CN105352867B - 模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水文地质研究领域，并公开了一种模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法，先制作模型边界和隧洞模拟装置，模型边界内以与隧洞周围天然岩土具有等效渗流特征的多空隙组合介质填充，填充过程中向多空隙组合介质内置入设有出水端口的隧洞模拟装置；模型边界的两侧各设置带溢水口的水槽，水槽和模型边界内部以进水管连通，并在模型内竖向、水平均布置有测压管，水槽和模型边界的底部分别设置第一、第二排水口，隧洞模拟装置模拟隧洞开挖和衬砌处理全过程，在此过程中记录对应时刻出水端口的出水量、第二排水口的排水量、水平及竖向布置的测压管的水位高程变化，从而研究隧洞开挖前后地下水动态运动规律和隧洞涌水随时间的变化关系。

Description

模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法

技术领域

本发明涉及复杂水文地质条件隧洞渗流测试研究方法，主要涉及岩石隧洞开挖过程中孔隙、裂隙、溶隙等多空隙地质单元的渗流特性及涌水随时间的变化关系规律的研究。

背景技术

在岩土工程领域，隧洞开挖不仅会导致围岩应力的改变，还会引起涌水、突水、突泥等渗流问题，从而改变地下水环境，甚至影响区域生态环境恶化。所以，研究隧洞渗流的问题对实际工程具有重要的指导意义。目前，该类问题的研究方法主要有三个，一是现场监测，二是计算机模拟与理论分析，三是室内物理模型试验。

若以物理模型测试方式完成前述的研究，在室内试验中需要大量的岩体材料，现场取回受技术和交通等制约显得不便，因此，如何用一种具有类似渗流特性的、非天然岩体的组合材料来模拟天然具有孔隙、裂隙和溶隙的复杂地质单元，反映天然地质体复杂空隙组合及其空间递变特征，从而研究其整体渗流特性，则成为当前一个非常有现实意义的技术问题。现有的室内物理模型试验，其模型边界内是用砂的分层夯填作为渗透介质，来进行渗流测试，不能模拟存在各向异性渗透特征地质环境，且未考虑隧洞施工影响，隧洞模型为固定模型，不能实现动态研究，因此，还不曾尝试研究隧洞开挖过程中涌水随时间变化规律以及周围地下水动态变化规律，也没有考虑过隧洞开挖直至衬砌处理后的地下水动态变化规律。

发明内容

为了使得室内物理实验模型更接近于真实环境，从而为实际施工作出更可行可靠的指导，本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟复杂多空隙组合渗透特性地质环境下隧洞渗流的测试方法，实现了对隧洞开挖过程中涌水随时间变化规律以及周围地下水动态变化规律、隧洞开挖直至衬砌处理后的地下水动态变化规律的研究。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法，包括以下步骤：

根据相似原理，按比例确定并制作模型边界和隧洞模拟装置，模型边界内以多空隙组合介质填充，填充过程中向多空隙组合介质内置入隧洞模拟装置；模型边界的两侧各设置带溢水口的水槽，水槽和模型边界内部之间设置有连通二者且在整个测试高度范围间隔分布的进水管；两侧水槽的进水管、溢水口对等布置，每一侧溢水口的个数在两根以上，其中最低位置的溢水口的高度不低于隧洞模拟装置的高程；在与隧洞模拟装置同一高程的位置，从隧洞模拟装置直至其两侧的模型边界壁，按预设的测量部位设置测压管，水槽和模型边界的底部分别设置第一排水口和第二排水口；所述隧洞模拟装置包括隧洞模拟管、一步模拟管和二步模拟管，隧洞模拟管预设于多空隙组合介质中，其位于模型边界内的那段管壁上随机分布有渗水孔，其一端管口露于模型边界以外，为出水端口，一步模拟管的外径与隧洞模拟管的内径相匹配，其与隧洞模拟管的开孔管段对应的管壁上随机布置有少量漏水孔，二步模拟管的管壁无孔，其外径与隧洞模拟管的内径相匹配；

将一步模拟管完全置入隧洞模拟管内，水槽连接进水装置；

保持设定位置的溢水口通畅，低于该位置的其余溢水口保持在止水状态，向水槽内逐渐注水到试验最高水位，也即最高位置的溢水口的高度；

开始向外取出一步模拟管，直到一步模拟管完全取出，在此过程中记录对应时刻出水端口的出水量、第二排水口的排水量、水平布置的测压管的水位高程及竖向布置的测压管的水位高程变化；

开始向内置入二步模拟管，直到二步模拟管完全置入隧洞模拟管内，在此过程中记录对应时刻出水端口的出水量、第二排水口的排水量、水平布置的测压管的水位高程及竖向布置的测压管的水位高程变化。

所述多空隙组合介质采用与隧洞周围天然岩土具有等效渗流特征的多空隙组合地质单元渗透模拟材料，包括根据天然岩体的优势裂隙方向或优势溶孔方向依次平铺并逐层堆垒的、经渗透等效处理的基块，所述基块为可单独密铺的、形状规则的各向同性材料块，填充多空隙组合地质单元渗透模拟材料时，根据天然岩体的优势裂隙或优势溶孔方向，平铺基块并逐层堆垒，相邻基块之间设置间隙并在所述间隙内填充渗水介质，并在上下两层基块之间设置滤层。

进一步的是，以普通烧结粘土砖作为基块。

所述渗透等效处理方式为：表面刷浆处理形成面浆层以封闭部分的基块孔隙。

所述渗透等效处理方式为：根据天然岩体的优势溶孔方向对基块进行钻通孔处理，通孔内填充砂。

所述渗透等效处理方式为：相邻基块之间设置间隙并在所述间隙内填充砂。

模型边界的一个侧壁采用玻璃板制作，在该侧设置水位指示装置，测压管设置在该侧并采用透明测压管。

所述隧洞模拟管露于模型边界以外的管段内壁加工有内螺纹，一步模拟管和二步模拟管的全部管壁上均加工有与所述内螺纹匹配的外螺纹。

所述进水管伸入模型边界内的管口端设有滤罩或滤塞。

所述溢水口的个数在四个以上。

本发明的有益效果是：利用配制的与现场岩体单元渗透性等效的多空隙组合地质单元渗透模拟材料模拟隧洞周围介质，在室内可以模拟隧洞现场地质单元渗流特性，研究隧洞开挖前后地下水动态运动规律和隧洞涌水随时间的变化关系。

附图说明

图1是本发明应用的测试装置的结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是图1的俯视图。

图4是图1中可应用的隧洞模拟管的示意图。

图5是图1中可应用的一步模拟管的示意图。

图6是图1中可应用的二步模拟管的示意图。

图7是对基块进行渗透等效处理的过程示意图。

图8是表面刷浆的等效处理方式示意图。

图9是钻通孔加工的等效处理方式示意图。

图10是图9的俯视图。

图11是相邻基块之间设置间隙并在间隙内填充砂的等效处理方式示意图。

图12是渗透试验装置的示意图。

图13是多空隙组合地质单元渗透模拟材料应用于本发明所用测试装置时的堆垒示意图。

图中标记为：1-模型边界，2-多空隙组合介质，3-水槽，4-进水口，5-溢水口，6-进水管，7-第二排水口，8-隧洞模拟管，9-一步模拟管，10-二步模拟管，11-水位指示装置，12-测压管，13-渗水孔，14-漏水孔，15-隧洞模拟装置，17-第一排水口，21-基块，22-第一等效介质，23-垫块，24-滤层，25-通孔，26-面浆层，27-第二等效介质，L1-隧洞模拟管的开孔管段长度，L2-隧洞模拟管的露出段长度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1～图13所示，本发明用于模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法所用装置包括测试模型，根据相似原理并按比例确定的模型边界1和隧洞模拟装置15，因通常依据隧洞直径的6倍以上来确定隧洞影响区的范围，故模型边界1可在此基础上扩大并为建模方便进行调整，模型边界1内以与隧洞周围天然岩土具有等效渗流特性的多空隙组合地质单元渗透模拟材料填充，从而模拟隧洞所处的具有复杂渗透特征的地质环境，填充过程中向填充介质内置入隧洞模拟装置15，模型边界1的两侧各设置带溢水口5的水槽3，用于模拟隧洞周围天然水环境并控制水位，为实现丰水季、枯水季等不同条件的模拟，溢水口5的数量最好是四个以上，水槽3和模型边界1内部之间设置有连通二者且在整个测试高度范围间隔分布的进水管6，使得水量能够由此基本均匀的向多空隙组合介质2渗透；进水管6伸入模型边界1内的管口端设有滤罩或滤塞，防止进水管堵塞；两侧水槽的进水管6、溢水口5对等布置，每一侧溢水口5的个数在两个以上，但其中最低位置的溢水口5的高度应不低于隧洞模拟装置15的高程，以便根据测试要求完成隧洞两侧等压测试和存在水头情况下的测试；在与隧洞模拟装置15同一高程的位置，从隧洞模拟装置15直至其两侧模型边界壁，按预设的测量部位设置测压管12，竖向间隔布置和/或水平间隔布置的测压管12可反映隧洞渗流过程水压力的动态变化，相邻测压管12之间保持等间距，以反映隧洞渗流过程压力梯度的变化程度，水槽3的底部设置第一排水口17，用于试验完成后的排水，模型边界1的底部设置第二排水口7，第一排水口17在试验过程中保持封堵状态，第二排水口7在试验过程中保持开放状态，由于模型边界1限定了其它地方的渗流，模型的渗流量得以汇集和计量。

测试模型中的隧洞模拟装置15包括隧洞模拟管8、一步模拟管9和二步模拟管10，从而实现对于隧洞开挖、处理施工全过程的模拟，隧洞模拟管8预设于渗流地质模拟材料2中，其位于模型边界1内的那段管壁上随机分布有渗水孔13，模拟开挖前具有渗流结构的状况，其一端管口露于模型边界1以外，为出水端口，用于经由隧洞模拟装置15渗流的收集，一步模拟管9的外径与隧洞模拟管8的内径相匹配，其与隧洞模拟管8的开孔管段对应的管壁上随机布置有少量漏水孔14，所述的少量指相对于渗水孔而言，数量更少，分布密度更小，模拟开挖过程中初步处理但仍然有通过隧洞的少量渗流量的状况，二步模拟管10的管壁无孔，模拟开挖完毕进行防渗处理后，基本没有通过隧洞的渗流量的状况，其外径与隧洞模拟管8的内径相匹配。

本发明模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法的测试原理是：用设有高度不同溢水口的水槽模拟天然水环境，排水口收集模型的渗水量，隧洞模拟管8的出水端口收集经由隧洞模型的渗水量，首先利用隧洞模拟管8和一步模拟管9模拟隧洞开挖过程进行测试，然后利用隧洞模拟管8和二步模拟管10模拟隧洞处理过程进行测试，一步模拟管9置于隧洞模拟管8内且模型内部长度全部对应时，相当于隧洞未开挖前的情况，逐渐向外取出一步模拟管9，渗流可通过渗水孔13和漏水孔14进入隧洞模拟装置15内，模拟隧洞开挖渐进的过程，全部取出一步模拟管9，即隧洞贯通的过程，然后，以二步模拟管10替代一步模拟管9，反向逐渐向内将二步模拟管10置入隧洞模拟管8内，模拟逐渐进行防渗处理的隧洞，直到二步模拟管10和隧洞模拟管8在模型内部长度全部对应时，渗水孔13全部被二步模拟管10封闭，即隧洞衬砌完毕，由此完成隧洞施工全过程的隧洞渗流测试。

测试时，按以下步骤进行：

将一步模拟管9完全置入隧洞模拟管8内，模拟隧洞未开挖的情形，水槽3连接进水装置，第一排水口17保持在止水状态；保持设定位置的溢水口5通畅，低于该位置的其余溢水口5保持在止水状态，向水槽3内逐渐注水到试验设定水位，也即设定位置的溢水中5的高度，完成对隧洞及其周围岩土及水环境的模拟；

开始向外取出一步模拟管9，模拟隧洞逐渐开挖的情形，直到一步模拟管9完全取出，在此过程中记录对应时刻出水端口的出水量、第二排水口7的排水量、水平布置的测压管12的水位高程及竖向布置的测压管12的水位高程变化；

向内逐渐置入二步模拟管10，直到二步模拟管10完全置入隧洞模拟管8内，模拟隧洞开挖后渐进进行防渗处理的情形，在此过程中记录对应时刻出水端口的出水量、第二排水口7的排水量、水平布置的测压管12的水位高程及竖向布置的测压管12的水位高程变化。

根据对这些数据的分析可以得知隧洞开挖前后地下水动态运动规律和隧洞涌水随时间的变化关系，从而指导工程实践。

为了方便一步模拟管9、二步模拟管10相对于隧洞模拟管8的进出调节，隧洞模拟管8露于模型边界1以外的管段内壁加工有内螺纹，一步模拟管9和二步模拟管10的全部管壁上均加工有与所述内螺纹匹配的外螺纹，利用螺纹连接实现连接和调节。

用于向模型边界1内填充的多空隙组合介质，可根据不同的理论，应用多种现有材料组合得到，越接近于隧洞周围天然岩体的真实渗透特征越好。因此，所述渗流地质模拟材料2优选采用与天然岩体具有等效渗流特征的多空隙组合地质单元渗透模拟材料，以下详述多空隙组合地质单元渗透模拟材料的制备方法。

用于模拟综合渗透系数为K₀的天然岩体的多空隙组合地质单元渗透模拟材料的制备方法：选择可单独密铺的、形状规则的各向同性材料块作为基块，以其密铺排列平面为参考面，垂直参考面的轴线方向作为基准方向，根据其形状，确定密铺排列垂直通缝线方向的一个方向为第一方向，确定与第一方向、基准方向均垂直的方向为第二方向；对基块进行渗透等效处理，测定基块第一方向的初始渗透系数K₁，若K₁＞K₀则对基块部分表面刷浆处理，用面浆层封闭基块的部分孔隙，使其第一方向刷浆处理后的渗透系数等于K₀，获得刷浆表面积；若K₁＜K₀则对基块进行钻通孔处理，根据天然岩体发育的优势裂隙方向和/或优势溶孔方向确定基块的平铺方向，通孔的钻孔方向也据此确定，一般选择在堆垒后接近优势溶孔方向，孔内填充第一等效介质，使其第一方向通孔填充处理后的渗透系数等于K₀，获得钻孔密度和第一等效介质填充密度；将两块基块按密铺排列方式相互层叠，它们之间的缝隙填充第二等效介质，使其第二方向的渗透系数K₂也等于K₀，获得间隙值和第二等效介质填充密度；根据天然岩体发育的优势裂隙方向和/或优势溶孔方向，平铺基块并逐层堆垒，堆垒时按前述方式在基块之间填充第二等效介质，并在上下两层基块之间设置滤层，得到多空隙组合地质单元渗透模拟材料。这样得到的组合材料，用管道流模拟溶孔流，用平板窄缝流模拟裂隙流，用孔隙介质模拟储水构造，能够模拟具有各向异性且包含裂隙、孔隙、溶隙等结构构造特征的天然岩体的复杂渗透特性。

岩体工程中所遇的天然岩体大多构造复杂，具有渗透性。下面以采用普通烧结粘土砖作为基块说明本发明多空隙组合地质单元渗透模拟材料的制备过程。该材料用于模拟综合渗透系数等于K₀的天然岩体。普通烧结粘土砖为长方体，其在三个方向上均可实现单独密铺，钻孔的方向可人为控制，并且可灵活调节平铺方位，因此优选以普通烧结粘土砖作为基块。

以普通烧结粘土砖作为基块，第一方向选择为其高度方向，进行刷浆处理时的表面选择砖的底面和/或顶面，钻通孔时选择在单块普通烧结粘土砖上钻四个均布且贯通其底面和顶面的通孔。就渗透性而言，普通烧结粘土砖为各向同性材料，强度、裂隙与天然情况接近、价格低廉、加工方便、配制场地要求小。

所述第一等效介质和第二等效介质分别为具有相适应级配和渗透性参数的砂。砂作为一种渗水介质使用，易于得到，不同粒径颗粒级配易于达到不同的渗透参数，从而方便调配制作出满足渗透性等效于天然岩体条件的多空隙组合地质单元渗透模拟材料。

以上所述经两方向渗透等效处理的材料适合于制作截面模型，如果要制作大的立体模型，最好还对基准方向进行等效处理，即：将两块基块沿基准方向相互层叠，它们之间的缝隙填充第三等效介质，使其基准方向的渗透系数K₃也等于K₀，获得间隙值和第三等效介质填充密度，填充时，根据所得的间隙值和第三等效介质填充密度，沿所述的基准方向排布有两层以上的基块。

普通烧结粘土砖标准尺寸为长×宽×高＝210mm×115mm×53mm，渗透特性具有各向同性特征，渗透系数的数量级约10^-6cm/s，属弱透水材料。

如图7所示，首先测定普通烧结粘土砖在高度方向的渗透系数K₁，并与天然岩体综合渗透系数K₀进行比较，确定该方向上渗透等效的处理方式，然后通过试验实现该方向渗透等效，即K₁＝K₀；再将两砖层叠，砖与砖之间的间隙填充砂形成一组合构造单元，并试验测定该组合构造单元在垂直于砖的高度方向上的渗透系数K₂，实现与高度方向垂直的方向上渗透等效，即K₂＝K₀。

如图8所示，当岩体的渗透性比10^-6cm/s小时，在砖的表面进行刷浆处理，例如，刷上水泥浆，凝固后形成面浆层26以堵塞部分孔隙，降低基块21的渗透性。

如图9和图10所示，当岩体渗透性大于10^-6cm/s时，在砖体210mm×115mm截面钻直径10mm的通孔25并使其均匀分布，均匀分布的目的是使其大量基块堆垒后形成的多空隙组合地质单元渗透模拟材料各部分具有均匀的渗透特性，通孔25不宜太大，太大则填充介质易漏出且易损毁原材料，太小则钻通孔用的钻头不易买到。在知道用于向通孔25填充的砂的渗透系数时，孔的数量由截面渗透系数等效这一条件计算可得；将已知级配和渗透性的砂按照对应压实性测试的密度相等的原则，可计算出各孔需填充的砂的质量，并照此全部填入孔中。反之，为实现在搭建物理模型的过程中孔与孔的距离在同一个方向上分别相等以保证均匀性，确定钻四个通孔，孔的位置如图9和图10所示。

钻通孔的位置主要考虑在搭建模型的过程中孔与孔的距离在同一个方向上分别相等。

如图9和图10所示，距离可由等式：

计算得到。对于标准尺寸的普通烧结粘土砖，在确定了钻通孔的数量和直径后，可通过计算得到相应的用于向通孔填充的砂的渗透系数和质量。

如图11所示，钻通孔填充后的普通烧结粘土砖用纱网、滤纸、纱网逐层包裹后放入用混凝土浇筑的渗透试验装置中，并用混凝土将边界封死，进行渗透性的测验。这样便使得砖高度方向的渗透能力与天然岩体等效即K₁＝K₀，并由此得知高度方向等效应采用的钻孔密度和第一等效介质填充密度。

如图12所示，平行于砖底面方向(与砖高度方向垂直)的渗透等效处理：采用两块砖层叠，砖与砖之间的间隙填充砂的方式。由此形成的组合构造单元用纱网、滤纸、纱网逐层包裹后放入用混凝土浇筑的渗透试验装置中，并用混凝土将边界封死，进行渗透性的测验。为方便操作，间隙值选择为10mm，边界即是砖的边界。根据该方向的渗透性也要与天然岩体等效即K₂＝K₀，以及垂直该方向截面的几何尺寸，可以计算出需要填充砂的渗透系数，而对应压实性的密度也可以测得，并由此得知高度方向等效应采用的砂及其填充质量。

如图13所示，首先完成对单个砖块的渗透等效处理，即根据实际情况进行刷浆或钻通孔填砂处理，之后，根据天然岩体的优势裂隙方向，使砖的底面与模型底面的夹角β与裂隙倾角一致，平铺并逐层堆垒砖块，堆垒时在相邻砖块之间适当置入垫块23，并在基块之间填充符合要求的第二等效介质27，垫块23的横截面为正方形，其边长为10mm，即间隙值为10mm，并在上下两层砖块之间设置滤层24，滤层24可以用滤纸，或者滤纸与纱布、纱网的复合层状物制作，得到用于模拟渗透系数等于K₀的天然岩体的多空隙组合地质单元渗透模拟材料。

本发明所述的多空隙组合地质单元渗透模拟材料应用时，应当根据天然岩体的优势裂隙方向和/或优势溶孔方向依次平铺并逐层堆垒经渗透等效处理的基块，在上下两层基块之间设置有滤层，防止在使用中基块之间填充的介质由上至下被冲刷脱离其原来所在的位置，改变了模拟材料的渗透特性。

所述的渗透等效处理方式为表面刷浆处理形成面浆层以封闭部分的基块孔隙。此种处理方式在基块的渗透系数偏大时使用，以使之接近天然岩体材料。

所述的渗透等效处理方式为对基块进行钻通孔处理，通孔内填充砂。此种处理方式在基块的渗透系数偏小时使用，以使之接近天然岩体材料，同时以通孔填充方式模拟溶孔，钻孔时就应考虑到铺排时所述通孔的方向，应使之与天然岩体的优势溶孔方向基本一致。

所述的渗透等效处理方式为相邻基块之间设置间隙并在间隙内填充砂。此种处理方式主要用于天然岩体裂隙充填情况的模拟。对普通烧结粘土砖，由于其本身的弱透水性，在垂直于高度方向的方向，无论最初K₂相对于K₀偏大、偏小，均用填砂的方式来处理，通过组合不同级配和不同压实度达到快速方便的目的。即本发明渗透等效处理的等效介质一般采用不同级配和不同压实度的砂。

由于原位岩体具多空隙组合的复杂渗流特性，以上渗透等效处理方式通常联合使用。利用所述材料，可以实现在室内建造较大物理模型，更加逼近原位岩体具多空隙组合的复杂渗流特性，有利于地下水渗流方面的基础科学研究和工程实践指导。

实施例：

如图1～图13所示，以某铁路隧洞断面开挖中岩体主要裂隙倾角30°为例，详细说明模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法过程。

该隧洞模型边界采用1:300的比尺。以隧洞轴线为中心左右各去300m，向下200m，埋深250m，前后共计45m，模型尺寸为长×宽×高＝2.0m×1.5m×0.15m。隧洞为双线隧洞，概化为单线隧洞，直径30m，模型尺寸10cm。除一个与隧洞轴线垂直的侧面和顶面外，其余模型边界界面以混凝土层制作。模型边界1两侧布置水槽3、水槽进水口，相应的溢水口5、进水管6，其中进水管6位于模型边界1内的管口端包裹有以滤纸和纱网做成的滤罩，防止多空隙组合介质中的填充介质随水流进入和堵塞进水管。

以PVC管制作隧洞模拟管8、一步模拟管9和二步模拟管10：一步模拟管和二步模拟管的外径均与隧洞模拟管的内径相匹配，隧洞模拟管8位于多空隙组合介质内的管壁上随机密集分布有渗水孔13，隧洞模拟管8露于模型边界以外的管段内壁加工有内螺纹，一步模拟管9的管壁上随机布置有少量漏水孔14，全部管壁上加工有与所述内螺纹匹配的外螺纹，二步模拟管10管壁无孔，全部管壁上加工有与所述内螺纹匹配的外螺纹。

要求测得如下数据：

①两边同水位高程hi(i＝1，2，3，4)时，测定：A、某特定监测点水位高程随时间的变化关系；B、不同常水头情况下，同一高程处各测点在某一时刻的水位高程连线；C、隧洞涌水量随时间的变化关系。

②两边水位高程存在高程差Δhi(i＝1，2，3)时。因此时模拟30°倾角的裂隙，所以有梯度时水流的渗流方向对试验结果会有不同，应分别试验向左渗流和向右渗流两种情况。测定A：某特定监测点水位高程随时间变化关系；B：某一高程上各测点在某时刻的水位高程连线；C：隧洞涌水量随时间的变化情况。

第一步：将自行配制的多空隙组合介质材料按如图13所示铺填。

注意：第一，第一根PVC管即隧洞模拟管在制作模型边界时便定位埋入模型边界的混凝土层中；第二，分层逐个砖样完成填充工作，填充过程如图7所示，在层与层之间，用L型标尺标定1cm缝隙高度；在每一层的砖与砖之间用1cm×1cm的方形木棍作为垫块23控制1cm的缝隙开度；第三，为防止细沙被渗流力带走，层与层之间均有合适大小的滤纸做成的滤层间隔，允许水流通过而组织细沙通过。

第二步：测压管的埋设。

在填充的过程中，按照预先设计，于隧洞左右同一水平高度(68cm高程，73cm高程，两个高程处)上从靠近隧洞到两侧每隔一定距离埋设透明测压管，以便观察在同一时刻，与隧洞中心线距离为X处的不同水位高程等试验所需资料，其中X为变量。

第三步：安装作为剩下的模型边界的玻璃墙。即模型边界的一个侧壁采用玻璃板制作，以方便观察。

将待安装的玻璃板钻孔，直径为6mm，以使φ6测压管刚好穿过。然后安装上玻璃板，并用准备好的玻璃胶密封玻璃和砖墙之间的缝隙，同时对外侧浇筑的混凝土层加强密封。在靠近玻璃一侧的空隙内填充满与层面具有相同击实程度的沙。

第四步：将测压管用透明玻璃胶固定在玻璃上，并在管的旁边布设软尺作为水位指示装置。

第五步：连接进水装置。将制作好的第二根PVC管即一步模拟管9旋塞入第一根PVC管即隧洞模拟管8，模拟隧洞开挖前的状态。

试验中，在第一根PVC管内部被水填满的情况下，模型内水位逐渐保持稳定，当第二根PVC管开始被取出，相当于隧洞开始被开挖。

第六步：按照设计的控制水位高程，由两边水槽缓慢向箱内注入水到试验最高高程，即115cm。同时将较低高程处的溢水口水管用止水夹夹好，待装置内各部位水位保持稳定。将电子秤一台、水桶两只放好备用。

第七步：保持两侧水头不变。将一只水桶置于电子称上去皮，放在第一根PVC管的出水端口，用来接住水。拿好秒表，按下秒表的同时，开始旋出第二根PVC管，并读出在30s、60s、120s、180s、300s、480s、690s、900s、1200s、1500s、1800s、2400s、3000s的秤读数。

注意：这里牵涉到水满时换桶，换桶时应该记下换前这一刻的秤读数记录在案，新桶读数是多少就记录多少，事后方便数据处理。

第八步：在上述步骤的同时由三人分别负责读取在0s、15s、30s、60s、120s、180s、300s、480s、690s、900s、1200s、1500s、1800s、2400s、3000s时刻时水平方向和竖直方向测压管的水位高程，填入表中。

在完成模拟隧洞开挖过程试验后，将第三根PVC管即二步模拟管10旋入第一根PVC管，模拟隧洞开挖处理后地下水动态变化规律和涌水随时间的关系。具体试验过程与前者基本一致。

Claims (10)

1.模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法，包括以下步骤：

根据相似原理，按比例确定并制作模型边界(1)和隧洞模拟装置(15)，模型边界(1)内以多空隙组合介质(2)填充，填充过程中向多空隙组合介质(2)内置入隧洞模拟装置(15)；模型边界(1)的两侧各设置带溢水口(5)的水槽(3)，水槽(3)和模型边界(1)内部之间设置有连通二者且在整个测试高度范围间隔分布的进水管(6)；两侧水槽的进水管(6)、溢水口(5)对等布置，每一侧溢水口(5)的个数在两个以上，其中最低位置的溢水口(5)的高度不低于隧洞模拟装置(15)的高程；在与隧洞模拟装置(15)同一高程的位置，从隧洞模拟装置(15)直至其两侧模型边界壁，按预设的测量部位设置测压管(12)，水槽(3)和模型边界(1)的底部均分别设置第一排水口(17)和第二排水口(7)；所述隧洞模拟装置(4)包括隧洞模拟管(8)、一步模拟管(9)和二步模拟管(10)，隧洞模拟管(8)预设于多空隙组合介质(2)中，其位于模型边界(1)内的那段管壁上随机分布有渗水孔(13)，其一端管口露于模型边界(1)以外，为出水端口，一步模拟管(9)的外径与隧洞模拟管(8)的内径相匹配，其与隧洞模拟管(8)的开孔管段对应的管壁上随机布置有少量漏水孔(14)，二步模拟管(10)的管壁无孔，其外径与隧洞模拟管(8)的内径相匹配；

将一步模拟管(10)完全置入隧洞模拟管(8)内，水槽(3)连接进水装置；

保持设定位置的溢水口(5)通畅，低于该位置的其余溢水口(5)保持在止水状态，向水槽(3)内逐渐注水到试验设定水位，也即设定位置的溢水口(5)的高度；

向外逐渐取出一步模拟管(9)，直到一步模拟管(9)完全取出，在此过程中记录对应时刻出水端口的出水量、第二排水口(7)的排水量、水平布置的测压管的水位高程及竖向布置的测压管的水位高程变化；

向内逐渐置入二步模拟管(10)，直到二步模拟管(10)完全置入隧洞模拟管(8)内，在此过程中记录对应时刻出水端口的出水量、第二排水口(7)的排水量、水平布置的测压管的水位高程及竖向布置的测压管的水位高程变化。

2.如权利要求1所述的模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法，其特征是：所述多空隙组合介质(2)采用与隧洞周围天然岩土具有等效渗流特征的多空隙组合地质单元渗透模拟材料，包括根据天然岩体的优势裂隙方向或优势溶孔方向依次平铺并逐层堆垒的、经渗透等效处理的基块(21)，所述基块(21)为可单独密铺的、形状规则的各向同性材料块，填充多空隙组合地质单元渗透模拟材料时，根据天然岩体的优势裂隙方向或优势溶孔方向，平铺基块(21)并逐层堆垒，相邻基块(21)之间设置间隙并在所述间隙内填充渗水介质，并在上下两层基块(21)之间设置滤层(24)。

3.如权利要求2所述的模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法，其特征是：以普通烧结粘土砖作为基块。

4.如权利要求2所述的模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法，其特征是：所述渗透等效处理方式为：表面刷浆处理形成面浆层以封闭部分的基块孔隙。

5.如权利要求2所述的模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法，其特征是：所述渗透等效处理方式为：根据天然岩体的优势溶孔方向对基块进行钻通孔处理，通孔内填充砂。

6.如权利要求2所述的模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法，其特征是：所述渗透等效处理方式为：相邻基块之间设置间隙并在所述间隙内填充砂。

7.如权利要求1所述的模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法，其特征是：模型边界(1)的一个侧壁采用玻璃板制作，在该侧设置水位指示装置(11)，测压管(12)设置在该侧并采用透明测压管。

8.如权利要求1、2或3所述的模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法，其特征是：所述隧洞模拟管(8)露于模型边界(1)以外的管段内壁加工有内螺纹，一步模拟管(9)和二步模拟管(10)的全部管壁上均加工有与所述内螺纹匹配的外螺纹。

9.如权利要求1、2或3所述的模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法，其特征是：所述进水管(6)伸入模型边界(1)内的管口端设有滤罩或滤塞。

10.如权利要求1、2或3所述的模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法，其特征是：所述溢水口(5)的个数在四个以上。