CN105136641B - 一种模拟动水条件下渗透注浆扩散试验的模型装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟动水条件下渗透注浆扩散试验的模型装置，包括介质填充装置，注浆模块，注水模块，以及注浆参数采集装置；所述注浆模块包括设于所述介质填充装置顶部的注浆孔，所述注浆孔通过注浆管与注浆泵连接；所述注水模块包括在所述介质填充装置侧壁开设的注水口，所述注水口通过注水管与加水装置连接；所述注浆参数采集装置设于所述介质填充装置的侧壁上；通过所述注浆泵和所述加水装置向所述介质填充装置模拟注浆和注水，并利用注浆参数采集装置采集相关参数，从而实现模拟动水条件下的渗透注浆扩散试验。

Description

一种模拟动水条件下渗透注浆扩散试验的模型装置

技术领域

本发明涉及一种用于注浆扩散试验的模型装置，具体涉及一种细砂和动水环境下超细浆材低压低速渗透注浆模拟试验装置及试验方法。

背景技术

近年来，随着我国隧道、矿山等地下工程的快速发展，建设过程中突水涌泥现象时有发生，据统计，突水涌泥灾害的发生频率在地下工程事故中排在第二位，造成的经济损失和人员伤亡排名第一位。

在地下工程建设施工以及工程灾害事故处理中，注浆是很重要一技术手段，但是目前注浆理论发展远远滞后于工程实践，注浆多依靠经验，缺乏有效的理论指导而远未成熟。

渗透注浆由于注浆压力较低，对地层扰动较小，所以在工程注浆中广泛应用。为了研究渗透注浆理论，通常使用注浆模型试验来模拟真实的注浆应用环境。模型试验的方法可以较全面真实的模拟复杂地质构造，为建立数学模型和提出新的注浆理论提供依据，是研究渗透注浆理论的一种重要手段。

目前国内外开展了一系列渗透注浆模型试验，但现有的模型试验装置存在以下问题：

1、无法直接观察浆液渗透规律，浆液扩散仍然存在严重的“黑箱”问题。

2、注浆试验普遍在无水或静水条件下进行，与工程实际存在较大出入，使得试验结论过于理想化，无法直接应用于工程实践。

3、即使试验在动水流速下进行，也无法模拟注浆一定时间后水流在介质中所形成的均匀动水条件。

4、无法定量模拟低压慢渗条件下的浆液渗透扩散规律。

5、检测过程中无法获得必要的关键参数，无法对整个三维空间范围内的渗透压力变化进行描述。

6、无法观察注浆过程对周围动水条件的渗透压力以及环境温度的影响。

发明内容

为解决现有技术存在的上述不足，本发明提供一种可视化，有动水环境影响的模拟动水条件下渗透注浆扩散试验的模型装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种模拟动水条件下渗透注浆扩散试验的模型装置，包括介质填充装置，注浆模块，注水模块，以及注浆参数采集装置；所述注浆模块包括设于所述介质填充装置顶部的注浆孔，所述注浆孔通过注浆管与注浆泵连接；所述注水模块包括在所述介质填充装置侧壁开设的注水口，所述注水口通过注水管与加水装置连接；所述注浆参数采集装置设于所述介质填充装置的侧壁上；在所述介质填充装置的顶部和底部设有翼板；通过所述注浆泵和所述加水装置向所述介质填充装置模拟注浆和注水，并利用注浆参数采集装置采集相关参数，从而实现模拟动水条件下的渗透注浆扩散试验。

所述注水装置为稳压注水装置，所述注水管上设有阀门，利用所述稳压注水装置向所述介质填充装置注入流速一定的动水，以在介质中形成均匀动水条件。

所述介质填充装置的侧壁由透明的有机玻璃材质制成。

所述介质填充装置为圆柱形容器，在介质填充装置的顶部和底部设有密封板，所述翼板与所述密封板密封固定连接。

在底部的所述密封板上设有若干个保证浆液扩散流畅性的透水孔，所述透水孔上方固定有高目数纱网。

所述注浆泵可自由调节泵送流量；所述注浆孔通过耐压管路与所述注浆泵连接，所述注浆管的接口设置于所述介质填充装置顶板的中心位置，所述注浆管伸入所述介质填充装置内部设定长度。

所述耐压管路上设有压力表。

所述注水口位于所述介质填充装置侧壁上部的中间位置。

所述介质填充装置的侧壁上设有若干个与所述注浆孔等高的用以通过注浆参数检测元件数据传输线的开孔，所述开孔周围设有若干个凹槽，所述凹槽上置有孔隙水压力传感器；所述凹槽顶部设有空心套管，所述空心套管内放有温度传感器。

所述孔隙水压力传感器分别布置在所述介质填充装置的四周，并沿纵向等间距布置。

本发明的有益效果为：

本发明的注浆扩散试验装置，可以通过注浆模块模拟浆液的扩散过程，通过注水模块模拟动水环境下的注浆，从而来模拟真实的注浆应用环境，为建立数学模型和提出新的注浆理论提供依据。

试验装置为高强的可视化有机玻璃材质，可实时直观观测渗透注浆扩散规律过程，实现注浆过程可视化，突破注浆过程的“黑箱”难题，有机玻璃的强度较高，可以满足较高注浆压力条件下的要求。

试验装置为圆柱状，对于实际情况下砂质空腔动水注浆扩散机理的探究有突出表现。

在试验装置的顶部和底部设有翼板和密封板，翼板可以起到很好的扰流作用，为形成均匀动水条件提供必要条件。采用密封板，使试验装置密封性好，可实现高压注浆，最大注浆压力可达2MPa。

在底部密封板上设有透水孔，可以保证浆液扩散的流畅性，透水孔上方固定高目数纱网，可以防止介质随动水或浆液从透水孔溢出介质填充装置。

通过使用可自由调节泵送流量的注浆泵和耐压管路，可以实现注浆速率与注浆量可控，方便模拟不同环境下不同注浆速率和不同注浆量下的浆液扩散情况，从而实现注浆液低压慢渗的模拟。

在耐压管路上设有压力表，可以实时观察注浆压力变化的情况。

使用稳压注水装置，可以利用所述稳压注水装置向所述介质填充装置注入流速一定的动水，以在介质中形成均匀动水条件。

设置注浆压力表、温度传感器和孔隙压力传感器，可实时采集渗透压力、孔隙水压力、注浆压力和速率等关键注浆参数，辅以分析介质的注浆响应特征。

沿介质填充装置的纵向等间距布置孔隙水压力传感器，和设置的温度传感器，可以梯度观察注浆过程中浆液对于动水渗透压力的扰动以及对温度的影响，便于对整个加固范围的渗透压力场进行检测，为整个三维空间范围渗透压力的描述提供依据。

本装置可广泛应用于砂砾、砂土、碎石、相似材料等多种充填介质条件下的渗透注浆扩散试验，适用范围广。

通过注水通道向介质中注入稳定流速、压力的水，保证了注浆介质中均匀的动水环境，使之更加贴近真实环境。

试验装置体积小，重量轻，操作简便，可循环使用，进行交叉因素下多序次试验，提高了试验效率，降低了试验成本。

利用本装置可以实现低压力和低流速的超细注浆材料在动水环境下渗入砂质介质过程的模拟，研究浆液在砂质介质中扩散路径、形态、距离等关键特征，并可实时采集土压力、渗透压力等关键参数对于浆液入渗的响应特征，在此基础上揭示浆液在砂质介质中的扩散机制，解决了现有砂质介质渗透试验中因流速和压力过高浆液入渗困难、浆液渗透过程存在“黑箱”弊端、未能模拟动水环境与工程实际偏差较大、无法进行渗透注浆多元关键参数实时采集等难题，具备较大的理论指导和工程应用价值。

附图说明

图1是本发明结构正视图；

图2是本发明结构侧视图；

图3是本发明结构俯视图；

其中，1是顶部密封板，2是底部密封板，3是注浆管，4是注水通道，5是密封橡胶密封圈，6是孔隙水压力传感器，7是温度传感器，8是透水孔，9是螺栓，10是介质填充装置。

具体实施方式

下面通过具体实例对本发明进行进一步的阐述，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

如图1、图2、图3所示，一种细砂和动水环境下超细浆材低压低速渗透注浆模拟试验装置，由顶部密封板1，底部密封板2，注浆管3，注水通道4，密封橡胶密封圈5，孔隙水压力传感器6，温度传感器7，透水孔8，螺栓9所组成。

如图1所示，一种细砂和动水环境下超细浆材低压低速渗透注浆模拟试验装置，它包括介质填充装置10，低压低速注浆模块，注水通道4及多元信息采集装置：孔隙水压力传感器6，温度传感器7，介质填充装置10通体为有机玻璃材质，可实时观察、摄录试验现象；容器形状为圆筒形，筒顶与筒底均有翼板。顶部密封板1和底部密封板2均与容器翼板以8套螺栓9相连，连接处刻凹槽置入橡胶密封圈5起密封作用。注浆模块通过耐压管路及密封板上接口可与介质填充装置开口处顶部密封板1相连，连接处接压力表以实时观察注浆压力变化。介质填充装置侧壁开孔设置注水通道4，与阀门连接，通过自主研发的稳压加水装置向介质填充装置10中注入稳定流速、压力的水，一定时间后在介质中形成均匀动水条件。介质填充装置10侧壁对称分布开孔4个，孔直径3mm，高度与注浆孔水平高度相同，以通过注浆参数监测元件数据传输线。孔内设有密封螺丝，保证装置的密封性。每个孔两侧共设置5个凹槽，每个凹槽相距2cm，以置入孔隙水压力传感器6，凹槽顶部设置直径4mm的空心套管，以置入温度传感器7，可梯度观察注浆过程中浆液对于动水渗透压力的扰动以及对温度的影响。介质填充装置底部密封板2上设有透水孔8，透水孔8上方固定高目数纱网，防止介质随动水或浆液溢出介质填充装置。

注水通道4为介质填充装置侧壁开设注水口，注水口直径25mm，注水口圆心距离顶部密封板3cm，可注入具有一定流速的动水，一定时间后在介质中形成均匀动水条件。底部密封板设有4个透水孔，透水孔8直径3cm，保证浆液扩散的流畅性，透水孔上方固定高目数纱网，防止介质随动水或浆液从透水孔溢出介质填充装置。

如图1所示，注浆管3接口设置于顶部密封板中心位置，注浆管3伸入介质填充装置，出浆口位于容器中上部。介质填充装置10侧壁注水孔位于侧壁顶部。

一种细砂和动水环境下超细浆材低压低速渗透注浆模拟试验装置使用方法：底部密封板2固定，中间架空以通过透水孔8透过水和浆液，放置好橡胶密封圈5，将介质填充装置10置于底部密封板2之上，用螺栓9固定密封。根据隧道、矿山等不同工程地质条件，选取一定级配的砂子或者固定粒径的玻璃砂充填入介质填充装置10，充填过程中在一定位置埋设孔隙水压力传感器6和温度传感器7，充填过程保证充填材料上下均一性。在介质填充装置10顶部凹槽里置入橡胶密封圈5，盖好顶部密封板1，用螺栓9固定密封，插入注浆管3并密封。通过注水通道注入一定流速的水，待水在充填介质中均匀流动后，通过注浆管3开始注浆，注浆过程实时观察现象，摄录试验现象。

试验的具体步骤是：将纱网置于底盖，将底部密封板2、纱网、橡胶密封圈5与介质填充装置10通过螺栓9固定后，向介质填充装置10中充填一定级配的砂子或者固定粒径的玻璃砂，充填至距顶部13cm，即出浆口水平面时，对称置入两个孔隙水压传感器6和两个温度传感器7，通过侧壁的开孔引线并密封后，继续填充介质至模块顶部，将顶部密封板1、橡胶密封圈5与介质填充装置10通过螺栓9固定。调试好传感器后，使用自主研发的模型试验稳压加水装置通过注水通道4向介质填充装置10中加水至设计流速，并保持稳定后，使用注浆泵通过耐压管路向介质填充装置10注入浆液，注浆方式采用低压慢渗。注浆结束后静置一天，拆卸顶部密封板密封螺栓9，将砂子或玻璃砂倒出，取出渗透加固体。可具体观察注浆加固形态，测量加固体长度、直径、抗压、抗拉强度等参数。监测元件可监测对砂质介质的注浆过程对周围动水条件的渗透压力以及温度的影响，梯度监测可对整个加固范围的渗透压力场进行监测，便于描述整个三维空间范围渗透压力变化。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种模拟动水条件下渗透注浆扩散试验的模型装置，其特征在于：包括介质填充装置，注浆模块，注水模块，以及注浆参数采集装置；所述注浆模块包括设于所述介质填充装置顶部的注浆孔，所述注浆孔通过注浆管与注浆泵连接；所述注水模块包括在所述介质填充装置侧壁开设的注水口，所述注水口通过注水管与加水装置连接；所述注浆参数采集装置设于所述介质填充装置的侧壁上；在所述介质填充装置的顶部和底部设有翼板；通过所述注浆泵和所述加水装置向所述介质填充装置模拟注浆和注水，并利用注浆参数采集装置采集相关参数，从而实现模拟动水条件下的渗透注浆扩散试验；

所述介质填充装置的侧壁上设有若干个与所述注浆孔等高的用以通过注浆参数检测元件数据传输线的开孔，所述开孔周围设有若干个凹槽，所述凹槽上置有孔隙水压力传感器；所述凹槽顶部设有空心套管，所述空心套管内放有温度传感器。

2.根据权利要求1所述的一种模拟动水条件下渗透注浆扩散试验的模型装置，其特征在于：所述注水装置为稳压注水装置，所述注水管上设有阀门，利用所述稳压注水装置向所述介质填充装置注入流速一定的动水，以在介质中形成均匀动水条件。

3.根据权利要求1所述的一种模拟动水条件下渗透注浆扩散试验的模型装置，其特征在于：所述介质填充装置的侧壁由透明的有机玻璃材质制成。

4.根据权利要求1所述的一种模拟动水条件下渗透注浆扩散试验的模型装置，其特征在于：所述介质填充装置为圆柱形容器，在介质填充装置的顶部和底部设有密封板，所述翼板与所述密封板密封固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种模拟动水条件下渗透注浆扩散试验的模型装置，其特征在于：在底部的所述密封板上设有若干个保证浆液扩散流畅性的透水孔，所述透水孔上方固定有高目数纱网。

6.根据权利要求1所述的一种模拟动水条件下渗透注浆扩散试验的模型装置，其特征在于：所述注浆泵可自由调节泵送流量；所述注浆孔通过耐压管路与所述注浆泵连接，所述注浆管的接口设置于所述介质填充装置顶板的中心位置，所述注浆管伸入所述介质填充装置内部设定长度。

7.根据权利要求6所述的一种模拟动水条件下渗透注浆扩散试验的模型装置，其特征在于：所述耐压管路上设有压力表。

8.根据权利要求1所述的一种模拟动水条件下渗透注浆扩散试验的模型装置，其特征在于：所述注水口位于所述介质填充装置侧壁上部的中间位置。

9.根据权利要求1所述的一种模拟动水条件下渗透注浆扩散试验的模型装置，其特征在于：所述孔隙水压力传感器分别布置在所述介质填充装置的四周，并沿纵向等间距布置。