CN104459069B - 隧道突水对地下水环境影响监测模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道突水对地下水环境影响监测模型试验装置及试验方法，包括一个地下水试验整体模型架，在地下水试验整体模型架内设有一个地下水通道模型，地下水通道模型的入口端跟安装在整体模型架顶部的水箱相接，出口端连接隧道模型，在地下水通道模型的上表面铺设一层细石子；隧道模型架上安置一个地下水水位监测装置；在地下水试验整体模型架内设有一个与地下水通道垂直的CT探测装置；所述的试验整体模型架是防腐木材料，同时在其内侧刷两层绝缘漆，包裹防水布，组成防渗水组合；在隧道口外安置一个水槽，用来储存因突水而流出的地下水，并通过水泵抽回水箱，循环使用。

Description

隧道突水对地下水环境影响监测模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种地下水环境监测模型试验装置，具体涉及一种通过电阻率CT方法监测隧道突水对地下水环境影响的模型装置，属于模型试验技术领域。

背景技术

近年来，在交通、水电等领域修建的隧道工程越来越多，面临的地质条件也越发复杂，在隧道开挖施工过程中，容易出现无法预料的工程地质灾害，如突水、突泥、坍塌等。我国是隧道等地下工程突水灾害最严重的国家之一，突水突泥灾害不仅会在各类隧道等地下工程中造成人员伤亡和经济损失，还会带来严重得环境破坏。当地下水流失后，水位下降，在隧道掌子面上方，地表往往会出现塌陷或小的塌坑，同时伴随地表水的流失，出现小河断流、水井干涸等等。如何在隧道等地下工程施工过程中，减少突水带来的环境破坏和经济损失，是隧道施工中必须面对的难题。目前，国内外在应对突水状况的问题上，普遍将研究重点放在如何快速堵水，保证隧道内施工人员的安全及减小设备财产损失方面。而对突水造成的地下水环境恶化方面，没有足够的研究，更加没有行之有效的监测方法，这仍然是国内外隧道等地下工程领域亟待解决的重大问题。事实证明，我们需要在整个施工过程中，对地下水环境进行监测。工程实际监测无疑是最客观且直接的研究方法，但由于事先并不知道含水构造的位置和规模，且容易受到实际探测目标体多解性的干扰，难以获得理想的试验效果。数值模拟方法是一种从实际研究对象抽象出数值模型进行研究的方法，但其并不适用于监测试验研究。模型试验是指在实验室条件下，用不同比例尺的模型对实际工况进行研究的重要科学方法，其优势在于可再现原型的各种现象与过程，可人为控制试验参量，试验条件设定灵活。为了能够更好的了解地下工程突水对地下水环境的影响，需要开展一系列的物理模型试验，而一个好的物理模型实验装置往往能起到事半功倍的效果。物理模型实验装置是完成隧道突水对地下水环境影响监测试验的关键，其设计搭建是试验进行的核心内容，在前人没有进行过类似试验的前提下，开发一个可以实现地下水环境监测的物理模型，对隧道等地下工程的进步具有重要的价值。

发明内容

针对上述问题，提出了隧道突水对地下水环境影响的模型试验，利用电阻率跨孔CT探测方法对隧道突水过程和封堵过程中地下水水位的变化进行监测成像，采用电阻率跨孔CT时间推移反演方法处理数据。针对监测试验的技术指标，模拟实际的隧道开挖环境，本发明提出了一种模拟隧道开挖发生突水灾害前中后期地下水环境变化的模型试验装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

隧道突水对地下水环境影响监测模型试验装置，包括一个地下水试验整体模型架，在所述的地下水试验整体模型架内设有一个地下水通道，所述的地下水通道的入口端连接安装在整体模型架顶部的试验水箱，出口端连接隧道模型，在所述的地下水通道的上平面上铺设有一层细石子；所述的地下水试验整体模型架的侧壁上安装有一个与地下水通道相连通的地下水位监测装置；在所述的地下水试验整体模型架内设有一个垂直穿过地下水通道的CT探测装置；所述的试验整体模型架是防腐木材料，同时在其内侧刷两层绝缘漆，包裹防水布，组成防渗水组合；在隧道口外安置一个水槽，用来蓄存因突水而流出的地下水，并通过水泵抽回水箱，循环使用。

所述的地下水通道包括一条长3.6m，直径40cm，由三层土工布制作而成的单侧开口的圆布筒，在所述圆布筒的筒内装填大块碎石，将整个通道支撑起来，进而在圆布筒内部形成地下水流通的管道，而土工布用来隔绝水和土层，避免大部分土颗粒进入导水通道发生堵塞。

所述开挖隧道模型，主要包括一段PVC管，在其一侧充填灰浆进行封堵，并将封堵的一侧跟导水通道相连接，通过在PVC管上刻凹槽来固定土工布。

所述防渗水组合，主要包括整体地下水环境模型的防腐木架子，在其内壁涂两层绝缘漆，再将防水布贴于四壁，底部是一层灰浆，这套组合基本能够有效阻止模型内水的流失，保证试验效果。

所述CT探测装置，即CT探测装置，用于探测地下水通道的位置，以及地下水水位的高低；包括一根PVC套管，沿套管轴向打多(探测电极数目)个小孔，用来安装铜电极，铜电极的一端带有凹槽，每根铜棒上的凹槽均绑缚铜芯导线，引出并做好编号，另一端连接到探测电缆上。

所述地下水环境监测装置，包括埋在土层中的PVC集水管，显示地下水水位高度的玻璃量管和连接集水管与量管的阀门，PVC集水管较细长，在其管壁打满小细孔，用透水性较好的防尘布包裹后埋在地下水环境模型的底部，利用其连通器原理便可以反映地下水的水位。

在试验开展之前，先将整个地下水环境监测模型搭建好，具体的导水通道和隧道的数目及位置根据试验需要进行排布。试验进行前，先通过地面探测找出导水通道的位置，而后将地下水输送到导水通道中。当地下水的水位到达一定高度，随即在隧道掌子面的不同高度开凿，模拟因突水而造成的地下水流失。最后进行掌子面的封堵，使地下水水位回升，监测整个地下水水位的变化过程，具体过程如下：

一种利用隧道突水对地下水环境影响的监测模型试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，确定所研究地域的水文地质情况，地下水通道走向以及隧道跟地下水通道的相对位置，存在的含水构造；

第二步，确定模型材料、地下水通道及隧道模型的尺寸以及土和石子的用量；

第三步，模型试验前期的准备，包括地下水通道和隧道模型的制作，准备CT探测装置、准备水位测量管以及准备数据采集处理设备；

第四步，进行模型试验。

(4-1)在模型架内壁刷两层绝缘漆，晾干后覆盖一层防水布，同时在模型架底部覆盖一层10cm厚的灰浆。

(4-2)将试验土每20cm一层均匀摊铺在模型架内，并用小型夯机夯实；待试验土充填至地下水通道、隧道模型或水位集水管底部所在位置后，放置这些装置，同时埋设CT探测装置；在地下水通道铺设完毕后，在其上铺一层10cm厚的细石子，方便CT探测地下水水位升降，同时在地下水通道两侧外壁涂一层灰浆，减少通道两侧渗水；最后再将试验土覆盖至模型架顶端。

(4-3)将CT探测装置的引出线与量测仪器主机连接；将水箱放置在地下水通道口，在水箱中注满清水，将水泵的抽水端放置在隧道口的蓄水槽内，输水端则放入水箱内。

(4-4)利用CT探测装置找出地下水通道的确切位置。

(4-5)向地下水通道内不断注水，直到地下水环境监测装置反映地下水水位已经高于隧道模型顶部，并且达到CT探测剖面上部预定位置。

(4-6)在隧道模型的灰浆封堵面，即掌子面自上而下三个不同高度的位置开孔，将地下水通道内的水位控制在不同的开孔高度，而后进行CT探测，获得CT探测剖面的反演成像。

(4-7)将隧道模型掌子面上的三个开孔自下而上依次进行封堵，从而使水位分三个阶段回升至原位置，并在三个阶段分别进行CT探测，获得CT探测剖面的反演成像。

本发明的有益效果：

1.本发明针对地下水环境监测试验，提出了一种地下水环境监测模型，其包括地下水通道模型，PVC及灰浆制作的开挖隧道模型，PVC管及铜电极制作的CT探测装置，地下水环境监测装置，以及由防水布、绝缘漆及防腐木组成的防渗水组合。这些设计基本能够还原隧道开挖遇到突水灾害后，地下水环境的变化过程，整个实验设计简单、可靠，试验现象方便监测。

2.本发明提出了一种地下水通道模型，三层土工布可以有效阻隔大部分土颗粒，保证导水通道的畅通，同时在导水通道两侧的土工布上涂抹灰浆，在导水通道上方铺设细小石子，可以更为真实的模拟地下水下降过程，不会因地下水位的降低而引起大面积的塌陷，而土工布碎石组成的导水通道可以很好的模拟岩石中的缝隙导水的情形，并且其支撑起的导水空间相对稳定，更为重要的是它的形状不受限制，可以根据需要来设定导水通道的倾斜和弯曲程度。

3.本发明提出了一种开挖隧道模型，通过灰浆层封堵来模拟开挖掌子面，灰浆封堵的一侧跟导水通道相连，模拟突水时在开挖掌子面的不同高度将灰浆封堵层凿穿，需要将地下水水位回升时再用锥形塞子进行封堵。

4.本发明提出了一种PVC材料与布料的连接方法，通过在PVC管上刻一圈凹槽，将布料包裹在PVC管外壁，再用铁丝将布料在凹槽处扎紧，这样可以方便有效得将布料与PVC管连接在一起。

5.本发明提出了一种CT探测装置，即CT探测装置，包括PVC套管，铜电极，以及铜芯导线，通过简单的打孔、安装、接线，便可制作完成，简单、实用。

6.本发明提出了一种防腐木、绝缘漆、防水布的防渗水组合，在模型架底部铺设一层灰浆，可以有效保持模型内水量，防止因渗水导致试验结果不准确。

7.本发明提出了一种地下水环境监测装置，通过集水管、阀门和量管的组合，形成连通器，从而反映地下水的水位，这种装置制作简便，安装方便，水位显示较为准确。

附图说明

图1本发明的结构框图；

图2本发明整体的侧视图；

图3本发明整体的俯视图；

图4本发明的开挖隧道模型图；

图5本发明CT探测装置的结构图。

图中，1.地下水通道模型，2.开挖隧道模型,3.地下水试验整体模型架，4.CT探测装置，5.地下水水位测量管，6.细石子覆盖层，7.水箱8.隧道模型PVC管，9.隧道内充填灰浆，10.隧道外壁凹槽，11.CT探测装置PVC管，12.CT探测铜电极，13.汇总的电极连接线。

具体实施方式

下面通过具体实例和附图对本发明进行进一步的阐述。

本发明所述的一种隧道突水地下水环境监测模型，如图1，其包括地下水环境模型，地球物理探测模块，即CT探测装置4和地下水环境监测模块，即水位监测装置5。

所述地下水环境监测模型，主要包括地下水试验整体模型架3，在地下水试验整体模型架3内设有土工布碎石地下水通道1；PVC及灰浆制作的隧道模型2；地下水水位测量管5；PVC套管及铜电极制作的CT探测装置4；以及由防水布、绝缘漆及防腐木组成的防渗水组合；在所述的地下水通道的上平面上铺设有一层细石子覆盖层6，地下水通道的入口端连接安装在整体模型架顶部的试验水箱7，模型侧壁安装有水位测量管5和隧道模型2，水位测量管5跟地下水通道1连通；模型中围岩材料为粘土，用包裹碎石子的土工布模拟地下水通道1，利用水箱7持续供水。在隧道口外安置一个水槽，用来储存因突水而流出的地下水，并通过水泵抽回水箱7，循环使用。

如图4所示，所述PVC灰浆隧道模型包括长60cm，直径20cm的一段PVC管8，在其一侧充填灰浆9进行封堵，并把封堵后的一端接入地下水通道，通过在PVC管上刻一圈凹槽10，将布料包裹在PVC管外壁，再用铁丝将布料在凹槽处扎紧，这样可以将布料与PVC管紧密连接在一起。

如图5所示，所述CT探测装置包括一根1.2m长，直径5cm的PVC套管11，沿套管11轴向打14个直径约7,8mm的孔，用来安装铜电极12。铜电极12是长5cm，直径8mm，一端带有凹槽的铜棒，每根铜棒上的凹槽均绑缚铜芯导线13，做好编号并从一端引出，跟量测仪器主机相接。

所述地下水水位测量管，包括埋在土层中的PVC集水管，显示地下水水位高度的玻璃量管和连接集水管跟玻璃量管的阀门，PVC集水管约有1m长，在其管壁打满直径约6,7mm的小孔，用透水性较好的防尘布包裹后埋在地下水环境模型的底部，利用其连通器原理，通过玻璃量管便可以反映地下水的水位，显示整个模型中的地下水水位标高。

所述地下水通道模型包括一条长3.6m，直径40cm，由三层土工布制作而成的单侧开口的圆布筒，筒内装填大块碎石，将整个通道支撑起来，内部成为地下水流通的管道，而土工布用来隔绝水和土层，避免大部分土颗粒进入导水通道发生堵塞。

所述防渗水组合就是整个地下水环境模型的防腐木架子，在其内壁涂两层绝缘漆，再将防水布贴于四壁，底部是一层10cm厚的灰浆，这套组合基本能够防止模型大量渗水，保证试验的效果。

所述的由隧道突水对地下水环境影响的监测模型试验方法，包括以下步骤：

第一步，确定所研究地域的水文地质情况，地下水通道走向以及隧道跟地下水通道的相对位置，存在的含水构造或裂隙、断层等不良地质情况；

第二步，确定模型的数量和材料，地下水通道及隧道模型的形状和尺寸，土和石子的用量；

第三步，模型试验前期的准备，包括地下水通道和隧道模型的制作，准备CT探测装置、水位测量管以及数据采集处理设备；

第四步，进行模型试验，包括以下几个步骤：

(4-1)在模型架内壁刷两层绝缘漆，晾干后覆盖一层防水布，同时在模型架底部铺设一层10cm厚的灰浆。

(4-2)将试验土每20cm一层均匀摊铺在模型架内，并用小型夯机夯实；待试验土充填至地下水通道、隧道模型或水位集水管底部所在位置后，放置这些装置，同时埋设CT探测装置；在地下水通道铺设完毕后，在其上铺一层10cm厚的细石子，方便CT探测地下水水位升降，同时在地下水通道两侧外壁涂一层灰浆，减少通道两侧渗水；最后再将试验土覆盖至模型架顶端。

(4-3)将CT探测装置的引出线与量测主机连接；将水箱放置在地下水通道口，在水箱中注满清水，将水泵的抽水端放置在隧道口的蓄水槽内，输水端则放入水箱内。

(4-4)利用CT探测装置找出地下水通道的确切位置，作为试验的背景场，方便比较后面反演得出的图像。

(4-5)向地下水通道内不断注水，直到地下水环境监测装置反映地下水水位已经高于隧道模型顶部，并且达到CT探测剖面上部预定位置。

(4-6)在隧道模型的灰浆封堵面，即掌子面上三个不同高度的位置分三次开挖，顺序为掌子面顶部挖通、掌子面中部挖通、掌子面底部挖通，将地下水通道内的水位控制在不同的开挖高度，而后进行CT探测，获得CT探测剖面的反演成像。

(4-7)将隧道模型掌子面上的三个开孔分三次进行封堵，顺序为掌子面底部封堵、掌子面中部封堵、掌子面顶部封堵，从而使水位分三个阶段回升至原位置，并在三个阶段分别进行CT探测，获得CT探测剖面的反演成像。

Claims (8)

1.隧道突水对地下水环境影响监测模型试验装置，其特征是，包括一个地下水试验整体模型架，在所述的地下水试验整体模型架内设有一个地下水通道，所述的地下水通道的入口端连接安装在整体模型架顶部的试验水箱，出口端连接隧道模型；所述的地下水试验整体模型架的侧壁上安装有一个与地下水通道相连通的地下水水位监测装置；在所述的地下水试验整体模型架内设有一个用于探测地下水通道的确切位置和地下水真实水位的CT探测装置；所述的试验整体模型架是防腐木材料，同时在其内侧刷两层绝缘漆，包裹防水布，组成防渗水组合；在隧道口外安置一个用来蓄存因突水而流出的地下水的水槽，水槽内的水被抽回试验水箱，循环使用。

2.如权利要求1所述的隧道突水对地下水环境影响监测模型试验装置，其特征是，所述的地下水通道由三层土工布制作而成的单侧开口的圆布筒构成，在所述圆布筒的筒内装填大块碎石，将整个通道支撑起来，进而在圆布筒内部形成地下水流通的管道，所述的土工布用来隔绝水和土层，避免大部分土颗粒进入导水通道发生堵塞。

3.如权利要求1所述的隧道突水对地下水环境影响监测模型试验装置，其特征是，所述的隧道模型包括一个PVC管，在其一侧充填灰浆，并沿直径方向依次预留多个的孔洞，用暖瓶塞密封好，另一侧刻一圈用来绑缚土工布的凹槽。

4.如权利要求3所述的隧道突水对地下水环境影响监测模型试验装置，其特征是，所述的隧道模型与地下水通道的连接通过将土工布包裹在PVC管外壁上，在PVC管的凹槽处用铁丝将土工布扎紧，从而将土工布与PVC管牢固连接在一起。

5.如权利要求3所述的隧道突水对地下水环境影响监测模型试验装置，其特征是，所述的地下水水位监测装置包括埋在土层中的U形集水管、显示地下水水位高度的玻璃量管和连接集水管与玻璃量管的阀门。

6.如权利要求5所述的隧道突水对地下水环境影响监测模型试验装置，其特征是，所述的集水管，在其管壁打满小孔，用透水性较好的防尘布包裹后埋在地下水环境模型的底部。

7.如权利要求1所述的隧道突水对地下水环境影响监测模型试验装置，其特征是，所述的探测装置为CT探测装置，包括一根套管，沿套管轴向打多个用于安装铜电极的孔，所述的铜电极一端为带有凹槽的铜棒，每根铜棒上的凹槽均绑缚铜芯导线，引出并做好编号，另一端连接到探测电缆上。

8. 如权利要求1所述的隧道突水对地下水环境影响的监测模型实验装置的试验方法，特征在于：包括以下步骤：

第一步，确定所研究地域的水文地质情况，地下水通道走向以及隧道跟地下水通道的相对位置，存在的含水构造；

第二步，确定模型材料，地下水通道及隧道模型的尺寸，土和石子的用量；

第三步，模型试验前期的准备，包括地下水通道和隧道模型的制作，准备CT探测装置、准备水位测量管以及准备数据采集处理设备；

第四步，进行模型试验；具体如下：

（4-1）在模型架内壁刷两层绝缘漆，晾干后覆盖一层防水布，同时在模型架底部覆盖一层灰浆；

（4-2）将试验土均匀摊铺在模型架内，并用小型夯机夯实；待试验土充填至地下水通道、隧道模型或水位集水管底部所在位置后，放置隧道突水对地下水环境影响的监测模型实验装置，同时埋设CT探测装置；在地下水通道铺设完毕后，在其上铺一层细石子，方便CT探测装置探测地下水水位升降，同时在地下水通道两侧外壁涂一层灰浆，减少通道两侧渗水；最后再将试验土覆盖至模型架顶端；

（4-3）将CT探测装置的引出线与量测仪器主机连接；将水箱放置在地下水通道的入口端，在水箱中注满清水，将水泵的抽水端放置在隧道口的蓄水槽内，输水端则放入水箱内；

（4-4）利用CT探测装置找出地下水通道的准确位置；

（4-5）向地下水通道内不断注水，直到地下水环境监测装置反映地下水水位已经高于隧道模型顶部，并且达到CT探测剖面上部预定位置；

（4-6）在隧道模型的掌子面自上而下三个不同高度的位置开孔，将地下水通道内的水位控制在不同的开孔高度，而后进行CT探测，获得CT探测剖面的反演成像；

（4-7）将隧道模型掌子面上的三个开孔自下而上依次进行封堵，从而使水位分三个阶段回升至原位置，并在三个阶段分别进行CT探测，获得CT探测剖面的反演成像。