CN108986624A - 上阻下透型盖层塌陷成因实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种上阻下透型盖层塌陷成因实验装置，属于岩溶塌陷研究技术领域。本发明可以直观表达地下水位升降触发上阻下透型岩溶塌陷成因的全过程，直观展现地下水位升降时，盖层内和溶洞中的压强变化规律及地下水位下降产生渗透压力三者联合作用而导致盖层变形、塌陷逐渐产生的过程，并进行相关试验及参数测定。利用本发明所获取的实验数据和实验现象非常有利于分析和研究水动力条件与岩溶塌陷地质灾害之间的本质关系，尤其为研究盖层中地下水位的下降过程中引发上阻下透型盖层岩溶塌陷等提供了全新的技术手段，也重现了此类岩溶塌陷发育过程，揭示了其成因机理，为岩溶塌陷的预防减灾、预测预报工作提供一定的参考价值。

Description

上阻下透型盖层塌陷成因实验装置

技术领域

本发明涉及一种上阻下透型盖层塌陷成因实验装置，属于岩溶塌陷研究技术领域。

背景技术

岩溶塌陷是指岩溶发育地带具有开口的溶洞上覆盖层土体在内静力、外动力条件等作用下而产生的塌落破坏现象，它一直以来是人们热议的话题之一。我国岩溶区面积363万km²，占国土总面积的1/3以上，其中云、黔、川、桂、湘、渝、鄂、粤等省(市、区)岩溶面积达105.5万km²，是世界上岩溶最发育的国家之一。我国南方可溶岩山区河谷深切，雨水充沛，地下水循环快，补排周期短，导致岩溶化程度高，裂隙～管道型、管道型岩溶较普遍，水动力场复杂多变，成为岩溶塌陷高发区，而岩溶(土洞)塌陷则对公路、铁路等交通枢纽选线、城市工程建设都有较大影响，造成重要的经济损失及危害交通安全，这些将引起人们的恐慌，长期以来影响着区域经济发展及人们生活水平的提高。

自然界有一种双层结构盖层，可溶岩上方覆盖层由双层孔隙介质组成，上层为粘性土，表现出较差的透水性与透气性，而下层为砂性土，是良好的含水介质，透水性较好。

可溶岩上覆的双层结构，相对于上层的粘性土层，下层的砂性土层是强透水层，其地下水的补给来源主要为侧向补给及岩溶地下水位上升的补给。如果盖层下伏的可溶岩发育有一定规模的溶洞或岩溶管道，远端裸露型可溶岩在接受大气降水或侧向地表水的补给后，岩溶地下水位逐渐抬升，直至高于盖层底板后持续上升，最终地下水位稳定在盖层下层强透水层中，此时，岩溶地下水位与孔隙水位重合。在人类工程活动(采矿疏干、地下工程建设抽排水等)的因素影响下，地下水位逐渐下降，在下层强透水层中出现漏斗状地下水位线；如果地下水位继续下降，降至接近盖层底板附近时，由于溶洞中无介质充填，其排水能力明显大于孔隙介质中的排水能力，从而出现双水位。

对于具有上阻下透型结构的岩溶区盖层，在地下水位升降的影响下，可能引发岩溶塌陷。

当地下水位处于溶洞中而盖层中无地下水活动，随地下水位不断上升，由于上阻下透型结构盖层的相对封闭性，尤其是上层弱透水层的透气性较差，处于地下水位以上盖层底板以下的空间中的气压将逐渐增大，表现为正压(大于大气压强Pa)(图1a)，且随地下水位的上升，由于上层弱透水层密闭而导致气体不容易消散，这个正压值不断增大，当这个正压(致塌力)超过盖层自重及土体本身的抗剪强度(抗塌力)时，可导致弱透水层地表出现裂缝，并可能裂缝迅速发展，出现变形破坏现象(图1b)。

在上述过程中，如果地下水位缓慢上升，在水位以上弱透水层底板以下的空间中气体虽然有一定的被压缩，但由于弱透水层与外界保持了一定的连通性，这个正压值将不会太大，上述致塌力将小于盖层的抗塌力，盖层无明显变形破坏迹象，这时地下水位继续上升至弱透水层底板附近，地下水具有承压性，盖层无变形破坏迹象(图1c)。

当地下水位处于盖层的下层强渗透介质中，岩溶水位与孔隙水位重合(图2a)。如果地下水位下降，由于上覆弱渗透介质相对封闭，在潜水面以上弱透水层底板以下的孔隙介质中，气压将逐渐变小，表现为负压(压强小于大气压强)，地下水位的下降导致在强渗透介质中的地下水位线出现漏斗形态，漏斗上方逐渐形成负压区(图2b)，一方面，地下水位下降将对下层有潜蚀作用，随水力梯度逐渐增大，当超过其临界水力梯度值时下层砂性土层变形破坏；另一方面，地下水位线以上的负压区1形成一定的负压可对上层弱透水层吸蚀，表现为抗塌力，当吸蚀力超过上覆土层的抗塌力时，盖层地表可能瞬间出现裂缝，进而裂缝扩展直至破坏，塌陷。实际上，随地下水位的持续下降，当地下水位下降至下层强透水层底板(盖层底板)一带时，由于下伏溶洞的排水能力远远超过了松散孔隙介质的排水能力，即由于渗透性差异，可出现介质中与溶洞中同时存在地下水位的现象，即双水位的出现，这种双水位的持续时间并不会太长，主要是由于上下的渗透系数差异而致使出现水位下降“滞后”现象，但由于双水位的出现，在两个水位之间必然又出现真空，即图2c中的负压区2，负压的出现将对双层介质盖层产生吸蚀力。最后，强透水层中地下水位降至溶洞中，负压区1与负压区2连通。

可以看出，在地下水位下降的整个过程中，可以分为两个阶段，第一阶段为地下水位在松散孔隙介质中下降，主要为潜蚀与负压区1的真空吸蚀联合作用对上阻下透型盖层的稳定性产生影响，但这种影响只是导致上层弱渗透层出现变形；第二阶段可理解为地下水位从单水位演变成双水位直至负压区1与负压区2连通的状态，主要为真空吸蚀对整个双层上阻下透型结构盖层的稳定性产生影响。

由此，这类岩溶塌陷在自然界较为普遍，对这类盖层塌陷机理的研究具有一定的意义。由于塌陷具有隐蔽性、突发性等特征，对其防治和减灾是当前重要的科研难题之一。目前，为有效减轻岩溶塌陷对人们生产、生活的危害，首先采取的手段即为一般的野外地质调查，但野外调查仅仅局限于对现有的、已发生的塌陷进行详细调查研究，具有明显的片面性。所得到的结果仅能对发生塌陷的点进行治理和减灾。而实质上，潜在的、尚未发生的岩溶塌陷地质灾害才是威胁工程建设和人们生命财产安全的重点，因此仅仅依靠野外的调查并不能从根本上防治区域内的岩溶塌陷。

而数值模拟计算近年来成为防治地质灾害的一种高效、低成本的一种技术手段。但一方面，数值模型中的参数选取、对岩溶塌陷地质条件的概化等导致实际计算结果很难与现场的岩溶塌陷相吻合，无法准确为岩溶地区的塌陷地质灾害提供可靠的且实用的数据支撑，导致计算结果可信度不高。GIS平台灾害预警作为一种科学有效的防灾减灾方法，但尚需要大量的基础数据和样本的积累，才能对某一个地区的岩溶塌陷进行预测评价，显然，这也具有一定的不足。

岩溶塌陷通常由于具有非常强的隐蔽性和突发性，给人们对岩溶塌陷的认识和研究人员对不同类型的岩溶塌陷成因机理的分析等带来很大的难度，且具有耗时长，成本高，不直观等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种上阻下透型盖层塌陷成因实验装置，可以直观了解地下水位升降触发上阻下透型岩溶塌陷成因的全过程，直观展现地下水位升降时，盖层内及溶洞中的压强变化规律以及地下水位下降产生渗透压力而导致盖层变形、塌陷逐渐产生的过程，并进行相关试验及参数测定。

为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：上阻下透型盖层塌陷成因实验装置，包括地质体模拟箱、测量系统及注排水系统。

地质体模拟箱在其箱体内设置有水平放置的隔板，隔板将地质体模拟箱一分为二，上半区为用于模拟上阻下透型盖层的盖层模拟箱，下半区为用于模拟可溶岩及可溶岩中发育溶洞的溶洞模拟箱；隔板中部开设有用于模拟溶洞开口的孔；盖层模拟箱在隔板顶面设置有上阻下透型盖层，上阻下透型盖层的上层为相对阻水层、下层为相对透水层。

测量系统包括测压器和非接触式变形观测系统，测压器设于地质体模拟箱的外侧壁，测压器包括两个部分，一部分测压器的测量端穿透盖层模拟箱的侧壁板与相对透水层接通，一部分测压器的测量端穿透溶洞模拟箱的侧壁板与溶洞模拟箱接通；非接触式变形观测系统设于地质体模拟箱顶部上方。

注排水系统包括储水箱、中间水箱及水泵，水泵的进水口连通储水箱，水泵的出水口通过第一管道连通中间水箱的进水口，中间水箱的出水口通过第二管道连通溶洞模拟箱的底部，第一管道上设置有第一阀门，第二管道上设置有第二阀门；中间水箱配设有用于驱动其竖向升降的升降系统。

进一步的是：中间水箱在其箱体内设置有竖向布置的分隔板，中间水箱四周侧壁板的顶面均高于分隔板的顶面，分隔板将中间水箱一分为二，一侧为供水箱、另一侧为溢流箱，供水箱的底板设置两个连接口，一个连接口用于连接第一管道、另一个连接口用于连接第二管道；溢流箱的底部设置溢流排水口。

进一步的是：溢流排水口设于溢流箱的底板上，溢流排水口连接第三管道，第三管道上设有流量测定系统。流量测定系统优选采用体积法测流，包括量筒和秒表，第三管道的出水端连接入量筒。

进一步的是：升降系统包括相互配合的滑块与滑轨，滑块与中间水箱固定相连接，滑轨固定设置在地质体模拟箱的外侧壁，地质体模拟箱的外侧壁还设置有与滑轨平行设置的螺纹杆，螺纹杆与滑块螺纹连接，通过驱动螺纹杆旋转来使得滑块沿着滑轨作升降运动。

进一步的是：第二管道连接于溶洞模拟箱的底板上，并且溶洞模拟箱的底板上还连接有排水管道，排水管道的出水端连接至储水箱，排水管道上设置有排水阀。

进一步的是：相对阻水层采用黏性土层制作，相对透水层采用砂性土层制作；上层黏性土层渗透系数为10^-6～10^-3cm/s，下层砂性土层渗透系数为8×10^-3～2×10^-2cm/s。

进一步的是：地质体模拟箱及隔板均采用有机玻璃板制作，地质体模拟箱设置于储水箱的顶板上。

进一步的是：隔板顶面在其中部开孔位置叠设有挡板，挡板在隔板的开孔位置设置有第二开孔，并且第二开孔的直径小于隔板中部开孔的直径。

进一步的是：测压器为U型测压管，连通溶洞模拟箱的并排设置多个，连通盖层模拟箱的设置一个；非接触式变形观测系统为激光多点位移计。

进一步的是：地质体模拟箱的侧壁设置有测量竖向高度的标尺。

本发明的有益效果是：利用本发明所获得的实验数据和实验规律非常有利于分析和研究地下水位与岩溶塌陷地质灾害之间的本质关系。利用本发明开展上阻下透型盖层塌陷成因模拟试验后，一方面可以为深入研究上阻下透型盖层失稳致塌全过程提供很好的基础条件，尤其为研究盖层中地下水位的下降过程中产生的渗透压力和在包气带中产生的真空吸蚀力、溶洞中产生的真空吸蚀力等三者共同作用，进而引发岩溶塌陷等提供了全新的技术手段，也重现和揭示了此类岩溶塌陷过程的成因机理，另外，本发明也实现了溶洞地下水位上升而形成的溶洞内正压、盖层内正压联合作用而导致的岩溶盖层失稳塌陷过程，为岩溶塌陷的预防预测工作提供一定的参考价值。本发明也对灾害地质学和环境地质学学科的发展有一定的促进作用。

本发明以自然界的上阻下透型盖层岩溶塌陷案例为研究对象，通过借助本发明可完成室内试验，从而可清晰、直观展现水位波动或变动导致溶洞内部压强变化(正压或真空压强的产生)、从而提供致塌力，这个致塌力将导致阻水盖层变形破坏，实验中可详细记录覆盖层变形随时间的演化特征及不同时刻的盖层稳定性状态，即可重现该类型岩溶塌陷发育全过程。由于本发明可在室内实施，具有现象直观、地下水动态变化清晰可见、周期短、成本低、移动方便等优点。本发明同时还具备实验现象可重复性、数据可靠真实、与工程实际吻合度极高等优势。本发明可为本领域研究人员研究复杂地区岩溶塌陷成因和机理的探索提供新思路，一定程度上解决了塌陷地质灾害研究领域中定量化、可视化研究的难题，为地质灾害预测预报提供新方法。

本发明的目的如何实现请参照下文的具体实施方式部分，在此不重复赘述。

附图说明

图1是上阻下透型结构盖层内地下水位上升致塌演化示意图；

图2是上阻下透型结构盖层内地下水位下降致塌演化示意图；

图3是本发明的实验装置正视图；

图4是本发明的实验装置后视图；

图5是本发明的实验装置左视图；

图6是本发明的实验装置俯视图；

图7是图3的A-A剖视图；

图8是本发明开展地下水位下降试验中真空压强与时间关系曲线。

图中标记：1-地质体模拟箱、11-盖层模拟箱、12-溶洞模拟箱、13-相对阻水层、14-相对透水层、2-隔板、21-模拟溶洞上方开口、3-储水箱、31-第一管道、32-第二管道、33-第三管道、34-第一阀门、35-第二阀门、36-量筒、4-测压器、5-非接触式变形观测系统、6-中间水箱、61-分隔板、62-供水箱、63-溢流箱、7-水泵、8-升降系统、9-排水管道、91-排水阀、10-标尺。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图3～图7所示，本发明包括地质体模拟箱1、测量系统及注排水系统。

地质体模拟箱1在其箱体内设置有水平放置的隔板2，隔板2将地质体模拟箱1一分为二，上半区为用于模拟上阻下透型盖层的盖层模拟箱11，下半区为用于模拟可溶岩及可溶岩中发育溶洞的溶洞模拟箱12；隔板2中部开设有用于模拟溶洞开口的孔；盖层模拟箱11在隔板2顶面设置有上阻下透型盖层，上阻下透型盖层的上层为相对阻水层13、下层为相对透水层14。

测量系统包括测压器4和非接触式变形观测系统5，测压器4设于地质体模拟箱1的外侧壁，测压器4包括两个部分，一部分测压器4的测量端穿透盖层模拟箱11的侧壁板与相对透水层14接通，该处布置1个测压器4，用于测定盖层中的地下水位的变化；一部分测压器4的测量端穿透溶洞模拟箱12的侧壁板与溶洞模拟箱12接通，该处并排设置多个测压器4，本实施例中设置为3个，用于测定因盖层中的地下水位的变化而产生的压强变化；非接触式变形观测系统5设于地质体模拟箱1顶部上方。本发明中测压器4优选为U型测压管；非接触式变形观测系统5优选为激光多点位移计，可记录在实验过程中不同时刻的盖层变形量和变形规律。此外，为方便直接读取水位，地质体模拟箱1的侧壁设置有测量竖向高度的标尺10。

注排水系统包括储水箱3、中间水箱6及水泵7，水泵7的进水口连通储水箱3，水泵7的出水口通过第一管道31连通中间水箱6的进水口，中间水箱6的出水口通过第二管道32连通溶洞模拟箱12的底部，第一管道31上设置有第一阀门34，第二管道32上设置有第二阀门35；中间水箱6配设有用于驱动其竖向升降的升降系统8。

为使得中间水箱6稳定工作，本发明在中间水箱6设置有稳定溢流结构，具体实施方式如下：中间水箱6在其箱体内设置有竖向布置的分隔板61，中间水箱6四周侧壁板的顶面均高于分隔板61的顶面，分隔板61将中间水箱6一分为二，一侧为供水箱62、另一侧为溢流箱63，供水箱62的底板设置两个连接口，一个连接口用于连接第一管道31、另一个连接口用于连接第二管道32；溢流箱63的底部设置溢流排水口，溢流排水口优选设于溢流箱63的底板上，溢流排水口连接第三管道33，第三管道33上设有流量测定系统。装置中的第一管道31、第二管道32和第三管道33均优选采用橡胶软管。当水泵7接通电源抽水后，水先进入供水箱62，供水箱62水位逐渐升高，水满后就稳定了，多余的水从上部溢流至溢流箱63中，并通过第三管道33排出，而大部分试验用水则通过供水箱62底部的第二管道32流至溶洞模拟箱12中。这样溶洞中的水位逐渐上升，模拟了溶洞地下水位上升。反之，关闭水泵，关闭第一阀门，如果将中间水箱6通过升降系统8调节至某个较低位置，溶洞中的水就通过底部的第二管道32倒流至供水箱62中，一定时间后，溶洞中的水位会与供水箱62中的水位保持一致，这样便实现了地下水位下降，从而控制溶洞模拟箱12中的水位。第三管道33上的流量测定系统优选采用体积法测流，包括量筒36和秒表，第三管道33的出水端连接入量筒36。

升降系统8优选采用如下方式实施：升降系统8包括相互配合的滑块与滑轨，滑块与中间水箱6固定相连接，滑轨固定设置在地质体模拟箱1的外侧壁，地质体模拟箱1的外侧壁还设置有与滑轨平行设置的螺纹杆，螺纹杆与滑块螺纹连接，通过驱动螺纹杆旋转来使得滑块沿着滑轨作升降运动。该方式制作成本低，同时实验时操作较为方便。螺纹杆可电动驱动，也可手动驱动，本实施例中采用转动手轮进行手动操作的方式。

此外，第二管道32优选连接于溶洞模拟箱12的底板上，并且溶洞模拟箱12的底板上还连接有排水管道9，排水管道9的出水端连接至储水箱3，排水管道9上设置有排水阀91。为方便操作，实验结束后，溶洞模拟箱12可通过排水管道9进行排水。

本发明中的相对透水层14采用砂性土层制作，相对阻水层采用黏性土层13制作；上层黏性土层渗透系数为10^-6～10^-3cm/s，下层砂性土层渗透系数为8×10^-3～2×10^-2cm/s，可保证试验顺利开展，从而获取有利于分析自然界中此类岩溶塌陷地质灾害的本质特征和规律的数据。本实施例中下层砂性土层的渗透系数为上层黏性土层渗透系数的10倍，上层黏性土层渗透系数10^-3cm/s，下层砂性土层渗透系数10^-2cm/s；此外，本实施例中的上层黏性土层厚度为2cm，下层砂性土层厚度为8cm，两者厚度比为1:4。

为方便制作，节约占地空间，同时方便实验操作与观测，地质体模拟箱1及隔板2均采用有机玻璃板制作，地质体模拟箱1设置于储水箱3的顶板上。本实施例中，地质体模拟箱1的箱体尺寸为长1900mm，宽420mm，高870mm。隔板2采用厚度为10mm的有机玻璃板，该隔板2将地质体模拟箱1一分为二，上半区的盖层模拟箱11尺寸为长1900mm，宽420mm，高350mm；下半区的溶洞模拟箱12尺寸为长1900mm，宽420mm，高520mm。储水箱尺寸为：长×宽×高＝1900mm×420mm×400mm，采用厚度为10mm的PVC材料制作，用一定强度的角钢包边。此外，本实施例中在隔板2中部开设直径为200mm的圆孔用于模拟溶洞开口。为了便于模拟自然界中不同尺寸的下伏溶洞，本发明的隔板2顶面在其中部开孔位置叠设有挡板，挡板在隔板2的开孔位置设置有第二开孔，并且第二开孔的直径小于隔板2中部开孔的直径。本实施例中采用的方式为，配置多块长×宽×厚＝250mm×250mm×10mm的方板，在方板中央开孔，开好孔后，根据实验要求的圆孔尺寸，将开孔方板放置在隔板2中部的200mm的圆孔之上，从而改变了圆孔尺寸。开孔尺寸主要有150mm，100mm，50mm等3种，并可根据实验时实际尺寸需求增加开孔方板，从而较好地模拟溶洞开口。

本发明的目的通过如下方式实现：

一、如下为地下水位下降过程，介绍本发明是如何实现地下水位下降形成真空吸蚀致塌的：初始地下水位位于下层的相对透水层14中，因人类工程活动导致地下水位下降的过程。这个过程中主要包括A、B、C三个阶段。

A.初始地下水位形成和稳定：

①在保证仪器正常工作的状态下，将弱渗透土样和强渗透土样堆砌于地质体模拟箱1中，在隔板2顶面形成上阻下透型盖层，上层为相对阻水层13(弱渗透土样)、下层为相对透水层14(强渗透土样)。土样的物理力学性质和水理性质参数参考野外实际工程，采用主要影响因素的高程度相似进行，具体的相似材料选择可经过一系列相关土工试验来确定。

②在装置中所有阀门均处于关闭状态下，通过升降系统8将地质体模拟箱1外侧的中间水箱6升高至地质体模拟箱1中相对阻水层13与相对透水层14接触界面稍低的位置，打开第一阀门34和第二阀门35，启动水泵7，储水箱3中的水通过第一管道31进入中间水箱6中的供水箱62，若管中流量过大可稍微调节第一阀门34使流量变小，然后通过第二管道32进入地质体模拟箱1下半区的溶洞模拟箱12中，一定时间后，溶洞全部被地下水充填，并逐渐进入下层的相对透水层14中，直至与中间水箱6内同样高度的水面位置，即模拟初始地下水位位于相对透水层14中，这样即形成了稳定的初始地下水位。此时，因地下水位稳定，一定时间后，地下水面以上的包气带空间中的压强为大气压强，可采用设置在侧壁的U型测压管测量而得，U型测压管量测液位相平。

B.地下水位下降形成渗透压力和真空吸蚀力：

在保证初始地下水位位于下层的相对透水层14中，关闭第一阀门34和第二阀门35，通过升降系统8使中间水箱6下降一定高度(此高度暂时不低于相对透水层14底面高程)，这时，保持第一阀门34关闭，关闭水泵7，并打开第二阀门35，溶洞中的地下水通过第二管道32经第二阀门35倒流至中间水箱6的供水箱62中，由于此时第一阀门34处于关闭的状态，供水箱62中的水可溢流至溢流箱63，并通过第三管道33流出，实现排水。由于上层的相对阻水层13处于相对密封状态，溶洞中、地下水位以上的包气带空间中均出现了一定的真空压强，这个真空压强产生的作用效果即为真空吸蚀力对盖层底板产生垂直向下的作用力。继续通过升降系统8使中间水箱6下降，使中间水箱6低于相对透水层14底面，但不低于溶洞模拟箱12底板，这时，地下水位处于溶洞中，一方面，溶洞中的真空吸蚀力加强，盖层中的真空吸蚀力也增大，并逐渐稳定；另一方面，地下水位的下降在相对透水层14中产生了较大的渗透压力，这个渗透压力的作用也对盖层稳定性产生较大影响。利用本发明试验时，不同地下水位降幅和降速下的盖层内和溶洞内真空压强随时间的演化过程主要有如下3种类型，即渐变稳定型、门字破坏型和突变破坏型，如图8所示。

C.盖层变形和塌陷的产生：

在相对透水层14产生的渗透压力、包气带空间中的真空吸蚀力、溶洞中的真空吸蚀力三者的联合作用下，盖层表面出现变形，甚至出现下陷，地表出现裂缝。

当盖层自身的抗塌陷能力小于这些致塌因素的联合作用时，塌陷发生。记录整个试验过程的排水时间，U型测压管水位的变化，土洞的扩展形态。采用体积法对地下水位下降过程中排水量进行测定，从而分析排水量与排水时间的关系。用高速相机记录盖层表面的裂缝发育、塌陷坑的形态，采用覆盖层变形观测系统对整个试验过程中盖层的表面变形特征进行实时监测，获取盖层的变形量S与时间t的关系曲线，从而分析盖层的稳定性变化规律。利用本发明所获得的实验数据和实验规律非常有利于分析和研究地下水位与此类岩溶塌陷地质灾害之间的本质关系。

二、初始地下水位位于溶洞模拟箱12中，因大气降水导致溶洞地下水得到补给后地下水位上升的过程，这个过程中主要包括A、B两个阶段。

A.天然地下水位形成和稳定：

①在保证仪器正常工作的状态下，将弱渗透土样和强渗透土样堆砌于地质体模拟箱1中，在隔板2顶面形成上阻下透型盖层，上层为相对阻水层13(弱渗透土样)、下层为相对透水层14(强渗透土样)。土样的物理力学性质和水理性质参数参考野外实际工程，采用主要影响因素的高程度相似进行，具体的相似材料选择可经过一系列相关土工试验来确定。

②在装置中所有阀门均处于关闭状态下，通过升降系统8将地质体模拟箱1外侧的中间水箱6降低至溶洞模拟箱12中底部，但高于溶洞模拟箱12底板，打开第一阀门34和第二阀门35，储水箱3中的水通过第一管道31进入中间水箱6中的供水箱62，若管中流量过大可稍微调节第一阀门34使流量变小，然后通过第二管道32进入地质体模拟箱1下半区的溶洞模拟箱12中，一定时间后，溶洞中的地下水位稳定，直至与中间水箱6内同样高度的水面位置，即模拟初始地下水位位于溶洞模拟箱12中，这样即形成了稳定的初始地下水位。此时，因地下水位稳定，一定时间后，地下水面以上的包气带空间中的压强为大气压强，可采用设置在侧壁的U型测压管测量而得，U型测压管量测液位相平。

B.地下水位上升形成正压作用力：

在保证初始地下水位位于溶洞模拟箱12中，保持第一阀门34和第二阀门35打开，通过升降系统8使中间水箱6上升到一定高度(此高度暂时不高于相对透水层14底面高程)，这时，接通水泵7，储水箱3中水通过第一管道31流至中间水箱6的供水箱62中，供水箱62中多余水溢流至溢流箱63、并回流至储水箱3中，大部分实验用水经第二管道32流入溶洞模拟箱12中，溶洞模拟箱12中地下水位逐渐上升，直到溶洞模拟箱12中地下水位与中间水箱6的供水箱62中水位保持一致。由于上层的相对阻水层13处于相对密封状态，溶洞中出现了一定的正压，这个正压产生的作用效果即为正压作用力对盖层底板产生垂直向上的作用力。继续通过升降系统8使中间水箱6上升，使中间水箱6高于盖层底面，但不高于相对阻水层13的底面，保持第一阀门34和第二阀门35处于打开状态，这时，地下水位逐渐上升至相对透水层14中、并最终与中间水箱6的供水箱62中水位保持一致。关闭第一阀门34，同时关闭水泵7。

一方面，溶洞中的正压作用力加强，盖层中也出现了正压作用力，并逐渐稳定；另一方面，地下水位的上升在相对透水层14中产生了较大的向上的渗透压力，这个渗透压力的作用也对盖层稳定性产生较大影响。利用本发明试验时，可开展不同地下水位上升过程中盖层内和溶洞内正压随时间演化过程的相关试验。

Claims (10)

1.上阻下透型盖层塌陷成因实验装置，其特征在于：包括地质体模拟箱(1)、测量系统及注排水系统；

地质体模拟箱(1)在其箱体内设置有水平放置的隔板(2)，隔板(2)将地质体模拟箱(1)一分为二，上半区为用于模拟上阻下透型盖层的盖层模拟箱(11)，下半区为用于模拟可溶岩及可溶岩中发育溶洞的溶洞模拟箱(12)；隔板(2)中部开设有用于模拟溶洞开口的孔；盖层模拟箱(11)在隔板(2)顶面设置有上阻下透型盖层，上阻下透型盖层的上层为相对阻水层(13)、下层为相对透水层(14)；

测量系统包括测压器(4)和非接触式变形观测系统(5)，测压器(4)设于地质体模拟箱(1)的外侧壁，测压器(4)包括两个部分，一部分测压器(4)的测量端穿透盖层模拟箱(11)的侧壁板与相对透水层(14)接通，一部分测压器(4)的测量端穿透溶洞模拟箱(12)的侧壁板与溶洞模拟箱(12)接通；非接触式变形观测系统(5)设于地质体模拟箱(1)顶部上方；

注排水系统包括储水箱(3)、中间水箱(6)及水泵(7)，水泵(7)的进水口连通储水箱(3)，水泵(7)的出水口通过第一管道(31)连通中间水箱(6)的进水口，中间水箱(6)的出水口通过第二管道(32)连通溶洞模拟箱(12)的底部，第一管道(31)上设置有第一阀门(34)，第二管道(32)上设置有第二阀门(35)；中间水箱(6)配设有用于驱动其竖向升降的升降系统(8)。

2.如权利要求1所述的上阻下透型盖层塌陷成因实验装置，其特征在于：中间水箱(6)在其箱体内设置有竖向布置的分隔板(61)，中间水箱(6)四周侧壁板的顶面均高于分隔板(61)的顶面，分隔板(61)将中间水箱(6)一分为二，一侧为供水箱(62)、另一侧为溢流箱(63)，供水箱(62)的底板设置两个连接口，一个连接口用于连接第一管道(31)、另一个连接口用于连接第二管道(32)；溢流箱(63)的底部设置溢流排水口。

3.如权利要求2所述的上阻下透型盖层塌陷成因实验装置，其特征在于：溢流排水口设于溢流箱(63)的底板上，溢流排水口连接第三管道(33)，第三管道(33)上设有流量测定系统。

4.如权利要求1所述的上阻下透型盖层塌陷成因实验装置，其特征在于：升降系统(8)包括相互配合的滑块与滑轨，滑块与中间水箱(6)固定相连接，滑轨固定设置在地质体模拟箱(1)的外侧壁，地质体模拟箱(1)的外侧壁还设置有与滑轨平行设置的螺纹杆，螺纹杆与滑块螺纹连接，通过驱动螺纹杆旋转来使得滑块沿着滑轨作升降运动。

5.如权利要求1所述的上阻下透型盖层塌陷成因实验装置，其特征在于：第二管道(32)连接于溶洞模拟箱(12)的底板上，并且溶洞模拟箱(12)的底板上还连接有排水管道(9)，排水管道(9)的出水端连接至储水箱(3)，排水管道(9)上设置有排水阀(91)。

6.如权利要求1所述的上阻下透型盖层塌陷成因实验装置，其特征在于：相对阻水层(13)采用黏性土层制作，相对透水层(14)采用砂性土层制作；上层黏性土层渗透系数为10^-6～10^-3cm/s，下层砂性土层渗透系数为8×10^-3～2×10^-2cm/s。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的上阻下透型盖层塌陷成因实验装置，其特征在于：地质体模拟箱(1)及隔板(2)均采用有机玻璃板制作，地质体模拟箱(1)设置于储水箱(3)的顶板上。

8.如权利要求1至6中任意一项所述的上阻下透型盖层塌陷成因实验装置，其特征在于：隔板(2)顶面在其中部开孔位置叠设有挡板，挡板在隔板(2)的开孔位置设置有第二开孔，并且第二开孔的直径小于隔板(2)中部开孔的直径。

9.如权利要求1至6中任意一项所述的上阻下透型盖层塌陷成因实验装置，其特征在于：测压器(4)为U型测压管，连通溶洞模拟箱(12)的并排设置多个，连通盖层模拟箱(11)的设置一个；非接触式变形观测系统(5)为激光多点位移计。

10.如权利要求1至6中任意一项所述的上阻下透型盖层塌陷成因实验装置，其特征在于：地质体模拟箱(1)的侧壁设置有测量竖向高度的标尺(10)。