CN106442258B - 一种可拆卸式衬砌渗流试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可拆卸式衬砌渗流试验装置及其试验方法,试验装置包括恒压水箱、模型箱和测压管,恒压水箱位于模型箱的上方,通过橡胶管与模型箱连接,测压管与模型箱的底部连接,模型箱自上而下依次包括模型箱盖、充水直筒、围岩填充直筒、灌浆层填充直筒、塑料排水板、不锈钢透水板和模型箱底板,模型箱盖、充水直筒、围岩填充直筒、灌浆层填充直筒、塑料排水板、不锈钢透水板和模型箱底板之间均采用加有垫片的不锈钢法兰环连接。本发明可测定排水系统排水能力变化情况下衬砌外水压力分布变化规律,以及灌浆层的厚度、渗透系数变化对衬砌背后水压力的影响,以及不同渗透压力对衬砌外水压力分布变化的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种可拆卸式衬砌渗流试验装置及其试验方法,适用于模拟地下隧洞工程常用衬砌在不同渗流控制措施下的外水压力变化规律和渗流量的试验。
背景技术
地下隧洞工程受赋存环境的制约,必然面临地下水处理问题,衬砌外侧受地下水压力作用,将对衬砌稳定性产生一定的影响。目前在输水隧洞的设计中主要采用“以堵为主、限量排放”的防排水原则,以灌浆层堵水,以排水系统排水。合理的衬砌设计既能消减地下水压力,又能有效减小对于地下水环境的影响,而堵水与排水系统在衬砌结果中各自所需发挥的比重,是设计中必须解决的问题。目前,对于灌浆层的灌浆参数(如目标渗透率、灌浆厚度)、排水系统的排水能力(如排水孔的深度、孔径等)选择,主要是类比工程经验选择,或利用大型物理模型试验研究确定参数。工程类比由于具有一定的经验性易于造成较大的工程浪费,而大型物理模型试验则由于耗时长、费用高而较少采用,但对于地下洞室而言,利用试验装置研究不同设计参数下衬砌外水压力及渗漏量变化规律,比选衬砌设计参数,对于保证衬砌稳定及降低环境影响等方面,均具有重要的意义。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明的目的在于提供一种可拆卸式衬砌渗流试验装置及其试验方法,可测定排水系统排水能力变化情况下衬砌外水压力分布变化规律,以及灌浆层的厚度、渗透系数变化对衬砌背后水压力的影响,以及不同渗透压力对衬砌外水压力分布变化的影响。
为实现上述发明目的,本发明通过以下技术方案实现:
一种可拆卸式衬砌渗流试验装置,主要由恒压水箱和模型箱组成,恒压水箱位于模型箱上方,通过橡胶管与模型箱连接,其中模型箱自上而下依次包括模型箱盖、充水直筒、围岩填充直筒、灌浆层填充直筒、塑料排水板、透水板和模型箱底板,在各直筒外部套有有机玻璃筒,上述各构件之间均采用加有垫片的不锈钢法兰环连接。模型箱中的围岩填充直筒和灌浆层填充直筒均为高度可调节的直筒,从而可以在渗流试验中模拟不同厚度的围岩和灌浆层对衬砌的作用。
其中恒压水箱通过滑轮装置调节其高度,从而模拟不同的外水压力,恒压水箱侧面设置排水孔以保持恒定水头。
各规格直筒均在与其连接的法兰环侧面开有排水孔与测压孔,模型箱底板侧面亦开有排水孔与测压孔。
模型箱盖中心处开孔焊接不锈钢通水管,箱盖边缘开设有圆孔。
透水板为不锈钢透水板,其边缘开孔与法兰环一致,在内径范围内均匀开孔,上覆土工布作为反滤层。
模型箱底板内部设有凹槽,其边缘开孔与透水板一致,在模型箱底板侧面开设有排水孔和测压孔,测压孔外接带有刻度的测压管,排水孔外接带有开关阀门的橡胶管。
本发明试验装置的试验方法通过以下步骤实现:
1)将塑料排水板放入模型箱底板的凹槽内,用螺栓将模型箱底板与透水板连接;
2)在透水板上表面铺设一层土工布,再将透水板与灌浆层填充直筒连接;按照比例称取灌浆层相似材料进行混合并搅拌均匀;
3)采用分层摊铺的方式装入灌浆层充填直筒压实,室温下养护;
4)待灌浆层相似材料晾晒干燥并达到设计渗透系数值时,在上方通过不锈钢法兰环连接围岩填充直筒,在直筒内铺设围岩相似材料;
5)围岩相似材料铺设满围岩填充直筒后,通过不锈钢法兰环连接充水直筒;
6)在充水直筒上部再连接模型箱盖,并用螺母固定好贯穿模型箱的连接杆,用橡胶管连接恒压水箱与模型箱,从模型箱顶进水口注水直到满罐,加水过程中必须排除罐内空气;
7)当底部测压管水头达到设计高度时,开始试验;
8)开启模拟箱底板排水孔,通过排水孔开启的大小与数量来控制流量,每次测量要在排水稳定一段时间后才读数,即测压管读数基本稳定后开始,开始后用容器收集一定时间段内排水并读数,然后读取测压管读数;
9)改变排水量再重复步骤;
10)一组模型试验完成后,关闭稳压水箱到模型箱的进水阀,打开所有排水阀门排出模型箱中水;
11)待水全部排干后,重新按设计开始下一组试验。
本发明的有益效果在于:通过建立沿洞室轴线方向剖面的一维渗流物理模型,进行排水系统和灌浆层的排、堵水能力变化情况下模型试验,研究不同设计参数下衬砌外水压力及渗漏量变化规律,为地下隧道工程衬砌设计提供可靠的理论依据。通过该试验装置,可研究地下深埋隧洞在不同的排、堵水能力、不同赋存环境初始地下水头下,衬砌外水压力及渗流量分布规律,可为地下隧洞工程中衬砌系统设计时地下水合理的排导方式提供理论参考,填补现有模拟衬砌渗流技术的空缺。
本发明通过在不同高度的直筒中填充土工材料以模拟不同厚度、不同渗透系数的围岩与衬砌结构,通过调节外部恒压水箱高度模拟不同初始地下水位,进行不同条件下衬砌中地下水合理排导方式的研究。
附图说明
图1是本发明试验装置的整体结构示意图;
图2是本发明试验装置中模型箱的三维分解结构示意图;
图3a是本发明试验装置中模型箱的剖面结构示意图;
图3b是本发明试验装置中模型箱的另一剖面结构示意图;
图4是本发明试验装置中模型箱盖的剖面结构示意图;
图5是本发明试验装置中充水直筒的剖面结构示意图;
图6是本发明试验装置中围岩充填、灌浆层材料充填直筒结构示意图;
图7是本发明试验装置中的不锈钢透水板结构示意图;
图8是本发明试验装置中的模型箱底板结构示意图。
其中,1-恒压水箱,2-模型箱,3-橡胶管,4-模型箱盖,5-充水直筒,6-围岩充填直筒,7-灌浆层充填直筒,8-模型底板,9-测压管,10-有机玻璃筒,11-不锈钢法兰环,12-不锈钢透水板,13-排水孔,14-连接杆,15-通水管,16-螺栓,17-塑料排水板,18-连接杆孔,19-螺栓孔,20-测压孔,21-透水孔
具体实施方式
如图1、2所示,可拆卸式衬砌渗流试验装置主要由恒压水箱1和模型箱2两大部分组成,模型箱2自上而下依次包括模型箱盖4、充水直筒5、围岩填充直筒6、灌浆层填充直筒7、不锈钢透水板12、塑料排水板17、模型箱底板8。模型箱盖4、充水直筒5、围岩填充直筒6、灌浆层填充直筒7、不锈钢透水板12、模型箱底板8之间均采用加有垫片的不锈钢法兰环11连接,各规格直筒均在与其连接的不锈钢法兰环11侧面开有排水孔与测压孔,模型箱底板8侧面亦开有排水孔与测压孔。
图1中,恒压水箱1位于模型箱2上方通过橡胶管3与模型箱盖4连接,通过滑轮装置(未示出)调节其高度,以模拟不同的外水压力,恒压水箱1侧面设置排水孔以保持恒定水头。
图2中,模型箱2主要由模型箱盖4、充水直筒5、围岩充填直筒6、灌浆层充填直筒7、不锈钢透水板12、塑料排水板17(如图3b所示)、模型箱底板8组成,模型箱底8侧面设置多个排水孔13,。另有多种不同高度的灌浆层充填直筒7作为替换以填充土工材料模拟不同厚度的灌浆层。
如图3a、3b和图4所示,模型箱盖4采用不锈钢制作,中心处开孔焊接不锈钢通水管15,模型箱盖4边缘开有多个连接杆孔18和螺栓孔19。
如图5所示,充水直筒5由有机玻璃筒和不锈钢法兰环11组成,不锈钢法兰环11侧面开排水孔13,不锈钢法兰环11通过凹槽固定在有机玻璃筒两端。不锈钢法兰环11与模型箱盖4对应位置处同样开设多个螺栓孔以通过螺栓连接上下法兰环,开设多个对应数量大小的连接杆孔以通过连接杆加固整个模型箱2。
如图6所示,围岩充填直筒6、灌浆层充填直筒7的组成和其余规格尺寸与充水直筒相同。但围岩充填直通6和灌浆层充填直筒7的高度可变,且从模型箱2中可拆卸更换。
如图7所示,不锈钢透水板12边缘开孔与法兰环一致,上覆土工布作为反滤层。塑料排水板17应符合《塑料排水板质量检验标准》(JTJ/T 257-96),并裁剪成圆形。
如图8所示,模型箱底板8内部设有凹槽,边缘开孔与不锈钢透水板12一致,在底板侧面开多个排水孔12与一个测压孔20,测压孔20外接带有刻度的测压管9,排水孔13外接带有开关阀门的橡胶管。
本发明试验装置的试验方法包括以下步骤:
1)将塑料排水板17放入模型箱底板8的凹槽内,用螺栓16将模型箱底板8与不锈钢透水板12连接;
2)在不锈钢透水板12上表面铺设一层土工布,再将不锈钢透水板12与灌浆层充填直筒7连接;按照比例称取相似材料混合并搅拌均匀;
3)采用分层摊铺的方式装入灌浆层填充直筒7压实,室温下养护;
4)待灌浆层相似材料晾晒干燥并达到设计渗透系数值时,在上方连接围岩填充直筒6,在围岩填充直筒6内铺设围岩相似材料;
5)围岩相似材料铺设满直筒后,连接充水直筒5;
6)再连接模型箱盖4,并用螺母固定好贯穿模型箱2的连接杆14,用橡胶管3连接恒压水箱1与模型箱2,从模型箱2顶进水口注水直到满罐,加水过程中必须排除罐内空气;
7)当底部测压管9水头达到设计高度时,可以开始试验;
8)开启底板排水孔13,通过排水孔开启的大小与数量来控制流量,每次测量要在排水稳定一段时间后才读数,即测压管读数基本稳定后开始。开始后,用容器收集一定时间段内排水并读数,然后读取测压管9读数;
9)改变排水量再重复步骤;
10)一组模型试验完成后,关闭恒压水箱1到模型箱2的进水阀,打开所有排水阀门排出模型箱2中的水;
11)待水全部排干后,重新按设计开始下一组试验。
Claims (2)
1.一种可拆卸式衬砌渗流试验装置,其特征在于包括恒压水箱(1)、模型箱(2)和测压管(9),恒压水箱(1)位于模型箱(2)的上方,通过橡胶管(3)与模型箱(2)连接,测压管(9)与模型箱(2)的底部连接,其中模型箱(2)自上而下依次包括模型箱盖(4)、充水直筒(5)、围岩填充直筒(6)、灌浆层填充直筒(7)、塑料排水板(17)、不锈钢透水板(12)和模型箱底板(8),模型箱盖(4)、充水直筒(5)、围岩填充直筒(6)、灌浆层填充直筒(7)、塑料排水板(17)、不锈钢透水板(12)和模型箱底板(8)之间均采用加有垫片的不锈钢法兰环(11)连接,其特征在于模型箱(2)中的围岩填充直筒(6)和灌浆层填充直筒(8)均为高度可调节且从模型箱(2)中可拆卸的直筒;其中恒压水箱(1)通过滑轮装置调节其高度,从而模拟不同的外水压力,恒压水箱(1)侧面设置排水孔以保持恒定水头;各规格直筒均在与其连接的法兰环侧面开有排水孔与测压孔,模型箱底板(8)侧面亦开有排水孔与测压孔;模型箱盖(4)中心处开孔焊接不锈钢通水管(15),模型箱盖(4)边缘开设有圆孔;不锈钢透水板(12)边缘开孔与法兰环一致,在内径范围内均匀开孔,上覆土工布作为反滤层,共同形成透水反滤层;模型箱底板(8)内部设有凹槽,其边缘开孔与不锈钢透水板(12)一致,在模型箱底板(8)侧面开设有排水孔和测压孔,测压孔外接带有刻度的测压管(9),排水孔外接带有开关阀门的橡胶管。
2.一种如权利要求1所述的可拆卸式衬砌渗流试验装置的试验方法,其特征在于包括以下步骤:
1)将塑料排水板(17)放入模型箱底板(8)的凹槽内,用螺栓(16)将模型箱底板(8)与不锈钢透水板(12)连接;
2)在不锈钢透水板(12)上表面铺设一层土工布,再将不锈钢透水板(12)与灌浆层填充直筒(7)连接;按照比例称取灌浆层相似材料进行混合并搅拌均匀;
3)采用分层摊铺的方式装入灌浆层充填直筒(7)压实,室温下养护;
4)待灌浆层相似材料晾晒干燥并达到设计渗透系数值时,在上方通过不锈钢法兰环(11)连接围岩填充直筒(6),在围岩填充直筒(6)内铺设围岩相似材料;
5)围岩相似材料铺设满围岩填充直筒(6)后,通过不锈钢法兰环(11)连接充水直筒(5);
6)在充水直筒(5)上部再连接模型箱盖(4),并用螺母固定好贯穿模型箱(2)的连接杆(14),用橡胶管(3)连接恒压水箱(1)与模型箱(2),从模型箱(2)顶进水口注水直到满罐,加水过程中必须排除罐内空气;
7)当底部测压管(9)水头达到设计高度时,开始试验;
8)开启模拟箱底板(8)排水孔,通过排水孔开启的大小与数量来控制流量,每次测量要在排水稳定一段时间后才读数,即测压管读数基本稳定后开始,开始后用容器收集一定时间段内排水并读数,然后读取测压管(9)读数;
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