CN109470625A - 一种模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置，包括管主体、位于管主体下的垫板、位于垫板下的支墩、连接于垫板一端底部的收集池、分别连接于管主体顶部的水压表和进水管、与进水管连接的水箱、与水箱连接的动‑定滑轮组合、读取水箱的水头高度的量尺；水箱中的水通过进水管进入管主体中，并通过水压表读取其水压；管主体的开口端浇筑相似材料，且其上设有刻度尺，以读取相似材料的厚度，通过收集池收集和读取从相似材料中渗出的水的流量；通过绕过动‑定滑轮组合的绳子控制水箱的高度，为管主体提供不同水压。本发明的装置能模拟不同水压、不同防突厚度条件下断层相似材料的渗透性，试验过程易于操作，简单有效。

Description

一种模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置

技术领域

本发明涉及地质工程岩土体材料试验技术领域，尤其涉及一种模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置。

背景技术

在隧道施工过程中，经常会穿越复杂地质构造和水文地质条件，尤其是在隧道富水断层高承压条件下，断层材料的防突厚度、岩土体性质及渗透性、富水特征、承压水临界压力等，对隧道围岩的稳定性有着非常重要的影响。断层破碎带围岩失稳易于诱发崩塌、涌水突泥等地质灾害，给人民的生命财产安全造成严重威胁。因此，研究隧道断层围岩渗透性在地质灾害防治方面具有重要意义。

岩土体为岩体、土体及其混合物的统称，岩土体不仅是地质工程领域最常见的一类地质体，也是地质工程领域研究的主体。岩土体的渗透性指岩体或土体具有被水透过的性能，通常采用渗透系数来表征。渗透系数又称水力传导系数，渗透系数越大，岩土体的透水性越强，渗透性越强，水流对岩土体内部结构破坏性就越大，从而对岩土体固体骨架的稳定性造成的威胁就越大。影响隧道岩土体渗透性的因素主要包括岩土体性质、防突厚度、临界水压、富水特征等，岩土体的防突厚度及临界水压对岩土体渗透性有着重要的影响，有关岩土体渗透性对岩土体稳定性影响的研究受到众多学者的关注。

基于地质条件与技术条件的限制，在一些隧道施工中不能对断层带围岩进行现场取样，需按照一定的相似原理制备相似材料以模拟断层岩体的相关性质。现有技术中制备岩土体相似材料的方法较多，但往往缺乏对围岩渗透性方面的考虑，从而对岩土体的稳定性造成严重威胁。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置，进行不同水压、不同防突厚度条件下断层围岩相似材料的渗透试验，研究隧道断层带岩土体的渗透性质。

为实现上述目的，本发明采用了一种技术方案：一种模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置，包括管主体、位于所述管主体下的垫板、位于所述垫板下的支墩、连接于所述垫板一端底部的收集池、分别连接于所述管主体顶部的水压表和进水管、与所述进水管连接的水箱、与所述水箱连接的动-定滑轮组合、读取所述水箱的水头高度的量尺；

所述水箱中的水通过进水管进入管主体中，并通过所述水压表读取其水压；

所述管主体的一端开口、另一端密封，通过开口一端浇筑相似材料，且其上设有刻度尺，以读取所述相似材料的厚度，通过所述收集池收集从相似材料中渗出的水的流量；

通过绕过所述动-定滑轮组合的绳子控制水箱的高度，为所述管主体提供不同水压。

进一步地，所述管主体包括材料区段、承压区段和堵头区段，所述材料区段为浇筑有相似材料的开口一端，所述堵头区段为密封一端，承压区段为中间段。

进一步地，所述材料区段的管内壁经打毛处理，以增大与所述相似材料之间的摩擦力，同时在浇筑所述相似材料前，在所述材料区段的管内壁上涂上一层密封硅胶。

进一步地，所述承压区段上设有第一孔和第二孔，分别用于连接所述水压表和进水管。

进一步地，所述水压表通过缓冲管与第一孔连接，所述缓冲管的一端与第一孔转动连接、另一端与水压表连接。

进一步地，所述承压区段的第一孔的位置处叠加了一套管，所述套管上开设有第三孔，所述第三孔与第一孔对位重叠。

进一步地，所述堵头区段上设有堵头和若干个垫片，通过所述垫片和堵头对堵头区段进行密封。

进一步地，所述管主体上安装有若干个环箍，通过所述环箍固定于垫板上。

进一步地，所述进水管的进水口位于水箱一端底部，在所述进水管的进水口处安设有一个阀门，用于调节和控制水的流量大小。

进一步地，所述动-定滑轮组合包括动滑轮和定滑轮，所述定滑轮连接在固定支座上，所述绳子的一端连接在固定支座上、另一端依次绕过所述动滑轮和定滑轮。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)本发明的装置结构简单、操作简便，可适配，制作成本较低，适用材料范围广，操作过程无噪音无污染；(2)本发明的装置基于施工现场隧道富水断层岩土体材料性质，根据相似原理制备相似材料，进而模拟断层相似材料的渗透性，为岩土体的稳定性评价提供依据；(3)本发明的装置能够多次重复利用，在不同临界水压、不同防突厚度条件下进行相似材料的渗透性试验；(4)本发明的装置可根据正交设计原理，拟合出流量与渗透系数、防突厚度及临界水压之间的函数关系式。

附图说明

图1为本发明的模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置的结构示意图；

图2为本发明的模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置的管主体的结构示意图；

图3为本发明的模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置的环箍侧视的结构示意图；

图4为本发明的模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置的堵头侧视的结构示意图；

图5为本发明的模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置的垫片侧视的结构示意图；

图6为本发明的模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置的垫板俯视的结构示意图。

图中：1-管主体、2-材料区段、3-承压区段、4-堵头区段、5-相似材料、6-刻度尺、7-收集池、8-第一孔、9-第二孔、10-缓冲管、11-水压表、12-套管、13-环箍、14-螺钉、15-接头、16-进水管、17-阀门、18-水箱、19-自来水、20-动-定滑轮组合、21-绳子、22-量尺、23-堵头、24-垫片、25-垫板、26-支墩、27第三孔、28-动滑轮、29-定滑轮、30-操作人、31-螺纹管、32-固定支座、33-墙面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

如图1和图2所示，本发明的实施例提供了一种模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置，包括管主体1、垫板25、支墩26、收集池7、水压表11、进水管16、水箱18、动-定滑轮组合20、量尺22。

优选的，所述管主体1为PC管。所述管主体1的一端开口、另一端密封，所述管主体1上安装有若干个环箍13，用于固定所述管主体1。所述管主体1位于垫板25之上，通过环箍13固定于垫板25上。优选的，所述环箍13的数量为两个。优选的，所述环箍13通过螺钉14与垫板25螺纹连接，方便拆卸。在所述垫板25下面固定安装有若干个支墩26，用以支撑所述垫板25，优选的，所述支墩26的数量为两个。

所述管主体1包括三个区段，即材料区段2、承压区段3和堵头区段4，所述管主体1的两端分别为材料区段2(所述管主体1的开口一端，图中以左端为例)、堵头区段4(所述管主体1的密封一端，图中以右端为例)，中间为承压区段3。在所述材料区段2为开口状，并通过其开口在管内浇筑相似材料5，所述相似材料5为断层围岩材料(例如，主要由石英砂、粘土、铁粉、石膏和水等不同成分按不同质量配比组成)，具备良好的渗透性。所述收集池7位于垫板25的一端下部(与所述材料区段2为同一端，图中以左端为例)，用于收集从所述相似材料5中渗出的水的流量，所述收集池7的高度小于或等于支墩26的高度。所述材料区段2的管内壁经打毛处理，以增大所述相似材料5与管内壁之间的摩擦力，同时在浇筑所述相似材料5前，为了进一步增强所述相似材料5与管内壁之间的摩擦力，还可以在所述材料区段2的管内壁上涂上一层密封硅胶。所述材料区段2的管外壁上设有刻度尺6(例如，通过粘贴的方式)，用于读取和控制所述相似材料5的厚度。

所述承压区段3的管外壁顶部开有两个孔，即第一孔8和第二孔9，分别用于连接所述水压表11和进水管16。优选的，所述第一孔8和第二孔9为等大的。优选的，所述环箍13安装于承压区段3上。所述水压表11通过缓冲管10与第一孔8连接，所述缓冲管10对水压起到缓冲的作用，以防损坏所述水压表11。所述缓冲管10的一端与第一孔8转动连接(例如，通过螺纹管31连接的方式)、另一端与水压表11连接(例如，螺纹连接的方式)。所述承压区段3的承压水及临界水压的大小通过水压表11读取，优选的，所述水压表11为微型水压表，属小量程范围。所述承压区段3的管外壁第一孔8的位置处叠加了一套管12(参见图1和2)，以起到稳定所述缓冲管10和水压表11的作用。所述套管12上开设有第三孔27，所述第三孔27与第一孔8对位重叠。优选的，所述第三孔27与第一孔8为等大的。

所述进水管16的一端与第二孔9连接(例如，通过接头15连接的方式)、另一端与所述水箱18连接(例如，通过接头15连接的方式)，所述接头15可以是带有卡槽的塑料管，所述进水管16的进水口位于水箱18一端(可以是靠近所述第二孔9的一端，图中以左端为例)底部，在所述进水管16的进水口处安设有一个阀门17，用于调节和控制水的流量大小。

所述水箱18的内部装有自来水19，所述水箱18通过绳子21与动-定滑轮组合20滑动连接，所述动-定滑轮组合20包括动滑轮28和定滑轮29，所述定滑轮29可以连接在固定支座32上，其位置固定，绳子21的一端连接在固定支座32上、另一端依次绕过所述动滑轮28和定滑轮29后由操作人30(也可以是通过其他机械机构等)控制。所述动滑轮28连接水箱18，所述操作人30通过拉动绳子21以控制水箱18的升降，所述水箱18的升降高度(参见图中H)通过量尺22读取，所述量尺22为水准尺，可以附着于墙面33上，所述量尺22的最下端为零刻度线，保持其零刻度线与所述管主体1的顶部齐平。

所述堵头区段4上设有堵头23(参见图4)和若干个垫片24(参见图5)，所述堵头23可以是“凸”字型，套在所述堵头区段4的一端；所述垫片24密封堵头区段4并能抵抗一定的水压，例如，直径为104mm、厚度为10mm的圆形，所述堵头23和垫片24均起到严密防渗和抵抗水压的作用。优选的，所述垫片24为硅胶垫。优选的，所述垫片24的数量为两个。

本发明的工作原理是：在所述水箱18内盛满自来水19，打开阀门17，然后所述操作人30用力拉动绳子21，使得所述水箱18缓慢上升，所述水箱18上升的同时，水箱18内的自来水19经进水管16不断流入承压区段3的管内，直到水流完全充满所述管主体1为止。所述水箱18在上升的过程中，所述管主体1内的压力不断增大，因此所述管主体1内的水具有一定的承压性，具有承压性质的水称作承压水，承压水不断对所述相似材料5、管主体1内壁、垫片24和堵头23产生压力作用，根据容器的连通性原理，此压力大小，可通过所述缓冲管10连接的水压表11读取，在水压增大的过程中，水流不断对所述相似材料5产生渗透作用，形成一定的渗透水压，渗透水压随所述管主体1内承压水压力的增大而增大，在渗透水压增大过程中，水流不断对所述相似材料5产生水力扩展作用，原裂隙不断扩展，新生裂隙不断产生，骨架中的细颗粒不断随水流带出，当水压达到临界水压时，此时渗透水压不再增大，观察和记录水压自初始状态(所述管主体1内刚好处于满水状态)至临界水压过程中的所对应的临界水压力值和所需时间，由此，可得出所述相似材料5的某一厚度(即防突厚度L)下对应的临界水压力p、流量Q和渗透系数k。

试验中，对充满水的所述管主体1按不同水头高度进行逐级加压。在每一种防突厚度L(对应所述相似材料5的不同厚度)发生“临界突水”前，通过不断调节水头高度，找到其对应的临界水压p。从所述管主体1注满水到发生“临界突水”前的这段时间内材料的平均渗透系数，即为该断层围岩相似材料的渗透系数k。根据实验情况可拟合得到流量Q与渗透系数k、防突厚度L、临界水压p的函数关系式，即Q＝f(k，L，p)。该模型试验装置能模拟不同水压、不同防突厚度条件下断层相似材料的渗透性，试验过程易于操作，简单有效。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)本发明的装置结构简单、操作简便，可适配，制作成本较低，适用材料范围广，操作过程无噪音无污染；(2)本发明的装置基于施工现场隧道富水断层岩土体材料性质，根据相似原理制备相似材料，进而模拟断层相似材料的渗透性，为岩土体的稳定性评价提供依据；(3)本发明的装置能够多次重复利用，在不同临界水压、不同防突厚度条件下进行相似材料的渗透性试验；(4)本发明的装置可根据正交设计原理，拟合出流量与渗透系数、防突厚度及临界水压之间的函数关系式。

值得说明的是：在本发明的描述中，“若干个”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置，其特征在于：包括管主体、位于所述管主体下的垫板、位于所述垫板下的支墩、连接于所述垫板一端底部的收集池、分别连接于所述管主体顶部的水压表和进水管、与所述进水管连接的水箱、与所述水箱连接的动-定滑轮组合、读取所述水箱的水头高度的量尺；

所述水箱中的水通过进水管进入管主体中，并通过所述水压表读取其水压；

所述管主体的一端开口、另一端密封，通过开口一端浇筑相似材料，且其上设有刻度尺，以读取所述相似材料的厚度，通过所述收集池收集从相似材料中渗出的水的流量；

通过绕过所述动-定滑轮组合的绳子控制水箱的高度，为所述管主体提供不同水压。

2.根据权利要求1所述的模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置，其特征在于：所述管主体包括材料区段、承压区段和堵头区段，所述材料区段为浇筑有相似材料的开口一端，所述堵头区段为密封一端，承压区段为中间段。

3.根据权利要求2所述的模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置，其特征在于：所述材料区段的管内壁经打毛处理，以增大与所述相似材料之间的摩擦力，同时在浇筑所述相似材料前，在所述材料区段的管内壁上涂上一层密封硅胶。

4.根据权利要求2所述的模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置，其特征在于：所述承压区段上设有第一孔和第二孔，分别用于连接所述水压表和进水管。

5.根据权利要求4所述的模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置，其特征在于：所述水压表通过缓冲管与第一孔连接，所述缓冲管的一端与第一孔转动连接、另一端与水压表连接。

6.根据权利要求4所述的模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置，其特征在于：所述承压区段的第一孔的位置处叠加了一套管，所述套管上开设有第三孔，所述第三孔与第一孔对位重叠。

7.根据权利要求2所述的模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置，其特征在于：所述堵头区段上设有堵头和若干个垫片，通过所述垫片和堵头对堵头区段进行密封。

8.根据权利要求1所述的模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置，其特征在于：所述管主体上安装有若干个环箍，通过所述环箍固定于垫板上。

9.根据权利要求1所述的模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置，其特征在于：所述进水管的进水口位于水箱一端底部，在所述进水管的进水口处安设有一个阀门，用于调节和控制水的流量大小。

10.根据权利要求1所述的模拟隧道断层围岩渗透性的模型试验装置，其特征在于：所述动-定滑轮组合包括动滑轮和定滑轮，所述定滑轮连接在固定支座上，所述绳子的一端连接在固定支座上、另一端依次绕过所述动滑轮和定滑轮。