CN108169427B - 一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统及试验方法，其通过地应力加载组件可全面模拟实际岩(土)体的受力状态，通过水压加载组件，可最大程度还原隧道围岩土体的地下渗流环境，能用于模拟隧道突水、真实反映灾变过程，可以节省大量资金和人力物力，具有试验成本低、周期短、操作方便的特点。

Description

一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统及试验方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领，尤其涉及一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统及试验方法。

背景技术

随着我国经济的高速发展，水电工程和交通运输等重大基础设施越来越受到人们的重视，岩土工程的研究重点日益转向地下，交通隧道、水利水电工程中的引水隧洞等地下工程越来越多，如锦屏二级水电站引水隧洞、武汉长江隧道、青岛胶州湾隧道等。受高水压力和复杂地质条件的影响，隧道在施工过程中极易诱发突水、涌泥、塌方等地质灾害，为隧道工程安全建设和工程防灾减灾带来严峻挑战。

室内物理模拟试验是一种在满足一定相似定律的前提下，对岩土体进行缩尺寸模拟的物理模型试验方法，是研究地下工程问题常用的一种手段。相比于传统的物理模型试验，由于水下隧道涉及水对工程结构的影响，流固耦合作用下的复杂性使得以往的模型试验研究无法满足隧道突水物理模拟试验的需要。

在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术中至少存在以下不足：

现有技术中的模型试验研究并不能很好地反映水环境下隧道突水灾变过程，还存在许多不足之处，如地应力加载、水压控制、试验系统密封性等，为研制一套实用、可靠，可用于模拟隧道突水，真实反映灾变过程的物理模型试验系统及试验方法是当前亟待解决的科学问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统及试验方法，以很好地反映水环境下隧道突水灾变过程。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，所述试验系统包括试验结构架、密封箱、地应力加载组件、水压加载组件、数据采集监测组件，

所述密封箱为六块钢化玻璃板组成的立方体状，所述密封箱位于安装框架内，位于水平纵向两侧的两个所述钢化玻璃板的中部设置有安装孔，所述安装孔内设置有圆形钢化玻璃板；所述密封箱安装在所述试验结构架上，所述密封箱内填充有试验层，所述试验层为流固耦合相似材料铺设而成，所述密封箱的内壁和所述试验层之间铺设有密实隔水材料层，位于上方的所述密实隔水材料层和所述试验层之间铺设有透水材料层；

所述地应力加载组件包括多个竖向动力加载单元和多个水平动力加载单元，多个所述竖向动力加载单元的固定端安装在所述试验结构架上，多个所述竖向动力加载单元的伸缩端沿竖向伸缩，多个所述竖向动力加载单元的伸缩端等间距作用在所述密封箱的上侧，多个所述水平动力加载单元沿竖向对称设置有两组，每组所述水平动力加载单元的固定端安装在所述试验结构架上，每组所述水平动力加载单元的伸缩端均沿水平横向伸缩，每组所述水平动力加载单元的伸缩端分别对应等间距作用在所述密封箱的水平横向两侧；

所述水压加载组件包括水箱、水压加载泵和进水管，所述进水管的一端和所述水箱连通，所述水压加载泵安装在所述进水管上，所述进水管的另一端设置有多个支路，每个支路均对应和渗流管道连通，所述渗流管道设置在上方的所述密实隔水材料层中；

所述数据采集监测组件包括位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器、高速摄像机以及计算机，所述位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器埋设在所述试验层中，所述位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器均和所述计算机相连接，所述高速摄像机安装在所述试验结构架外侧，用于全程记录围岩渗透失稳全过程。

进一步地，所述圆形钢化玻璃板和所述安装孔之间设置有密封圈，以保证密封效果。

进一步地，所述水压加载组件还包括稳压器，所述稳压器和所述水压加载泵并联在所述进水管上，以保证水源输送的稳定性。

进一步地，所述试验结构架包括底基座和安装在所述底基座上的试验框架，所述试验框架包括两个支撑板和一个连接板，两个所述支撑板沿水平横向相对安装在所述底基座上，两个所述支撑板的顶部通过所述连接板连接。

更进一步地，所述试验框架还包括位于所述试验框架内的加强框架，所述加强框架包括两个竖向加强板和一个横向加强板，两个所述竖向加强板均和所述支撑板平行，两个所述竖向加强板安装在所述底基座上，所述竖向加强板和与所述竖向加强板位于同一侧的所述支撑板之间通过多个等间距的侧肋板连接，两个所述竖向加强板的顶端通过所述横向加强板连接，所述横向加强板和所述连接板之间通过多个等间距的上肋板连接，以保证试验框架的整体强度。

进一步地，所述侧肋板上可转动地与定位板的一端连接，所述定位板的另一端与所述安装框架位于水平横向同侧的侧边可拆卸连接，这样可以方便密封箱的装配。

进一步地，多个所述竖向动力加载单元的固定端安装在所述横向加强板上，多个所述竖向动力加载单元的伸缩端均作用在一个第一加压板上，所述第一加压板作用在所述密封箱的上侧，这样可以提高加压的作用面积，由于设置了第一加压板，这样可以提高动力加载单元加压的作用面积，使试验层受力更加均匀，更好地进行地应力加载。

进一步地，每组所述水平动力加载单元的固定端均安装在同侧的所述竖向加强板上，每组所述水平动力加载单元的伸缩端均作用在一个第二加压板上，所述第二加压板作用在同侧的所述密封箱的水平横向侧部，这样可以提高加压的作用面积，更好地进行地应力加载，由于设置了第二加压板，这样可以提高动力加载单元加压的作用面积，使试验层受力更加均匀，更好地进行地应力加载。

一种利用上述的试验系统进行平面应力模型的隧道突水物理模拟试验方法，所述试验方法包括：

组装所述试验系统；

地应力加载组件中的水平动力加载单元和水平动力加载单元将预设的地应力值加载到所述试验层上，其中，所述水平动力加载单元的地应力值可以从上至下依次增大；

水压加载组件作用，其中的水压加载泵通过进水管将水箱内的水注入到透水材料层中，然后渗入到所述试验层的内部，实现向试验层施加水压力；

去除密封箱位于水平纵向两侧的两个钢化玻璃板上的圆形钢化玻璃板，并在去除的圆形钢化玻璃板的部位上，通过人工钻凿的方式开挖隧道；

隧道开挖完成后，高速摄像机全程记录围岩渗透失稳全过程，数据采集监测组件中的位移变形传感器、渗压传感器以及压力传感器采集到的数据传输到计算机中，以对数据进行分析处理。

更进一步地，所述组装所述试验系统包括：

组装密封箱：将底部和水平横向两侧的钢化玻璃板置于安装框架内，同时将预制有圆形钢化玻璃板的水平纵向一侧的钢化玻璃板安装在安装框架内，通过柔性粘胶密封钢化玻璃板之间的连接处；

根据相似定律计算模拟隧道围岩土体的试验层的体积尺寸，首先在底部钢化玻璃板上铺设密实隔水材料层，之后分层铺设试验层，在分层铺设过程中在水平横向两侧铺设等厚度的密实隔水材料，同时埋设位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器，然后在试验层上依次铺设透水材料层和密实隔水材料层，并在试验层上的密实隔水材料层内预埋渗流管道；

铺设位于上方的钢化玻璃板，在位于上方的钢化玻璃板中预留供进水管穿过的通孔；

安装预制圆形玻璃管的水平纵向另一侧的钢化玻璃板；

安装地应力加载组件、水压加载组件、数据采集监测组件。

本发明的有益效果是：

本发明的一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统及试验方法，通过地应力加载组件可全面模拟实际岩(土)体的受力状态，通过水压加载组件，可最大程度还原隧道围岩土体的地下渗流环境，能用于模拟隧道突水、真实反映灾变过程，可以节省大量资金和人力物力，具有试验成本低、周期短、操作方便的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统的结构布置示意图；

图2为本发明实施例的一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统中试验结构架上的结构布置示意图；

图3为图1中的A处局部放大示意图；

图4为图1中的B-B的截面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例的一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统的结构布置示意图，图2为本发明实施例的一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统中试验结构架上的结构布置示意图，参见图1及图2，该试验系统包括试验结构架、密封箱1、地应力加载组件、水压加载组件以及数据采集监测组件。

图3为图1中的A处局部放大示意图，图4为图1中的B-B的截面示意图，结合图1-图4，本发明实施例的密封箱1为六块钢化玻璃板组成的立方体状，密封箱1位于安装框架2内，位于水平纵向两侧的两个钢化玻璃板的中部设置有安装孔，安装孔内设置有圆形钢化玻璃板3；密封箱1安装在试验结构架上，密封箱1内填充有试验层4，试验层4为流固耦合相似材料铺设而成，密封箱1的内壁和试验层4之间铺设有密实隔水材料层5，位于上方的密实隔水材料层5和试验层4之间铺设有透水材料层6。

结合图1,本发明实施例中，圆形钢化玻璃板3和安装孔之间可以设置有密封圈9，以保证密封效果，防止渗漏。

结合图1、图2及图3，本发明实施例的地应力加载组件包括多个竖向动力加载单元7和多个水平动力加载单元8，多个竖向动力加载单元7的固定端安装在试验结构架上，多个竖向动力加载单元7的伸缩端沿竖向伸缩，多个竖向动力加载单元7的伸缩端等间距作用在密封箱1的上侧，多个水平动力加载单元8沿竖向对称设置有两组，每组水平动力加载单元8的固定端安装在试验结构架上，每组水平动力加载单元8的伸缩端均沿水平横向伸缩，每组水平动力加载单元8的伸缩端分别对应等间距作用在密封箱1的水平横向两侧。这样，地应力加载组件可根据选择的研究范围和比例尺的大小，实现对水平应力的加载，以真实反应实际工程某一危险截面的灾变情况，全面模拟实际岩(土)体的受力状态，相比于大型三维物理模型试验可以节省大量资金和人力物力，具有试验成本低、周期短、操作方便的特点。

结合图1及图2，本发明实施例的试验结构架可以包括底基座10和安装在底基座上的试验框架，该试验框架包括两个支撑板11和一个连接板12，两个支撑板11沿水平横向相对安装在底基座10上，两个支撑板11的顶部通过连接板12连接成一起，形成门形。

结合图1及图2，本发明实施例的试验框架还可以包括位于试验框架内的加强框架，加强框架包括两个竖向加强板13和一个横向加强板14，两个竖向加强板13均和支撑板11平行，两个竖向加强板13安装在底基座10上，竖向加强板13和与竖向加强板13位于同一侧的支撑板11之间通过多个等间距的侧肋板15连接，两个竖向加强板13的顶端通过横向加强板14连接，横向加强板14和连接板12之间通过多个等间距的上肋板16连接，以保证试验框架的整体强度。结合图1、图2及图3，本发明实施例中，多个竖向动力加载单元7的固定端安装在横向加强板14上，多个竖向动力加载单元7的伸缩端均作用在一个第一加压板17上，第一加压板17作用在密封箱1的上侧；而每组水平动力加载单元8的固定端均安装在同侧的竖向加强板13上，每组水平动力加载单元8的伸缩端均作用在一个第二加压板18上，第二加压板18作用在同侧的密封箱1的水平横向侧部。由于设置了加压板，这样可以提高动力加载单元加压的作用面积，使试验层受力更加均匀，更好地进行地应力加载。

本发明实施例中，动力加载单元可以为油缸或液压千斤顶等，本实用新型实施例对此不做限制。

结合图2，本发明实施例的侧肋板15上可转动地与定位板19的一端连接，定位板19的另一端与安装框架2位于水平横向同侧的侧边可拆卸连接，这样可以方便密封箱的装配。

结合图1及图3，本发明实施例的水压加载组件包括水箱20、水压加载泵21和进水管22，其中，进水管22的一端和水箱20连通，水压加载泵21安装在进水管22上，进水管22的另一端设置有多个支路23，每个支路23均对应和渗流管道24连通，渗流管道24设置在上方的密实隔水材料层5中，通过向试验层4上侧的透水材料层6输送水源，水源可以完全浸润到试验层4中，可以最大程度还原隧道围岩土体的地下渗流环境。

结合图1，本发明实施例中，水压加载组件还可以包括稳压器25，该稳压器25和水压加载泵21并联在进水管22上，以保证水源输送的稳定性。

结合图1及图2，本发明实施例的数据采集监测组件包括位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器、高速摄像机26以及计算机27，位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器埋设在试验层4中，位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器均和计算机27相连接，高速摄像机26安装在试验结构架外侧，用于全程记录围岩渗透失稳全过程。

本发明实施例还公开了一种试验系统进行平面应力模型的隧道突水物理模拟试验方法，该试验方法包括：

S1：组装试验系统；

S2：地应力加载组件中的水平动力加载单元和水平动力加载单元将预设的地应力值加载到试验层上，其中，水平动力加载单元的地应力值可以从上至下依次增大，形成水平应力梯级加载；

S3：水压加载组件作用，其中的水压加载泵通过进水管将水箱内的水注入到透水材料层中，然后渗入到试验层的内部，实现向试验层施加水压力；

S4：去除密封箱位于水平纵向两侧的两个钢化玻璃板上的圆形钢化玻璃板，并在去除的圆形钢化玻璃板的部位上，通过人工钻凿的方式开挖隧道，形成图1及图4所示的隧道28；

S5：隧道开挖完成后，高速摄像机全程记录围岩渗透失稳全过程，数据采集监测组件中的位移变形传感器、渗压传感器以及压力传感器采集到的数据传输到计算机中，以对数据进行分析处理。

本发明实施例的试验系统的组装包括：

S1.1：组装密封箱：将底部和水平横向两侧的钢化玻璃板置于安装框架内，同时将预制有圆形钢化玻璃板的水平纵向一侧的钢化玻璃板安装在安装框架内，通过柔性粘胶密封钢化玻璃板之间的连接处；

S1.2：根据相似定律计算模拟隧道围岩土体的试验层的体积尺寸，首先在底部钢化玻璃板上铺设密实隔水材料层，之后分层铺设试验层，在分层铺设过程中在水平横向两侧铺设等厚度的密实隔水材料，同时埋设位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器，然后在试验层上依次铺设透水材料层和密实隔水材料层，并在试验层上的密实隔水材料层内预埋渗流管道；

S1.3：铺设位于上方的钢化玻璃板，在位于上方的钢化玻璃板中预留供进水管穿过的通孔；

S1.4：安装预制圆形玻璃管的水平纵向另一侧的钢化玻璃板；

S1.5：安装地应力加载组件、水压加载组件、数据采集监测组件。

综上所述，本发明实施例的一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统及试验方法，通过地应力加载组件可全面模拟实际岩(土)体的受力状态，通过水压加载组件，可最大程度还原隧道围岩土体的地下渗流环境，能用于模拟隧道突水、真实反映灾变过程。

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (7)

1.一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，其特征在于，所述试验系统包括试验结构架、密封箱、地应力加载组件、水压加载组件、数据采集监测组件，

所述密封箱为六块钢化玻璃板组成的立方体状，所述密封箱位于安装框架内，位于水平纵向两侧的两个所述钢化玻璃板的中部设置有安装孔，所述安装孔内设置有圆形钢化玻璃板；所述密封箱安装在所述试验结构架上，所述密封箱内填充有试验层，所述试验层为流固耦合相似材料铺设而成，所述密封箱的内壁和所述试验层之间铺设有密实隔水材料层，位于上方的所述密实隔水材料层和所述试验层之间铺设有透水材料层；

所述地应力加载组件包括多个竖向动力加载单元和多个水平动力加载单元，多个所述竖向动力加载单元的固定端安装在所述试验结构架上，多个所述竖向动力加载单元的伸缩端沿竖向伸缩，多个所述竖向动力加载单元的伸缩端等间距作用在所述密封箱的上侧，多个所述水平动力加载单元沿竖向对称设置有两组，每组所述水平动力加载单元的固定端安装在所述试验结构架上，每组所述水平动力加载单元的伸缩端均沿水平横向伸缩，每组所述水平动力加载单元的伸缩端分别对应等间距作用在所述密封箱的水平横向两侧；

所述水压加载组件包括水箱、水压加载泵和进水管，所述进水管的一端和所述水箱连通，所述水压加载泵安装在所述进水管上，所述进水管的另一端设置有多个支路，每个支路均对应和渗流管道连通，所述渗流管道设置在上方的所述密实隔水材料层中；

所述数据采集监测组件包括位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器、高速摄像机以及计算机，所述位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器埋设在所述试验层中，所述位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器均和所述计算机相连接，所述高速摄像机安装在所述试验结构架外侧，用于全程记录围岩渗透失稳全过程；

所述试验结构架包括底基座和安装在所述底基座上的试验框架，所述试验框架包括两个支撑板和一个连接板，两个所述支撑板沿水平横向相对安装在所述底基座上，两个所述支撑板的顶部通过所述连接板连接；

所述试验框架还包括位于所述试验框架内的加强框架，所述加强框架包括两个竖向加强板和一个横向加强板，两个所述竖向加强板均和所述支撑板平行，两个所述竖向加强板安装在所述底基座上，所述竖向加强板和与所述竖向加强板位于同一侧的所述支撑板之间通过多个等间距的侧肋板连接，两个所述竖向加强板的顶端通过所述横向加强板连接，所述横向加强板和所述连接板之间通过多个等间距的上肋板连接；

所述侧肋板上可转动地与定位板的一端连接，所述定位板的另一端与所述安装框架位于水平横向同侧的侧边可拆卸连接。

2.根据权利要求1所述的一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，其特征在于，所述圆形钢化玻璃板和所述安装孔之间设置有密封圈。

3.根据权利要求1所述的一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，其特征在于，所述水压加载组件还包括稳压器，所述稳压器和所述水压加载泵并联在所述进水管上。

4.根据权利要求1所述的一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，其特征在于，多个所述竖向动力加载单元的固定端安装在所述横向加强板上，多个所述竖向动力加载单元的伸缩端均作用在一个第一加压板上，所述第一加压板作用在所述密封箱的上侧。

5.根据权利要求1所述的一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，其特征在于，每组所述水平动力加载单元的固定端均安装在同侧的所述竖向加强板上，每组所述水平动力加载单元的伸缩端均作用在一个第二加压板上，所述第二加压板作用在同侧的所述密封箱的水平横向侧部。

6.一种利用权利要求1-5任一项所述的试验系统进行平面应力模型的隧道突水物理模拟试验方法，其特征在于，所述试验方法包括：

组装所述试验系统；

地应力加载组件中的水平动力加载单元和水平动力加载单元将预设的地应力值加载到所述试验层上，其中，所述水平动力加载单元的地应力值可以从上之下依次增大；

水压加载组件作用，其中的水压加载泵通过进水管将水箱内的水注入到透水材料层中，然后渗入到所述试验层的内部，实现向试验层施加水压力；

去除密封箱位于水平纵向两侧的两个钢化玻璃板上的圆形钢化玻璃板，并在去除的圆形钢化玻璃板的部位上，通过人工钻凿的方式开挖隧道；

隧道开挖完成后，高速摄像机全程记录围岩渗透失稳全过程，数据采集监测组件中的位移变形传感器、渗压传感器以及压力传感器采集到的数据传输到计算机中，以对数据进行分析处理。

7.根据权利要求6所述的一种平面应力模型的隧道突水物理模拟试验方法，其特征在于，所述组装所述试验系统包括：

组装密封箱：将底部和水平横向两侧的钢化玻璃板置于安装框架内，同时将预制有圆形钢化玻璃板的水平纵向一侧的钢化玻璃板安装在安装框架内，通过柔性粘胶密封钢化玻璃板之间的连接处；

根据相似定律计算模拟隧道围岩(土)体的试验层的体积尺寸，首先在底部钢化玻璃板上铺设密实隔水材料层，之后分层铺设试验层，在分层铺设过程中在水平横向两侧铺设等厚度的密实隔水材料，同时埋设位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器，然后在试验层上依次铺设透水材料层和密实隔水材料层，并在试验层上的密实隔水材料层内预埋渗流管道；

铺设位于上方的钢化玻璃板，在位于上方的钢化玻璃板中预留供进水管穿过的通孔；

安装预制圆形玻璃管的水平纵向另一侧的钢化玻璃板；

安装地应力加载组件、水压加载组件、数据采集监测组件。

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