CN108037267A - 一种模拟管道漏水侵蚀冲刷诱发道路坍塌的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟管道漏水侵蚀冲刷诱发道路坍塌的试验装置，包括模型箱、供水单元、排水单元、地下管道和水土收集箱，地下管道穿过模型箱埋设于试验土体内，供水单元位于模型箱左侧并与地下管道左端相连，排水单元位于模型箱右侧并与地下管道右端相连，水土收集箱位于模型箱下方；调节供水单元、排水单元和地下管道的供水阀可以控制地下管道的压力和流速,水土收集箱收集通过模型箱底板下渗的土体和水流。本发明用于模拟城区输、排水管道破损漏水致使土体流失，最终导致道路坍塌的致灾过程。

Description

一种模拟管道漏水侵蚀冲刷诱发道路坍塌的试验装置

技术领域

本发明涉及一种路面坍塌实验装置，尤其涉及一种模拟管道漏水侵蚀冲刷诱发道路坍塌的试验装置。

背景技术

道路坍塌是指地表岩、土体在自然或人为因素作用下，向下陷落，并在地面形成塌陷坑的一种地质现象。随着经济社会的发展和城市化的建设，城市供水量和排水量大大增加，地下管道往往超负荷运行，而部分地下管道年代久远易被锈蚀，大大增加了发生管道渗漏的概率，极易引发道路坍塌。以往管道渗漏导致道路坍塌实例表明，地下管道破损后水流冲刷土体，形成渗流通道致使土颗粒流失，地下空洞形成并逐渐扩大，最终造成道路坍塌。道路坍塌发展突然，灾害严重，因此本发明对预防管道破损漏水导致城区道路坍塌灾害的发生具有重要意义。

物理模型试验能够较为直观的揭示物理现象的发展过程。现有的相关专利(申请专利号CN[106018736])存在以下不足：1、未能模拟破损口由小变大的破损过程；2、未能定量考虑城市输水管道压力对道路坍塌的影响3、未能考虑地下渗流通道的形成和土颗粒向更深部土体流失的过程。因此，本专利开发了一种模拟管道漏水侵蚀冲刷诱发道路坍塌的试验装置,用于研究随着管道破损口逐渐扩大，相应漏水由渗水变成射流，其对岩土体由浸蚀发展成为冲刷，最后导致地层突然坍塌灾害的孕育机制。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种模拟管道漏水侵蚀冲刷诱发道路坍塌的试验装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模拟管道漏水侵蚀冲刷诱发道路坍塌的试验装置，该试验装置包括模型箱、供水单元、排水单元、地下管道和水土收集箱，地下管道穿过模型箱埋设于试验土体内，供水单元位于模型箱左侧并与地下管道左端相连，排水单元位于模型箱右侧并与地下管道右端相连，水土收集箱位于模型箱下方；模型箱(13)的模型箱底板(13-2)上设有底板圆孔(47)。

供水单元可以调节地下管道上游水流压力和流速，地下管道模拟城市输水管道破损后渗水，排水单元可以调节地下管道下游水流压力和流速，水土收集箱收集通过模型箱底板下渗的土体和水流。

所述模型箱四个边角放置于承台上，模型箱四周侧板由高强透明玻璃组成，模型箱正面板绘有横向刻度线和纵向刻度线；模型箱左右侧板设有多个用于穿过地下管道的侧板圆孔；模型箱底板采用钢板组成，钢板上设有多排底板圆孔；模型箱内下部铺设卵砾石和砂子混合物，模型箱内上部装填模拟道路坍塌的试验土体。

所述供水单元包括第一压力瓶、压力供水箱、集水箱、水泵、供水管、第一减压管、第一排气管和第一水位计，水泵与供水管相连，供水管一端与集水箱相连，另一端与压力供水箱下部相连；第一压力瓶通过第一减压管与压力供水箱上部相连，第一减压管上设有第一闸阀、第一压力报警器和第一减压稳压阀；压力供水箱为密闭箱体且上部连接第一排气管，第一排气管上设有第一恒压阀；供水管、第一减压管、第一排气管上均连接有快速接头；地下管道的左端与压力供水箱下部相连；第一水位计位于压力供水箱内。

所述排水单元包括第二压力瓶、压力排水箱、排水管、第二减压管、第二排气管和第二水位计，排水管一端与集水箱相连，另一端与压力排水箱下部相连，排水管上设有减压阀、第三流量计和排水阀；第二压力瓶通过第二减压管与压力排水箱上部相连，第二减压管上设有第二闸阀、第二压力报警器和第二减压稳压阀；压力排水箱为密闭箱体且上部连接第二排气管，第二排气管上设有第二恒压阀；排水管、第二减压管、第二排气管上均连接有快速接头；地下管道的末端与压力排水箱下部相连；第二水位计位于压力排水箱内。

所述地下管道分为左部、中部、右部三部分，破损口位于左部地下管道的右端，左部地下管道和中部地下管道通过螺纹连接方式相连接，中部地下管道和右部地下管道之间通过螺纹接头相连，位于模型箱内的中部地下管道外侧设有套管，左部地下管道设有供水阀、第一流量计和第一压力表，中部地下管道设有角度刻度盘、转动圆环、第二压力表和第二流量计，地下管道两端均连接有快速接头。

进一步的，模型箱正面板沿高度方向设有多个测压管。

本发明具有如下优点：

1、该试验装置能够较为真实的模拟土层下部渗流通道的形成。在模拟管道破损漏水导致道路坍塌的试验中，在模型箱底部铺设卵砾石和砂子的混合物，并将相应位置底板圆孔中的孔塞替换为易溶性物质，模拟地下渗流通道形成之前的状态；管道破损后，水流下渗导致易溶性物质溶解和砂子流失，形成渗流通道，造成上部土颗粒流失，最终导致道路坍塌。

2、设计了两种地下管道破损口的破损模式，旋转转动圆环可以使破损口逐渐变大，以模拟城市输水管道实际破损过程。

3、调节该装置中的供水单元和排水单元可以模拟城市地下输水管道中的不同压力和流速，从而定量分析压力和流速对地下空洞产生、扩大和道路坍塌的影响。

4、采用半结构，便于观测地下管道破损后土体流失情况和空洞发展过程，模型箱正面板设置测压管实时测量地下管道破损口周围土体水压力的大小，为分析不同位置的土体应力状态提供实测数据。

5、模型箱下方设置水土收集箱，收集试验过程中流失的土体和水流，试验完成后对流失土体进行土颗粒级配测定，为分析土颗粒流失通道、空洞的形成和扩大提供数据。

附图说明

图1为本发明实例提供的一种模拟管道漏水侵蚀冲刷诱发道路坍塌的试验装置整体示意图；

图2-1为破损口沿地下管道环向扩大的破损口详图；

图2-2为破损口沿地下管道径向扩大的破损口详图

图3为转动圆环节点详图；

图4为模型箱正面板平面图；

图5为模型箱底板平面图；

图6为测压管和侧板圆孔布置图；

图中各个标号表示：

其中1为第一压力瓶，2为压力给水箱，3为集水箱，4为水泵，5为供水管，6为第一减压管，7为第一排气管，8为第一闸阀，9为第一压力报警器，10为第一减压稳压阀，11为第一恒压阀，12为快速接头，13为模型箱，13-1为模型箱正面板，13-2为模型箱底板，14为试验土体，15为卵砾石和砂子混合物，16为地下管道，16-1为左部地下管道，16-2为中部地下管道，16-3为右部地下管道，17为供水阀，18为第一流量计，19为第一压力表，20为破损口，21为角度刻度盘，22为转动圆环，22-1为凹槽，23为第二流量计，24为第二压力表，25为螺纹接头，26为第二压力瓶,27为压力排水箱，28为第二闸阀，29为降压管2，30为第二压力报警器，31为第二降压稳压阀，32为第二排气管，33为第二恒压阀，34为第一水位计，35为减压阀，36为排水阀，37为排水管，38为第三流量计，39为水土收集箱，40为第二水位计，41为侧板圆孔，42为测压管，43为横向刻度线，44为纵向刻度线，45为摄像机，46为小凸块，47为底板圆孔，48为承台。

具体实施方式

下面结合附图1-附图6对本发明作进一步阐述。

本发明实施的一种模拟管道漏水侵蚀冲刷诱发道路坍塌的试验装置包括模型箱13、供水单元、排水单元、地下管道16和水土收集箱39。

该试验装置采用半结构模型试验，模型箱13为长方体，长度为宽度的二倍，地下管道16平行于长度方向；模型箱13四周侧板由高强透明玻璃组成，模型箱正面板13-1表面沿绘有横向刻度线43和纵向刻度线44，便于观测地下管道破损后土体流失情况和空洞发展过程；模型箱13左右侧板设有多个侧板圆孔41，地下管道16穿过侧板圆孔41并埋设于试验土体14内，其它侧板圆孔41用孔塞堵住；模型箱底板13-2采用钢板组成并设有多排底板圆孔47，底板圆孔47中设有孔塞，试验中可根据试验要求将部分孔塞替换为易溶性物质；模型箱13下部铺设一定厚度的卵砾石和砂子混合物15，卵砾石级配优良程度根据试验需要设定，可影响土颗粒流失通道形成的速度；模型箱13上部按试验要求填装相应的土料。试验过程中，地下管道16破损前，模型箱13内试验土体14处于稳定状态；地下管道16破损漏水之后，易溶性物质消失，在渗流力作用下，卵砾石间隙中的砂子开始流失，土颗粒流失通道形成并逐渐向上扩展，导致试验土体14流失，空洞形成并逐渐扩大，最终导致上部土体坍塌。

供水单元包括第一压力瓶1、压力供水箱2、集水箱3、水泵4、供水管5、第一减压管6、第一排气管7和第一水位计34，水泵4与供水管5相连，供水管5一端与集水箱3相连，另一端与压力供水箱2下部相连，调节水泵4开关大小可以控制输入压力供水箱2的水量大小；第一压力瓶1通过第一减压管6与压力供水箱2上部相连，第一减压管6上设有第一闸阀8、第一压力报警器9和第一减压稳压阀10，第一压力瓶1中充填压缩气体。调节第一减压稳压阀10的压力设定值可以控制供水压力箱2中的压力，第一压力报警器9会在第一压力瓶1压力不足时发出警报，提示压力不足；压力供水箱2为密闭箱体且上部连接第一排气管7，第一排气管7上设有第一恒压阀11，当压力供水箱2内的压力过高时，第一恒压阀11自动打开，压力供水箱2内气体逐步降低至设定值并稳定；地下管道16的左端与压力供水箱2下部相连，供水管5、第一减压管6、第一排气管7上均连接有快速接头12，方便压力供水箱2与各个管道的快速连接；第一水位计34位于压力供水箱2内，用于测量其水位高度。同时调大或调小第一减压稳压阀10的阀后压力设定值和第一恒压阀11的压力设定值，可以控制压力供水箱2内压力的升高或降低；调节水泵4和供水阀17可以控制地下管道(16)上游水流流速。

排水单元包括第二压力瓶26、压力排水箱27、排水管37、第二减压管29、第二排气管32、第三流量计(38)和第二水位计40，排水管37一端与集水箱3相连，另一端与压力排水箱27下部相连，排水管37上设有减压阀35、第三流量计(38)和排水阀36，通过调节减压阀35将排水管37中的水压降低，避免排水管37出水口水压过大导致水流喷涌而出，调节排水阀36使压力排水箱27进水量和出水量相同；第二压力瓶26通过第二减压管29与压力排水箱27上部相连，第二减压管29上设有第二闸阀28、第二压力报警器30和第二减压稳压阀31，第二压力瓶26中充填压缩气体。调节第二减压稳压阀31的压力设定值可以控制排水压力箱27中的压力；第二压力报警器30会在第二压力瓶26压力不足时发出警报，提示压力不足；压力排水箱27为密闭箱体且上部连接第二排气管32，第二排气管32上设有第二恒压阀33，当压力排水箱27内的压力超过第二恒压阀33的压力设定值时，压力排水箱27内气体逐步降低至设定值并稳定；地下管道16的右端与压力排水箱27下部相连；排水管37、第二减压管29、第二排气管32上均连接有快速接头12，方便压力排水箱27与各个管道的快速连接；第二水位计40位于压力排水箱27内，用于测量其水位高度。同时调大或调小第二减压稳压阀31的阀后压力设定值和第二恒压阀33的压力设定值，可以控制压力排水箱27内压力的升高或降低。

模拟城市输水管道正常运行时，关键在于控制地下管道16的压力和流速，具体的，首先向压力供水箱2和压力排水箱27内输入一定量的水，设定第一减压稳压阀10、第二减压稳压阀31的阀后压力值和第一恒压阀11、第二恒压阀32的压力设定值，打开第一闸阀8，第一压力瓶1开始向压力供水箱2内输送气体，同时将水泵4的流量逐步提升至设定值，调整供水阀17的开关大小，观察第一水位计34、第一流量计18和第一压力表19的数值，使压力供水箱内2水位和压力逐步稳定；当压力供水箱内2的水流流至压力排水箱27时，打开第二闸阀28，压力排水箱27内压力升高，打开减压阀35，降低排水管37出口的压力，观察第二水位计40、第二流量计23、第三流量计38和压力表24的数值，调节排水阀36的阀门大小，压力排水箱27内水位和压力逐步稳定，压力供水箱2内压力略大于压力排水箱27内压力，供水管5的供水量和排水管37的排水量相等，压力供水箱2和压力排水箱27水流输入和输出达到平衡。

根据城市输水管道破损实际情况，设计了两种具有代表性的破损口20逐渐扩大的方式，根据图2的管道破口损详图进行分析：

方案一，破损口20沿地下管道16环向逐渐扩大。具体的，破损口20位于左部地下管道16-1的右端，左部地下管道16-1和中部地下管道16-2连接方式为螺纹连接，将中部地下管道16-2左端插入部分切割为半圆形管道；安装试验装置时，将破损口20旋转至试验设定位置，管道连接完好，破损口20不渗水；进行模拟试验时，通过旋转转动圆环22使中部地下管道16-2旋转后退，破损口20长度逐渐变大。

方案二，破损口20沿地下管道16轴向逐渐扩大。具体的，破损口20位于左部地下管道16-1的右端，左部地下管道16-1和中部地下管道16-2连接方式为螺纹连接；安装试验装置时，将破损口20旋转至试验设定位置，管道连接完好，破损口20不渗水；进行模拟试验时，通过旋转转动圆环22使中部地下管道16-2旋转后退，破损口20宽度逐渐变大。

如图3所示，中部地下管道16-2外壁通过胶水固定两个有小凸块46，转动圆环22内侧设有两个凹槽22-1，将凹槽22-1卡在小凸块46处；试验进行前，将角度刻度盘21的刻度值与破损口20的大小进行相互对应。模拟城市输水管道破损时，观察角度刻度盘21的数值并旋转转动圆环22，从而将破损口20大小以一定速率精确调整至设定值；地下管道16破损过程分多次进行；地下管道16破损后，计算出第一流量计18和第二流量计23的差值即为渗入试验土体14中的水量。

地下管道16破损后，降低压力排水箱27中的压力模拟城市输水管道破损后下游压力下降，具体方式为：每次将转动圆环22旋转一定角度后，调小第二减压稳压阀32的阀后压力设定值和第二恒压阀33的压力设定值使压力排水箱27内部分气体排出，压力排水箱27内的压力逐渐降低，压力下降值与转动圆环22的旋转角度线性相关；观察第二压力表24和第二流量计23的读数，地下管道16下游压力和流量会有较大的波动，之后再趋于稳定，我们认为此时该阶段的破损过程已经完成，可以进行下一阶段，将转动圆环22旋转至更大的角度，亦需要重新调小第二减压稳压阀31的阀后压力设定值和第二恒压阀33的压力设定值，之后重复进行，直至地下管道16破损至最大程度。

模型箱13四个边角放置于承台48上，模型箱13下方设有水土收集箱39；在试验过程中，观察通过模型箱底板13-2流失土颗粒的大小和流失的速度，并且在试验过后进行流失土体颗粒级配的测定，为分析土颗粒流失通道的形成、空洞的形成和扩大提供参考。

模型箱正面板13-1沿高度方向设有多个测压管42，可以实时测量管道破损后地下土体动水压力的大小，为分析不同位置的土体应力状态提供实测数据。

模型箱顶部和前方设有摄像机45，可以记录地下空洞产生、扩大和道路坍塌的全过程。

一种模拟管道漏水侵蚀冲刷诱发道路坍塌的试验装置，包括以下具体步骤:

(1)搭建试验装置，根据试验设定将部分底板圆孔47内的孔塞替换为易溶性物质，(比如：盐块)即使用易溶性物质作为底板圆孔47的孔塞。在模型箱13下部铺设一定厚度的卵砾石，模拟土颗粒渗流通道，卵砾石之间的空隙填满砂子。

(2)根据塌陷区的地质勘探报告和相似理论的计算结果，制备相应的土料并在模型箱中分层铺设，压实至指定高度，表面拉毛，确保每层土体接触良好；铺设地下管道16并将破损口20旋转至设定位置。

(3)模拟城市管道正常输水，对压力供水单元进行调节，控制地下管道16上游的压力和流速，对压力排水单元进行调节，控制地下管道16下游的压力和流速。

(4)地下管道输水稳定后，模拟城市输水管道破损和下游压力的降低。试验中需要观察的现象和记录的数据为：

①记录第一流量计18、第二流量计23、第三流量计38、第一压力表19和第二压力表24的读数变化。

②记录各个测压管42读数大小。

③观察并用摄像机拍摄土体流失情况、空洞发展过程和试验土体表面的位移变化。

④观察通过模型箱底板13-2流失土颗粒的大小和流失的速度。

(5)试验结束，关闭水泵4、第一闸阀8、第二闸阀28、供水阀17和排水阀36，整理试验器材。对水土收集箱39中的土体进行颗粒级配测定，测定模型箱中试验土体的颗粒级配和孔隙率，进行数据整理和分析。

以上仅为本发明的一个具体实施实例，并不限定本发明的范围，在本发明的构思和原则之内所做的任何修改、同等替换和改进等，都属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模拟管道漏水侵蚀冲刷诱发道路坍塌的试验装置，其特征在于，包括模型箱(13)、供水单元、排水单元、地下管道(16)和水土收集箱(39)，地下管道(16)穿过模型箱(13)埋设于试验土体(14)内，供水单元位于模型箱(13)左侧并与地下管道(16)左端相连，排水单元位于模型箱(13)右侧并与地下管道(16)右端相连，水土收集箱(39)位于模型箱(13)下方；模型箱(13)的模型箱底板(13-2)上设有底板圆孔(47)；

供水单元用于调节地下管道(16)上游水流压力和流速，地下管道(16)模拟城市输水管道破损后渗水，排水单元用于调节地下管道(16)下游水流压力和流速，水土收集箱(39)收集通过模型箱底板(13-2)下渗的土体和水流。

2.如权利要求1所述的一种模拟管道漏水侵蚀冲刷诱发道路坍塌的试验装置，其特征在于:所述模型箱(13)四个边角放置于承台(48)上，模型箱(13)四周侧板由高强透明玻璃组成，模型箱正面板(13-1)绘有横向刻度线(43)和纵向刻度线(44)；模型箱(13)左右侧板设有多个用于穿过地下管道(16)的侧板圆孔(41)；模型箱底板(13-2)采用钢板组成，钢板上设有多排底板圆孔(47)；模型箱(13)内下部铺设卵砾石和砂子混合物(15)，模型箱(13)内上部装填模拟道路坍塌的试验土体(14)。

3.如权利要求1所述的一种模拟管道漏水侵蚀冲刷诱发道路坍塌的试验装置，其特征在于:所述供水单元包括第一压力瓶(1)、压力供水箱(2)、集水箱(3)、水泵(4)、供水管(5)、第一减压管(6)、第一排气管(7)和第一水位计(34)，水泵(4)与供水管(5)相连，供水管(5)一端与集水箱(3)相连，另一端与压力供水箱(2)下部相连；第一压力瓶(1)通过第一减压管(6)与压力供水箱(2)上部相连，第一减压管(6)上设有第一闸阀(8)、第一压力报警器(9)和第一减压稳压阀(10)；压力供水箱(2)为密闭箱体且上部连接第一排气管(7)，第一排气管(7)上设有第一恒压阀(11)；供水管(5)、第一减压管(6)、第一排气管(7)上均连接有快速接头(12)；地下管道(16)的左端与压力供水箱(2)下部相连；第一水位计(34)位于压力供水箱(2)内。

4.如权利要求1所述的一种模拟管道漏水侵蚀冲刷诱发道路坍塌的试验装置，其特征在于:所述排水单元包括第二压力瓶(26)、压力排水箱(27)、排水管(37)、第二减压管(29)、第二排气管(32)和第二水位计(40)，排水管(37)一端与集水箱(3)相连，另一端与压力排水箱(27)下部相连，排水管(37)上设有减压阀(35)、第三流量计(38)和排水阀(36)；第二压力瓶(26)通过第二减压管(29)与压力排水箱(27)上部相连，第二减压管(29)上设有第二闸阀(28)、第二压力报警器(30)和第二减压稳压阀(31)；压力排水箱(27)为密闭箱体且上部连接第二排气管(32)，第二排气管(32)上设有第二恒压阀(33)；排水管(37)、第二减压管(29)、第二排气管(32)上均连接有快速接头(12)；地下管道(16)的末端与压力排水箱(27)下部相连；第二水位计(40)位于压力排水箱(27)内。

5.如权利要求1所述的一种模拟管道漏水侵蚀冲刷诱发道路坍塌的试验装置，其特征在于:所述地下管道(16)分为左部、中部、右部三部分，破损口(20)位于左部地下管道(16-1)的右端，左部地下管道(16-1)和中部地下管道(16-2)通过螺纹连接方式相连接，中部地下管道(16-2)和右部地下管道(16-2)之间通过螺纹接头(25)相连，位于模型箱(13)内的中部地下管道(16-2)外侧设有套管，左部地下管道(16-1)设有供水阀(17)、第一流量计(18)和第一压力表(19)，中部地下管道(16-2)设有角度刻度盘(21)、转动圆环(22)、第二压力表(24)和第二流量计(23)，地下管道(16)两端均连接有快速接头(12)。

6.如权利要求1所述的一种模拟管道漏水侵蚀冲刷诱发道路坍塌的试验装置，其特征在于:模型箱正面板(13-1)沿高度方向设有多个测压管(42)。