CN107144470A - 隧道及地下工程中突水突泥灾害实时监测装置与操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道及地下工程中突水突泥灾害实时监测装置及操作方法，包括：模型箱，用于盛装含水体相似材料来模拟岩体；地应力模拟系统，用于对模型箱系统内的含水体相似材料实施一定的压力，用于模拟地应力；注水装置，用于向含水体相似材料内注入一定量的水；所述注水装置上装有压力控制器和流量控制阀，与伺服控制器相连，随时对模拟的渗压进行控制；监测系统，包括设置在模型箱内的传感器和与模型箱内部连通的泥水量收集装置；对突水灾害发生前后的信息进行实时监测与采集。控制系统，用于对注水装置进行控制，同时对信息监测系统采集的数据进行处理。

Description

隧道及地下工程中突水突泥灾害实时监测装置与操作方法

技术领域

本发明涉及一种用于隧道及地下工程中突水突泥灾害综合实时监测试验装置与操作方法。

背景技术

现阶段，随着经济建设的飞速发展，大批水利水电工程、铁路公路交通工程等重大基础工程加快了建设步伐，这大大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。在修建地下隧道工程或开挖巷道时，施工中复杂的隧洞赋存环境极易诱导大规模、突发性的突水涌泥灾害，造成人员伤亡、工期延误、机械设备损坏、投资费用增加等诸多问题。在实际工程中，突水涌泥对工程建设往往是不可忽略的。

地下工程模型试验是对地下工程进行仿真模拟，指导地下工程设计和施工的一种有效的方法和手段。地下工程模型试验是按照相似比和相似理论将实际工程按照一定的比例缩小成一个模型，并对模型体进行相应的操作以模拟实际工程。我国学者开展了大量的地下水渗流和突水涌泥灾害研究工作，但也存在明显的弱点，不能对突水涌泥灾害发生过程进行全方位的综合监测，对突水涌泥量发记录也不够及时准确。现阶段，专家学者对于富水隧道灾变演变机制尚不太清楚，缺乏相关突水动力灾变演化过程的分析方法和相关设备，尚未能提出对于突水涌泥灾害源隧道监测的切实可行的技术手段。因此，有必要开发一种更高效更优性能的隧道及地下工程中突水突泥灾害综合实时监测试验装置，以解决以上问题。

发明内容

本发明为克服上述技术的不足，提供一种操作简便、方便监测的隧道及地下工程中突水突泥灾害综合实时监测试验装置与操作方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于隧道及地下工程中突水突泥灾害综合实时监测试验装置，包括：

模型箱，用于盛装含水体相似材料来模拟岩体；

地应力模拟系统，用于对模型箱系统内的含水体相似材料实施一定的压力，用于模拟地应力；

注水装置，用于向含水体相似材料内注入一定量的水；所述注水装置上装有压力控制器和流量控制阀，与伺服控制器相连，随时对模拟的渗压进行控制；

监测系统，包括设置在模型箱内的传感器和与模型箱内部连通的泥水量收集装置；对突水灾害发生前后的信息进行实时监测与采集；

控制系统，用于对注水装置进行控制，同时对信息监测系统采集的数据进行处理。

进一步的，所述的地应力模拟系统包括一个龙门式框架、外侧滑轨和内侧滑轨，所述的龙门式框架的底部安装在外侧滑轨上能沿着外侧滑轨移动，模型箱安装在内侧滑轨上能沿着内侧滑轨移动，且在所述的龙门式框架上安装有对所述模型箱实施压力以模拟地应力的液压千斤顶。

进一步的，在所述的龙门式框架的两侧壁和顶板上均固定液压千斤顶，且液压千斤顶与框架通过螺栓固定连接，为模型箱系统施加压力，以模拟地应力。

进一步的，所述的含水体相似材料包括模拟岩体的相似材料，在所述的相似材料内开挖有多个洞室，且在材料内布设若干含水体空腔，所述的含水体空腔通过装满可融盐的气球实现，所述含水体空腔与供水装置相连。

进一步的，所述含水体相似材料系统的洞口形状可依据实际需要进行预制，采用相似材料模拟岩体，按照洞口情况利用预先对相似材料进行洞室开挖，

进一步的，所述模型箱为装配式结构，包括刚性钢板以及底座，刚性钢板以及底座由螺栓连接成一个矩形结构。

进一步的，在所述前侧钢板设置有玻璃视窗，玻璃视窗四周设置肋板，与钢板连接牢固。

进一步的，所述模型箱的前、后两侧钢板预留开挖洞口，用于与泥水收集装置相连；

进一步的，所述注水装置上装有压力控制器和流量控制阀，与伺服控制器相连，随时对模拟的渗压进行控制；

进一步的，所述的实时监测试验装置还包括一个实时摄像系统：采用高清摄像仪记录隧道突水突泥灾害发生过程，与计算机相连，结合收集到的数据，用于后期分析灾害演变规律以及预测预警提供依据。

进一步的，所述泥水量收集装置包括泥水收集管、过滤网、泥水收集箱，泥水收集管稍小于洞口断面，嵌套在洞口内，收集管端部与前后两侧钢板由螺栓连接，两层过滤网分别位于收集管两侧，对涌出的水、泥进行分离，泥水收集管与泥水收集箱相连，收集箱内装有水量监测器，与控制器相连。

应用上述装置实现隧道及地下工程中突水突泥灾害综合实时监测，包括以下步骤：

1)利用刚性高强钢板、底座对模型箱进行组装，随后将预制好的含水体相似材料放置在模型箱内，固定上盖，且将模型箱安装在内侧滑轨上；将龙门式框架安装在外侧滑轨上，在外侧滑轨上安装液压千斤顶，连接剩余各部件，完成准备工作；

2)通过注水管向模型箱的含水体相似材料中注水，控制系统通过调节压力控制器和流量控制阀使水压和流量达到设定要求，地应力模拟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；

3)在加载和注水过程中，观测并记录渗压、土压力、位移、应变、突水量和涌泥量，结合摄像系统进行实时监测和分析；

4)根据所需工况，重复(1)～(3)操作过程。

本发明研究了一种用于隧道及地下工程中突水突泥灾害综合实时监测试验装置与操作方法，解决了以往实践中不能对突水涌泥灾害发生过程进行全方位的综合监测，对突水涌泥量发记录也不够及时准确的技术难题。与前人研究相比，

本发明装置具有以下优点：

1)模型箱前侧钢板设置有玻璃视窗，可实现对试验模型的可视化监测，钢框架、钢台架、台架底板由高强度钢构件通过螺栓拼接组成，具有可拆装性，并能满足强度的要求，牢固可靠；

2)采用相似材料模拟岩体，可以循环使用、经济方便；

3)模型箱和龙门式框架与内外层滑轨相连，避免了每次试验需要起吊千斤顶、移动模型箱的繁重操作，方便快捷；

4)地应力模拟系统的液压千斤顶、供水装置上的压力控制器和流量控制阀与控制系统相连，可实现实时调控、全自动操作控制；

5)采用综合监测系统对突水突泥灾害过程中的应力、位移、应变、压力等信息进行收集，能及时准确的测量突水涌泥量，实现对突水突泥灾害过程的全面监测，综合性强，提高了试验效率；

6)通过数字照相系统实时图像采集，隧道围岩的位移场变化监测结果更加准确。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明结构三维视图；

图2为泥水收集装置示意图；

图3为上侧钢板示意图；

其中，1.模型箱系统；2.玻璃视窗；3.龙门式框架；4.液压千斤顶；5.外层滑轨；6.内层滑轨；7.开挖洞口；8.外部供水装置；9.压力控制器；10.流量控制阀；11.伺服控制器；12.泥水收集管；13.过滤网；14.泥水收集箱；15.传输线；16.水量监测器；17.计算机；18.高清摄像仪；19.水管；20.上侧钢板；21.预留小孔；22.螺栓。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现阶段，专家学者对于富水隧道灾变演变机制尚不太清楚，缺乏相关突水动力灾变演化过程的分析方法和相关设备，尚未能提出对于突水涌泥灾害源隧道监测的切实可行的技术手段。因此，本发明设计了一种更高效更优性能的隧道及地下工程中突水突泥灾害综合实时监测试验装置，以解决以上问题。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种用于隧道及地下工程中突水突泥灾害综合实时监测试验装置，具体包括：模型箱系统、地应力模拟系统、含水体相似材料系统

模型箱系统1包括一个模型箱，该模型箱为一个装配式结构，包括刚性高强度钢板以及底座由高强螺栓连接成的矩形结构，其中前侧钢板设置有玻璃视窗2，在玻璃视窗的四周设置肋板，与前侧钢板连接牢固，在模型箱前、后两侧钢板预留开挖洞口7，且上侧钢板20设有预留小孔21，内部放置试验所需的岩石相似材料。

地应力模拟系统：由龙门式框架3、液压千斤顶4、滑轨组成，滑轨分为内外两层，外部钢架通过安装在外层滑轨5上，模型箱的底座安装在内层滑轨6上，外部钢架和模型箱可以沿着滑轨移动，以实现整个装置的移动；滑轨上的滑轮与驱动装置以及监测系统连接，外部钢架和模型箱均可实现受控制的滑动；

钢架两侧壁和顶板上均固定液压千斤顶4，且液压千斤顶4与框架3通过螺栓固定连接，为模型箱系统施加压力，以模拟地应力。

含水体相似材料系统：含水体相似材料系统的洞口7形状可依据实际需要进行预制，采用相似材料模拟岩体，按照洞口情况利用预先对相似材料进行洞室开挖，材料内布设若干含水体空腔，通过装满可融盐的气球实现，空腔与外部供水装置8经过钢板上预留的小孔相连，供水装置上装有压力控制器9和流量控制阀10，与伺服控制器11相连，随时对模拟的渗压进行控制。

监测系统：在试验体内部预先埋设相似材料内的渗压传感器、微型土压力传感器、光纤光栅位移计、应变砖、泥水收集管12、过滤网13、泥水收集箱14，多种传感器通过传输线15与伺服控制器11相连，对突水灾害发生前后的信息进行实时监测与采集。

泥水收集管12小于洞口7断面，嵌套在隧道洞口内，收集管端部与前后两侧钢板由螺栓连接，两层过滤网13分别位于收集管两侧，对涌出的水、泥进行分离，泥水收集管12通过水管19与泥水收集箱14相连，收集箱内装有水量监测器16，与控制器11相连。

数据分析反馈系统：包括传输线15、伺服控制器11以及计算机17，完成数据分析和反馈处理。

实时摄像系统：采用高清摄像仪18记录隧道突水突泥灾害发生过程，其安装在玻璃窗的一侧，与计算机相连，结合收集到的数据，用于后期分析灾害演变规律以及预测预警提供依据。

本发明研究了一种用于隧道及地下工程中突水突泥灾害综合实时监测试验装置与操作方法，解决了以往实践中不能对突水涌泥灾害发生过程进行全方位的综合监测，对突水涌泥量发记录也不够及时准确的技术难题。

应用上述装置实现隧道及地下工程中突水突泥灾害综合实时监测，包括以下步骤：

1)利用刚性高强钢板、底座对模型箱进行组装，随后将预制好的含水体相似材料放置在模型箱内，固定上盖，且将模型箱安装在内侧滑轨上；将龙门式框架安装在外侧滑轨上，在外侧滑轨上安装液压千斤顶，连接剩余各部件，完成准备工作；

2)通过注水管向模型箱的含水体相似材料中注水，控制系统通过调节压力控制器和流量控制阀使水压和流量达到设定要求，地应力模拟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；

3)在加载和注水过程中，观测并记录渗压、土压力、位移、应变、突水量和涌泥量，结合摄像系统进行实时监测和分析；

4)根据所需工况，重复(1)～(3)操作过程。

本发明装置具有以下优点：

1)模型箱前侧钢板设置有玻璃视窗，可实现对试验模型的可视化监测，钢框架、钢台架、台架底板由高强度钢构件通过螺栓拼接组成，具有可拆装性，并能满足强度的要求，牢固可靠；

2)采用相似材料模拟岩体，可以循环使用、经济方便；

3)模型箱和龙门式框架与内外层滑轨相连，避免了每次试验需要起吊千斤顶、移动模型箱的繁重操作，方便快捷；

4)地应力模拟系统的液压千斤顶、供水装置上的压力控制器和流量控制阀与控制系统相连，可实现实时调控、全自动操作控制；

5)采用综合监测系统对突水突泥灾害过程中的应力、位移、应变、压力等信息进行收集，能及时准确的测量突水涌泥量，实现对突水突泥灾害过程的全面监测，综合性强，提高了试验效率；

6)通过数字照相系统实时图像采集，隧道围岩的位移场变化监测结果更加准确。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种隧道及地下工程中突水突泥灾害实时监测装置，其特征在于，包括：

模型箱，用于盛装含水体相似材料来模拟岩体；

地应力模拟系统，用于对模型箱系统内的含水体相似材料实施一定的压力，用于模拟地应力；

注水装置，用于向含水体相似材料内注入一定量的水；所述注水装置上装有压力控制器和流量控制阀，与伺服控制器相连，随时对模拟的渗压进行控制；

监测系统，包括设置在模型箱内的传感器和与模型箱内部连通的泥水量收集装置；对突水灾害发生前后的信息进行实时监测与采集；

控制系统，用于对注水装置进行控制，同时对信息监测系统采集的数据进行处理。

2.如权利要求1所述的隧道及地下工程中突水突泥灾害实时监测装置，其特征在于，所述的地应力模拟系统包括一个龙门式框架、外侧滑轨和内侧滑轨，所述的龙门式框架的底部安装在外侧滑轨上能沿着外侧滑轨移动，模型箱安装在内侧滑轨上能沿着内侧滑轨移动，且在所述的龙门式框架上安装有对所述模型箱实施压力以模拟地应力的液压千斤顶。

3.如权利要求1所述的隧道及地下工程中突水突泥灾害实时监测装置，其特征在于，在所述的龙门式框架的两侧壁和顶板上均固定液压千斤顶。

4.如权利要求1所述的隧道及地下工程中突水突泥灾害实时监测装置，其特征在于，所述的含水体相似材料包括模拟岩体的相似材料，在所述的相似材料内开挖有多个洞室，且在材料内布设若干含水体空腔，所述的含水体空腔通过装满可融盐的气球实现，所述含水体空腔与供水装置相连。

5.如权利要求1所述的隧道及地下工程中突水突泥灾害实时监测装置，其特征在于，所述模型箱为装配式结构，包括刚性钢板以及底座，刚性钢板以及底座由螺栓连接成一个矩形结构。

6.如权利要求5所述的隧道及地下工程中突水突泥灾害实时监测装置，其特征在于，在前侧钢板设置有玻璃视窗，玻璃视窗四周设置肋板，与钢板连接牢固。

7.如权利要求5所述的隧道及地下工程中突水突泥灾害实时监测装置，其特征在于，所述模型箱的前、后两侧钢板预留开挖洞口，用于与泥水收集装置相连。

8.如权利要求1所述的隧道及地下工程中突水突泥灾害实时监测装置，其特征在于9，如权利要求1所述的隧道及地下工程中突水突泥灾害实时监测装置，其特征在于，所述泥水量收集装置包括泥水收集管、过滤网、泥水收集箱，泥水收集管稍小于洞口断面，嵌套在洞口内，收集管端部与前后两侧钢板由螺栓连接，两层过滤网分别位于收集管两侧，对涌出的水、泥进行分离，泥水收集管与泥水收集箱相连，收集箱内装有水量监测器，与控制器相连。

9.如权利要求1所述的隧道及地下工程中突水突泥灾害实时监测装置，其特征在于，所述的实时监测试验装置还包括一个实时摄像系统：采用高清摄像仪记录隧道突水突泥灾害发生过程，与计算机相连，结合收集到的数据，用于后期分析灾害演变规律以及预测预警提供依据。

10.应用权利要求1-9任一所述的装置实现隧道及地下工程中突水突泥灾害综合实时监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用刚性高强钢板、底座对模型箱进行组装，随后将预制好的含水体相似材料放置在模型箱内，固定上盖，且将模型箱安装在内侧滑轨上；将龙门式框架安装在外侧滑轨上，在外侧滑轨上安装液压千斤顶，连接剩余各部件，完成准备工作；

2)通过注水管向模型箱的含水体相似材料中注水，控制系统通过调节压力控制器和流量控制阀使水压和流量达到设定要求，地应力模拟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；

3)在加载和注水过程中，观测并记录渗压、土压力、位移、应变、突水量和涌泥量，结合摄像系统进行实时监测和分析；

4)根据所需工况，重复(1)～(3)操作过程。