CN104330533B - 模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验装置及方法，装置包括模型试验箱、雨量可调的降雨模拟系统、地下水渗流模拟系统、地下水供给系统、含水量测试系统、应力监测系统、数字照相非接触量测系统和光纤光栅位移监测系统。通过模拟地表水和地下水渗流作用下隧道软弱破碎围岩的渐进性破坏过程，定量研究不同的降雨条件和不同的地下水渗流路径条件下破碎围岩的力学行为。通过获得隧道围岩塌方过程中的多物理场信息，分析塌方不同演化阶段的多元信息特征及各场信息的内在联系，确定不同因素下隧道软弱破碎围岩的渐进性破坏过程和破坏形态、范围，为揭示降雨及地下水渗流条件下软弱破碎围岩的渐进性破坏机理和动态压力拱效应提供有效依据。

Description

模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种隧道模型试验装置及方法，尤其是一种适用于模拟地表水和地下水渗流作用下的多功能隧道模型试验装置及方法，属于隧道工程地质灾害模型试验领域。

背景技术

随着我国交通建设的蓬勃发展，隧道的增长速度越来越快，建设规模越来越大。隧道的建设中有“十隧九漏”之说，在长期的地下水作用下，隧道围岩易发生较大变形甚至失稳破坏。由于隧道的开挖本身可能形成一个集水走廊，同时会引起围岩应力重分布，导致围岩渗透系数增大，从而增大了地层中地下水对隧道围岩稳定性的影响。

隧道是一个长条形地下建筑物，沿线工程地质条件复杂，经常要在富水地段或雨季修建隧道，而水对隧道围岩稳定性具有不利影响，因此，开展降雨和地下水渗流作用下隧道围岩变形破坏机理的研究是很有必要的。目前关于定量研究地表水或地下水对破碎围岩力学行为的研究鲜见报道，特别是开展降雨和地下水渗流的隧道模型试验尚不多见，对于不同降雨型式、不同地下水渗流路径等条件下的隧道变形破坏研究，缺乏合理的解释和分析的模型试验装置。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种结构及方法简单、能模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验装置及方法。

技术方案：本发明的模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验装置，包括含水量量测系统、数字照相非接触量测系统，还包括方形的模型箱，模型箱的四个角上设有带玻璃插槽的立柱，模型箱的四个面均为钢化玻璃，正面的钢化玻璃可拆卸，模型箱周边经螺栓固定，并设有保证不渗水、不漏水的橡胶密封条；模型箱顶部设有人工降雨模拟系统，模型箱上间隔设有多路用于模拟不同地下水渗流路径的渗流水管，多路渗流水管入水口处均设有控制阀，模型箱的一侧设有专门向模型箱下部提供地下水供给系统；所述的模型箱内充填有模拟隧道围岩、构建模拟隧道的流固耦合相似材料，在模拟隧道的围岩层内及构建模拟的隧道截面周围布设多个传感器和光纤光栅位移计；所述的含水量量测系统经支架对称设在模型箱上部中心位置，所述的数字照相非接触量测系统设在模型箱的正前方。

所述的地下水供给系统包括带有刻度的玻璃水箱、与玻璃水箱相连的加压泵，加压泵经管路与模型箱下部入水口相连，进入模型箱的管路上依次设有控制总流量流量计、调控流动速度的流速计以及地下给水控制阀。

所述的人工降雨模拟系统包括模拟降雨大小的多排输水管，输水管上布有若干降雨喷头，输水管上设有控制喷头水量的开关阀，并设有流量调节阀和水压表。

使用上述装置的模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验方法，包括如下步骤：

a.根据要模拟的隧道工况，基于相似理论，计算相似比，确定模型箱正面钢化玻璃上隧道断面孔的形状以及预留孔洞的尺寸；

b.将带有预制的隧道断面孔洞的正面钢化玻璃安设在模型箱上，并密封好；

c.按照预设的配比，配置流固耦合相似材料，并将其填充于模型箱体内，在填充的过程中，在隧道截面周边及上部不同的位置间隔埋设多个压力传感器和光纤光栅位移计；

模拟降雨条件下的隧道围岩塌方情况时，将人工降雨模拟系统安装在模型箱顶部钢架上，并安装含水量测量系统；

模拟地下水渗流条件下的隧道围岩塌方情况时，向水箱注水，并将水箱、加压泵、流量计、流速计连接至模型箱两侧的进水管，模拟地下水的渗流；

d.调节人工降雨系统模拟不同雨型、雨量；或通过调节流量计，并选择模型箱两侧渗流水管进出水的方式来模拟不同地下水渗流路径；利用数字照相非接触量测系统捕捉降雨或地下水渗流条件下隧道围岩的失稳破坏过程，通过高分辨率数码相机定时连续采集试验照片，然后运用图像处理软件进行图片分析，实现降雨及地下水渗流条件下围岩由无水到饱和过程中位移场的全场监测与分析；

e、通过在模型箱中预埋的压力传感器、光纤光栅位移计和含水量量测系统，测定降雨或地下水渗流过程中隧道围岩应力、位移和含水量的变化情况，获取隧道围岩的应力场、位移场和渗流场的时空演化规律。

本发明通过控制模型箱上两侧间隔设置的多路地下水渗流路径渗流水管不同位置的进水阀门和出水阀门，可实现不同地下水渗流路径的模拟。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明既能模拟降雨作用下隧道围岩变形积累到一定程度而发生的失稳坍塌现象，又能模拟地下水不同渗流路径、不同渗流量及不同渗流速度在隧道内产生管涌并导致围岩的变形与塌落现象，还能模拟降雨与地下水渗流综合作用下隧道围岩的变形破坏情况。此模型可综合模拟隧道围岩稳定性的多种影响因素，尤其可实现水作用下破碎围岩破坏过程的模拟，属于多功能性试验装置，便于定量研究水对隧道破碎围岩力学行为的影响。与其现有技术相比，其优点有：

1)采用的降雨装置不但可控，而且降雨量可调，可模拟多种雨型，实现不同降雨工况下隧道围岩变形破坏过程的模拟。

2)通过选择模型箱两侧不同的进水管、出水管，可模拟地下水不同渗流路径对隧道破碎围岩稳定性的影响，且可以通过流量计和流速计，分析不同流量和流速下隧道围岩的变形破坏规律。

3)模型箱正面为可拆卸的钢化玻璃，通过预制不同隧道孔洞的钢化玻璃，如单车道或双车道、圆形或非圆型等截面型式，可开展地表水或地下水渗流作用下不同隧道截面和不同开挖方法的隧道模型试验。

4)模型中采用非接触数字照相量测系统，并采用课题组自主编制的后处理分析软件，实现隧道塌方过程中位移场的全场监控与分析。

5)本试验装置属于多功能的隧道模型试验装置，可以综合分析各影响因素对隧道围岩稳定性的影响，尤其可以分析地表水或地下水渗流的影响。因考虑的因素较为全面和综合，故可以更全面的用于研究降雨及地下水渗流作用下的隧道围岩变形破坏机理。

附图说明

图1为本发明的试验装置结构示意图；

图2为本发明的模型箱的俯视结构示意图；

图3为本发明的模型箱三维构造示意图。

其中：1－模型箱；2－钢化玻璃；3－隧道截面；4－渗流水管；5－水流控制阀；6－输水管；7－降雨喷头；8－人工降雨模拟系统；9－支架；10－传感器；11－含水量量测系统；12－立柱；13－地下给水控制阀；14－流量计；15－流速计；16－给水管；17－加压泵；18－玻璃水箱；19－流固耦合相似材料。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明的模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验装置，主要由模型箱1、人工降雨模拟系统8、含水量量测系统11和数字照相非接触量测系统构成，模型箱1为方形，四个角上设有带玻璃插槽的立柱12，模型箱1的四个面均为钢化玻璃，用于透视模拟不同的隧道围岩层的断面情况，正面的钢化玻璃可拆卸，用于隧道开设断面孔的形状以及预留孔洞的尺寸；模型箱1周边采用橡胶条密封、螺栓固定，达到不渗水、不漏水；模型箱1顶部设有人工降雨模拟系统8，所述的人工降雨模拟系统8包括模拟降雨大小的多排输水管6，输水管6上布有若干降雨喷头7，输水管6上设有控制喷头水量的开关阀，并设有流量调节阀和水压表。可定量控制水压和水量，其中降雨输水管道6连接水箱18来实现雨量供给，达到模拟地表水渗流的效果，人工降雨模拟系统8连接在模型箱1上部的钢支架上。模型箱1上间隔设有多路用于模拟不同地下水渗流路径的渗流水管4，多路渗流水管4入水口处均设有控制阀5，模型箱1的一侧设有专门向模型箱1下部提供地下水供给系统；所述的地下水供给系统包括带有刻度的玻璃水箱18、与玻璃水箱18相连的加压泵17，加压泵17经管路与模型箱1下部入水口相连，进入模型箱1的管路上依次设有控制总流量的流量计14、调控流动速度的流速计15以及地下给水控制阀13，所需水源由玻璃水箱18供给，通过流量计14和流速计15控制地下水的给水量和流速，此外给水管16连接加压泵17，而后连接玻璃水箱18，实现地下水定量供给。所述的模型箱1内充填有流固耦合相似材料19用于模拟隧道围岩、构建模拟隧道，并在模拟隧道的围岩层内及隧道截面3周围布设多个传感器10和光纤光栅位移计；所述的含水量量测系统11经框形支架9对称设在模型箱1上部中心位置，如图2所示，所述的数字照相非接触量测系统设在模型箱1的正前方，如图3所示。

本发明的模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验方法，具体步骤如下：

a.首先选择要模拟的隧道断面3的形状和尺寸，选取合适的模型试验相似比，根据要模拟的隧道工况，基于相似理论，计算相似比，确定模型箱正面钢化玻璃上隧道断面孔的形状以及预留孔洞的尺寸和位置；

b.将带有预制的隧道断面孔洞的正面钢化玻璃安设在模型箱1上，并对插槽处进行密封处理，确保模型箱中不渗水、不漏水；

c.按照预设的配比，配置流固耦合相似材料19，按试验所需的流固耦合相似材料19填充于模型箱体1内，并做好地层标记，在填充的过程中，在隧道截面3周边及上部不同的位置间隔埋设多个压力传感器10和光纤光栅位移计；

模拟降雨条件下的隧道围岩塌方情况时，将人工降雨模拟系统8安装在模型箱顶部钢架上，并将含水量测量系统11以及支架9安装到模型箱1，然后将地下水渗流系统连接至模型箱1；

模拟地下水渗流条件下的隧道围岩塌方情况时，向水箱注水，并将水箱、加压泵、流量计、流速计连接至模型箱两侧的进水管上，模拟地下水的渗流；

d.连接水箱18，并为水箱18注水，准备开始试验。选择合适的数码摄像距离，通过调节人工降雨系统8模拟不同雨型、雨量；或通过调节流量计，并选择模型箱两侧渗流水管4进出水的方式来模拟不同地下水渗流路径；利用数字照相非接触量测系统捕捉降雨或地下水渗流条件下隧道围岩的失稳破坏过程，通过高分辨率数码相机定时连续采集试验照片，然后运用图像处理软件进行图片分析，实现降雨及地下水渗流条件下围岩由无水到饱和过程中位移场的全场监测与分析；通过控制模型箱1上两侧间隔设置的多路地下水渗流路径渗流水管4不同位置的进水阀门和出水阀门，可实现不同地下水渗流路径的模拟。也可通过改变人工降雨装置8的喷头7的类型和数量，实现不同雨量的模拟。通过控制不同的进水量和模型箱1两侧排水管上的水流控制阀5，模拟不同地下水渗流路径的影响作用。

e、通过在模型箱中预埋的压力传感器、光纤光栅位移计和含水量量测系统11，测定降雨或地下水渗流过程中隧道围岩应力、位移和含水量的变化情况，获取隧道围岩的应力场、位移场和渗流场的时空演化规律。结合试验过程中获得的含水量、应力、位移等数据，分析降雨和地下水渗流作用下的隧道围岩变形破环规律。

Claims (4)

1.一种模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

a．根据要模拟的隧道工况，基于相似理论，计算相似比，确定模型箱正面钢化玻璃上隧道断面孔的形状以及预留孔洞的尺寸；

b．将带有预制的隧道断面孔洞的正面钢化玻璃安设在模型箱（1）上，并密封好；

c．按照预设的配比，配置流固耦合相似材料（19），并将其填充于模型箱（1）内，在填充的过程中，在隧道截面（3）周边及上部不同的位置间隔埋设多个压力传感器（10）和光纤光栅位移计；

模拟降雨条件下的隧道围岩塌方情况时，将人工降雨模拟系统（8）安装在模型箱顶部钢架上，并安装含水量量测系统（11）；

模拟地下水渗流条件下的隧道围岩塌方情况时，向水箱注水，并将水箱、加压泵、流量计、流速计连接至模型箱两侧的进水管，模拟地下水的渗流；

d．调节人工降雨系统（8）模拟不同雨型、雨量；或通过调节流量计，并选择模型箱两侧渗流水管（4）进出水的方式来模拟不同地下水渗流路径；利用数字照相非接触量测系统捕捉降雨或地下水渗流条件下隧道围岩的失稳破坏过程，通过高分辨率数码相机定时连续采集试验照片，然后运用图像处理软件进行图片分析，实现降雨及地下水渗流条件下围岩由无水到饱和过程中位移场的全场监测与分析；

e、通过在模型箱中预埋的压力传感器、光纤光栅位移计和含水量量测系统（11），测定降雨或地下水渗流过程中隧道围岩应力、位移和含水量的变化情况，获取隧道围岩的应力场、位移场和渗流场的时空演化规律。

2.如权利要求1所述的模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验方法，其特征在于：通过控制模型箱（1）上两侧间隔设置的多路地下水渗流路径渗流水管（4）不同位置的进水阀门和出水阀门，可实现不同地下水渗流路径的模拟。

3.一种实现权利要求1所述模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验方法的装置，包括含水量量测系统（11）、数字照相非接触量测系统、方形的模型箱（1），模型箱（1）的一侧设有专门向模型箱（1）提供地下水供给系统；其特征在于：所述的模型箱（1）的四个角上设有带玻璃插槽的立柱（12），模型箱（1）的四个面均为钢化玻璃，正面的钢化玻璃可拆卸，模型箱（1）周边经螺栓固定，并设有保证不渗水、不漏水的橡胶密封条；模型箱（1）顶部设有人工降雨模拟系统（8），模型箱（1）上间隔设有多路用于模拟不同地下水渗流路径的渗流水管（4），多路渗流水管（4）入水口处均设有控制阀（5），所述的模型箱（1）内充填有模拟隧道围岩的流固耦合相似材料（19），在模拟隧道的围岩层内及构建模拟的隧道截面（3）周围布设多个传感器（10）和光纤光栅位移计；所述的含水量量测系统（11）经支架（9）对称设在模型箱（1）上部中心位置，所述的数字照相非接触量测系统设在模型箱（1）的正前方；

所述的地下水供给系统包括带有刻度的玻璃水箱（18）、与玻璃水箱（18）相连的加压泵（17），加压泵（17）经管路与模型箱（1）入水口相连，进入模型箱（1）的管路上依次设有控制总流量的流量计（14）、调控流动速度的流速计（15）以及地下给水控制阀（13）。

4.如权利要求3所述的一种模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验方法的装置，其特征在于：所述的人工降雨模拟系统（8）包括模拟降雨大小的多排输水管（6），输水管（6）上布有若干降雨喷头（7），输水管（6）上设有控制喷头水量的开关阀，并设有流量调节阀和水压表。