CN109709308A - 一种采水型地裂缝物理模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采水型地裂缝物理模型试验装置及试验方法，该试验装置包括模型箱、模拟材料、抽水和供水系统以及量测系统；模拟材料包括模拟含水层和/或弱透水层的填土以及模拟基岩的石膏；抽水和供水系统包括井管、与井管相连的水泵、储水槽、储水筒和与储水槽相连通用于控制储水槽内水位高度的水位调节槽；量测系统包括垂向位移标、水平位移标、位移传感器、孔隙水压力传感器、薄膜压力传感器以及数码相机，用于监测井管抽水或灌水过程中填土内不同位置的孔隙水压力和应力的变化、填土的位移以及裂缝的形成和演化。采用本发明可以揭示采水型地裂缝的演变机理，为地裂缝数值模拟方法的构建提供科学基础，为地裂缝防治提供科学依据。

Description

一种采水型地裂缝物理模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种地下水开采引起地裂缝的物理模型试验装置及试验方法，属于地质工程地裂缝测试领域。

背景技术

开采地下水改变了含水系统的孔隙水压力和有效应力。当土层中一点的应力状态满足一定条件时，该点可达到强度破坏(拉裂破坏或剪切破坏)。当破坏点越来越多、连成一片，并使地表岩土体开裂时，就形成了地裂缝，地裂缝形成后还可能进一步扩展。地裂缝是地下水开采引起的地质灾害之一，其形成和发展给地表建(构)筑物、地下管线等造成极大的破坏作用。但目前对地下水开采引起地裂缝的机理研究还较少，对地裂缝形成和发展的数值模拟还缺乏有效的方法。由于现场水文地质和工程地质条件复杂，且地裂缝的形成过程难以在现场观测和再现，因此，要深入研究抽水引起地裂缝的机理以及刻画地裂缝从无到有、从小到大的演变过程的数值方法，进行室内物理模型试验是十分必要的。目前，用于地裂缝的物理模型试验装置较少，主要有两类：一类不涉及到地下水的开采，主要模拟断层上下盘运动造成的地裂缝，如西安理工大学的“地裂缝土质隧道物理模型试验装置及模型试验方法”(中国专利文献号CN101900642B，公开日2012-01-11)；另一类模拟地下水位变化引起的地裂缝，如江苏省地质调查研究院的“一种大型地裂缝模拟实验系统”(中国专利文献号205879940U,公开日2017-01-11)，该实验装置包括装卸系统、给排水控制装置、监测系统和数据处理系统，其中给排水控制装置由置于填土中的竖向排水花管和置于模型箱两端的进水口组成，进出水量由阀门控制、由水量量测仪表量测。该实验系统可以模拟潜水含水层下部自然重力排水引起的地裂缝，但不能严格控制排水量和水位边界条件，不能模拟承压含水层抽水引起的地裂缝，也不能模拟不同的地下水开采方式。而实际地下水开采中大多开采承压含水层中的地下水，且开采方式复杂多样，如多井开采、开采量的季节性变化、地下水的回灌等。

发明内容

发明目的：为了克服现有地裂缝物理模型试验的不足，本发明提供一种采水型地裂缝物理模型试验装置及方法，能够模拟开采井从潜水或承压含水层中的抽水过程，控制抽水量和抽水方式，控制边界条件，量测抽水过程中土层内不同位置的孔隙水压力、应力和位移以及裂缝的形成和演化。

技术方案：为了实现上述目标，本发明的一种采水型地裂缝物理模型试验装置，包括模型箱、模拟材料、抽水和供水系统、以及量测系统；所述模拟材料设于模型箱内，包括模拟含水层和/或弱透水层的填土，以及模拟基岩的石膏；

所述抽水和供水系统包括模拟抽水井的井管、与井管相连的水泵、储水槽、储水筒和与储水槽相连通用于控制储水槽内水位高度的水位调节槽，所述井管的底部固定于模型箱底板上，在井管滤水段的管壁上均匀设置孔洞，滤水段外面用反滤土工布包裹；所述储水槽位于模型箱至少一侧，由硬质钢丝网与模型箱内的填土相隔，钢丝网与填土接触一侧粘贴反滤土工布；所述储水筒经水管与抽水泵连接，并由抽水泵将水送至水位调节槽内，水位调节槽内设有限高管，将超过限高管顶的水送回至储水筒内；

所述量测系统包括垂向位移标、水平位移标、位移传感器、孔隙水压力传感器、薄膜压力传感器以及数码相机；所述垂向位移标随着填土的填筑设置于土层的不同深度处；所述的水平位移标设置于填土表面；所述位移传感器设于模型箱横梁的磁性表座上，其探头与垂向位移标顶部接触，用于监测土层不同位置的垂向位移；所述孔隙水压力传感器和薄膜压力传感器设置于土中不同位置，用于监测不同深度的孔隙水压力和应力的变化；所述数码相机设在模型箱上方，用于监测土层表面的水平位移以及裂缝的形成和演化。

在具体实施方案中，所述试验装置的模型箱可由有机玻璃板、钢板和固定模型箱的角钢和槽钢组成。

在具体实施方案中，所述试验装置的储水槽位于模型箱的两侧，槽内放置方钢固定。

在具体实施方案中，所述填土包括模拟含水层的砂土和模拟弱透水层的黏性土，填土的填筑顺序从下到上依次为黏性土、砂土、黏性土。

在具体实施方案中，所述石膏可根据模拟情况制作成不同形状和尺寸。

在具体实施方案中，所述试验装置的模型箱内可设置有多个井管，用于多井抽水或灌水。

另一方面，采用所述试验装置的一种采水型地裂缝物理模型试验方法，包括如下步骤：

(1)将石膏模型置于模型箱内，用防水胶密封石膏模型与模型箱的接缝处；

(2)安装井管于模型箱的底部，将井管与模型箱底部的接缝用防水胶密封；

(3)将待填筑的黏土先进行饱和，然后自下而上按顺序填筑土层，每填筑15～20cm厚的土层后静置24小时以上，待土层充分饱和后再继续填土；填土过程中始终保持储水槽内的水位略低于填土层的顶面；在填土过程中，当填至需要量测垂向位移、孔隙水压力、土压力的位置时，放置相应的垂向位移标、孔隙水压力传感器、薄膜压力传感器，并检查传感器是否正常工作，待传感器显示正常后再继续填土，在填土表面设置水平位移标；

(4)将位移传感器安装于模型箱横梁的磁性表座上，位移传感器的探头与垂向位移标顶部相接触；土层填筑完成后再静置一段时间，直至各个传感器完全稳定；

(5)通过与储水筒相连的抽水泵保持水位调节槽内的水位略低于填土面高度，开启与井管相连的水泵从井中抽水；采集各传感器和相机数据，得到抽水过程中土层不同位置的垂向位移、孔隙水压力、土压力，以及填土表面的水平位移和地裂缝的形成和发展。

上述试验方法，步骤(2)中可在模型箱的底部安装多个井管，步骤(5)中进行多井抽水或灌水试验。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明真实地模拟了潜水或承压含水层抽水情况下土层中应力、位移和孔隙水压力的变化。

2、本发明结合水平位移标，采用高像素数码相机连续拍摄，可以有效量测填土表面的水平位移以及地裂缝从无到有、从小到大的演变过程。

3、本发明采用储水槽和水位调节槽，能够准确控制水位边界条件，采用水泵和水井可以严格控制抽水量或灌水量。

4、采用本发明易于实现对不同情况下地裂缝形成的模拟。通过增加井管数量，可以模拟多井抽水或灌水情况下地裂缝的形成和演化；通过改变石膏的形状和尺寸，可以模拟不同形态和尺寸的基岩对地裂缝形成的影响；通过变化填土层的厚度及其在水平方向上的分布，可以模拟土层结构对地裂缝形成的影响。因此，采用本发明可以揭示采水型地裂缝的演变机理，为地裂缝的数值模拟方法的构建提供科学基础，为地裂缝防治提供科学依据。

附图说明

图1为本发明实施例试验系统装置的剖面示意图；

图2为本发明实施例试验系统装置的平面示意图；

图3为本发明实施例试验装置的垂向位移标示意图；

图4为本发明实施例试验装置的井管示意图；

图5为抽水试验的孔隙水压力变化曲线图；

图6为抽水试验的垂向位移变化曲线图；

图7为填土表面水平位移标位移示意图；

图8为填土表面裂缝示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步说明。

如图1和图2所示，本发明实施例公开的一种采水型地裂缝物理模型试验装置包括模型箱、模拟材料、抽水和供水系统、量测和数据采集系统。模型箱1的尺寸为140cm(长)×100cm(宽)×120cm(高)，侧面为10mm厚的有机玻璃板，底部为钢板。模型箱两侧各有10cm宽的储水槽9，有机玻璃箱体由304不锈钢角钢(规格为40mm*40mm*4mm)固定，底部加装五号槽钢(规格为35mm*35mm*50mm)，两侧储水槽9采用304不锈钢方管(规格为30mm*100mm*1mm)作为横撑，反滤土工布20粘合在储水槽9外侧的钢丝网面上。

本实施例中模拟材料由模拟含水层的砂土5、模拟弱透水层的黏性土4、模拟基岩的石膏3组成。石膏3可根据模拟情况制作成不同形状(如棱柱体、台阶状等)和尺寸。石膏3置于模型箱1的底板上，在石膏3与模型箱1的底板接缝处用防水胶密封，确保石膏3的底部没有水进入。井管2的底部固定于模型箱1的底板上，并在接缝处用防水胶密封。本实施例模拟承压含水层抽水的情况，填土的填筑顺序从下到上依次为黏性土4、砂土5、黏性土4。如果模拟潜水含水层抽水情况，也可以只填筑砂土5，并在砂土层顶面填筑一薄层黏性土4。填土过程中，在设定的位置放置孔隙水压力传感器6、垂向位移标7、薄膜压力传感器8，填土表面设置水平位移标17。垂向位移标7包括标头26和固定于标头上的标杆25(图3)。

抽水和供水系统包括井管2(模拟抽水井的PVC管)、抽水泵11、储水槽9、储水筒10、阀门12、水位调节槽13、水管14。井管2(图4)中部滤水段21(管壁上均匀设置孔洞)的外侧以反滤土工布20包裹，抽水泵11从井管2中抽水。储水槽9通过水管与水位调节槽13相连，水位调节槽13通过水管与抽水泵11相连，抽水泵11再与储水桶10相连，在水位调节槽13与抽水泵11之间安装有阀门12。水位调节槽13内设有限高管将超过限高管顶的水送回至储水桶10内。

量测和数据采集系统包括垂向位移标7、水平位移标17、孔隙水压力传感器6、位移传感器22、薄膜压力传感器8、数据采集器15、计算机16、高像素数码相机18。位移传感器22固定于磁性表座23上，磁性表座23安装于模型箱1的横梁24上，可根据监测的沉降点位置进行调整。量测系统的各类传感器通过导线与数据采集器15相连，并记录于计算机16上。高像素数码相机18通过支架19固定于模型箱1的上方，支架19固定于模型箱1的边缘。

具体实施过程如下：

试验所用土料为取自无锡地区的砂土和粉质黏土，填土从下到上的填筑顺序为30cm厚的粉质黏土4、40cm厚的砂土5、30cm厚的粉质黏土4。石膏3模型为横截面呈等腰三角形的棱柱体，三角形底边长60cm、高50cm，棱柱体长100cm。先将石膏3模型置于模型箱1的一侧，用防水胶密封石膏3模型与模型箱1的接缝处。然后安装井管2于模型箱1的底部，将井管2与模型箱1底部的接缝用防水胶密封。将待填筑的粉质黏土4先进行饱和，然后自下而上按顺序填筑土层，每填筑15～20cm厚的土层后静置24小时以上，待土层充分饱和后再继续填土。填土过程中始终保持模型箱1两侧储水槽9内的水位略低于填土层的顶面。在填土过程中，当填至需要量测垂向位移、孔隙水压力、土压力的位置时，放置相应的垂向位移标7、孔隙水压力传感器6、薄膜压力传感器8，并检查传感器是否正常工作，待传感器显示正常后再继续填土。在填土表面设置水平位移标17。位移传感器22固定于磁性表座23上，磁性表座23安装于模型箱1的横梁24上，位移传感器22的探头与垂向位移标7的标杆25顶部相接触。土层填筑完成后再静置一段时间，直至各个传感器完全稳定。

通过与储水筒10相连的抽水泵11保持水位调节槽13内的水位略低于填土面高度，开启与井管2相连的抽水泵11从井中抽水，抽水流量为1800ml/min。数据采集器15和相机18记录抽水过程中土层不同位置的垂向位移、孔隙水压力、土压力，以及填土表面的水平位移和地裂缝的形成和发展。图5为抽水过程中不同点孔隙水压力的变化，图6为不同点的垂向位移的变化。从图5可以看到，位于砂土层顶面的孔隙水压力p1随着抽水的进行迅速减小，而在粉质黏土层中的孔隙水压力p2和p3在抽水初期不是减小，而是增加，经过7～8分钟后才开始减小。图6为上部粉质黏土层中两点的垂向位移，两点高度相同但距抽水井的水平距离不同，距抽水井较远的s1点的垂向位移小于距抽水井较近的s2点的垂向位移。图7为填土表面水平位移标的变化，水平位移指向抽水井。靠近抽水井处的水平位移标的水平位移较大，离抽水井较远处的水平位移标的水平位移较小。图8为抽水结束时填土面的裂缝示意图，主要有a～e5条地裂缝。

增加井管数量，可以模拟多井抽水或灌水情况下地裂缝的形成；改变石膏的形状和尺寸，可以模拟不同形态和尺寸的基岩(如基岩陡坎)对地裂缝形成的影响；变化填土层的厚度及其在水平方向上的分布(如含水砂层中存在黏性土的透镜体，或含水砂层厚度在水平方向变化)，可以模拟土层结构对地裂缝形成的影响。

Claims (8)

1.一种采水型地裂缝物理模型试验装置，其特征在于，包括模型箱、模拟材料、抽水和供水系统、以及量测系统；所述模拟材料设于模型箱内，包括模拟含水层和/或弱透水层的填土，以及模拟基岩的石膏；

所述抽水和供水系统包括模拟抽水井的井管、与井管相连的水泵、储水槽、储水筒和与储水槽相连通用于控制储水槽内水位高度的水位调节槽，所述井管的底部固定于模型箱底板上，在井管滤水段的管壁上均匀设置孔洞，滤水段外面用反滤土工布包裹；所述储水槽位于模型箱至少一侧，由硬质钢丝网与模型箱内的填土相隔，钢丝网与填土接触一侧粘贴反滤土工布；所述储水筒经水管与抽水泵连接，并由抽水泵将水送至水位调节槽内，水位调节槽内设有限高管，将超过限高管顶的水送回至储水筒内；

所述量测系统包括垂向位移标、水平位移标、位移传感器、孔隙水压力传感器、薄膜压力传感器以及数码相机；所述垂向位移标随着填土的填筑设置于土层的不同深度处，垂向位移标包括标头和固定于标头上的标杆；所述的水平位移标设置于填土表面；所述位移传感器设于垂向位移标顶部，用于监测垂向位移标标头所在位置土层的垂向位移；所述孔隙水压力传感器和薄膜压力传感器设置于土中不同位置，用于监测土中不同位置的孔隙水压力和应力的变化；所述数码相机设在模型箱上方，用于监测土层表面的水平位移以及裂缝的形成和演化。

2.根据权利要求1所述的采水型地裂缝物理模型试验装置，其特征在于，所述模型箱由有机玻璃板、钢板和固定模型箱的角钢和槽钢组成。

3.根据权利要求2所述的采水型地裂缝物理模型试验装置，其特征在于，所述储水槽位于模型箱的两侧，槽内放置方钢固定。

4.根据权利要求1所述的采水型地裂缝物理模型试验装置，其特征在于，所述填土包括模拟含水层的砂土和模拟弱透水层的黏性土，填土的填筑顺序从下到上依次为黏性土、砂土、黏性土。

5.根据权利要求1所述的采水型地裂缝物理模型试验装置，其特征在于，所述石膏根据模拟情况制作成不同形状和尺寸。

6.根据权利要求1所述的采水型地裂缝物理模型试验装置，其特征在于，所述模型箱内设置有多个井管，用于多井抽水或灌水。

7.一种采用根据权利要求1-6任一项所述的采水型地裂缝物理模型试验装置的采水型地裂缝物理模型试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将石膏模型置于模型箱内，用防水胶密封石膏模型与模型箱的接缝处；

(2)安装井管于模型箱的底部，将井管与模型箱底部的接缝用防水胶密封；

(3)将待填筑的黏土先进行饱和，然后自下而上按顺序填筑土层，每填筑15～20cm厚的土层后静置24小时以上，待土层充分饱和后再继续填土；填土过程中始终保持储水槽内的水位略低于填土层的顶面；在填土过程中，当填至需要量测垂向位移、孔隙水压力、土压力的位置时，放置相应的垂向位移标、孔隙水压力传感器、薄膜压力传感器，并检查传感器是否正常工作，待传感器显示正常后再继续填土，在填土表面设置水平位移标；

(4)将位移传感器安装于模型箱横梁的磁性表座上，位移传感器的探头与垂向位移标的顶部相接触；土层填筑完成后再静置一段时间，直至各个传感器完全稳定；

(5)通过与储水筒相连的抽水泵保持水位调节槽内的水位略低于填土面高度，开启与井管相连的水泵从井中抽水；采集各传感器和相机数据，得到抽水过程中土层不同位置的垂向位移、孔隙水压力、土压力，以及填土表面的水平位移和地裂缝的形成和发展。

8.根据权利要求7所述的采水型地裂缝物理模型试验方法，其特征在于，步骤(2)中在模型箱的底部安装多个井管，步骤(5)中进行多井抽水或灌水试验。