CN109827958B - 岩溶区隧道排水系统结晶堵塞模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种岩溶区隧道排水系统结晶堵塞模拟试验装置,在支架上设置有初支模型，初支模型前后两端设置有初支模型环向壁、左右两侧设置有集水槽、上表面设置有相互连通的纵向洒水管和环向洒水管，两侧集水槽上均连通设置有引水管，引水管上设置有排水阀门并与排水系统相连通，排水系统与过滤装置相连通、排水系统上方设置有监测装置，监测装置将信号传送给电脑，排水系统由设置于地面的可调节支架支撑，过滤装置通过回水管与供水箱相连通、通过平衡管与收集箱相连通，供水箱顶部设置有搅拌装置支架、搅拌装置，供水箱与环向洒水管、浓度平衡装置相连通；本发明适用于不同岩溶区排水系统堵塞机理研究，试验数据可以为不同岩溶地层隧道排水系统堵塞年限提供依据。

Description

岩溶区隧道排水系统结晶堵塞模拟试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及到一种关于岩溶区隧道排水系统结晶堵塞和岩溶水对不同建筑材料影响作用的模型试验装置及试验方法。

背景技术

中国是一个岩溶大国，随着社会经济的快速发展，对公路交通运输也提出了更高的要求，隧道扮演着越来越重要的角色。高速公路穿越岩溶地区的情况越来越普遍，然而岩溶区隧道在修筑以及运营的过程中，排水系统结晶堵塞的问题突显，伴随岩溶区隧道陆续投入运营，隧道排水系统堵塞的问题也将越来越突出。当隧道排水系统发生堵塞、排水不畅时，轻则造成衬砌渗漏水，若发现或处治较晚，甚至会引起隧道衬砌开裂、底板隆起等严重危害，对隧道结构造成永久性损伤，影响隧道的正常使用以及行车安全。目前针对隧道排水系统结晶堵塞这种病害的治理，已经花费了大量的财力物力和资源，但对排水系统结晶堵塞机理的研究尚未有突破性进展，也没有一套完善的装置模拟隧道排水系统运行，并有效地通过其分析与研究隧道排水系统结晶堵塞机理及处治方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,提供一种设计合理、可模拟一般隧道排水过程、岩溶区隧道排水管上结晶沉积过程、预测岩溶区隧道排水系统堵塞年限的试验装置及试验方法。

解决上述技术问题采用的技术方案是：在支架上设置有初支模型，初支模型前后两端均设置有初支模型环向壁，初支模型的上表面设置有相互连通的纵向洒水管和环向洒水管，纵向洒水管上加工有若干出水孔，初支模型的左右两侧均设置有集水槽，两侧集水槽上均连通设置有引水管，引水管上设置有排水阀门并与排水系统相连通，排水系统与过滤装置相连通，排水系统由设置于地面的可调节支架支撑，排水系统上方设置有监测装置，监测装置通过自带WiFi功能将信号传送给电脑，过滤装置通过回水管与供水箱相连通、通过安装在平衡管上的收集箱阀门与收集箱相连通，供水箱顶部设置有搅拌装置支架，搅拌装置支架上设置有搅拌装置，供水箱通过安装在主管道上的供水泵与环向洒水管相连通，供水箱与浓度平衡装置相连通。

本发明的初支模型为：初支模型本体内部依次设置有土工布、防水板、钢板，所述的初支模型本体为模拟隧道的半圆拱结构，采用干喷或湿喷工艺制成。

本发明的排水系统为：纵向排水管通过弯头与横向排水管相连通；所述的初支模型左、右两侧均设置有4根纵向排水管，右侧纵向排水管管径是左侧纵向排水管管径的2～3倍，横向排水管的数量和管径与纵向排水管相适应。

本发明的初支模型的上表面均布设置有7组纵向洒水管，7组纵向洒水管均与环向洒水管相连通。

本发明的初支模型右侧3组纵向洒水管管径是左侧3组纵向洒水管管径的2～3倍。

本发明的排水系统距地面的高度高于回水管距地面的高度，平衡管距地面的高度高于回水管距地面的高度并低于排水系统距地面的高度。

本发明的过滤装置为：过滤装置本体内部间隔设置有多层过滤板，过滤板上铺设有过滤布。

本发明的浓度平衡装置为：浓度平衡装置本体通过连接软管与供水箱相连通，连接软管上设置有微型泵。

本发明的监测装置为：可调节支架上设置有横杆，横杆上设置有微型摄像机，微型摄像机的设置位置和数量与纵向排水管以及横向排水管的位置和数量相对应。

本发明的岩溶区隧道排水系统结晶堵塞模拟试验装置得试验方法，由以下步骤组成：

S1、首先将配置好的溶液加入供水箱中，通过供水泵抽到主管道中，水流通过七根纵向洒水管流到初支模型上，水流顺着初支模型表面汇入集水槽，经集水槽连接的引流管流入到排水系统中，经过过滤装置在回到供水箱中，以此循环；

S2、通过可调节支架调整排水系统坡度，通过引水管上的排水阀门调节流经排水系统的水流流速，通过调节供水泵的功率控制进入主管道的水流流量、流速；

S3、通过监测装置定期对横向排水管、接头、纵向排水管固定位置拍照，通过对照片中结晶高度的对比计算结晶发展规律，通过监测数据，通过结晶高度计算结晶量，然后对结晶量的变化数据进行关系曲线拟合，形成图像，根据图像预测排水系统堵塞年限；

S4、调节微型泵将浓度平衡装置中的高浓度溶液加入到供水箱中。

本发明相比于现有技术具有以下优点：

1、本发明采用喷洒装置模拟围岩岩隙水从各个方向涌向初支的实际工况，能够更加具象地获取围岩水进入隧道排水系统的过程，通过装置的长期循环过程，可以预测岩溶区排水系统堵塞规律和堵塞年限；

2、本发明采用八根纵向排水管和八根横向排水管组成模拟隧道排水系统，两侧各有四组横纵排水管，可以根据现场排水管设置、材料等来模拟多种工况；

3、实际工程中岩溶水在排水管中产生的沉淀不仅仅是岩溶水自身的结晶作用，而是与一同携带下来的初支上碎石或与初支某种成分反应等总和因素共同作用的结果。

本发明操作简单，可以高效地获取相关试验数据，通过改变实验设计可适用于不同岩溶区排水系统堵塞机理研究，试验所得数据可以为不同岩溶地层隧道排水系统堵塞年限提供依据。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1中初支模型7的结构示意图。

图中：1、供水箱；2、搅拌装置支架；3、搅拌装置；4、供水泵；5、主管道；6、环向洒水管7、纵向洒水管；8、初支模型环向壁；9、初支模型；10、集水槽；11、引水管；12、排水阀门；13、排水系统；14、可调节支架；15、监测装置；16、过滤装置；17、回水管；18、收集箱；19、收集箱阀门；20、浓度平衡装置；21、电脑；22、平衡管；23、支架；9-1、钢板；9-2、防水板；9-3、土工布；9-4、初支模型本体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本发明一种岩溶区隧道排水系统结晶堵塞模拟试验装置,在支架23上安装有初支模型9，初支模型9按照实际隧道等比例缩小，用以模拟不同施工工艺对岩溶区排水系统堵塞的影响；初支模型9可拆卸，可更换，岩溶区排水系统结晶堵塞问题，不仅仅是岩溶水的结晶析出(化学作用)，其中，细颗粒、碎石等在排水管上的缓慢沉积也是构成堵塞物的重要因素(物理作用)，这些物理作用的沉积物是通过水流将初支表面的细颗粒等携带下来实现的，因此，本发明可以喷射不同配比混凝土，模拟初支材料对该问题的影响。本发明的初支模型9由钢板9-1、防水板9-2、土工布9-3、初支模型本体9-4组成，所述的初支模型本体9-4为模拟隧道的半圆拱结构，由采用干喷或湿喷工艺制成，可根据工程实际情况和所研究内容进行不同水泥、砂、石、外加剂的配比，初支模型本体9-4内部依次设置有土工布9-3、防水板9-2、钢板9-1。初支模型9前后两端均安装有初支模型环向壁8，初支模型环向壁8防止水流从初支模型9前后两端流出，初支模型9的上表面间隔安装有相互连通的纵向洒水管7和环向洒水管6，纵向洒水管7两端固定在初支模型环向壁8上，纵向洒水管7上加工有若干出水孔，水流通过出水孔喷洒至初支模型9上表面，本实施例的初支模型9的上表面均布安装有7组纵向洒水管7，7组纵向洒水管7均与环向洒水管6相连通，初支模型9右侧3组纵向洒水管管径是左侧3组纵向洒水管管径的2～3倍，用于模拟实际工程中雨季旱季不同工况。

初支模型9的左右两侧均安装有集水槽10，集水槽10用于收集初支模型9上表面接触反应的岩溶水，集水槽10具有消能作用，将水流经初支表面获得的动力势能抵消，使水流能平缓流入排水系统中，便于观察，两侧集水槽10上均加工有引水孔，引水孔内安装有引水管11，引水管11上安装有排水阀门12并与排水系统13相连通，排水阀门12调节流入排水系统13的水流量，排水系统13与过滤装置16相连通，排水系统13由设置于地面的可调节支架14支撑，可调节支架14调节排水系统13的高度，用于模拟不同坡度下排水系统13的堵塞规律，通过实验数据，获得岩溶区隧道排水系统最佳排水坡度，本发明的排水系统由纵向排水管和横向排水管组成，纵向排水管通过弯头与横向排水管相连通；本实施例中，初支模型9左、右两侧均安装有4根纵向排水管，右侧纵向排水管管径是左侧纵向排水管管径的2～3倍，横向排水管的数量和管径与纵向排水管相适应，左侧模拟旱季隧道排水情况，右侧模拟雨季隧道排水情况；排水管通过搭接拼装组成，便于拆卸更换，更换不同的材质，不同的管壁粗糙度，不同的直径，不同的形状等，通过研究不同排水管构成材料、内壁粗糙度、管壁大小对隧道排水系统影响的堵塞规律，确定岩溶区隧道排水系统制作、设计的优化与改进方案。

排水系统13上方设置有监测装置15，监测装置15由可调节支架14、横杆、微型摄像机组成，可调节支架14上安装横杆，横杆上安装有微型摄像机，微型摄像机为市场销售产品，型号为A9，微型摄像机的设置位置和数量与纵向排水管以及横向排水管的位置和数量相对应；监测装置15通过自带WiFi功能将信号传送给电脑21，微型摄影机定期对排水管固定位置进行拍摄，照片上传至电脑，通过对沉积厚度和管径尺寸来计算沉积量，获得大量沉积量数据，用电脑拟合沉积速率曲线，从而预测排水系统堵塞年限。

本发明的过滤装置16由过滤装置本体、过滤板、过滤布组成，过滤装置本体内部间隔设置有多层过滤板，过滤板上铺设有过滤布。过滤装置16通过回水管17与供水箱1相连通、通过安装在平衡管22上的收集箱阀门19与收集箱18相连通，本发明的排水系统13距地面的高度高于回水管17距地面的高度，平衡管22距地面的高度高于回水管17距地面的高度并低于排水系统13距地面的高度，以保证排水系统13中的水流能顺利通过过滤装置16进入回水管17，从而进入供水箱1循环利用，模拟试验装置在运行过程中，由于排水量和回水量速度不好控制，为了防止过滤装置16和供水箱1中的水过多溢出或过少使供水泵4空转，加设集水箱18，收集供水箱1和过滤装置16高于安全高度溢出的水；同时供水箱1和过滤装置16水面低于安全高度时，补充用水，收集箱作为整个系统的保护装置，保护供水箱1中的水不会过多溢出，防止供水泵4空转；避免过滤装置16中的水过多时淹没过滤板，过少时不能及时回流至供水箱1。

供水箱1顶部安装有搅拌装置支架2，搅拌装置支架2上安装有搅拌装置3，搅拌装置3用于对岩溶水的搅拌，模拟隧道衬砌后水的紊流状态。供水箱1通过安装在主管道5上的供水泵4与环向洒水管6相连通，可以通过调节供水泵4的功率控制进入环向洒水管6的水流量；供水箱1与浓度平衡装置20相连通，本发明的浓度平衡装置20由浓度平衡装置本体、连接软管、微型泵组成，浓度平衡装置本体通过连接软管与供水箱1相连通，连接软管上安装有微型泵，整个循环过程，由于岩溶水析出结晶体的原因，岩溶水中溶质会逐渐降低，为了保证整个模拟过程中供水箱1中岩溶水保持不变，需要向供水箱1中不断添加溶质，以达到平衡溶液浓度的效果，浓度平衡装置本体中存储浓度高的溶液，调速微型泵至恒定速度，不断向供水箱1中补充溶质，从而控制整个循环系统的浓度稳定。

本发明的岩溶区隧道排水系统结晶堵塞模拟试验装置得试验方法，由以下步骤组成：

S1、首先将配置好的溶液加入供水箱中，通过供水泵抽到主管道中，水流通过七根纵向洒水管流到初支模型上，水流顺着初支模型表面汇入集水槽，经集水槽连接的引流管流入到排水系统中，经过过滤装置在回到供水箱中，以此循环；

S2、通过可调节支架调整排水系统坡度，通过引水管上的排水阀门调节流经排水系统的水流流速，通过调节供水泵的功率控制进入主管道的水流流量、流速；

S3、通过监测装置定期对横向排水管、接头、纵向排水管固定位置拍照，通过对照片中结晶高度的对比计算结晶发展规律，通过监测数据，通过结晶高度计算结晶量，然后对结晶量的变化数据进行关系曲线拟合，形成图像，根据图像预测排水系统堵塞年限；

S4、调节微型泵将浓度平衡装置中的高浓度溶液加入到供水箱中。

Claims (8)

1.一种岩溶区隧道排水系统结晶堵塞模拟试验装置,其特征在于：在支架上设置有初支模型，初支模型前后两端均设置有初支模型环向壁，初支模型的上表面设置有相互连通的纵向洒水管和环向洒水管，纵向洒水管上加工有若干出水孔，初支模型的左右两侧均设置有集水槽，两侧集水槽上均连通设置有引水管，引水管上设置有排水阀门并与排水系统相连通，排水系统与过滤装置相连通，排水系统由设置于地面的可调节支架支撑，排水系统上方设置有监测装置，监测装置通过自带WiFi功能将信号传送给电脑，过滤装置通过回水管与供水箱相连通、通过安装在平衡管上的收集箱阀门与收集箱相连通，供水箱顶部设置有搅拌装置支架，搅拌装置支架上设置有搅拌装置，供水箱通过安装在主管道上的供水泵与环向洒水管相连通，供水箱与浓度平衡装置相连通；

所述的初支模型为：初支模型本体内部依次设置有土工布、防水板、钢板，所述的初支模型本体为模拟隧道的半圆拱结构，采用干喷或湿喷工艺制成；

所述的排水系统为：纵向排水管通过弯头与横向排水管相连通；所述的初支模型左、右两侧均设置有4根纵向排水管，右侧纵向排水管管径是左侧纵向排水管管径的2～3倍，横向排水管的数量和管径与纵向排水管相适应。

2.根据权利要求1所述的岩溶区隧道排水系统结晶堵塞模拟试验装置，其特征在于：所述的初支模型的上表面均布设置有7组纵向洒水管，7组纵向洒水管均与环向洒水管相连通。

3.根据权利要求2所述的岩溶区隧道排水系统结晶堵塞模拟试验装置，其特征在于：所述的初支模型右侧3组纵向洒水管管径是左侧3组纵向洒水管管径的2～3倍。

4.根据权利要求1所述的岩溶区隧道排水系统结晶堵塞模拟试验装置，其特征在于：所述的排水系统距地面的高度高于回水管距地面的高度，平衡管距地面的高度高于回水管距地面的高度并低于排水系统距地面的高度。

5.根据权利要求1所述的岩溶区隧道排水系统结晶堵塞模拟试验装置，其特征在于所述的过滤装置为：过滤装置本体内部间隔设置有多层过滤板，过滤板上铺设有过滤布。

6.根据权利要求1所述的岩溶区隧道排水系统结晶堵塞模拟试验装置，其特征在于所述的浓度平衡装置为：浓度平衡装置本体通过连接软管与供水箱相连通，连接软管上设置有微型泵。

7.根据权利要求1所述的岩溶区隧道排水系统结晶堵塞模拟试验装置，其特征在于所述的监测装置为：可调节支架上设置有横杆，横杆上设置有微型摄像机，微型摄像机的设置位置和数量与纵向排水管以及横向排水管的位置和数量相对应。

8.根据权利要求1～7任意一项所述的岩溶区隧道排水系统结晶堵塞模拟试验装置的试验方法，其特征在于由以下步骤组成：

S1、首先将配置好的溶液加入供水箱中，通过供水泵抽到主管道中，水流通过七根纵向洒水管流到初支模型上，水流顺着初支模型表面汇入集水槽，经集水槽连接的引流管流入到排水系统中，经过过滤装置在回到供水箱中，以此循环；

S2、通过可调节支架调整排水系统坡度，通过引水管上的排水阀门调节流经排水系统的水流流速，通过调节供水泵的功率控制进入主管道的水流流量、流速；

S3、通过监测装置定期对横向排水管、接头、纵向排水管固定位置拍照，通过对照片中结晶高度的对比计算结晶发展规律，通过监测数据，通过结晶高度计算结晶量，然后对结晶量的变化数据进行关系曲线拟合，形成图像，根据图像预测排水系统堵塞年限；

S4、调节微型泵将浓度平衡装置中的高浓度溶液加入到供水箱中。