CN110749531B - 一种用于流固耦合模型试验中渗水量的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量流固耦合模型试验洞周及掌子面渗水量的装置及方法。它由固定系统、储水系统、导向推进系统、压实系统组成。固定系统为装置进行定位和安放固定，储水系统由PU海绵储水模块组合而成，用于收集洞周渗水，导向推进系统将储水系统送至指定位置，压实系统通过增压气泵使储水系统中PU海绵储水模块贴紧洞周进行测量。本发明即可以满足测量不同模型洞室形状尺寸的渗水量，还可以跟随开挖在不同洞深处进行渗水量的测量，本发明采用装配式安装，减少了安装装置的时间，且采用压实系统和导向推进系统，减少了测量时的时间误差，且不受试验位置影响，可满足不同现场需要，能够用于大型三维物理模型试验。

Description

一种用于流固耦合模型试验中渗水量的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于流固耦合模型试验中渗水量的测量装置及测量方法，尤其是一种用于流固耦合模型试验中开挖洞室洞壁和掌子面渗水量的测量装置及方法。

背景技术

随着社会和经济的快速发展，地下工程不断走向深部，围岩环境也越来越复杂，地下水的影响越来越明显，尤其是地质条件复杂的西部山区及岩溶地区，高地应力、高渗透水压、强岩溶等导致深部洞室发生突水、涌泥、塌方等具有隐蔽性和突发性的大型地质灾害，为保障深部洞室在高渗透水压条件下的开挖与运行安全，研究高地应力和高地下水流固耦合作用下深部洞室围岩的变形破坏特性已变得越来越重要。其中，地质力学模型试验是根据相似原理采用缩尺地质模型来研究工程施工开挖与变形破坏规律的一种物理模拟方法，对于发现新现象，探索新规律、揭示新机理和验证新理论具有理论分析和数值模拟不可替代的重要作用。流固耦合模型试验中的渗水量是一个重要的参考物理量，因此，如何精确测量流固耦合模型试验中的渗水量已成为模型试验能否成功的一个关键因素，目前国内外相关模型试验中渗水量的测量方法研究现状如下：

《岩土工程学报》2013年第5期介绍了一种海底隧道流固耦合模型试验系统，实现了水环境下模型体内部渗压、应变和位移的采集和分析，但是无法监测开挖后洞周和洞内掌子面的渗水量。

《岩土工程学报》2015年第7期介绍了一种地下工程流-固耦合试验新技术及充填型岩溶管道突水模型试验，实现了水环境下模型体内部渗压、应变和位移的采集和分析，但是没有监测开挖后洞周和洞内掌子面的渗水量。

《岩土工程学报》2018年第5期介绍了一种岩溶隧道承压隐伏溶洞突水模型试验，实现洞室开挖突水模拟，但是无法精确测量洞周和洞内掌子面的渗水量。

《岩土力学》2018年第9期介绍了一种承压型隐伏溶洞突水灾变演化过程模型试验系统，可以实现突涌水模拟，测得水压变化，但是无法精确测量开挖后洞内渗水量。

专利号为201710345157.1的专利介绍了一种模拟隧道排水渗流状态的试验装置，但是无法精确测量洞室开挖后洞周和洞内掌子面的渗水量。

专利号为201711448812.2的专利介绍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，实现了平面应力条件下的隧道突水模拟，但是不能实现三维受力条件下隧洞开挖过程中渗水量的监测。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种可测量流固耦合模型试验洞壁及掌子面渗水量的装置及方法，该装置可在流固耦合模型试验开挖过程中随时精确测量渗水量，实现在开挖完成后的及时测量，且该装置牢固可靠，造价较低，构造简单，操作便捷，安全性好，且能用于大型三维流固耦合物理模型试验。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于流固耦合模型试验中渗水量的测量装置，包括固定系统、导向推进系统、储水系统、压实系统；

所述的固定系统包括洞内固定支架、临时洞外固定支架和洞外固定支架；

所述的导向推进系统包括导轨和导轨套筒，所述的导轨套筒套在导轨外部并能沿导轨轴线滑动，导轨两端与所述的洞内固定支架和洞外固定支架相连，临时洞外固定支架放置在导轨的需要临时支撑的位置进行临时支撑；

所述的储水系统包括储水模块、磁性连接单元，所述的磁性连接单元安装在储水模块表面，通过调整储水系统中储水模块的数量、大小、形状和导向推进系统中导轨长度，既可以进行不同洞深的渗水量测量，也可进行不同洞形及不同洞室尺寸的渗水量测量；所述的储水模块可吸水。

所述的压实系统包括橡胶薄膜、增压气泵，所述的橡胶薄膜固定包裹在导轨套筒上，所述的储水模块组装安放在导轨套筒外的橡胶薄膜外部；所述的增压气泵与橡胶薄膜相连，为橡胶薄膜增压，使储水模块可以在短时间内紧贴洞周及掌子面。

本发明通过计算储水模块在渗水前后的质量变化，结合相应的公式可以计算出洞壁单位时间单位面积水的渗透量为Q₁，掌子面单位时间单位面积水的渗透量为Q₂。

具体的，每个系统结构说明如下：

进一步优选的，所述的洞外固定支架与导轨通过连接件进行连接。

进一步优选的，所述的洞外固定支架与临时洞外固定支架配有可固定滑轮底座。

进一步优选的，所述的导轨采用装配式安装，多个小长度导轨装配连接成长导轨，从而改变导轨长度。

进一步优选的，所述的导轨套筒靠近掌子面一端设置有铁质固定导盘，储水模块可通过磁性连接单元与导盘紧密相连

进一步优选的，所述的储水模块通过磁性连接单元可组装成不同形态的储水体，从而匹配不同洞深、不同截面形状的洞室。

进一步优选的，所述的洞内掌子面一端的储水模块紧贴掌子面一端做防水处理，储水模块采用PU吸水海绵作为其制作材料。

进一步优选的，所述的橡胶薄膜通过固定环固定在导轨套筒外部。

利用本发明进行流固耦合地质模型试验渗水量测试的方法是：

第一步组装装置

1)将导轨组装成大于洞深长度的导轨并与洞内固定支架相连接，导轨与洞轴线平行并推入洞内，并在洞外一端用临时洞外固定支架支撑。

2)继续组装导轨至长度大于2倍洞深，在洞外一端将导轨套筒安装在导轨上，并通过固定环将橡胶薄膜固定在导轨套筒外，然后将导轨与洞外固定支架相连接，撤去临时洞外固定支架。

3)测量储水模块质量M₁，将储水模块组装安装在导轨套筒外，使其连接后的整体轴线长度等于洞深，将增压气泵与橡胶薄膜连接。

第二步测量渗水量

将导轨套筒推入洞内，使全部储水模块进入洞内后，打开增压气泵，使储水模块紧贴洞壁后开始计时，一段时间t后，记录外部输入的水体体积V，拉出导轨套筒，拆卸储水模块并测量其质量M₂。

第三步计算渗透量

掌子面面积为s’，洞壁单位时间单位面积水的渗透量为Q₁，掌子面单位时间单位面积水的渗透量为Q₂，水的密度为ρ_w，储水模块总侧面积为S。

第四步拆卸装置

泄去橡胶薄膜内气压，使储水模块与洞壁分离，拉出导轨套筒后安装临时洞外固定支架，拉出洞内导轨，卸下洞内固定支架，安装导轨使其长度满足下一次开挖后洞深，安装洞内固定支架。重复第二步、第三步及第四步直至开挖全部完成，得出各阶段掌子面和洞周渗水量数据。

本发明技术优势如下：

1)通过调整导轨长度可随开挖的进行随时进行流固耦合模型试验渗水量测量，且导轨采用装配式安装，操作简便，安全可靠。

2)通过改变储水模块形状大小可测量不同形状、不同尺寸洞内渗水量。

3)本发明采用增压气泵、可推进导轨套筒来安置储水模块进入到预定位置，即减少安置储水模块所耗时间，且可迅速卸压使储水模块与洞壁即刻分离，从而停止测量，如此增加测量精度，减少试验误差。

4)本发明克服了多次测量时需反复安装拆卸装置的缺点，本装置洞外固定支架和临时洞外固定支架均设滑轮底座可移动可固定，只需安装一次，下次测量时仅需安装装配式导轨，操作简便。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的导向推进系统示意图；

图3是本发明的固定系统示意图；

图4是本发明的储水系统示意图；

图5是本发明的导轨、导轨套筒和橡胶薄膜细节示意图；

图6是本发明测试方法示意图。

其中，1.导轨、2.导轨套筒、3.橡胶薄膜、4.储水模块、5.洞内固定支架、6.临时洞外固定支架、7.洞外固定支架、8.固定环、9.连接件、10.连接管道、11.铁质固定导盘、12.磁性链接单元、13.可固定滑轮底座、14.增压气泵、15.外部输入水体、16.实验体、17.渗水量测量装置。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术部分所指出的，流固耦合模型试验中的渗水量是一个重要的参考物理量，而国内外的流固耦合物理模型试验大多数没有做到跟随开挖地精确测量渗水量，因此，如何精确测量流固耦合模型试验中的渗水量成为试验成功的一个关键因素；因此本申请提出了一种可精确测量流固耦合模型试验洞周及掌子面渗水量的试验装置和方法，该装置可测量流固耦合模型试验中掌子面及洞周渗水量，并能做到跟进开挖及时测量，且该装置牢固可靠，造价较低，构造简单，操作便捷，安全性好，且能用于大型三维流固耦合物理模型试验。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1至图6所示，一种测量流固耦合模型试验洞周及掌子面渗水量的装置，包括固定系统、导向推进系统、储水系统、压实系统，其中：

如图1、图3所示，固定系统由洞内固定支架5、临时洞外固定支架6和洞外固定支架7组成；

洞内固定支架5类似于一个圆形滚轮结构，洞内固定支架5安装在导轨1的一端；对应附图1中的左端；临时洞外固定支架6包括一个可伸缩的竖直支撑杆和可固定滑轮底座，可伸缩的竖直支撑杆竖直的安装在可固定滑轮底座13上，可伸缩的竖直支撑杆的顶部设有一个小的弧形支座，对导轨1进行临时支撑，其放置位置可以随时调整；洞外固定支架7安装在导轨1的另外一端，对应附图1中的右端；洞外固定支架7与导轨1通过连接件9进行连接；其中洞外固定支架7也包括一个竖直伸缩杆和可固定滑轮底座，其结构与临时洞外固定支架6相似。

进一步的，在临时洞外固定支架6设置滑轮底座的目的主要是为了实现临时洞外固定支架6的位置移动；

进一步的，在洞外固定支架7中设置滑轮底座的目的主要是为了实现整个测量装置的位置移动。

如图2所示，上述导向推进系统由导轨1和导轨套筒2组成，导轨1两端分别与洞内固定支架5和洞外固定支架7连接，导轨套筒套2套在导轨1外部并能在导轨1轴线方向上移动。

如图4所示，上述储水系统由储水模块4和磁性连接单元12组成，磁性连接单元12安装在储水模块4外部表面；储水模块4包括多个，多个储水模块4可以设计成不同的形状或者相同的形状，在每个储水模块4的外表面设置多个磁性连接单元12，通过磁性连接单元12可以将储水模块组合成不同的形状和结构，从而匹配不同洞深、不同截面形状的洞室；通过调整储水系统中储水模块的数量、大小、形状和导向推进系统中导轨长度，既可以进行不同洞深的渗水量测量，也可进行不同洞形及不同洞室尺寸的渗水量测量。

上述压实系统由橡胶薄膜3和增压气泵14组成，橡胶薄膜3设有连接管道10与增压气泵14相连，橡胶薄膜3包裹在导轨套筒2的外部，组装好的储水模块4放置在橡胶薄膜3的外部；增压气泵14为橡胶薄膜增压，使储水模块可以在短时间内紧贴洞周及掌子面。本发明采用增压气泵、可推进导轨套筒来安置储水模块进入到预定位置，即减少安置储水模块所耗时间，且可迅速卸压使储水模块与洞壁即刻分离，从而停止测量，如此增加测量精度，减少试验误差。

本发明通过计算储水模块在渗水前后的质量变化，结合相应的公式可以计算出洞壁单位时间单位面积水的渗透量为Q₁，掌子面单位时间单位面积水的渗透量为Q₂；

进一步优选的，如图3所示，所述的导轨1采用装配式安装结构，通过调整导轨1节数从而改变长度导轨1的长度，以适应不同深度的洞室，具体的如图2、图3所示，

进一步优选的，所述的导轨套筒2靠近掌子面一端设置有铁质固定导盘11，当储水模块4移动到铁质固定导盘11位置时，储水模块4可通过磁性连接单元12与铁质固定导盘11紧密相连，以实现储水模块的位置的固定。

进一步优选的，所述的储水模块4通过磁性连接单元12可组装成不同形态的储水体，从而匹配不同洞深、不同截面形状的洞室。

进一步优选的，所述的洞内掌子面一端的储水模块4紧贴掌子面一端做防水处理，储水模块4采用PU吸水海绵作为其制作材料

进一步优选的，所述的橡胶薄膜3通过固定环8固定在导轨套筒2外部。

本发明提供的一种利用本发明的装置进行流固耦合地质模型试验渗水量测试的方法是：

第一步组装装置:

1)将导轨1组装成略大于洞深长度的导轨并与洞内固定支架5相连接，将导轨1推入洞内，并在洞外一端，将临时洞外固定支架6架设合适高度托起导轨1，架设高度应满足使导轨1平行于洞轴线。

2)继续组装导轨1至长度略大于2倍洞深，在洞外一端将导轨套筒2安装在导轨上，通过固定环8将橡胶薄膜3安装在导轨套筒2外部，将导轨与1洞外固定支架7相连接，撤去临时洞外固定支架6。

3)测量储水模块4质量M₁，将储水模块4组装并安装在导轨套筒2外部，使其连接后的整体轴线长度等于洞深，将增压气泵14与橡胶薄膜3通过连接管道10连接。

第二步测量渗水量:

将导轨套筒2推入洞内，使全部储水模块4进入洞内后，打开增压气泵14，使储水模块4紧贴洞壁后开始计时，一段时间t后，记录外部输入的水体体积V，拉出导轨套筒2，拆卸储水模块4并测量其质量M₂。

第三步计算渗透量:

掌子面面积为s’，洞壁单位时间单位面积水的渗透量为Q₁，掌子面单位时间单位面积水的渗透量为Q₂，水的密度为ρ_w，储水模块4总侧面积为S。

第四步拆卸装置

泄去橡胶薄膜3内气压，使储水模块4与洞壁分离，拉出导轨套筒2后安装临时洞外固定支架6，拉出洞内导轨1，卸下洞内固定支架5，安装导轨1使其长度满足下一次开挖后洞深，安装洞内固定支架5。重复第二步、第三步及第四步直至开挖全部完成，得出各阶段掌子面和洞周渗水量数据。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量流固耦合模型试验洞周及掌子面渗水量的装置，其特征在于，包括固定系统、导向推进系统、储水系统、压实系统；其中：

所述的固定系统用于固定所述的导向推进系统；

所述的导向推进系统包括导轨和导轨套筒，所述的导轨套筒套在导轨外部并能沿导轨轴线滑动；

所述的储水系统包括储水模块、磁性连接单元，所述的磁性连接单元安装在储水模块表面，通过调整储水系统中储水模块的数量、大小、形状和导向推进系统中导轨长度，进行不同洞深、不同洞型及不同洞室尺寸的渗水量测量；所述的储水模块可吸水；

所述的压实系统包括橡胶薄膜、增压气泵，所述的橡胶薄膜固定包裹在所述导轨套筒上，所述的储水模块组装安放在导轨套筒外的橡胶薄膜外部；增压气泵与橡胶薄膜相连，为橡胶薄膜增压，使储水模块紧贴洞周及掌子面。

2.如权利要求1所述的测量流固耦合模型试验洞周及掌子面渗水量的装置，其特征在于，所述的导轨采用装配式安装，多个小长度导轨装配连接成长导轨，从而改变导轨长度。

3.如权利要求1所述的测量流固耦合模型试验洞周及掌子面渗水量的装置，其特征在于，所述的固定系统包括洞内固定支架、临时洞外固定支架和洞外固定支架；所述的洞内固定支架和洞外固定支架分别安装在导轨两端，所述的临时洞外固定支架支撑在导轨中间。

4.如权利要求3所述的测量流固耦合模型试验洞周及掌子面渗水量的装置，其特征在于，所述的临时洞外固定支架包括可固定滑轮底座和伸缩式支撑杆，所述的伸缩式支撑杆竖直地安装在可固定滑轮底座上。

5.如权利要求3所述的测量流固耦合模型试验洞周及掌子面渗水量的装置，其特征在于，所述的洞外固定支架包括可固定滑轮底座和伸缩式支撑杆，所述的伸缩式支撑杆竖直地安装在可固定滑轮底座上。

6.如权利要求3所述的测量流固耦合模型试验洞周及掌子面渗水量的装置，其特征在于，所述的洞内固定支架为一个圆盘结构。

7.如权利要求1所述的测量流固耦合模型试验洞周及掌子面渗水量的装置，其特征在于，所述的导轨套筒靠近掌子面一端设置有铁质固定导盘，储水模块可通过磁性连接单元与铁质固定导盘紧密相连。

8.如权利要求3所述的测量流固耦合模型试验洞周及掌子面渗水量的装置，其特征在于，所述的掌子面一端的储水模块紧贴掌子面一端做防水处理，储水模块采用PU吸水海绵作为其制作材料。

9.如权利要求3所述的测量流固耦合模型试验洞周及掌子面渗水量的装置，其特征在于，所述的橡胶薄膜通过固定环固定在导轨套筒外部。

10.利用权利要求1-9任一所述的测量流固耦合模型试验洞周及掌子面渗水量的装置进行流固耦合地质模型试验开挖过程中洞周及掌子面渗水量测试的方法，其特征在于：

第一步组装装置

1)将导轨组装成略大于洞深长度的导轨并与洞内固定支架相连接，将导轨推入洞内，并在洞外一端，将临时洞外固定支架架设合适高度托起导轨，架设高度应满足使导轨平行于洞轴线；

2)继续组装导轨至长度略大于2倍洞深，在洞外一端将导轨套筒安装在导轨上，通过固定环将橡胶薄膜安装在导轨套筒外，将导轨与洞外固定支架相连接，撤去临时洞外固定支架；

3)测量储水模块质量M₁，将储水模块组装安装在导轨套筒外，使其连接后的整体轴线长度等于洞深，将增压气泵与橡胶薄膜连接；

第二步测量渗水量

将导轨套筒推入洞内，使全部储水模块进入洞内后，打开增压气泵，使储水模块紧贴洞壁后开始计时，一段时间t后，记录外部输入的水体体积V，拉出导轨套筒，拆卸储水模块并测量其质量M₂；

第三步计算渗透量

掌子面面积为s’，洞壁单位时间单位面积水的渗透量为Q₁，掌子面单位时间单位面积水的渗透量为Q₂，水的密度为ρ_w，储水模块总侧面积为S；

第四步拆卸装置

泄去橡胶薄膜内气压，使储水模块与洞壁分离，拉出导轨套筒后安装临时洞外固定支架，拉出洞内导轨，卸下洞内固定支架，安装导轨使其长度满足下一次开挖后洞深，安装洞内固定支架；重复第二步、第三步及第四步直至开挖全部完成，得出各阶段掌子面和洞周渗水量数据。

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