CN107240346B - 一种定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置及方法，所述装置包括模型主体、供水单元、恒压砂土收集单元、渗流场监测单元与地面变形监测单元。所述模型主体为岩溶覆盖层与岩溶基岩模拟设备，包括覆盖层腔体及位于覆盖层腔体下部且连通的岩溶地层腔体，所述供水单元包括与覆盖层腔体连通的覆盖层供水单元和岩溶地层腔体连通的岩溶供水单元；所述恒压砂土收集单元用于在岩溶塌陷全过程、维持岩溶水位恒定的情况下，采集不同时刻岩溶塌陷沙土量，定量评估塌陷演化过程。本发明通过监测覆盖层渗流场和覆盖层塌陷沙漏量动态变化，定量研究岩溶塌陷过程。

Description

一种定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及工程地质灾害模拟技术领域，具体是一种定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置及方法。

背景技术

岩溶塌陷是我国六大地质灾害之一，对我国人民的生命和财产造成重大损失。岩溶塌陷是指隐伏在覆盖层下的可溶岩中存在岩溶空洞，在自然或人为因素作用下，覆盖层物质沿岩溶通道进入岩溶空洞，引起覆盖土体发生漏失，导致地面出现塌陷的自然现象。目前对岩溶塌陷的研究几乎都是以岩溶塌陷的最终形态为研究对象展开的，以定性研究为主，难以了解岩溶塌陷过程，导致了对塌陷形成机制的认识不够全面与深入，未形成统一认识。

采用岩溶物理模型试验可再现岩溶塌陷的过程，提升对岩溶塌陷演化本质的理解，但目前的模型试验研究的重点仍然是揭示塌陷影响因素或严重塌陷理论的正确性，目前利用物理模型试验研究岩溶塌陷过程，主要是考虑岩溶开口与地下水动力条件对塌陷发育过程的影响，无法在保持岩溶管道单元压力稳定的条件下进行岩溶塌陷漏失砂土进行定时采集，缺乏定量研究岩溶塌陷过程的方法与技术，特别是如何获得塌陷过程中岩溶覆盖层塌陷程度。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明专利提供了一种定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置及方法，其可通过监测覆盖层渗流场和覆盖层塌陷沙漏量动态变化，定量研究岩溶塌陷过程。

一种定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置，包括模型主体、供水单元、恒压砂土收集单元、渗流场监测单元与地面变形监测单元。

所述模型主体由透明有机玻璃材料制成腔体结构，包括覆盖层腔体及位于覆盖层腔体下部且连通的岩溶地层腔体，所述覆盖层腔体中填充粉细砂地层，所述岩溶地层腔体中填充裂隙水泥块体。

所述供水单元包括与覆盖层腔体连通的覆盖层供水单元和岩溶地层腔体连通的岩溶供水单元。

所述恒压砂土收集单元由透明有机玻璃材料制成，包括恒压取样腔、位于恒压取样腔下部的泥沙收集腔、排气单元，所述岩溶地层腔体通过第一连接管道与恒压取样腔连接，第一连接管道上设有第一控制阀，恒压取样腔通过第二连接管道与泥沙收集腔连接，第二连接管道上设有第二控制阀，第二连接管道通过排气单元与大气接通，恒压取样腔通过第三连接管道与岩溶供水单元连通，第三连接管道上设有第三控制阀，泥沙收集腔通过第四连接管道与岩溶供水单元连通，第四连接管道上设有第四控制阀；泥沙收集腔的下部管道设有泥沙收集腔控制阀。

所述渗流场监测单元包括设于覆盖层腔体的土壤水位压力传感器及土壤水位压力传感器连接压力数值采集仪。

所述地面变形监测单元为摄像单元，用于拍摄模型主体表面和模型主体侧面，全程观测岩溶塌陷发生过程。

进一步的，所述覆盖层腔体的两侧设有覆盖层供水槽，通过管道与覆盖层供水单元连通，供水槽通过多孔透水板与覆盖层腔体连，以提供稳定水头。

进一步的，所述恒压取样腔、所述泥沙收集腔为两个漏斗形收集腔体。

进一步的，所述排气单元包括泡沫过滤体和排气导管，所述排气导管的一端伸入第二连接管道内，端头部分内填充有泡沫过滤体，另一端伸出第二连接管道与大气接通，所述排气导管上设有控制阀。

进一步的，第三连接管道和第四连接管道分别与恒压取样腔和泥沙收集腔连通，其端头部分设有泥沙过滤单元，泥沙过滤单元的作用是过滤泥沙，防止排气单元、第三连接管道和第四连接管道淤积。

进一步的，所述泥沙过滤单元为泡沫过滤体。

一种定量研究岩溶塌陷的试验模拟方法，其特征在于使用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：

调整岩溶地层腔体与覆盖层腔体地下水位至设计水位，维持覆盖层腔体中地下水不变，通过岩溶供水单元逐渐降低岩溶地层腔体水位。

采集泥沙样之前，关闭泥沙收集腔控制阀、排气单元，打开第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀和第四控制阀，此时覆盖层腔体中的水位与覆盖层供水单元中的水位相同，岩溶地层腔体、恒压取样腔、排气单元中的气压均与岩溶供水单元的水压相同。

塌陷发生后，泥沙经过恒压取样腔进入泥沙收集腔并沉积，当开始进行采集泥沙样时，维持覆盖层供水单元中的水位不变，调整岩溶供水单元水位以保持岩溶管道中的水位不变，关闭第二控制阀和第四控制阀，打开排气单元和泥沙收集腔控制阀，泥沙水在短时间内全部收集；

待收集完样品后，关闭泥沙收集腔控制阀，打开第四控制阀，让岩溶供水单元中的水进入泥沙收集腔，完成补水和排气，待泥沙收集腔完全被水充满后，关闭排气单元，打开第二控制阀，进行下一轮岩溶塌陷泥沙采集。

进一步的，试验开始前，在覆盖层腔体平面上以岩溶口为中心，沿横纵方向分别距离该中心100mm、100mm和150mm布设一土壤水位压力传感器，埋设深度距离基岩面5cm；在岩溶口垂直剖面上，每隔100mm埋设一土壤水位压力传感器，用气动管将土壤水位压力传感器与压力数值采集仪相连，动态监测覆盖层地下水渗流场变化。

进一步的，摄像单元在试验过程中摄模型主体表面和模型主体侧面，全程观测岩溶塌陷发生过程。

本发明通过模型主体的覆盖层腔体和岩溶地层腔体模拟岩溶覆盖层与岩溶基岩，通过调节与覆盖层腔体和岩溶地层腔体连通的两个供水单元水位条件，可模拟不同地下水动力条件下的岩溶塌陷过程，在试验时维持覆盖层腔体中地下水不变，通过岩溶供水单元逐渐降低岩溶地层腔体水位，通过管道与控制阀门、排气单元的配合，保证在收集泥沙样过程中，岩溶管道中的水位保持不变，实现连续取样，这样结合岩溶塌陷量动态、覆盖层渗流场动态以及覆盖层表面地面塌陷动态等数据，可综合定量研究岩溶塌陷过程，为进一步研究岩溶塌陷机理提供了技术方法，具有重要的理论与现实意义。

附图说明

图1是本发明定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置其中一个实施例的结构示意图；

图2是图1中A部分的放大示意图；

图3是图1中B部分的放大示意图；

图4是图1中C部分的放大示意图。

图中：1—覆盖层腔体、2—覆盖层供水槽、3—覆盖层供水单元、4—岩溶通道、5—土壤水位压力传感器、6—岩溶地层腔体、7—固件、8—恒压取样腔、9—排气单元、10—泥沙收集腔、11—摄像单元、12—岩溶供水单元、13—第一控制阀、14—泥沙过滤单元、15—第二控制阀、16—连通管、17—第三控制阀、18—第四控制阀、19—泥沙收集腔控制阀、20—螺纹钢钉、21—泡沫过滤体、22—排气导管。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1所示为本发明定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置其中一个实施例的结构示意图，所述定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置包括模型主体、供水单元、恒压砂土收集单元、渗流场监测单元与地面变形监测单元。

所述模型主体为岩溶覆盖层与岩溶基岩模拟设备，由透明有机玻璃材料制成腔体结构，包括覆盖层腔体1及位于覆盖层腔体1下部且连通的岩溶地层腔体6，所述模型主体可为长方体结构，厚度为12mm，长为1000mm，宽1000mm，高500mm。所述覆盖层腔体1中填充粉细砂地层，所述岩溶地层腔体6中填充裂隙水泥块体。

请一并参考如图2，所述岩溶地层腔体6中设有与覆盖层腔体1连通的岩溶通道4，岩溶通道4与覆盖层腔体1相接的入口为岩溶口。第一连接管道通过固件7与岩溶地层腔体6固定，固件7可通过螺纹钢钉20固定于岩溶地层腔体6底部，所述固件7可为法兰盘。

所述供水单元包括覆盖层供水单元3和岩溶供水单元12，两供水单元相互独立，分别与覆盖层腔体1与岩溶地层腔体6连接，以控制覆盖层腔体1和岩溶地层腔体6中地下水水位。通过调节两个供水单元水位条件，可模拟不同地下水动力条件下的岩溶塌陷过程。供水单元采用溢流原理精确控制水位变化，控制精度为1mm。覆盖层腔体1的两侧设有覆盖层供水槽2，通过管道与覆盖层供水单元3连通；岩溶地层腔体6通过连通管16与岩溶供水单元12连通。覆盖层供水单元3和岩溶供水单元12由有机玻璃桶制成，直径300mm，高5000mm，厚度20mm，分别控制覆盖层腔体1和岩溶地层腔体6的水位变化。

所述覆盖层腔体1两侧为多孔透水板，供水槽2通过多孔透水板与覆盖层腔体1连通，即供水槽2中的水通过该多孔透水板进入模型主体中。多孔透水板的孔直径8为mm，孔间距为50mm，为模型主体提供稳定水头。

所述恒压砂土收集单元用于在岩溶塌陷全过程、维持岩溶水位恒定的情况下，采集不同时刻岩溶塌陷沙土量，定量评估塌陷演化过程。所述恒压砂土收集单元由透明有机玻璃材料制成，包括恒压取样腔8、位于恒压取样腔8下部的泥沙收集腔10、排气单元9。所述岩溶地层腔体6中的岩溶通道4通过第一连接管道与恒压取样腔8连接，第一连接管道上设有第一控制阀13。恒压取样腔8通过第二连接管道与泥沙收集腔10连接，第二连接管道上设有第二控制阀15，所述第二控制阀15为球形阀，可实现岩溶塌陷过程中采集塌陷砂土的同时，能维持岩溶腔体压力不变。所述恒压取样腔8、所述泥沙收集腔10为两个漏斗形收集腔体，分别单独与供水单元(例如岩溶供水单元12)相连接，具体的，恒压取样腔8通过第三连接管道与岩溶供水单元12连通，第三连接管道上设有第三控制阀17，泥沙收集腔10通过第四连接管道与岩溶供水单元12连通，第四连接管道上设有第四控制阀18。泥沙收集腔10的下部管道设有泥沙收集腔控制阀19。

在泥沙收集腔10采样(即打开泥沙收集腔控制阀19)时，此时该泥沙收集腔10内压力降低，但可以通过关闭第二控制阀15，维持恒压取样腔8中的压力不变，即始终和岩溶供水单元12中的水位压力一致。如果恒压取样腔8中的压力不能维持恒定，或者明显下降，会严重导致岩溶塌陷发生，会使得与实际情况严重不符，对试验结果产生严重偏离。即恒压取样腔8的作用就是在保障在取样的过程中，维持岩溶管道中压力水头恒定不变。

泥沙收集腔10的作用是采集砂土。当砂土采集完后，打开第四控制阀18，向泥沙收集腔10中注水，逐渐恢复该腔体中的压力，待压力恢复到和岩溶供水单元12相同后，恒压取样腔8和泥沙收集腔10中的压力完全一样，打开第二控制阀15，这样就不会造成岩溶管道中的压力发生变化。

请一并参考如图3，第二连接管道中设有排气单元9，所述排气单元9包括泡沫过滤体21和排气导管22，所述排气导管22的一端伸入第二连接管道内，端头部分内填充有泡沫过滤体21，另一端伸出第二连接管道与大气接通，所述排气导管22上设有控制阀。排气单元9的作用是在泥沙收集腔9释放腔体中的泥沙混合物后，充水恢复其中压力时，通过排气单元9将腔体中的空气全部排出，以免气体溢出对塌陷过程造成影响。

请一并参考如图3，第三连接管道和第四连接管道分别与恒压取样腔8和泥沙收集腔10连通的端头部分设有泥沙过滤单元14，所述泥沙过滤单元14由泡沫过滤体21组成，其作用是过滤泥沙，防止排气单元9的排气导管22和岩溶供水单元12与恒压取样腔体8和泥沙收集腔10的连接管道(第三连接管道和第四连接管道)淤积，影响压力传导。

所述渗流场监测单元包括设于覆盖层腔体1的土壤水位压力传感器5及土壤水位压力传感器5连接压力数值采集仪，所述土壤水位压力传感器5由多孔铜管制成，在铜管外出包裹两层80目尼龙网格，用气动管将传感器与压力数值采集仪相连，动态监测覆盖层地下水渗流场变化。考虑到传感器尺度与数量对物理模型的影响，则土壤水位压力传感器5设置尺寸为直径20mm，长度100mm。在覆盖层腔体1平面上以岩溶口为中心，沿横纵方向分别距离该中心100mm、100mm和150mm布设一土壤水位压力传感器5，埋深深度距离基岩面5cm；在岩溶口垂直剖面上，每隔100mm埋深一土壤水位压力传感器5，压力数值采集仪精度为1mm。

所述地面变形监测单元为摄像单元11，摄像单元11固定在三脚架上，用于拍摄模型主体表面和模型主体侧面，全程观测岩溶塌陷发生过程。

本发明的工作原理：当岩溶地层腔体6与覆盖层腔体1地下水位调整至设计水位后，维持覆盖层腔体1中地下水不变，通过岩溶供水单元12逐渐降低岩溶地层腔体6水位，研究岩溶塌陷发育过程。通过渗流场监测单元、地面变形监测单元以及恒压砂土收集单元的透明观测窗判断岩溶塌陷发育时，在不同的时刻采集塌陷泥沙量。

采集泥沙样之前，关闭泥沙收集腔控制阀19、排气单元9，打开第一控制阀13、第二控制阀15、第三控制阀17和第四控制阀18，此时覆盖层腔体1中的水位与覆盖层供水单元3中的水位相同，岩溶地层腔体6、恒压取样腔8、排气单元9中的气压均与岩溶供水单元12的水压相同；

塌陷发生后，泥沙经过恒压取样腔8进入泥沙收集腔10并沉积，当开始进行采集泥沙样时，维持覆盖层供水单元3中的水位不变，调整岩溶供水单元12水位以保持岩溶管道中的水位不变，关闭第二控制阀15和第四控制阀18，打开排气单元9和泥沙收集腔控制阀19，泥沙水在很短的时间(30s)内全部收集。

待收集完样品后，关闭泥沙收集腔控制阀19，打开第四控制阀18，让岩溶供水单元12中的水在很短的时间内(30s)进入泥沙收集腔10，完成补水和排气。待泥沙收集腔10完全被水充满后，打开第二控制阀15，进行下一轮岩溶塌陷泥沙采集。通过恒压砂土收集单元实现了不同时刻岩溶塌陷量采集，可定量评价塌陷过程中岩溶塌陷程度。

通过覆盖层中渗流场监测单元5，可动态监测塌陷过程中覆盖层中渗流场变化，可定量识别岩溶触发的临界水力比降，该参数对岩溶塌陷机理与防治研究具有重要意义。

本发明通过固定岩溶覆盖层地下水位不变，上升或降低岩溶管道水位，触发岩溶塌陷发生，通过管道与控制阀门、排气单元的配合，保证在收集泥沙样过程中，岩溶管道中的水位保持不变，通过埋设在覆盖层中的地下水监测单元监测覆盖层渗流的动态变化，以定量确定岩溶塌陷发生的临界水力比降，通过恒压砂土收集单元，可采集不同时刻岩溶塌陷漏失量，定量岩溶塌陷程度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置，其特征在于：包括模型主体、供水单元、恒压砂土收集单元、渗流场监测单元与地面变形监测单元，

所述模型主体由透明有机玻璃材料制成腔体结构，包括覆盖层腔体(1)及位于覆盖层腔体(1)下部且连通的岩溶地层腔体(6)，所述覆盖层腔体(1)中填充粉细砂地层，所述岩溶地层腔体(6)中填充裂隙水泥块体；

所述供水单元包括与覆盖层腔体(1)连通的覆盖层供水单元(3)和岩溶地层腔体(6)连通的岩溶供水单元(12)；

所述恒压砂土收集单元由透明有机玻璃材料制成，包括恒压取样腔(8)、位于恒压取样腔(8)下部的泥沙收集腔(10)、排气单元(9)，所述岩溶地层腔体(6)通过第一连接管道与恒压取样腔(8)连接，第一连接管道上设有第一控制阀(13)，恒压取样腔(8)通过第二连接管道与泥沙收集腔(10)连接，第二连接管道上设有第二控制阀(15)，第二连接管道通过排气单元(9)与大气接通，恒压取样腔(8)通过第三连接管道与岩溶供水单元(12)连通，第三连接管道上设有第三控制阀(17)，泥沙收集腔(10)通过第四连接管道与岩溶供水单元(12)连通，第四连接管道上设有第四控制阀(18)；泥沙收集腔(10)的下部管道设有泥沙收集腔控制阀(19)；

所述渗流场监测单元包括设于覆盖层腔体(1)的土壤水位压力传感器(5)及土壤水位压力传感器(5)连接压力数值采集仪；

所述地面变形监测单元为摄像单元(11)，用于拍摄模型主体表面和模型主体侧面，全程观测岩溶塌陷发生过程；

进行试验模拟时，调整岩溶地层腔体(6)与覆盖层腔体(1)地下水位至设计水位，维持覆盖层腔体(1)中地下水不变，通过岩溶供水单元(12)逐渐降低岩溶地层腔体(6)水位；

采集泥沙样之前，关闭泥沙收集腔控制阀(19)、排气单元(9)，打开第一控制阀(13)、第二控制阀(15)、第三控制阀(17)和第四控制阀(18)，此时覆盖层腔体(1)中的水位与覆盖层供水单元(3)中的水位相同，岩溶地层腔体(6)、恒压取样腔(8)、排气单元(9)中的气压均与岩溶供水单元(12)的水压相同；

塌陷发生后，泥沙经过恒压取样腔(8)进入泥沙收集腔(10)并沉积，当开始进行采集泥沙样时，维持覆盖层供水单元(3)中的水位不变，调整岩溶供水单元(12)水位以保持岩溶管道中的水位不变，关闭第二控制阀(15)和第四控制阀(18)，打开排气单元(9)和泥沙收集腔控制阀(19)，泥沙水在短时间内全部收集；

待收集完样品后，关闭泥沙收集腔控制阀(19)，打开第四控制阀(18)，让岩溶供水单元(12)中的水进入泥沙收集腔(10)，完成补水和排气，待泥沙收集腔(10)完全被水充满后，关闭排气单元(9)，打开第二控制阀(15)，进行下一轮岩溶塌陷泥沙采集。

2.如权利要求1所述的定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置，其特征在于：所述覆盖层腔体(1)的两侧设有覆盖层供水槽(2)，通过管道与覆盖层供水单元(3)连通，供水槽(2)通过多孔透水板与覆盖层腔体(1)连，以提供稳定水头。

3.如权利要求1所述的定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置，其特征在于：所述恒压取样腔(8)、所述泥沙收集腔(10)为两个漏斗形收集腔体。

4.如权利要求1所述的定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置，其特征在于：所述排气单元(9)包括泡沫过滤体(21)和排气导管(22)，所述排气导管(22)的一端伸入第二连接管道内，端头部分内填充有泡沫过滤体(21)，另一端伸出第二连接管道与大气接通，所述排气导管(22)上设有控制阀。

5.如权利要求1所述的定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置，其特征在于：第三连接管道和第四连接管道分别与恒压取样腔(8)和泥沙收集腔(10)连通，其端头部分设有泥沙过滤单元(14)，泥沙过滤单元(14)的作用是过滤泥沙，防止排气单元(9)、第三连接管道和第四连接管道淤积。

6.如权利要求5所述的定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置，其特征在于：所述泥沙过滤单元(14)为泡沫过滤体。

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