CN107421866B - 一种模拟隧道排水渗流状态的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及隧道排水工程技术，旨在提供一种模拟隧道排水渗流状态的试验装置。该装置包括隧道模型箱体、降水喷淋系统、排水系统和监测系统；其中，隧道模型箱体为顶部开口的长方体箱体，箱体前后侧壁的下部对称设有开孔，两个开孔之间由上部弧形板和下部底板共同组成模拟隧道形状的贯穿通孔；箱体内部空间用于装填土体；排水管路固定在贯穿通孔上的，排水管路由斜向排水管、竖直集水管和用于连接两者的软管组成。本发明能够直观地模拟不同排水系统影响下隧道围岩模型中地下水渗流场的变化情况，并可通过地下水渗流状态的试验结果，获得排水作用下隧道围岩地下水渗流规律，有效地解决隧道地下水渗流状态认识不清、现场不易监测的问题。
Description
技术领域
本发明属于隧道排水工程技术。具体涉及一种模拟隧道排水渗流状态的试验装置。
背景技术
近年来，我国公路交通事业快速发展，公路隧道的数量和里程不断增加。受复杂地质环境和水文地质条件的影响，隧道的建设与运营过程目前仍面临很多工程病害问题。其中，隧道的渗漏水病害就是一个困扰隧道运营和养护的难题。
在隧道内部设置排水设施是目前治理隧道渗漏水的重要手段之一。研究隧道围岩区的地下水在不同排水措施作用下渗流场的变化规律，揭示隧道工程在不同降雨条件下，隧道排出水流量的变化情况，能为实际隧道工程具体排水设施的布设方式提供重要依据。由于隧道属于隐蔽工程，隧道排水设施一般埋设在围岩中，目前的技术手段很难实现工程技术人员在现场对隧道围岩渗流场的分布情况有较为清楚的了解。此外，雨量计虽能实时监测隧道附近区域的降雨强度变化，但隧道排水措施排出的流量只能通过设置三角堰等方式进行估算，很难实现降雨量与排水量的同步监测，从而获得降雨强度和排水量之间的相关关系。
因此，本发明通过提出模拟隧道排水渗流状态的试验装置来解决上述问题。室内模型试验能够将隧道工程等比例缩小，借助室内测试技术和方法，分析隧道在排水作用下渗流场的变化情况及降雨强度与排水流量之间的相关关系，为实际隧道工程排水方案的选择提供参考依据。
发明内容
本发明主要目的是克服现有技术的不足，提供一种模拟隧道排水渗流状态的试验装置。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种模拟隧道排水渗流状态的试验装置，包括隧道模型箱体，还包括降水喷淋系统、排水系统和监测系统；其中，
所述隧道模型箱体为顶部开口的长方体箱体，箱体前后侧壁的下部对称设有开孔，两个开孔之间由上部弧形板和下部底板共同组成模拟隧道形状的贯穿通孔；隧道模型箱体的内部空间用于装填土体(针对不同试验可装填具有不同渗透特性的土体，例如砂土、粉土等)；
所述降水喷淋系统包括进水管和多个均匀分布的喷淋器，喷淋器位于箱体的顶部开口处；
所述排水系统包括至少一个固定在贯穿通孔上的排水管路，排水管路由斜向排水管、竖直集水管和用于连接两者的软管组成；其中，斜向排水管与水平方向呈25°夹角，其顶部开口端固定在弧形板的外壁上，使其能斜向伸入至砂土中；斜向排水管的上半段为引水段，其管壁布设多个用于引水的引水孔，引水段的外侧包裹滤纸；斜向排水管的下半段为储水段，其管壁不开孔且底端封闭；竖直集水管部分插入至底板上的开孔以实现固定，其顶端开口、底端封口且中部设水平方向的水平排水孔；所述软管的一端插入斜向排水管直至底端，另一端插入竖直集水管直至底端，用于实现斜向排水管向竖直集水管排水；斜向排水管底端与竖直集水管底端位于同一水平线上，且斜向排水管的储水段最高点的水平位置要高于竖直集水管的水平排水孔的水平位置，以防止排水过程中出现断流；
所述监测系统包括计算机和两个涡轮流量计；其中，第一涡轮流量计连接在降水喷淋系统的进水管上，用于监测降水流量；第二涡轮流量计通过出水管与竖直集水管的水平排水孔连接，用于检测排水流量；两个涡轮流量计分别通过信号线与计算机相连。
本发明中，所述监测系统还包括多路测压管；测压管的一端接于隧道模型箱体底部的测压孔，测压孔处以滤纸遮挡防止砂石进入；测压管的另一端接于隧道模型箱体的侧面开孔，该侧面开孔处不会向测压管渗水。
本发明中，在隧道模型箱体侧面的上部设置一排溢水孔，溢水孔的高度低于所述隧道模型箱体的侧面开孔。
本发明中，所述多路测压管为并列设置，测压管为透明软管，在测压管旁的箱体侧面上设有用于读取测压管内水位高度的标尺。
本发明中，所述排水管路有多个，各排水管路中竖直集水管的水平排水孔均通过出水管连接至第二涡轮流量计；每两个排水管路为一组，对称设置于隧道形状的贯穿通孔两侧，每两组排水管路之间呈间距布置。
本发明中，所述隧道形状的贯穿通孔的下部底板两侧设置平行的凹槽，所述底板上的开孔位于凹槽中，所述竖直集水管固定在凹槽的开孔中。
本发明中，所述降水喷淋系统包括多块等间隔搭接在隧道模型箱开口处的长条形铝板，铝板上开设圆孔，进水管的分支管路分别穿过各圆孔，接至固定在铝板下方的喷淋器；或者，所述降水喷淋系统包括一块安放在隧道模型箱开口处的铝板，铝板上开设多个等间隔布置的圆孔，进水管的分支管路分别穿过各圆孔，接至固定在铝板下方的喷淋器。
本发明中，所述隧道模型箱的底部、侧壁，以及隧道形状贯穿通孔的上部弧形板和下部底板，均为透明的有机玻璃板；所述斜向排水管和竖直集水管均为有机玻璃管，软管为PU软管。
本发明中，所述隧道模型箱体的底部设有用于支撑箱体的钢架。
本发明中，斜向排水管与弧形板外壁的连接处，以及竖直集水管与底板的连接处均为密封连接。
本发明的有益效果主要表现在：
1、本发明能够直观地模拟不同排水系统影响下，隧道围岩模型中地下水渗流场的变化情况，并可通过地下水渗流状态的试验结果，获得排水作用下隧道围岩地下水渗流规律。有效地解决隧道地下水渗流状态认识不清，现场不易监测的问题。
2、本发明能够直接控制降水流量，实时地监测隧道排水流量，并可同步地得到降水流量和排水流量间的相关性规律。解决隧道工程现场雨量监测与排水量监测数据难以同步的问题。
3、本发明能够改变隧道围岩的类型和排水措施的布设参数，模拟不同隧道围岩条件和不同排水布设方案的排水效果，为实际工程中的排水系统设计提供参考依据。
附图说明
图1为隧道排水试验装置的前视示意图；
图2为图1中A部分的局部放大示意图；
图3为图1中B部分的局部放大示意图；
图4为隧道排水试验装置的左视示意图；
图5为隧道排水试验装置的俯视示意图。
图中：第一涡轮流量计1、铝板2、进水管3、喷淋器4、测压管5、砂土6、贯穿通孔7、软管8、斜圆形开孔9、斜向排水管10、引水段11、储水段12、凹槽13、水平出水孔14、竖直集水管15、出水管16、第二涡轮流量计17、钢架18、引水孔19、测压孔20。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
如图1～5所示，本发明提供的模拟隧道排水渗流状态的试验装置，包括隧道模型箱体、降水喷淋系统、排水系统和监测系统；其中，
隧道模型箱体为顶部开口的长方体箱体，箱体的底部设有用于支撑箱体的钢架，隧道模型箱体的内部空间用于装填砂土6。箱体前后侧壁的下部对称设有开孔，两个开孔之间由上部弧形板和下部底板共同组成模拟隧道形状的贯穿通孔7；下部底板两侧设置平行的凹槽13(截面呈长方形)，所述凹槽13中设置开孔。隧道模型箱的底部、侧壁，以及隧道形状贯穿通孔7的上部弧形板和下部底板，均为透明的有机玻璃板，便于观察。
降水喷淋系统包括多块等间隔搭接在隧道模型箱开口处的长条形铝板2，铝板2上开设圆孔，进水管3的分支管路分别穿过各圆孔，接至固定在铝板2下方的喷淋器4；或者作为另一备选方案，铝板2是安放在隧道模型箱开口处的一张整块板材，铝板2上开设多个等间隔布置的圆孔，进水管3的分支管路分别穿过各圆孔，接至固定在铝板2下方的喷淋器4。
排水系统包括多个固定在贯穿通孔上的排水管路，每两个排水管路为一组，对称设置于隧道形状的贯穿通孔两侧，每两组排水管路之间呈间距布置。每个排水管路均由斜向排水管10、竖直集水管15和用于连接两者的软管8组成；其中，斜向排水管10与水平方向呈25°夹角，其顶部开口端固定在弧形板的外壁上，使其能斜向伸入至砂土6中；斜向排水管10的上半段为引水段11，其管壁布设多个用于引水的引水孔19，引水段11的外侧包裹滤纸；斜向排水管10的下半段为储水段12，其管壁不开孔且底端封闭；竖直集水管15部分插入至设于凹槽13中的开孔以实现固定，其顶端开口、底端封口且中部设水平方向的水平排水孔14；软管8的一端插入斜向排水管10直至底端，另一端插入竖直集水管15直至底端，用于实现斜向排水管10向竖直集水管15排水；斜向排水管10和竖直集水管15均为有机玻璃管，软管8为PU软管。斜向排水管10与弧形板外壁的连接处，以及竖直集水管15与底板的连接处均为密封连接，防止渗水。斜向排水管10底端与竖直集水管15底端位于同一水平线上，且斜向排水管10的储水段12最高点的水平位置要高于竖直集水管15的水平排水孔14的水平位置，以防止排水过程中出现断流；
监测系统包括计算机、两个涡轮流量计和多路测压管；其中，第一涡轮流量计1连接在降水喷淋系统的进水管3上，用于监测降水流量；第二涡轮流量计17通过出水管16与各排水管路中竖直集水管15的水平排水孔14连接，用于检测排水流量；两个涡轮流量计分别通过信号线与计算机相连。
测压管5为透明软管，有多路且并列设置。测压管5的一端接于隧道模型箱体底部的测压孔20，测压孔20处以滤纸遮挡防止砂石进入；测压管5的另一端接于隧道模型箱体的侧面开孔。在箱体侧面的上部设置一排溢水孔，溢水孔的高度低于与测压管5相接的侧面开孔，避免由侧面开孔处向测压管5内渗水。在测压管5旁的箱体侧面上设有用于读取管内水位高度的标尺。
具体应用示例：
本实施例中，隧道形状的贯穿通孔7长度为30cm，其下部底板左右两侧对称设置两条宽度2cm、深度2cm、长度30cm的长方体凹槽13，凹槽13底部设置两两对称的圆形开孔。上部弧形板的左右两侧对称开设斜圆形开孔9，用于穿过软管8并与斜向排水管10的顶端开口对接。
斜向排水管10为内径1cm、长16.5cm的有机玻璃管，其储水段12长度7cm，其余部分为引水段11。竖直集水管15为内径1cm、长4cm的有机玻璃管，竖直集水管15在凹槽13圆形开孔内的插入深度为2cm。
隧道模型箱体中装填砂土作为围岩模型，砂土通过调节砂的颗粒级配，控制孔隙比模拟具有不同渗透性的围岩，堆砌充满隧道模型箱体至40cm高度处。箱体右侧壁设置的溢水孔可以将箱内的水头维持在一定的高度以下。隧道模型箱体底部有16个等距间隔排列成正方形的测压孔20，测压孔20上部覆盖一层滤纸防止砂土颗粒堵塞管道。测压管5为4mm内径的软管，试验时可以通过贴在左壁外侧的尺读出管内水位高度，从而得到隧道模型箱体内实际水头高度。
第一涡轮流量计1的量程范围为0.1m3/h～0.6m3/h，第二涡轮流量计17的量程范围为0.04m3/h～0.25m3/h，所述计算机为笔记本电脑(也可选工控机)，笔记本电脑能够实时记录收到的数据，并生成降水与排水瞬时流量随时间变化的趋势图。
本发明中，试验所得数据能够反映了隧道模型的渗流场特征与疏排水流量之间的规律，这些试验数据经理论和数值分析后，可以反演得到隧道围岩的水文参数。此外，隧道排水措施在不同布设方案下的试验结果能为实际的工程提供参考依据。
以上所述的仅为本发明的具体实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等效替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种模拟隧道排水渗流状态的试验装置，包括隧道模型箱体，其特征在于，还包括降水喷淋系统、排水系统和监测系统；其中，
所述隧道模型箱体为顶部开口的长方体箱体，箱体前后侧壁的下部对称设有开孔，两个开孔之间由上部弧形板和下部底板共同组成模拟隧道形状的贯穿通孔；隧道模型箱体的内部空间用于装填土体；
所述降水喷淋系统包括进水管和多个均匀分布的喷淋器，喷淋器位于箱体的顶部开口处；
所述排水系统包括至少一个固定在贯穿通孔上的排水管路，排水管路由斜向排水管、竖直集水管和用于连接两者的软管组成；其中，斜向排水管与水平方向呈25°夹角，其顶部开口端固定在弧形板的外壁上，使其能斜向伸入至砂土中；斜向排水管的上半段为引水段，其管壁布设多个用于引水的引水孔，引水段的外侧包裹滤纸；斜向排水管的下半段为储水段，其管壁不开孔且底端封闭；竖直集水管部分插入至底板上的开孔以实现固定，其顶端开口、底端封口且中部设水平方向的水平排水孔；所述软管的一端插入斜向排水管直至底端，另一端插入竖直集水管直至底端，用于实现斜向排水管向竖直集水管排水；斜向排水管底端与竖直集水管底端位于同一水平线上，且斜向排水管的储水段最高点的水平位置要高于竖直集水管的水平排水孔的水平位置，以防止排水过程中出现断流；
所述监测系统包括计算机和两个涡轮流量计；其中，第一涡轮流量计连接在降水喷淋系统的进水管上，用于监测降水流量；第二涡轮流量计通过出水管与竖直集水管的水平排水孔连接，用于检测排水流量；两个涡轮流量计分别通过信号线与计算机相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述监测系统还包括多路测压管；测压管的一端接于隧道模型箱体底部的测压孔，测压孔处以滤纸遮挡防止砂石进入；测压管的另一端接于隧道模型箱体的侧面开孔，该侧面开孔处不会向测压管渗水。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在隧道模型箱体侧面的上部设置一排溢水孔，溢水孔的高度低于所述隧道模型箱体的侧面开孔。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述多路测压管为并列设置，测压管为透明软管，在测压管旁的箱体侧面上设有用于读取测压管内水位高度的标尺。
5.根据权利要求1至4任意一项中所述的装置，其特征在于，所述排水管路有多个，各排水管路中竖直集水管的水平排水孔均通过出水管连接至第二涡轮流量计；每两个排水管路为一组，对称设置于隧道形状的贯穿通孔两侧，每两组排水管路之间呈间距布置。
6.根据权利要求1至4任意一项中所述的装置，其特征在于，所述隧道形状的贯穿通孔的下部底板两侧设置平行的凹槽，所述底板上的开孔位于凹槽中，所述竖直集水管固定在凹槽的开孔中。
7.根据权利要求1至4任意一项中所述的装置，其特征在于，所述降水喷淋系统包括多块等间隔搭接在隧道模型箱开口处的长条形铝板，铝板上开设圆孔，进水管的分支管路分别穿过各圆孔，接至固定在铝板下方的喷淋器；或者，所述降水喷淋系统包括一块安放在隧道模型箱开口处的铝板，铝板上开设多个等间隔布置的圆孔，进水管的分支管路分别穿过各圆孔，接至固定在铝板下方的喷淋器。
8.根据权利要求1至4任意一项中所述的装置，其特征在于，所述隧道模型箱的底部、侧壁，以及隧道形状贯穿通孔的上部弧形板和下部底板，均为透明的有机玻璃板；所述斜向排水管和竖直集水管均为有机玻璃管，软管为PU软管。
9.根据权利要求1至4任意一项中所述的装置，其特征在于，所述隧道模型箱体的底部设有用于支撑箱体的钢架。
10.根据权利要求1至4任意一项中所述的装置，其特征在于，斜向排水管与弧形板外壁的连接处，以及竖直集水管与底板的连接处均为密封连接。
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