道模型时，可根据需要，在隧道模型特定部位设置渗漏区，以模拟隧道渗漏情况；在隧道模型的内壁顶部、侧壁、底部不同部位黏贴应变片33，应变片33上的导线27通过模型箱1的侧壁上的孔洞8引至模型箱1外的自动数据采集仪19上。

进排水系统3包括4个环状水管，采用打孔PVC管制作并外缠不锈钢滤网，环状水管沿模拟箱1的内侧壁分层布置，分别位于模型箱1侧壁的4道环形凹槽内，所述环状水管上设有进水口和出水口，所述出水口设置在环状水管迎土侧；根据需要，可在特定部位如模型隧道底部增设环状水管。

所述的承压水水头控制系统4由4个可升降高度的水箱14组成，水箱14刻度的精度达到1mm，以利于观察水箱14内水位的升降情况；每个水箱14对应一个环状水管，水箱14通过水管与对应环状水管的进水口相连，相连位置处的水管上设置有流量表15和压力表11，方便对进出水量及压力进行记录。上述水箱14也可换成高压水泵，可以实现对高承压水情况的模拟。

所述的加载系统5，采用活动盖板7结合分布均匀的4个千斤顶均匀加载，模拟地面建构筑物静荷载作用。

如图2所示，所述测量系统6包括测试元件和数据采集系统，所述测试元件设置于模型箱1内，测试元件实时检测模型箱1内的动态变化并将数据传输给数据采集系统；具体的，所述测试元件包括微型位移计12、渗压计13、土压计16、测压管17、电阻率探针18和应变片26；

所述微型位移计12、渗压计13、土压计16、测压管17、电阻率探针18均埋设在地下含水结构中不同位置处，所述应变片粘附在线性隧道结构系统2的不同位置处；所述数据采集系统包括DataTaker自动化数据采集仪19和自动电阻率测试仪20，所述微型位移计12、渗压计13、土压计16、测压管17和应变片26分别通过导线27与DataTaker自动化数据采集仪19连接，所述电阻率探针18通过导线27与自动电阻率测试仪20相连。

上述各种测试元件的作用如下：微型位移计12可以测量出土体不同位置处的变形；渗压计13可以测试换算出水位变化；土压计16可以测试不同位置处的土压力；测压管17可以测试砂性土层的水头变化；电阻率探针18可以对不同位置处的土层的电阻率变化进行动态测试，进而对土体结构特性变化-土性变化进行预测分析，为地下水流场-地铁隧道结构相互作用计算涉及到的流固耦合计算提供基础数据；应变片26可以测试出线性隧道结构系统2的应力和应变。

在模型箱1的一侧设置有抽水孔23，所述抽水孔23一端设置在砂性土层9内，另一端与模型箱1外部的抽水装置连通，抽水装置上安装有流量表。抽水孔23用于模拟实际的水井，当从抽水孔23处抽取模型箱1中的水流时，会在模型箱1中形成上游和下游的区分，显然，水会流向抽水孔23处，此处为下游位置，相应的，模型箱1另一侧即为上游位置，一般线性隧道结构系统2处于模型箱1的中间位置，即处于中游位置。

进一步的，结合承压水水头控制系统4、抽水装置以及土层的倾斜度等几个方面的配合，使得水流方向得以灵活调整。

为了观察水流的方便起见，还设置了示踪系统，所述示踪系统包括多个示踪剂投放孔21和示踪剂观测孔22；示踪剂观测孔22位于示踪剂投放孔21的下游位置；如图所示，示踪剂投放孔21水平设置在模型箱1上游位置的侧壁上，且对准砂性土层9；示踪剂观测孔22竖直设置在模型箱1内，且示踪剂观测孔22的一端插在砂性土层9中，另一端向上伸出模型箱1。示踪剂可选择荧光剂、食盐、同位素等，还可根据需要采用摄像机对示踪剂随地下水渗流过程运移进行全程记录。通过示踪系统，可以起到对因模型隧道的植入引起的地下水流场包括流速和流向的观测，可为进一步的三维地下水渗流场变化的理论模拟提供验证比较。

本装置的使用方法包括以下步骤：

1、试验准备阶段：分层铺设粘性土层10和砂性土层9，并将线性隧道结构系统2置于砂性土层10中，同时将微型位移计12、渗压计13、土压计16、测压管17、电阻率探针18埋设在设计位置上，测试元件的导线27通过塑料细管集中引出模型箱1，分别与DataTaker自动化数据采集仪19、电阻率自动采集仪20连接；在模型箱1中上游一端布置示踪剂投放孔21，下游一端布置示踪剂观测孔22。整个铺土过程完成后，启用与埋设在砂性土层9中的进出水管相连的水箱14为土层加压，其水头通过水箱14的升降进行控制；土层在自重固结完成后，通过在土层顶部采用活动盖板7均匀施加预压力对土层进行进一步固结，固结完成后，即可采用预置的抽水孔23在下游位置进行抽水诱发地下水流动，开展试验，在试验过程中，可采用水箱14的升降来控制不同砂性土层9的水头。

2、试验开展阶段：在开启抽水孔23之前，对测试元件的各测试参数进行初值的读取；然后开始抽水，在砂性土层9中形成渗流，同时对各测试参数进行实时测试；当水箱14连接的流量表15和抽水装置上的流量表都流量稳定，则表明形成稳定渗流，此后便可开展示踪试验；试验过程中，根据测试数据的分析结果，调整试验时间的长短。为模拟三维地下承压水流-地铁隧道结构的相互作用，可设计不同试验工况：工况1-无模型隧道置入情况试验；工况2-承压含水层中置入单条模型隧道试验；工况3-承压含水层中置入多条模型隧道试验；工况4-模型隧道底部施加高水压试验；工况5-模型隧道局部存在渗漏情况试验。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种三维地下承压水流-地铁隧道结构相互作用模拟装置，其特征在于：包括模型箱(1)、线性隧道结构系统(2)、进排水系统(3)、承压水水头控制系统(4)、加载系统(5)和测量系统(6)；

所述模型箱(1)内设置有粘性土层(10)和砂性土层(9)模拟形成地下含水结构；

所述线性隧道结构系统(2)设置于模型箱(1)内的砂性土层(9)中；

所述承压水水头控制系统(4)与进排水系统(3)连接，所述进排水系统(3)设置在模型箱(1)内的地下含水结构中；

所述加载系统(5)设置在模型箱(1)的上部，所述加载系统(5)对地下含水结构施加向下的压力；

所述测量系统(6)包括测试元件和数据采集系统，所述测试元件设置于模型箱(1)内，测试元件实时检测模型箱(1)内的动态变化并将数据传输给数据采集系统；

还包括抽水孔(23)，所述抽水孔(23)设置在模型箱(1)的一侧且抽水孔(23)一端设置在砂性土层(9)内，另一端与模型箱(1)外部的抽水装置连通。

2.如权利要求1所述的一种三维地下承压水流-地铁隧道结构相互作用模拟装置，其特征在于：还包括示踪系统，所述示踪系统包括示踪剂投放孔(21)和示踪剂观测孔(22)；以抽水孔(23)所在位置为模型箱(1)内水流的下游方向，示踪剂观测孔(22)位于示踪剂投放孔(21)的下游位置；示踪剂投放孔(21)和示踪剂观测孔(22)的一端连通至砂性土层(9)中，另一端与模型箱(1)外部连通。

3.如权利要求1所述的一种三维地下承压水流-地铁隧道结构相互作用模拟装置，其特征在于：所述模型箱(1)顶部设置有活动盖板(7)；所述模型箱(1)上预设有孔洞(8)。

4.如权利要求1所述的一种三维地下承压水流-地铁隧道结构相互作用模拟装置，其特征在于：所述线性隧道结构系统(2)为多段隧道模型柔性连接形成，每个隧道模型由微粒混凝土制作且微粒混凝土内设置有双层镀锌铁丝网(24)。

5.如权利要求1所述的一种三维地下承压水流-地铁隧道结构相互作用模拟装置，其特征在于：所述进排水系统(3)包括多个环状水管，环状水管沿模拟箱(1)的内侧壁分层布置，所述环状水管上设有进水口和出水口，所述进水口与承压水水头控制系统4相连，所述出水口设置在环状水管迎土侧。

6.如权利要求1所述的一种三维地下承压水流-地铁隧道结构相互作用模拟装置，其特征在于：所述测试元件包括微型位移计(12)、渗压计(13)、土压计(16)、测压管(17)、电阻率探针(18)和应变片(26)；所述微型位移计(12)、渗压计(13)、土压计(16)、测压管(17)、电阻率探针(18)均埋设在地下含水结构中不同位置处，所述应变片(26)粘附在线性隧道结构系统(2)的不同位置处；所述数据采集系统包括自动化数据采集仪(19)和自动电阻率测试仪(20)，所述微型位移计(12)、渗压计(13)、土压计(16)、测压管(17)和应变片(26)分别通过导线(34)与自动化数据采集仪(19)连接，所述、电阻率探针(18)通过导线与自动电阻率测试仪(20)相连。

7.如权利要求2所述的一种三维地下承压水流-地铁隧道结构相互作用模拟装置，其特征在于：所述加载系统(5)采用千斤顶、砝码堆载、小载荷板加载的形式中的一种，且加载系统(5)设置在活动盖板(7)上。

8.如权利要求5所述的一种三维地下承压水流-地铁隧道结构相互作用模拟装置，其特征在于：所述承压水水头控制系统(4)包括可升降高度的多个水箱(14)，每个水箱(14)分别与一个环状水管对应，水箱(14)通过水管与对应环状水管的进水口相连，相连位置处的水管上设置有流量表(15)和压力表(11)。