CN105738216B - 用于高地应力-高渗压下隧道突水模型试验系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高地应力‑高渗压下隧道突水模型试验系统及其方法，试验系统包括用以模拟隧道模型开挖的主箱体，主箱体为整体式结构，放置在底座上，底座的两对侧固定在两滑轨上，两个滑轨之间设有呈型结构的反力架，反力架两支脚的底端以可拆卸的方式固定在滑轨上；反力架的顶梁与加载系统的顶端固定连接；主箱体内部设有信息监测元件，加载系统和信息监测元件均与监测控制系统连接；监测控制系统控制加载系统对主箱体中的模型材料施加地压和渗压。本发明实现了高地应力‑高渗压‑工程开挖扰动耦合条件下对隧道突水的研究，更加符合工程实际，同时，本发明实现了实现操作的全自动化控制，大大方便了实验操作。

Description

用于高地应力-高渗压下隧道突水模型试验系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于高地应力-高渗压下隧道突水模型试验系统及其方法。

背景技术

近年来，我国兴建大批水利水电工程、铁路公路交通工程等重大基础工程，极大的促进了隧洞工程的建设。随着水利水电和交通工程建设重心向地形地质条件极端复杂的西部山区和岩溶地区转移，20余个世界级的大型水利水电工程和上万公里的交通隧道工程正在或即将投入建设，将出现一批具有“大埋深、高应力、强岩溶、高水压、构造复杂、灾害频发”等显著特点的深部隧洞工程。复杂的隧洞赋存环境导致其施工过程中往往遭遇突水重大地质灾害，严重影响工程建设安全。据统计，突水灾害是目前此类隧洞工程施工面临的主要地质灾害之一，其发生频率和造成的人员伤亡均居于前列。

因此，在高地应力与高渗压联合作用下建设深部隧洞，其开挖与运行期的安全性问题已成为亟待解决的世界性岩体力学难题，直接决定着工程建设成败。开展水力强耦合条件下的突涌水研究，对于减少和控制重大突水灾害发生、保障人民生命财产安全与保护生态环境，具有重要的科学意义和现实意义。

在以往突水试验系统中，很少有将高地应力-高渗压-工程开挖扰动三种影响耦合研究，无法对其耦合作用下隧道突水进行合理的分析和解释，缺乏准确性和实用性。

现有的试验装置，存在以下缺点：

1、目前的试验装置，主箱体多为组装式结构，需要通过螺栓等连接部件将主箱体和加压系统等进行连接。对于这种组装式结构，无法实现高地应力-高渗压模拟的试验要求。

2、反力架的刚度较低，整体性能不佳，而且加载系统与反力架通过连接件连接，连接关系复杂，不利于均匀布置多个液压千斤顶，既无法实现高地应力的模拟，又难以避免加载不均匀的情况。

3、试验装置结构复杂，试验装置的组装和拆卸过程繁琐，每次试验需要动用行吊安装千斤顶及反力架，试验不便。

4、在实际的工程项目中，不同用途的隧道会设计不同的断面形状，而且不同的断面形状会使围岩产生不同的应力场。但是目前的试验装置在模拟隧道开挖时，对洞口的形状均简化为特定形状，同一试验装置不能针对不同断面形状的隧道进行重复试验，造成资源浪费。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于高地应力-高渗压下隧道突水模型试验系统及其方法。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

用于高地应力-高渗压下隧道突水模型试验系统，包括用以模拟隧道模型开挖的主箱体，所述主箱体为整体式结构，放置在底座上，所述底座的两对侧固定在两滑轨上，两个所述滑轨之间设有呈型结构的反力架，所述反力架两支脚的底端以可拆卸的方式固定在所述滑轨上；所述反力架的顶梁与加载系统的顶端固定连接；

所述主箱体内部设有信息监测元件，所述加载系统和所述信息监测元件均与监测控制系统连接；所述监测控制系统控制所述加载系统对所述主箱体中的模型材料施加地压和渗压。

主箱体为整体式结构，提高了整个装置的刚度，可以真正的实现高地应力-高渗压的模拟，另一方面避免了零散的连接部件，使试验更快捷方便，也避免了零件的丢失。

滑轨可以使反力架沿其横向移动，避免了拆卸装置的麻烦，使每次填筑和清除模型材料更加方便。此外，传统的滑轨仅提供使滑块沿其定向移动的功能，而本申请中的滑轨还为反力架提供向下的锚固力。主箱体、底座、滑轨、反力架和加载系统的布局设置紧凑，一方面可以提供空间利用率，使得模型试验系统体型小巧，而且整体性高，可以真正满足高地应力和高渗压对装置的刚度要求。地应力加载系统为试验提供额外的地应力，液压千斤顶安装在反力架上，反力架可在滑轨上滑动，避免了每次试验需要动用行吊安装千斤顶及反力架等诸多不便。

所述反力架通过螺栓与所述滑轨固定连接；所述反力架支脚的底端设有滑轮，所述滑轮通过发动机驱动，所述发动机与所述监测控制系统连接。将系统中的液压控制、水压控制、信息监测系统和反力架移动控制全都融合在一个系统之中，真正实现了全自动操作控制。

所述反力架为一个或多个，所述加载系统包括若干均匀布置在所述反力架顶梁上的液压千斤顶，所述主箱体的顶部设有可竖向移动的加载水箱，所述加载水箱的顶部设有连接加压泵的注水管、底部设有若干用以模拟渗压的出水孔。

传统的试验装置由于连接复杂等原因，因此往往仅设有一个液压千斤顶，无法满足高地应力模拟的压力条件。本申请由于各个结构之间巧妙布局，可以轻松实现多个反力架和多个液压千斤顶的布置。一方面，多个液压千斤顶可以提供足够的压力来模拟高地压，另一方面，千斤顶均匀布置，可以使受力更均匀。通过对所述水箱中水量的控制，实现不同的渗压要求，若渗压不能满足要求，可通过外接加压泵实现额外渗压要求。

所述加载水箱与所述主箱体密封接触，可以使渗压的模拟效果更加精准有效，并且为高渗压的模拟提供有利条件。

所述监测控制系统控制所述液压千斤顶通过所述加载水箱对所述模型材料施加压力，进而实现高地应力的模拟，所述监测控制系统通过控制所述加压泵输出至所述水箱中的水量实现高渗压的模拟。监测控制系统集液压控制、加压泵控制、信息监测系统于一体，使得本试验系统真正实现了全自动操作控制。

所述加载水箱的顶部为可拆卸的盖板，所述水箱内均匀设有若干用以支撑所述盖板的支撑柱。通过支撑柱将施加的额外地应力均匀的施加在模型之上，解决了以往由于受力不均造成模型局部受力过大的问题。

所述加载水箱的盖板上设有用以监测水压的水压表，根据水压表的数值，监测控制系统可进一步调整渗压，使模拟效果更加精确。

所述主箱体的前壁和/或后壁上预留隧道洞口；所述主箱体的侧壁上设有悬浮玻璃窗。预留隧道洞口既可以实现隧道的开挖，又实现对预埋信息监测元件的定位作用。

所述主箱体的侧壁上设有悬浮玻璃窗，既提高了箱体的强度以及封水性能，又实现了试验的可视化。

所述主箱体的前壁和/或后壁上设有箱体预留口，洞口部件的外部形状与所述箱体预留口的形状匹配，所述洞口部件的内部设有所需形状的洞口预留口，所述洞口部件在所述箱体预留口处与所述主箱体可拆卸的连接。通过更换具有不同形状的洞口预留口的洞口部件，可以方便模拟不同形状的隧道断面，使用同一试验装置就能对不同断面形状的隧道进行重复试验，提高了资源的利用率。此处洞口部件与箱体的连接方式，可以是卡接，也可以是在洞口侧壁处通过螺纹螺栓连接，以及类似的其他可拆卸的连接方式均可。

用于高地应力-高渗压下隧道突水模型试验系统的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：反力架沿滑轨移动，离开主箱体的上方位置；

步骤2：取出加载水箱，向所述主箱体内填充模型材料；

步骤3：将加载水箱置于试验模型上，移动所述反力架返回至所述主箱体的上方，将所述反力架与所述滑轨固定连接；

步骤4：通过注水管向水箱中注水，监测控制系统通过调节加压泵使水压达到设定要求，监测控制系统通过逐级加载的方式控制液压千斤顶达到设定的地应力条件；

步骤5：在预留隧道洞口处对试验模型进行开挖，通过监测控制系统进行试验过程中应变、压力、位移的监测。

本发明的有益效果是：

主箱体为整体式结构，四面设悬浮窗，既提高了结构本身的强度，又实现了结构的可视化需求。

液压千斤顶安装在反力架上，反力架可在滑轨上滑动，避免了每次试验需要动用行吊安装千斤顶及反力架等诸多不便。

通过支撑柱将施加的额外地应力均匀的施加在模型之上，解决了以往由于受力不均造成模型局部受力过大的问题

将系统中的液压控制、水压控制、信息监测系统全都融合在一个系统之中，真正实现了全自动操作控制。

本发明实现了高地应力-高渗压-工程开挖扰动耦合条件下对隧道突水的研究，更加符合工程实际，同时，本发明实现了实现操作的全自动化控制，避免以往试验过程中对人力及试验场地条件过高的要求，提高了试验效率，综合性强，大大方便了实验操作。

附图说明

图1为本发明试验系统结构示意图；

图2为水箱结构示意图

其中1.主箱体；2.预留隧道口；3.悬浮玻璃窗；4.反力架；5.液压千斤顶；6.水箱；7.注水管；8.加压泵；9.滑轨；10.控制和监测一体化系统；11.水压表；12.支撑柱；13.透水孔；14.水箱盖板；15.洞口部件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

实施例：

一种用于高地应力-高渗压-工程开挖扰动下隧道突水模型试验系统，其特征在于：该系统主要包括主箱体1、地应力加载系统、渗压加载系统、控制和监测一体化系统10四部分，其中，主箱体1为钢板焊接而成的上方开口的箱体，为整体式结构，提高了箱体的强度以及封水性能，除底板外，四面钢板均开设有悬浮玻璃窗3，使得试验装置实现了可视化，前后两块钢板开有隧道口，方便模拟隧道开挖；液压千斤顶5安装在反力架4上，由智能液压控制装置控制，该装置安装在控制和监测一体化系统10中，可实现对模型体的竖向加载，反力架4安装在滑轨9上，可在滑轨9上滑动；竖向加载力直接作用在水箱盖板14上，通过水箱6内部支撑柱使地应力加载更加均匀，同时可通过对水箱6中水量的控制，实现不同的渗压要求，若渗压不能满足要求，可通过外接高压泵实现额外渗压要求；液压控制、加压泵8控制及试验中信息监测系统均设置在控制和监测一体化系统10中，可实现对试验系统的全自动化操作控制。

主箱体1为钢板焊接而成的上方开口的箱体，四面均设置悬浮玻璃窗3，既提高了箱体的强度以及封水性能，又实现了试验的可视化。

洞口部件15可拆卸的连接在主箱体1上，不同的洞口部件15内部具有不同形状的预留隧道口2。前后钢板预留隧道口2既可实现隧道的开挖，又实现对预埋信息监测元件的定位的作用。

地应力加载系统为试验提供额外的地应力，液压千斤顶5安装在反力架4上，反力架4可在滑轨9上滑动，避免了每次试验需要动用行吊安装千斤顶及反力架4等诸多不便。

渗压加载系统包括水箱6和加压泵8，水箱6主要包括上部盖板、支撑柱、底部透水孔13，通过对水箱6中水量的控制，实现不同的渗压要求，若渗压不能满足要求，可通过外接加压泵8实现额外渗压要求。

千斤顶直接压在水箱6上部盖板上，通过支撑柱可实现施加力的均匀。

控制和监测一体化系统10集液压控制、反力架位置控制、加压泵控制、信息监测系统于一体，使得本试验系统真正实现了全自动操作控制。

图中，一种用于高地应力-高渗压-工程开挖扰动下隧道突水模型试验系统，包括主箱体1～3，试验中将模型在主箱体1中填筑完成后，将水箱6放在模型体上方，通过控制和监测一体化系统10将反力架4通过滑轨9滑到预定位置，将液压千斤顶5压在水箱盖板14处，通过注水管7往水箱中注水，水可通过透水孔13流到模型体当中，观察水压表11水压力，若水压低于要求，可通过控制和监测一体化系统10调节加压泵8，提供额外的水压，通过逐级加载的方式控制液压千金顶5达到要求地应力条件，在此过程中，可通过悬浮窗3观察模型体变化情况，待地应力及渗压达到所需要求后，可在预留隧道口2处进行开挖，通过控制和监测一体化系统10进行试验过程中应变、压力、位移等的监测。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.用于高地应力-高渗压下隧道突水模型试验系统，其特征在于：包括用以模拟隧道模型开挖的主箱体，所述主箱体为整体式结构，放置在底座上，所述底座的两对侧固定在两滑轨上，两个所述滑轨之间设有呈“П”型结构的反力架，所述反力架两支脚的底端以可拆卸的方式固定在所述滑轨上；所述反力架的顶梁与加载系统的顶端固定连接；

所述主箱体内部设有信息监测元件，所述加载系统和所述信息监测元件均与监测控制系统连接；所述监测控制系统控制所述加载系统对所述主箱体中的模型材料施加地压和渗压；

所述反力架为一个或多个，所述加载系统包括若干均匀布置在所述反力架顶梁上的液压千斤顶，所述主箱体的顶部设有可竖向移动的加载水箱，所述加载水箱的顶部设有连接加压泵的注水管、底部设有若干用以模拟渗压的出水孔；

所述加载水箱的顶部为可拆卸的盖板，所述水箱内均匀设有若干用以支撑所述盖板的支撑柱；

所述主箱体的前壁和/或后壁上设有箱体预留口，洞口部件的外部形状与所述箱体预留口的形状匹配，所述洞口部件的内部设有所需形状的洞口预留口，所述洞口部件在所述箱体预留口处与所述主箱体可拆卸的连接；

所述监测控制系统控制所述液压千斤顶通过所述加载水箱对模型材料施加压力，进而实现高地应力的模拟，所述监测控制系统通过控制所述加压泵输出至所述水箱中的水量实现高渗压的模拟。

2.根据权利要求1所述的用于高地应力-高渗压下隧道突水模型试验系统，其特征在于：所述反力架通过螺栓与所述滑轨固定连接；所述反力架支脚的底端设有滑轮，所述滑轮通过发动机驱动，所述发动机与所述监测控制系统连接。

3.根据权利要求1所述的用于高地应力-高渗压下隧道突水模型试验系统，其特征在于：所述加载水箱与所述主箱体密封接触。

4.根据权利要求1所述的用于高地应力-高渗压下隧道突水模型试验系统，其特征在于：所述加载水箱的盖板上设有用以监测水压的水压表。

5.根据权利要求1所述的用于高地应力-高渗压下隧道突水模型试验系统，其特征在于：所述主箱体的前壁和/或后壁上预留隧道洞口；所述主箱体的侧壁上设有悬浮玻璃窗。

6.一种使用权利要求5所述的用于高地应力-高渗压下隧道突水模型试验系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：反力架沿滑轨移动，离开主箱体的上方位置；

步骤2：取出加载水箱，向所述主箱体内填充模型材料；

步骤3：将加载水箱置于试验模型上，移动所述反力架返回至所述主箱体的上方，将所述反力架与所述滑轨固定连接；

步骤4：通过注水管向水箱中注水，监测控制系统通过调节加压泵使水压达到设定要求，监测控制系统通过逐级加载的方式控制液压千斤顶对加载水箱施加作用力，直至达到设定的地应力条件；

步骤5：在预留隧道洞口处对试验模型进行开挖，通过监测控制系统进行试验过程中应变、压力、位移的监测。