CN106018736A - 城市地下管道渗漏引发地面塌陷的试验装置 - Google Patents

Abstract

城市地下管道渗漏引发地面塌陷的试验装置，属于地面塌陷试验装置技术领域。包括土料、地下管道、模拟地面塌陷的模型箱、流量计、过滤流失土体颗粒的水箱；模拟地面塌陷的模型箱内部装填土料，地下管道埋设在模拟地面塌陷的模型箱内的土料；过滤流失土体颗粒的水箱由三块过滤隔板将水箱分成平行的四格，四部分之间连通，过滤流失土体颗粒的水箱第一格内设有潜水泵，潜水泵与地下管道的进水端连接；地下管道的出水端所对应的模拟地面塌陷的模型箱的侧面上设有地下管道出口，地下管道出水端经地下管道出口经由流量计由透明钢丝管与过滤流失土体颗粒的水箱第四格连接；潜水泵与变频器连接。可用于建设中管道渗漏水引发地面塌陷的试验模拟。

Description

城市地下管道渗漏引发地面塌陷的试验装置

技术领域

本发明涉及一种可用于地铁开挖和城市市政工程施工等地下工程的物理模型试验装置，尤其是一种可对城市地面塌陷进行综合模拟的试验平台，特别是涉及一种城市地下管道渗漏引发地面塌陷的试验装置，属于地面塌陷试验装置技术领域。

技术背景

物理模型试验是研究城市地下空间安全防控问题的重要手段，在国内外被广泛应用，在工程研究和设计中发挥着重要作用。国内外学者针对城市地铁隧道开挖和市政工程施工导致的地面塌陷问题进行了卓有成效的研究工作，并研制开发了不同规模与用途的模型试验设备。

目前，随着我国城市建设的快速发展，城市地面塌陷事故频繁发生，城市地下排水管道多建设于上世纪六、七十年代，多数管道腐蚀现象严重，同时由于市政工程施工扰动、隧道开挖和地面荷载加重等多种因素的影响，使得城市地下管道渗漏引发地面塌陷事故逐年增加，而相关研究却处于初级阶段，不能从根本上认识该类事故的灾变机理和演化规律，从而不能提出合理有效的预防措施和防治方法。该专利提供了一种城市地下管道渗漏引发地面塌陷的试验装置，试图解决上述问题。

物理模型试验的几何相似比是一个关键的技术指标，几何相似比取的过小，虽然能够节省试验材料，方便操作，但是过小的模型体量会限制管线的布置，同时操作空间狭小更容易受到外界因素的干扰，从而影响试验精度。因此，在条件许可的情况下，应尽量采用较大的模型几何相似比，这就给模型试验过程增加了难度。比如大尺寸的模型箱用料较大，在模拟实际工况时，土料用量和管线内径尺寸也相应增加。随着地下空间开发的越来越多，出现地面塌陷事故越来越多，急需通过模型试验来充分认识城市地下管线渗漏引发地面塌陷的灾变机理和演化机制，从而为塌陷预测和预防提供可靠的依据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种城市地下管道渗漏引发地面塌陷的试验装置，以充分认识城市地面塌陷的灾变机理和演化机制。

具体来说，本发明提供了一种城市地下管道渗漏引发地面塌陷的试验装置，包括土料、地下管道(1)、模拟地面塌陷的模型箱(2)、流量计(6)、过滤流失土体颗粒的水箱(3)。

模拟地面塌陷的模型箱由钢板和透明有机玻璃板制成，模拟地面塌陷的模型箱正面采用透明有机玻璃板，此面能够看到模拟地面塌陷的模型箱内部情况，其他三侧面和底面采用钢板；内部装填土料，地下管道(1)埋设在模拟地面塌陷的模型箱(2)内的土料，优选地下管道(1)水平埋设；

过滤流失土体颗粒的水箱(3)由三块过滤隔板(12)将水箱分成平行的四格，四部分之间连通，过滤隔板过滤埋设地下管道周围流失的土体颗粒，避免土体进入潜水泵影响其正常使用。

过滤流失土体颗粒的水箱(3)第一格内设有潜水泵(4)，潜水泵(4)通过透明钢丝管与地下管道(1)的进水端连接；地下管道(1)的出水端所对应的模拟地面塌陷的模型箱的侧面上设有地下管道出口，地下管道(1)出水端经地下管道出口经由流量计(6)由透明钢丝管与过滤流失土体颗粒的水箱(3)第四格连接；潜水泵(4)与变频器(5)连接。

所述模型箱进水端与所述水箱中的潜水泵连接，潜水泵与变频器通过电线连接，通过调节变频器的频率可以控制潜水泵的出水流量；所述地下管道(1)出水端连接流量计，测量出水口管线水流速；所述流量计与所述水箱通过透明钢丝管连接。

为了避免地下管道(1)内出现积水现象，与地下管道(1)进水端和出水端相连的透明钢丝管内径尺寸大小不同，出水端透明钢丝管内径尺寸大于进水端透明钢丝管内径尺寸。进水端的透明钢丝管绕过模拟地面塌陷的模型箱(2)对应的侧面上端与进水端连接。

所述模型箱正面镶嵌透明有机玻璃板，左侧面即进水端侧面焊接爬梯(11)，右侧面底部留有出水管口，背面设置土料填装口，四周及底面焊接加劲肋。

优选地，所述模型箱由钢板制成，背面设置土料填装口，左侧面焊接爬梯方便试验过程中进出模型箱，地下管道埋设于模型箱中的填充土料，地下管道的埋深高度可根据实验要求任意调整。

优选地，所述模型箱进水端与所述水箱中潜水泵连接，潜水泵的扬程足够大以保证进水流畅，潜水泵与变频器通过电线连接，变频器的频率控制潜水泵的出水流量；所述模型箱出水端连接流量计，用以测量出水口管线流速。

优选地，所述模型箱正面镶嵌的透明有机玻璃板被加劲肋分隔成四块面积相同的正方形，钢板厚度和加劲肋的设计可以保证填满土料的模型箱在100t荷载作用下的变形小于3mm。

本发明提出了一种城市地下管道渗漏引发地面塌陷的试验装置，地下管道紧贴透明有机玻璃埋设于模型箱中的填充土料中，进水端的透明钢丝管绕过模拟地面塌陷的模型箱对应的侧面上端与进水端连接，保证地下管道的埋设高度可根据实验要求任意调整。根据试验需要对地下管道进行相应的破坏，水箱中的水通过潜水泵和透明钢丝管进入地下管道，破坏的地下管道发生渗漏，渗漏水降低管周土体的抗剪强度并造成土体流失，随着流失土体现象的逐渐发展，最终导致土体表面塌陷。本发明的试验装置可实现地面塌陷的实际工况模拟，可进行不同土质条件、不同埋深、不同管道破坏形式、不同管道流速和不同加载方式等多种物理模型试验，其可用于城市市政工程施工和地铁建设中管线渗漏引发地面塌陷的模拟试验，同时可以实现整个系统的水循环。

在本发明的下述说明中，所谓循环模拟试验装置，指的是整个试验过程能实现节约水资源的目标，实现整个系统的水循环，可进行市政工程施工和地铁开挖过程中管线渗漏水引起的地面塌陷，尤其适用城市地下管道渗漏引发的地面塌陷试验，本发明的试验装置可以很好的反映实际工况中的塌陷现象，即当管线渗漏水引起地面塌陷时也可在同名管路中看到流失的土料，同时流量计能监测到出水流量的改变。

附图说明

以下附图仅旨在对于本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1是本发明一种城市地下管道渗漏引发地面塌陷的试验装置的立体结构示意图；

图2是本发明模拟地面塌陷的模型箱正视图及其竖向剖面图；

图3是本发明模拟地面塌陷的模型箱自左向右依次为右侧视图、左视图及其横向剖面图。

1地下管道、2模拟地面塌陷的模型箱、3过滤流失土体颗粒的水箱、4水泵潜、5变频器、6流量计、7透明钢丝管、8透明有机玻璃板、9土料填装口、10加劲肋、11爬梯、12过滤隔板。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。

实施例1

图1显示的是一种城市地下管道渗漏引发地面塌陷的试验装置的立体结构示意图，图中粗略显示的是本发明的城市地下管道渗漏引发地面塌陷的试验装置的大致结构，着重显示了模型箱模拟管道渗漏引发塌陷的可行性和系统装置的可循环性。模型箱尺寸为2.0m×1.0m×1.5m(长×宽×高)。

参见图1，本发明的城市地下管道渗漏引发地面塌陷试验装置的一个显著特点在于，本发明的城市地下管道渗漏引发地面塌陷试验装置可以实现整个系统1的水循环，模型箱2(参见图2、3)可以实现不同管道埋深、不同管道水流速、不同管道破坏形式、不同土体性质等多种工况下的地面塌陷灾变机理和演化规律研究。图2显示的是模型箱前视图及其竖向剖面图，图3显示的是模型箱右侧视图、左视图及其横向剖面图。

如图1所示，本发明的城市地下管道渗漏引发地面塌陷试验装置整体上包括装填土料、埋设地下管道、模拟地面塌陷的模型箱，控制管道水流量、过滤流失土体颗粒的水箱，连接模型箱和水箱的透明钢丝管，地下管道和流量计、潜水泵、变频器等设备。其中，模型箱和水箱是城市地下管道渗漏引发地面塌陷试验装置的主要结构，地下管道1埋设于模型箱内的装填土料，模型箱出水口连接电磁式流量计6；水箱由三块竖直过滤隔板12分成并列的四部分，四部分之间相通，放置于水箱的潜水泵4与地下管道1进水端相连，潜水泵4与变频器5通过电线连接。即，本发明的城市地下管道渗漏引发地面塌陷试验装置至少包括装填土料、埋设地下管道、模拟地面塌陷的模型箱、流量计、过滤流失土体颗粒的水箱。

其中，模型箱由10mm厚的钢板制成，并围绕模型箱的四周设置加劲肋10；为了方便观察实验现象模型箱正面镶嵌有机透明玻璃板8，且地下管道在埋设过程中，需要紧贴透明玻璃，有机透明玻璃板8被加劲肋10分成面积相等的四部分；模型箱的背面设置土料填装口9，方便土料的搬运；模型箱左侧面焊接爬梯(图1中未显示，参见图2、3)，方便实验过程中进出模型箱和观察实验现象。

图1显示的水箱由钢板制成，水箱右端通过透明钢丝管与电磁式流量计6连接，其中，为了避免模型箱中地下管道积水，电磁式流量计直接连接的透明钢丝管内径大于水箱直接连接的透明钢丝管内径。

进水端的透明钢丝管绕过模拟地面塌陷的模型箱对应的侧面上端与进水端连接，模型箱内管道的埋深可以根据实验要求进行任意调整；变频器5的频率控制潜水泵4的输水流量；模型箱装填、卸料过程中土料填装口打开，使用结束后可关闭，不会对整个试验过程产生影响。

本发明的城市地下管道渗漏引发地面塌陷试验装置可实现整个试验过程中的水循环。水箱中的水通过潜水泵4输出，经由透明钢丝管至模型箱中的地下管道1，再经过模型箱出水口和流量计6由透明钢丝管7返回到水箱中，从而实现整个系统的水循环过程，在整个过程中潜水泵和变频器提供动力，透明钢丝管和埋设管道输送水源，流量计测量管道水流速，水箱中的竖直过滤隔板过滤模型箱中流失的土体颗粒。

本发明的城市地下管道渗漏引发地面塌陷试验装置的另一个显著特点是其结构尺寸的较大化，本发明的模型箱尺寸为2.0m×1.0m×1.5m(长×宽×高),相对于实体模型而言，该尺寸的模型箱足以真实的反映实际工况下的路面塌陷问题。

另外，对于全结构地下模型试验而言，方便观察实验现象变得尤为困难。本发明的城市地下管道渗漏引发地面塌陷试验装置采用半结构模型试验的思路，模型箱正面镶嵌透明有机玻璃，地下管道紧贴透明玻璃埋设，这样虽然不能像全结构模型试验那样完全真实的反映实际工况，但其同全结构模型试验结果之间确定的比例关系且试验现象变化规律一致，可以用以研究城市地下管道渗漏引发地面塌陷灾变机理及其演化规律。

为了方便试验操作，模型箱的背面设置沙土填装口9，作为装填、卸料的通道，土料填装口使用结束后可关闭，对整个试验过程不产生影响；模型箱左侧面焊接爬梯(图1中未显示，参见图2、3)，方便进出模型箱和观察实验现象。

本发明的城市地下管道渗漏引发地面塌陷试验装置可实现不同管道水流量情况下的灾变机理和变化规律研究。其中，通过改变变频器5频率可以控制潜水泵的出水流量。

地下管道埋深直接影响地面塌陷的灾变机理及其演化过程，因此，管道埋深可任意调整对整个试验装置而言是非常必要的，模型箱左侧不设置管道开孔，透明钢丝管直接越过模型箱顶部落下后与地下管道1连接，同时模型箱高度有限，潜水泵4具有足够的扬程，使得地下管道可获得需要的流水量。

不同破坏形式的管道渗漏水对管道周围土体的影响不同，其中，不可避免的管周土体会被渗漏水冲刷带走，流量计6采用电磁式流量计，电磁式流量计在土体颗粒干扰情况下可以正常工作，测量出水管水流速。

本发明模型箱的钢板厚度和四周的加劲肋10可以保证模型箱在100t荷载作用下的变形不超过3mm。

本发明提出了一种城市地下管道渗漏引发地面塌陷的试验装置，可进行不同土质条件、不同埋深、不同管道破坏形式、不同管道流速和不同加载方式等多种物理模型试验，其可以实现整个系统的水循环，模型箱尺寸为2.0m×1.0m×1.5m(长×宽×高)。

以上所述为本发明的示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做的同等变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种城市地下管道渗漏引发地面塌陷的试验装置，其特征在于，包括土料、地下管道(1)、模拟地面塌陷的模型箱(2)、流量计(6)、过滤流失土体颗粒的水箱(3)；

模拟地面塌陷的模型箱由钢板和透明有机玻璃板制成，模拟地面塌陷的模型箱正面采用透明有机玻璃板，此面能够看到模拟地面塌陷的模型箱内部情况，其他三侧面和底面采用钢板；内部装填土料，地下管道(1)埋设在模拟地面塌陷的模型箱(2)内的土料；

过滤流失土体颗粒的水箱(3)由三块过滤隔板(12)将水箱分成平行的四格，四部分之间连通，过滤隔板过滤埋设地下管道周围流失的土体颗粒；

过滤流失土体颗粒的水箱(3)第一格内设有潜水泵(4)，潜水泵(4)通过透明钢丝管与地下管道(1)的进水端连接；地下管道(1)的出水端所对应的模拟地面塌陷的模型箱的侧面上设有地下管道出口，地下管道(1)出水端经地下管道出口经由流量计(6)由透明钢丝管与过滤流失土体颗粒的水箱(3)第四格连接；潜水泵(4)与变频器(5)连接。

2.按照权利要求1所述的一种城市地下管道渗漏引发地面塌陷的试验装置，其特征在于，与地下管道(1)进水端和出水端相连的透明钢丝管内径尺寸大小不同，出水端透明钢丝管内径尺寸大于进水端透明钢丝管内径尺寸。

3.按照权利要求1所述的一种城市地下管道渗漏引发地面塌陷的试验装置，其特征在于，所述模型箱正面镶嵌透明有机玻璃板，左侧面即进水端侧面焊接爬梯(11)，右侧面底部留有出水管口，背面设置土料填装口，四周及底面焊接加劲肋。

4.按照权利要求1所述的一种城市地下管道渗漏引发地面塌陷的试验装置，其特征在于，地下管道紧贴透明有机玻璃埋设于模拟地面塌陷的模型箱(2)内。

5.按照权利要求1所述的一种城市地下管道渗漏引发地面塌陷的试验装置，其特征在于，进水端的透明钢丝管绕过模拟地面塌陷的模型箱(2)对应的侧面上端与进水端连接。