CN104807960B - 一种模拟隧道突水的可视化试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟隧道突水的可视化模型试验装置及方法，该装置包括模型试验箱、水箱、高压水泵、流量计、水量和充填物流失收集装置、数字照相非接触量测系统、渗压监测系统以及光纤光栅位移监测系统等。该试验装置的特色为模拟隧道突水的灾变演化过程，且能达到直观观测突水过程中防突岩体裂纹扩展和突水通道形成过程的目的。该装置可定量研究不同水压、不同岩性、不同防突岩体厚度下的隧道突水行为，获取隧道突水过程中的应力场、位移场及渗流场等多场耦合信息，确定不同因素影响下突水通道的形成过程及形态，揭示防突岩体结构渐进破坏过程中的力学特征及演化规律，为隧道突水灾害临突判据和最小安全厚度分析方法提供有效依据。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程地质灾害模型试验领域，具体涉及一种模拟隧道突水的可视化试验装置及方法。
背景技术
随着交通和水利水电重大基础设施工程的建设，我国已成为世界上隧道修建规模与难度最大的国家。特别是随着重大工程建设重心向地形地质极端复杂的西部山区与岩溶地区转移，正在或即将修建大量的高风险深长隧道工程，建设过程中极易遭遇突水重大灾害，严重影响了隧道工程建设安全。
隧道是一个长条形地下建筑物，沿线工程地质条件复杂，施工过程中经常会遇到岩溶或断层破碎带等富水构造，在控水构造和高水压力作用下，隧道开挖扰动易诱发突水灾害。目前国内外对突水机理的研究侧重于灾变的发生条件和影响因素，并逐步认识到隧道掌子面与致灾构造之间防突岩体结构的重要性。但由于突水灾变过程的非线性和强复杂性特征，灾变演化规律不清楚，其灾害发生机理难以突破。因此，亟待研究强富水条件下隧道突水灾变演化机理与围岩破裂行为，揭示防突岩体结构破坏突水效应与渐进演化过程。目前关于研究水压、防突岩体物理力学特性及结构特征等与防突厚度关系的研究鲜见报道，特别是定量研究隧道突水的模型试验尚不多见，对于隧道突水灾害临突判据和最小安全厚度分析方法的研究，缺乏专业的试验装置。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种模拟隧道突水的可视化试验装置，通过进水管和透明的模型箱以及监控装置，一边模拟渗水一边检测突水通道的形成状况，并了解相关信息，解决现有技术中缺乏实验装置的问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种模拟隧道突水的可视化实验装置，其特征在于，包括透明的模型箱、水箱、收集装置和监控装置；长方体的模型箱箱体密封，箱体内填充有流固耦合相似材料；模型箱通过进水管与水箱连接；
模型箱包括箱体和可拆卸的箱体上盖，该箱体上盖与箱体之间密封；进水管从箱体一侧的中心伸入；箱体另一侧位于收集装置上方；箱体内侧均匀设置有一组U型的玻璃隔挡，所述玻璃隔挡上布置有若干透水孔，该透水孔的开孔方向与进水管进水方向相同；
进水管由水箱接出，依次连接控制阀和高压水泵，最后伸入模型箱箱体；
收集装置包括水量和充填物流失收集容器以及数显电子秤，所述水量和充填物流失收集容器置于数显电子秤上；
监控装置包括设置在模型箱内腔的渗压计、微型土压力计、光纤光栅位移计和位于箱体外的数字照相非接触量测系统。
进一步的，本发明包括一个流量计；高压水泵提供的高压水通过流量计后进入模型箱中。流量计能够直观的掌握进入水箱的水量，达到测量进水量的目的。
进一步的，模型箱采用钢化玻璃制作而成，模型箱箱体与上盖之间通过橡胶密封垫密封，并通过螺栓固定。通过钢化玻璃可以更加直观地观察突水过程中防突岩体的渐进性破坏过程。玻璃箱体上盖可以拆卸，便于材料的填充，同时采用橡胶密封垫保证了密封效果，防止实验过程渗水。
进一步的，进水管伸入箱体的进水管末端，包括一个花洒状出水口，该出水口端面均匀布置有出水小孔。花洒结构保证了高压水出水均匀，使水能够均匀的渗流。
进一步的，模型箱通过一个钢架支座支撑。钢架支座使得整个模型箱固定。其下方采用水量和充填物流失收集容器进行实时收集，且收集容器直接放在数显电子秤上，每10s读取一次数据，可对试验过程中水和流失颗粒的重量进行实时称量。
进一步的，一组玻璃隔挡为均匀布置的五道隔挡，所述隔挡横截面是边长为20mm的正方形；隔挡上分布若干透水孔，其孔径为2mm。箱体内的玻璃隔挡，可模拟一定水压下不同防突岩体厚度的突水情况。另外，玻璃隔挡起到两方面作用：一方面可防止高压水作用下流固耦合材料和玻璃箱体间摩擦力过小而发生整体滑动，有利于突水通道的形成；另一方面通过在隔挡上设计若干透水孔，可实现高压水的顺畅渗流。
一种模拟隧道突水的可视化实验方法，其特征在于，定义该箱体上盖一侧为顶侧，与顶侧相对一侧为底侧，进水一侧为左侧，收集装置上方为右侧，其余两个面分别为前侧和后侧；
该方法包括以下步骤：
步骤1)固定钢架支座，将模型箱放置在钢架上，连接进水管高压水泵，并在模型箱前侧或后侧架设高分辨率数码相机，该装置与前侧或后侧间隔一段距离，拍摄画面中能够完整呈现整个实验装置；
步骤2)将配置好的流固耦合相似材料装填到模型箱内，装填的流固耦合相似材料上表面保持平整，并在填装的材料中均匀埋设渗压计、微型土压力计和光纤光栅位移计；可填充至不同玻璃隔挡位置处，以模拟不同的防突岩体厚度；
步骤3)放置模型箱上盖，密封并固定，调整高压水泵的压力至实验值，打开控制阀开始进水；
步骤4)用数码相机实时的连续进行定时拍照记录，同时采集记录渗压计的渗透压力数据、微型土压力计的应力数据和光纤光栅位移计的位移数据；
水量和充填物流失收集容器进行实时收集渗出的水和流失的填充颗粒物，数显电子秤对试验过程中水和流失颗粒的重量进行实时称量，每10s读取记录一次水量和充填物流失收集容器的质量数据；
步骤5)直观监测突水过程中防突岩体裂缝的扩展演化过程，并进行现场裂缝变化状况的记录；
步骤6)待突水通道完全形成后，关闭控制阀，称量流出水和充填物的总重量，计算涌水量和颗粒流失速率。
有益效果：
(1)模型箱主体采用透明的钢化玻璃，可以更加直观地观察突水过程中防突岩体的渐进性破坏过程。玻璃箱体上盖可以拆卸，便于材料的填充，同时采用橡胶密封垫保证了密封效果。
(2)箱体内的玻璃隔挡，可模拟一定水压下不同防突岩体厚度的突水情况。另外，玻璃隔挡起到两方面作用：一方面可防止高压水作用下流固耦合材料和玻璃箱体间摩擦力过小而发生整体滑动，有利于突水通道的形成；另一方面通过在隔挡上设计若干透水孔，可实现高压水的顺畅渗流。
(3)该模型可以定量研究水压、防突岩体物理力学特性及结构特征与防突厚度的相关关系，通过多种工况的模拟试验，可建立隧道突水灾害临突判据和最小安全厚度分析方法。
(4)模型中采用非接触数字照相量测系统，并采用相应的后处理分析软件，实现隧道突水过程中位移场的全场监控。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明整体俯视示意图；
图3为进水管构造示意图
图4为玻璃隔挡构造示意图；
图5为整个装置的三维构造示意图；
图中，1-模型箱；2-水量和充填物流失收集容器；3-高压水泵；4-进水管；5-流量计；6-玻璃隔挡；7-流固耦合相似材料；8-控制阀；9-渗压计；10-微型土压力计；11-光纤光栅位移计；12-出水口；13-透水孔；14-橡胶密封垫；15-螺栓；16-水箱；17-数显电子秤；18-钢架支座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1、图2、图3和图4所示，一种模拟隧道突水的可视化实验装置，其特征在于，包括透明的模型箱1、水箱16、收集装置和监控装置；长方体的模型箱1箱体密封，箱体内填充有流固耦合相似材料7；模型箱1通过进水管4与水箱16连接；
模型箱1包括箱体和可拆卸的箱体上盖，该箱体上盖与箱体之间密封；进水管从箱体一侧的中心伸入；箱体另一侧位于收集装置上方；如图4所示，箱体内侧均匀设置有一组U型的玻璃隔挡6，所述玻璃隔挡6上布置有若干透水孔13，该透水孔13的开孔方向与进水管4进水方向相同；
所述进水管4由水箱16接出，依次连接控制阀8和高压水泵3，最后伸入模型箱1箱体；
所述收集装置包括水量和充填物流失收集容器2以及数显电子秤17，所述水量和充填物流失收集容器2置于数显电子秤17上；
所述监控装置包括设置在模型箱1内腔的渗压计9、微型土压力计10、光纤光栅位移计11和位于箱体外的数字照相非接触量测系统。
进一步的，一个流量计5；高压水泵3提供的高压水通过流量计5后进入模型箱1中。高压水泵提供的高压水通过流量计后进入模型箱中。流量计能够直观的掌握进入水箱的水量，达到检测水量的目的。
进一步的，模型箱1采用钢化玻璃制作而成，模型箱1箱体与上盖之间通过橡胶密封垫14密封，并通过螺栓15固定。通过钢化玻璃可以更加直观地观察突水过程中防突岩体的渐进性破坏过程。玻璃箱体上盖可以拆卸，便于材料的填充，同时采用橡胶密封垫保证了密封效果，防止实验过程渗水。
如图3所示，进水管4伸入箱体的进水管4末端，包括一个花洒状出水口12，该出水口12端面均匀布置有出水小孔。花洒结构保证了高压水出水均匀，使水能够均匀的渗流。
进一步的，模型箱1通过一个钢架支座18支撑。钢架支座使得整个模型箱固定。其下方采用水量和充填物流失收集容器进行实时收集，且收集容器直接放在数显电子秤上，每10s读取一次数据，可对试验过程中水和流失颗粒的重量进行实时称量。
进一步的，一组玻璃隔挡6为均匀布置的五道隔挡，所述隔挡横截面是边长为20mm的正方形；所述透水孔13孔径为2mm。箱体内的玻璃隔挡，可模拟一定水压下不同防突岩体厚度的突水情况。另外，玻璃隔挡起到两方面作用：一方面可防止高压水作用下流固耦合材料和玻璃箱体间摩擦力过小而发生整体滑动，有利于突水通道的形成；另一方面通过在隔挡上设计若干透水孔，可实现高压水的顺畅渗流。
一种模拟隧道突水的可视化实验方法，如图5所示，定义该箱体上盖一侧为顶侧，与顶侧相对一侧为底侧，进水一侧为左侧，收集装置上方为右侧，其余两个面分别为前侧和后侧；
该方法包括以下步骤：
步骤一：固定钢架支座18，将模型箱1放置在钢架上，连接进水管4、高压水泵3，并在模型箱1前侧或后侧架设高分辨率数码相机，该装置与前侧或后侧间隔一段距离，拍摄画面中能够完整呈现整个实验装置；
步骤二：将配置好的流固耦合相似材料7装填到模型箱1内，装填的流固耦合相似材料7上表面保持平整，并在填装的材料中均匀埋设渗压计9、微型土压力计10和光纤光栅位移计11；
步骤三：放置模型箱1上盖，密封并固定，调整高压水泵3的压力至实验值，打开控制阀8开始进水；
步骤四：用数码相机实时的连续进行定时拍照记录，同时采集记录渗压计9的渗透压力数据、微型土压力计10的应力数据和光纤光栅位移计11的位移数据；
水量和充填物流失收集容器2进行实时收集渗出的水和流失的填充颗粒物，数显电子秤17对试验过程中水和流失颗粒的重量进行实时称量，每10s读取记录一次水量和充填物流失收集容器2的质量数据；通过这些数据分析隧道突水过程中渗流场、应力场及位移场的时空演化规律。
具体来说，是利用数字照相量测技术来捕捉突水过程中防突岩体的渐进失稳破坏过程，利用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，实现突水过程中防突岩体由稳定到破坏的位移场的全场监测与分析。
步骤五：直观监测突水过程中防突岩体裂缝的扩展演化过程，并进行现场裂缝变化状况的记录；该记录的过程，可以选择各种方式，例如将透明的记录纸贴服在模型箱外壁，根据裂缝状况实时描画。
步骤六：待突水通道完全形成后，关闭控制阀，称量流出水和充填物的总重量，计算涌水量和颗粒流失速率。
实施例：
如图1、图2、图3、图4中所示为一种模拟隧道突水的可视化试验装置，该模型所需水源由高压水泵3供给；模型箱1为采用钢化玻璃制作而成的长方体装置，玻璃间的接缝采用玻璃胶密封，达到不渗水、不漏水；箱体内充填流固耦合相似材料7，用于模拟隧道防突岩体；箱体上盖可以从主体上拆卸，其与箱体间通过橡胶密封垫14密封、螺栓15固定；箱体右侧开口，无任何阻挡。
箱体左侧通过直径为50mm的进水管4与高压水泵3相连，进水管4和箱体之间设有流量计5，进水管4位于玻璃模型箱的中心位置，末端呈喇叭口形状，且均匀布置出水小孔12，类喷洒状。
模型箱1内共布置5道玻璃隔挡6，玻璃隔挡6呈U型，横截面尺寸为20mm×20mm，玻璃隔档6上有若干直径为2mm的透水孔13。
模型箱1下方放置水量和充填物流失收集容器2，收集试验过程中流出的水和相似材料7。通过渗压计9、微型土压力计10、和光纤光栅位移计11获得突水过程中各物理场的信息数据，并采用非接触数字照相量测技术对位移场进行全场监控，可记录突水过程中隧道防突岩体渐进性破坏过程，于此同时可清晰观察突水通道形成过程。
模型上盖为可拆卸的钢化玻璃，且通过橡胶密封垫14密封，一方面，方便试验前填充流固耦合相似材料7；另一方面，保证了试验过程中的密封性，防止水的渗漏。
进水管4末端呈喇叭口状，且端头为花洒状，易于喷洒，便于高压水在模拟防突岩体的流固耦合相似材料7中均匀渗流。
箱体内布置了5道玻璃隔挡6，可防止高压水作用下流固耦合相似材料7由于和模型箱1间摩擦力过小而发生整体滑动，有利于突水通道的形成；同时隔挡上设计若干直径为2mm的透水孔13，可实现高压水的顺畅渗流。通过将流固耦合相似材料7填充至不同玻璃隔挡6处，可模拟一定水压下不同防突岩体厚度的突水情况。
模型箱1采用钢架支座18支撑，下面采用水量和充填物流失收集容器2，且收集容器直接放在数显电子秤上，每10s读取一次数据，可对试验过程中水和流失颗粒的重量进行实时称量。
本发明模拟隧道突水灾变演化过程的模型试验方法，具体步骤如下：
步骤一：固定好钢架支座，将模型箱放置在钢架上，连接高压水泵，并在模型箱前部架设高分辨率数码相机。
步骤二：将配置好的流固耦合相似材料装填到模型箱内可在不同隔挡间填充，以模拟不同的防突岩体厚度，装填的相似材料上表面要保持平整，并在特定的部位埋设渗压计、微型土压力计和光纤光栅位移计。
步骤三：放置模型箱上盖，用螺栓将上盖和箱体连接，二者之间垫密封橡胶条，以保证密闭性，防止渗漏。
步骤四：调整高压水泵的压力至预定值时，打开控制阀开始试验。
步骤五：在试验过程中，实时进行数码拍照，采集试验过程中的渗透压力、应力和位移数据，并实时记录水和充填物流失量。
步骤六：直观观测突水过程中防突岩体裂缝的扩展演化过程，并进行现场素描。
步骤七：待突水通道完全形成后，关闭控制阀，称量流出水和充填物的总重量，计算涌水量和颗粒流失速率。
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 (2)
1.一种模拟隧道突水的可视化实验装置，其特征在于，包括透明的模型箱(1)、水箱(16)、收集装置和监控装置；长方体的模型箱(1)箱体密封，箱体内填充有流固耦合相似材料(7)；模型箱(1)通过进水管(4)与水箱(16)连接；
模型箱(1)包括箱体和可拆卸的箱体上盖，该箱体上盖与箱体之间密封；进水管从箱体一侧的中心伸入；箱体另一侧位于收集装置上方；箱体内侧均匀设置有一组U型的玻璃隔挡(6)，所述玻璃隔挡(6)上布置有若干透水孔(13)，该透水孔(13)的开孔方向与进水管(4)进水方向相同；
所述进水管(4)由水箱(16)接出，依次连接控制阀(8)和高压水泵(3)，最后伸入模型箱(1)箱体；
所述收集装置包括水量和充填物流失收集容器(2)以及数显电子秤(17)，所述水量和充填物流失收集容器(2)置于数显电子秤(17)上；
所述监控装置包括设置在模型箱(1)内腔的渗压计(9)、微型土压力计(10)、光纤光栅位移计(11)和位于箱体外的数字照相非接触量测系统；
包括一个流量计(5)；高压水泵(3)提供的高压水通过流量计(5)后进入模型箱(1)中；
所述模型箱(1)采用钢化玻璃制作而成，模型箱(1)箱体与上盖之间通过橡胶密封垫(14)密封，并通过螺栓(15)固定；
所述进水管(4)伸入箱体的进水管(4)末端，包括一个花洒状出水口(12)，该出水口(12)端面均匀布置有出水小孔；
所述模型箱(1)通过一个钢架支座(18)支撑；
所述一组玻璃隔挡(6)为均匀布置的五道隔挡，所述隔挡横截面是边长为20mm的正方形；所述透水孔(13)孔径为2mm。
2.如权利要求1所述的一种模拟隧道突水的可视化实验装置的实验方法，其特征在于，定义该箱体上盖一侧为顶侧，与顶侧相对一侧为底侧，进水一侧为左侧，收集装置上方为右侧，其余两个面分别为前侧和后侧；
该方法包括以下步骤：
1)固定钢架支座(18)，将模型箱(1)放置在钢架上，连接进水管(4)、高压水泵(3)，并在模型箱(1)前侧或后侧架设数字照相非接触量测系统，该数字照相非接触测量系统包括高分辨率的数码相机，所述数码相机与模型箱(1)的前侧或后侧间隔一段距离，该间隔距离保持拍摄画面中能够完整呈现整个实验装置；
2)将配置好的流固耦合相似材料(7)装填到模型箱(1)内，装填之后的流固耦合相似材料(7)上表面保持平整，并在填装的材料中均匀埋设渗压计(9)、微型土压力计(10)和光纤光栅位移计(11)；
3)放置模型箱(1)上盖，密封并固定，调整高压水泵(3)的压力至实验值，打开控制阀(8)开始进水；
4)用数码相机实时的连续拍照记录，同时采集记录渗压计(9)的渗透压力数据、微型土压力计(10)的应力数据和光纤光栅位移计(11)的位移数据；
水量和充填物流失收集容器(2)进行实时收集渗出的水和流失的填充颗粒物，数显电子秤(17)对试验过程中水和流失颗粒的重量进行实时称量，每10s读取记录一次水量和充填物流失收集容器(2)的质量数据；
5)直观监测突水过程中防突岩体裂缝的扩展演化过程，并进行现场裂缝变化状况的记录；
6)待突水通道完全形成后，关闭控制阀，称量流出水和充填物的总重量，计算涌水量和颗粒流失速率。
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