CN105758730A - 一种模拟隔水岩体突水破裂的试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模拟隔水岩体突水破裂的试验装置及方法，装置包括用以填充隔水岩体试件的无底箱体，所述箱体以可沿水平轴转动的方式连接在支架上，所述箱体的顶部密密封，并密闭连接注水管的一端，所述注水管的另一端与压力泵连接；所述箱体的底部设有用以模拟隔水岩体临空面的环形托盘；所述箱体的下方，设有用以收集突涌水的水量收集装置；试验装置还包括用以监测突涌水相关参数的数据采集系统；所述压力泵和所述数据采集系统均和控制系统连接；所述控制系统控制所述压力泵向所述箱体内的岩体试件不断施加水压，直至所述岩体试件在所述临空面处发生突水破裂。

Description

一种模拟隔水岩体突水破裂的试验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种模拟隔水岩体突水破裂的试验装置及方法。
背景技术
随着我国社会经济的发展和交通事业的腾飞，基础设施建设和空间的开发利用逐步向地下拓展，隧道与地下工程建设进入了空前繁荣期。在地形地质条件极端复杂的西部山区和岩溶地区，一大批交通、水利水电等国家基础设施工程正在或即将修建，施工中遭遇的重大突涌水灾害治理堪称世界级工程技术难题。一般来说，隧道突涌水灾害可分为两大类：一是充填型致灾构造诱发隧道突涌水，二是隔水岩体破坏诱发隧道突涌水。其中，隔水岩体破坏诱发隧道突涌水可分为三种模式：一是揭露天然通道致灾水直接突出，二是局部块体先行失稳诱发突水，三是局部岩体劈裂诱发突水。目前，对隔水岩体破坏的研究已经成为治理隧道及地下工程突涌水的关键问题，科学工作者通过各种研究手段对隔水构造破坏诱发隧道突涌水机理展开研究，其中，通过地下工程模型试验对地下工程进行可视化的仿真模拟，是一种行之有效的方法。
模型试验是根据相似理论，将实际工程转换为室内模型进行试验模拟的。这要求模型试验中能够模拟实际工程中急需解决的关键问题，并且得到明显的研究规律来指导施工。但传统的地下工程模型试验技术存在明显的弱点，模型试验系统的可视性差，难以在试验工程中直观观测试验过程；试验系统功能简单，重复利用率低，试验完成后，难以再模拟其它工况类型；监测信息单一，只有数据信息或只有图像信息，不能全方面、多角度的对试验结果进行综合分析；试验系统多为整体结构，灵活性差，试验操作不方便。
目前没有相应的试验装置来模拟隔水岩体的突水破裂情况。此外，对于厚度相同的隔水岩体，其隔水层上部含水构造的不同以及含水构造相对于隔水层位置的不同会使岩体的突水破裂情况存在一定的差异，但是目前并没有相关的试验装置和试验方法来研究这些差异之间存在的规律。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种模拟隔水岩体突水破裂的试验装置及方法。
为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种模拟隔水岩体突水破裂的试验装置，包括用以填充隔水岩体试件的无底箱体，所述箱体以可沿水平轴转动的方式连接在支架上，所述箱体的顶部密密封，并密闭连接注水管的一端，所述注水管的另一端与压力泵连接；所述箱体的底部设有用以模拟隔水岩体临空面的环形托盘；所述箱体的下方，设有用以收集突涌水的水量收集装置；试验装置还包括用以监测突涌水相关参数的数据采集系统；所述压力泵和所述数据采集系统均和控制系统连接；
所述控制系统控制所述压力泵向所述箱体内的岩体试件不断施加水压，直至所述岩体试件在所述临空面处发生突水破裂。
利用环形托盘中圆环内部中空部分来模拟隔水岩体的临空面，能真实有效的模拟隔水岩体突水破裂的情况。隔水岩体和含水构造倾角不同时，由于周围岩体的重力在临空面的分量发生变化，周围岩体之间的相互作用关系也发生变化，会使突水破裂的情况不同。箱体以可沿水平轴转动的方式连接在支架上，可以模拟隔水岩体在不同倾角下的突水情况，为研究不同倾角下的突水规律提供方便。
所述支架包括底座和两根支撑柱，所述支撑柱的底端与所述底座连接；
所述箱体的外周上设有用以竖向固定箱体的旋转圆环，所述旋转圆环与所述箱体之间设有滚珠；沿所述旋转圆环直径方向，固定设有一对向外凸出的杆件，两个所述支撑柱中部内侧的相应位置设有用以容纳所述杆件的卡槽，通过所述杆件的转动带动所述箱体沿水平轴的转动；所述杆件上设有用以限定所述箱体沿水平轴转动角度的紧固螺丝。
至少一根所述支撑柱通过连接块与注水管连接，可进一步支撑固定注水管。
所述底座上设有用以改变两根所述支撑柱间距的滑槽，所述支撑柱通过所述滑槽与所述底座连接；所述杆件以可拆卸的方式与所述卡槽连接；比如卡件为金属杆，金属杆的端头设有直径大于卡槽的球状体，卡槽沿竖向设置，卡槽的上端设有球状体穿过的扩大部，金属杆与卡槽配合，可以轻松实现箱体的拆卸，方便试验的进行。此外，配合支撑柱之间的间距可调，可以进行不同尺寸箱体的试验，为研究岩石的尺寸效应提供方便。
所述箱体采用透明树脂材料制成；所述隔水岩体试件由相似材料制成。
所述数据采集系统包括设置在所述水量收集装置中底部用以监测涌水量的压力传感器。
所述数据采集系统还包括设在所述注水管上的流量计和流速计。
所述控制系统控制所述压力泵时，具有定流量、变流量和定压力三个档位选择。
所述箱体的下方，在所述支架上设有镜头朝上和/或镜头朝向水流的水平方向的高速摄像机，所述高速摄像机与所述控制系统连接。
所述环形托盘替换为用以模拟充填型岩体突水试验的圆形孔洞托盘。
一种模拟隔水岩体突水破裂的试验方法，包括以下步骤：
步骤1：将设定厚度的相似材料制成的实心试件放入箱体中，所述试件的外周与所述箱体的内壁紧密接触，调整所述实心试件的倾角，选择模拟实际水力边界条件的档位调整压力泵对所述试件施加水压，直至所述试件发生突水破裂，控制系统通过数据采集系统自动记录相应的水压、流量和流速；
步骤2：将所述箱体内全部填充所述相似材料制成的第一对比试件，所述第一对比试件中设有模拟含水构造的孔洞，所述孔洞底部到所述第一对比试件底面的厚度等于所述设定厚度，重复步骤1中的操作；
步骤3：将所述箱体内全部填充所述相似材料制成的第二对比试件，所述第二对比试件中设有与所述第一对比试件完全相同的孔洞，所述孔洞内填充模拟管道突水中管道内的响应材料，重复步骤1的操作；
步骤4：将所述实心试件、所述第一对比试件和所述第二对比试件的相关数据进行对比，获得隔水岩体在不同含水构造突水破裂下的相互关系和相关规律。
本发明的有益效果是：
本发明解决了隔水岩体破裂突水模拟试验中的多项问题，实现了可视化、多工况、多信息、易操作的隔水岩体破裂突水模拟试验，具有以下优点：
1、试验系统箱体采用高强度透明树脂材料，能够增强试验过程的可视化，实现试验过程的直观观测，可清晰观察到隔水岩体的破坏情况，有利于提高试试验过程的准确性，加强试验过程的精确性；
2、试验系统底部环形托盘采用特殊滑动技术，可上下滑动改变箱体内部高度，从而能模拟不同隔水岩体厚度，底部环形托盘能够和圆形孔洞托盘相互替换，可实现岩体底部临空面破裂和底部全支撑渗流两种情况，从而实现试验系统的多功能性，提高其利用率，实现其对多种工况的模拟；
3、试验系统设置有高速摄像装置和透水采集系统，高速摄像装置可监测隔水岩体变化及突水过程，提供其图像资料，透水采集系统可实时记录模型试验中的涌水量，提供数据信息，从而实现图像信息和数据信息的多方面采集，对试验结果进行更准确的综合分析；
4、试验系统采用多功能支撑系统，同时支撑箱体和注水管，支架为多角度旋转支架，可实现箱体的轴向转动和垂直轴向方向转动，模拟不同角度含水构造突水，对材料的埋设以及隔水岩体的观察提供多种有利角度，可大大提高含水体预制位置和原件埋设位置的准确性，试验系统为可拆卸式，组装方便，灵活性强。
5、试验系统中的计算机控制系统，记录突涌水图像信息和涌水量实时信息，实现信息的综合处理分析，可根据工程背景与模拟需要控制加压泵，有定流量、变流量或定压力三个档位控制，与工程中实际水力边界条件相吻合，可提供不同水力条件。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是底部环形托盘结构示意图；
图3是圆形孔洞托盘结构示意图；
图4是箱体示意图；
图5是多向旋转圆环结构示意图；
图6是底座结构示意图。
其中，1.箱体；2.顶盖；3.注水管；4.压力泵；5.计算机控制系统；6.流量计；7.流速计；8.底部环形托盘；9.高速摄像装置；10.水量收集装置；11.多角度旋转支架；12.底座；13.多向旋转圆环；14.压力传感器；15.圆形孔洞托盘；16.金属杆；17.滚珠；18.滑槽。
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1
图中，一种用于可视化隔水岩体破裂突水模拟试验系统。包括透明箱体1，上下分别装有顶盖2和底部环形托盘8，顶盖2与注水管3相连，注水管3连接由计算机控制系统5控制的压力泵4，注水管3上安装流量计6和流速计7，底部环形托盘8下部放置水量收集装置10，压力传感器14位于水量收集装置10的底部，压力传感器14通过数据传输线与计算机控制系统5相连，多角度旋转支架11通过滑槽18固定在底座12中，高速摄像装置9安装在多角度旋转支架11上，位于底部环形托盘8和位于水量收集装置10之间，箱体1置于多向旋转圆环13中，向旋转圆环13架置于多角度旋转支架11上。
所述箱体1采用高强度、高透光透明树脂材料，运用一次成型技术制成，内径40cm、高50cm，厚度10mm；箱体上下分别装有顶盖和底部环形托盘，箱体1与顶盖2之间运用拼接胶合技术，进行防水密封设计，顶盖2圆心处钻孔与注水管3运用胶合技术连接；箱体1与底部环形托盘8之间以可拆卸的方式固定连接，比如螺纹连接。底部环形托盘8能够和环形孔洞托盘15可相互替换；箱体1内可人为划分成材料区和注水区，材料区填筑相似材料，内部预制含水体构造，注水区提供压力水。
高速摄像装置采用两台高速摄像机，以水平方向和竖直方向安装在支撑系统上，可以在很短的时间内完成对突涌水的快速、多次采样，具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放、图像直观清晰等优点，能够观察水流的湍流、流速、流场、气泡等运动规律，为隔水岩体的破裂提供准确的图像信息，与透水系统所提供的水量数据信息结合，通过对两种信息的综合分析以反演隔水构造破坏规律。
所述支撑系统，支撑架采用Φ40的不锈钢实体钢柱，钢柱间距50cm，通过滑槽18固定在底座12上；多向旋转圆环13可竖向固定箱体1，比如在箱体1上设置限位片，限位片卡在多向旋转圆环13上，防止箱体1的下滑。箱体1与多向旋转圆环13之间内置滚珠17，可实现箱体1的轴向转动，多向旋转圆13环径向方向焊接有端部为球状体的金属杆16，金属杆16内嵌入不锈钢柱内，可垂直钢柱做无摩擦转动，实现垂直轴向方向转动；底座12为混凝土浇筑而成，直径80cm、厚度20cm、内嵌金属滑槽，钢柱可沿滑槽定向移动，可调整不同间距，支撑不同直径箱体。
透水采集系统包括水量收集装置10、压力传感器14。水量收集装置10内径40cm，高度30cm，采用普通塑性材料制成，接收突涌水；压力传感器14位于水量收集装置10底部，通过数据传输线与计算机控制系统5相连，内置压力传感器，把突涌水产生的重力信息转换为数据信号并传输给计算机控制系统5；由计算机控制系统5记录、储存所得数据，从而实现模型实验中的涌水量的实时信息。
加压系统包括压力泵4、流量计、流速计、注水管。加压泵有定流量、变流量和定压力三个档位选择，可提供不同水力条件；流量计和流速计固定在注水管上，分别记录注水管中压力水的流量和流速；注水管内径2.5cm，材料选用高强度钢管，把压力水引入箱体注水区。
计算机控制系统，实现高速摄像装置、透水采集系统和加压系统的一体化控制。提供突涌水图像信息、涌水量实时信息，可根据工程背景与模拟需要控制加压泵，有定流量、变流量或定压力三个档位控制，与工程中实际水力边界条件相吻合，定流量控制可保证加压泵以恒定的流量向含水体内部注水；变流量控制可保证按变流量曲线(由实测变流量曲线经相似比换算得到)向含水体内部注水；定压力控制可保证加压泵以恒定的压力向含水体内部注水，即含水体内部水压不变。
一种模拟隔水岩体突水破裂的试验方法，包括以下步骤：
步骤1：将设定厚度的相似材料制成的实心试件放入箱体中，所述试件的外周与所述箱体的内壁紧密接触，调整所述实心试件的倾角，选择模拟实际水力边界条件的档位调整压力泵4对所述试件施加水压，直至所述试件发生突水破裂，控制系统通过数据采集系统自动记录相应的水压、流量和流速；
步骤2：将所述箱体内全部填充所述相似材料制成的第一对比试件，所述第一对比试件中设有模拟含水构造的孔洞，所述孔洞底部到所述第一对比试件底面的厚度等于所述设定厚度，重复步骤1中的操作；
步骤3：将所述箱体内全部填充所述相似材料制成的第二对比试件，所述第二对比试件中设有与所述第一对比试件完全相同的孔洞，所述孔洞内填充模拟管道突水中管道内的响应材料，重复步骤1的操作；
步骤4：将所述实心试件、所述第一对比试件和所述第二对比试件的相关数据进行对比，获得隔水岩体在不同含水构造突水破裂下的相互关系和相关规律。
实施例2
底部环形托盘可以用圆形孔洞托盘15代替，以模拟充填型岩体突水试验。
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 (10)

1.一种模拟隔水岩体突水破裂的试验装置，其特征在于：包括用以填充隔水岩体试件的无底箱体，所述箱体以可沿水平轴转动的方式连接在支架上，所述箱体的顶部密密封，并密闭连接注水管的一端，所述注水管的另一端与压力泵连接；所述箱体的底部设有用以模拟隔水岩体临空面的环形托盘；所述箱体的下方，设有用以收集突涌水的水量收集装置；试验装置还包括用以监测突涌水相关参数的数据采集系统；所述压力泵和所述数据采集系统均和控制系统连接；
所述控制系统控制所述压力泵向所述箱体内的岩体试件不断施加水压，直至所述岩体试件在所述临空面处发生突水破裂。
2.根据权利要求1所述的一种模拟隔水岩体突水破裂的试验装置，其特征在于：所述支架包括底座和两根支撑柱，所述支撑柱的底端与所述底座连接；
所述箱体的外周上设有用以竖向固定箱体的旋转圆环，所述旋转圆环与所述箱体之间设有滚珠；沿所述旋转圆环直径方向，固定设有一对向外凸出的杆件，两个所述支撑柱中部内侧的相应位置设有用以容纳所述杆件的卡槽，通过所述杆件的转动带动所述箱体沿水平轴的转动；所述杆件上设有用以限定所述箱体沿水平轴转动角度的紧固螺丝。
3.根据权利要求2所述的一种模拟隔水岩体突水破裂的试验装置，其特征在于：至少一根所述支撑柱通过连接块与注水管连接；
所述底座上设有用以改变两根所述支撑柱间距的滑槽，所述支撑柱通过所述滑槽与所述底座连接；所述杆件以可拆卸的方式与所述卡槽连接。
4.根据权利要求1所述的一种模拟隔水岩体突水破裂的试验装置，其特征在于：所述箱体采用透明树脂材料制成；所述隔水岩体试件由相似材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种模拟隔水岩体突水破裂的试验装置，其特征在于：所述数据采集系统包括设置在所述水量收集装置中底部用以监测涌水量的压力传感器。
6.根据权利要求1或5所述的一种模拟隔水岩体突水破裂的试验装置，其特征在于：所述数据采集系统还包括设在所述注水管上的流量计和流速计。
7.根据权利要求6所述的一种模拟隔水岩体突水破裂的试验装置，其特征在于：所述控制系统控制所述压力泵时，具有定流量、变流量和定压力三个档位选择。
8.根据权利要求7所述的一种模拟隔水岩体突水破裂的试验装置，其特征在于：所述箱体的下方，在所述支架上设有镜头朝上和/或镜头朝向水流的水平方向的高速摄像机，所述高速摄像机与所述控制系统连接。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种模拟隔水岩体突水破裂的试验装置，其特征在于：所述环形托盘替换为用以模拟充填型岩体突水试验的圆形孔洞托盘。
10.一种模拟隔水岩体突水破裂的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将设定厚度的相似材料制成的实心试件放入箱体中，所述试件的外周与所述箱体的内壁紧密接触，调整所述实心试件的倾角，选择模拟实际水力边界条件的档位调整压力泵对所述试件施加水压，直至所述试件发生突水破裂，控制系统通过数据采集系统自动记录相应的水压、流量和流速；
步骤2：将所述箱体内全部填充所述相似材料制成的第一对比试件，所述第一对比试件中设有模拟含水构造的孔洞，所述孔洞底部到所述第一对比试件底面的厚度等于所述设定厚度，重复步骤1中的操作；
步骤3：将所述箱体内全部填充所述相似材料制成的第二对比试件，所述第二对比试件中设有与所述第一对比试件完全相同的孔洞，所述孔洞内填充模拟管道突水中管道内的响应材料，重复步骤1的操作；
步骤4：将所述实心试件、所述第一对比试件和所述第二对比试件的相关数据进行对比分析，获得隔水岩体在不同含水构造突水破裂下的相互关系和相关规律。
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