CN111122830B - 一种覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置及其操作方法，它解决了现有技术中岩溶构造开口不可调节、难以分析多构造致塌的相互作用模式与影响规律、操作较为复杂的问题，可有效模拟覆盖型岩溶地面塌陷的灾变演化过程，同时又能便捷地调整岩溶构造大小、数量与位置、覆盖土层厚度、地下水位变化等关键影响因素。其技术方案为：包括水位控制箱、塌陷模拟箱，水位控制箱一侧安装有用于调整水位控制箱内水位高度的溢流装置；塌陷模拟箱用于填充土体，塌陷模拟箱底部沿其长度方向上等间距布设多个岩溶构造开口，岩溶构造开口安装有用于调节开口大小的控制阀门；其中，水位控制箱与岩溶构造开口通过过水管道相连，过水管道能够向塌陷模拟箱供水。

Description

一种覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及岩溶地面塌陷研究领域，尤其涉及一种覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置及其操作方法。

背景技术

覆盖型岩溶塌陷通常指溶洞、溶槽等岩溶构造的上覆土层在地下水和外力作用下发生变形破坏并最终导致地面塌陷的灾害现象。伴随城市化进程的快速推进，岩溶地面塌陷灾害在我国西南岩溶地区频繁发生，导致道路毁坏、建筑倾覆等严重后果，直接威胁人民生命财产安全。

岩溶塌陷灾变机理及防控技术研究一直受到广泛关注。然而，由于岩溶塌陷成因机制复杂、影响因素众多且隐蔽性强，其灾变机制与演化过程目前尚不清晰。物理模拟试验是开展岩溶塌陷研究的重要手段，发明人发现，现有的模拟试验装置能够较为直观的显现灾变过程与致灾模式，然而仍存在一些技术上的不足，主要包括：(1)现有装置的模拟工况较为单一，不能充分表征塌陷发生的复杂环境地质条件；(2)岩溶构造开口大小是影响塌陷的重要因素，但现有装置多为固定式开口，大小不可调节；(3)现有装置大多针对单个岩溶构造进行模拟，难以分析多构造致塌的相互作用模式与影响规律；(4)现有装置多采用钢板焊接而成，试验完成后需进行开挖观察，操作较为复杂且影响模拟的可靠性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置及其操作方法，可有效模拟覆盖型岩溶地面塌陷的灾变演化过程，同时又能便捷地调整岩溶构造大小、数量与位置、覆盖土层厚度、地下水位变化等关键影响因素，并通过测试元件监测塌陷过程中多个物理量的变化。

本发明采用下述技术方案：

一种覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置，包括：

水位控制箱，其一侧安装有用于调整水位控制箱内水位高度的溢流装置；

塌陷模拟箱，用于填充土体，塌陷模拟箱底部沿其长度方向上等间距布设多个岩溶构造开口，所述岩溶构造开口安装有用于调节开口大小的控制阀门；

其中，所述水位控制箱与岩溶构造开口通过过水管道相连，过水管道能够向塌陷模拟箱供水。

进一步的，所述溢流装置包括溢流阀、溢流管，所述溢流阀通过溢流管与水位控制箱连通；

进一步的，所述溢流阀与安装在水位控制箱侧面的导轨滑动连接。

进一步的，所述水位控制箱底部与过水管道连通，且过水管道靠近水位控制箱底部一端安装进水阀门，过水管道另一端安装排水阀门。

进一步的所述塌陷模拟箱的两侧对称连接测压管。

进一步的，所述塌陷模拟箱内部填充的土体表面设置多个用于监控沉降变形的位移传感器，土体内部设置多个应力应变传感器。

进一步的，所述控制阀门为旋转阀门。

进一步的，所述水位控制箱和塌陷模拟箱的侧壁分别设有用于测量竖向高度的标尺。

一种覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置的操作方法，包括如下步骤：

步骤1：根据模拟试验工况，设计岩溶塌陷的控制参数；

步骤2：关闭控制阀门，在塌陷模拟箱内填入设定厚度和密实度的土体，在土体内部不同位置处预埋多组应力应变传感器，在土体表面安装位移传感器；

步骤3：填土完成后，调节控制阀门，控制岩溶构造开口的数量、大小和间距；

步骤4：将水位控制箱溢流装置的出水口调节至设计高度，之后向水位控制箱内注水并稳定在设定的水位高度；

步骤5：打开进水阀门，同时关闭排水阀门，水经由过水管道进入塌陷模拟箱内，使塌陷模拟箱中水位逐渐升高，模拟地下水水位抬升过程；

步骤6：待塌陷模拟箱中水位稳定后，关闭进水阀门，打开排水阀门，使塌陷模拟箱中水体从过水管道流出，模拟地下水位下降过程；

步骤7：重复步骤5和步骤6，模拟地下水位反复升降的变化过程，直至发生土体塌陷。

进一步的，进水阀门、排水阀门开启时，应注意其开启程度，通过调整阀门开启大小来控制水流流量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过对岩溶开口大小、数量及位置、地下水位高度、地下水位变化速率、上覆土层厚度等关键参数的灵活调整，满足多工况条件下岩溶塌陷模拟的试验要求；

2.本发明充分考虑了覆盖型岩溶塌陷的真实情况和影响因素，可获得直观的模拟现象和多类型试验数据，为岩溶塌陷灾变机理与致灾规律研究提供依据；

3.本发明具有操作简单、可视性好、模拟工况复杂、测试数据丰富等优点，可为后续岩溶塌陷防控研究提供便捷的试验条件。

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为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例一的岩溶构造开口主视图；

图3为本发明实施例一的岩溶构造开口侧视图；

图4为本发明实施例一的岩溶构造开口俯视图；

图5为本发明实施例一的旋转阀门闭合示意图；

图6为本发明实施例一的旋转阀门打开示意图一；

图7为本发明实施例一的旋转阀门打开示意图二；

其中，1.水位控制箱，2.塌陷模拟箱，3.过水管道，4.位移传感器，5.岩溶构造开口，6.控制阀门，7.进水阀门，8.排水阀门，9.测压管，10.测压管，11.水源，12.溢流管，13.溢流阀，14.滑轨，15.应力应变传感器。

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；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“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，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，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的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在岩溶构造开口不可调节、难以分析多构造致塌的相互作用模式与影响规律、操作较为复杂的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置及其操作方法。

实施例一：

下面结合附图1-图7对本发明进行详细说明，具体的，结构如下：

本实施例提供了一种覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置，包括水位控制箱1、塌陷模拟箱2、溢流装置、过水管道3、岩溶构造开口5，溢流装置安装于水位控制箱1侧面；岩溶构造开口5有多个，且安装于塌陷模拟箱2底部；水位控制箱1底部与过水管道3连通，过水管道3与岩溶构造开口5相连。

所述过水管道3靠近水位控制箱1底部的一端安装进水阀门7，过水管道3的另一端安装排水阀门8，通过开启进水阀门7并关闭排水阀门8为塌陷模拟箱2供水。同时，过水管道3能够为塌落土体提供运移通道，可利用水流将管道中的塌落土体排出。

所述水位控制箱1和塌陷模拟箱2的侧壁分别设有用于测量竖向高度的标尺。在本实施例中，塌陷模拟箱2为无盖长方体结构，其几何尺寸为1.5×1×0.5m，塌陷模拟箱2底部设置的岩溶构造开口5有五个，其直径为15cm，相邻岩溶构造开口5的间距10cm。塌陷模拟箱2的箱体四周采用厚度为15mm的透明有机玻璃板加工而成，箱底部为厚度20mm的透明有机玻璃板。可以理解的，在其他实施中，塌陷模拟箱2可以为其他形状尺寸，具体根据实际试验要求选择。

在本实例例中，水位控制箱1为0.5×0.5×0.5m的无盖立方体，水位控制箱1由厚度15mm的透明有机玻璃板制作，过水管道3用直径10cm、厚度10mm的透明有机玻璃管制成。将水位控制箱1和塌陷模拟箱2固定于两个相同高度的钢架上，便于试验操作与观察。

进一步的，所述溢流装置包括溢流阀13、溢流管12，溢流阀13通过溢流管12与水位控制箱1侧面底部位置相连；水位控制箱1侧面固定安装滑轨14，溢流阀13与滑轨14滑动连接，通过移动溢流阀13在滑轨14的位置调节水位控制箱1内水位高度。

所述塌陷模拟箱2的两侧对称安装测压管9、测压管10，以监测塌陷模拟箱2中的水位变化情况。多个岩溶构造开口5沿塌陷模拟箱2长度方向间隔布设，岩溶构造开口5的个数根据塌陷模拟箱2长度而定。岩溶构造开口5内安装控制阀门6，所述控制阀门6为旋转阀门，旋转阀门能够控制岩溶构造开口5的开口大小。

如图2-图4所示，岩溶构造开口5呈柱体与锥体结合的结构，呈锥体结构一端与过水管道3相连，呈柱体结构一端连接塌陷模拟箱2，且安装旋转阀门。旋转阀门关闭时岩溶构造开口5状态如图5所示，旋转阀门打开至最大时岩溶构造开口5状态如图7所示，旋转阀门打开一定程度时岩溶构造开口5状态如图6所示。

所述塌陷模拟箱2内部填充的土体表面设置多个用于监控沉降变形的位移传感器4，土体内部设置多个应力应变传感器15，用于监测试验过程中土体的应力、应变场分布及变化特征。

本实施例可灵活调整岩溶构造的开口大小、数量及位置、地下水位高度、地下水位变化速率、上覆土层厚度等关键控制参数，设计复杂的试验工况，观察土洞孕育致灾过程，获得塌陷过程中的土体沉降变形及应力、应变数据，为覆盖型岩溶塌陷灾变机理与致灾规律研究提供试验手段和技术支撑。

实施例二：

通过控制阀门6关闭塌陷模拟箱2底部的岩溶构造开口5，之后根据设计参数，向塌陷模拟箱2内填土。填土时，需按照一定的密实度逐层铺设，直至达到设计厚度，同时根据测试需要埋设一定数量的应力应变传感器15，以监测土层塌陷过程中不同位置处的应力、应变数据。

填土过程中，用海绵将塌陷模拟箱2两侧的测压管9、测压管10与土体接触的管口塞住，避免泥土堵塞测压管9、测压管10从而影响水位测量精度，同时在管壁处粘贴竖向刻度以便于读数。

填土完成后，在土层表面设置多个位移传感器4，监测表层不同位置的沉降变形。之后，打开塌陷模拟箱2底部第3个岩溶构造开口5，分别将开口内径开启到5cm和10cm和15cm，模拟三组不同溶洞开口大小情况下的岩溶塌陷情况，从而分析溶洞开口大小对塌陷灾害的影响规律。

待塌陷模拟箱2填土作业与监测元件调试完成之后，将溢流阀13通过滑轨14调整到设定高度，从而控制水位控制箱1中的水位高度。首先将进水阀门7打开，排水阀门8关闭，通过水源11向水位控制箱1中注水，使水位控制箱1内水位稳定在设计高度，观察测压管9、测压管10中水位变化情况，当测压管9、测压管10中水位稳定后，表示塌陷模拟箱2中土体水位也达到稳定状态。

经过一段时间后，将进水阀门7关闭，排水阀门8打开，塌陷模拟箱2中水体逐渐排出，测压管9、测压管10中水位逐渐下降，模拟岩溶塌陷中地下水位的下降的过程。不断重复上述步骤，使塌陷模拟箱2中水位上下变化，直到塌陷发生。

在试验过程中，观测岩溶构造开口大小变化条件下，岩溶塌陷的发育过程、土层沉降规律、土层内部应力应变随时间的变化情况等，从而分析岩溶结构开口大小对塌陷灾害的影响规律。

实施例三：

通过控制阀门6关闭塌陷模拟箱2底部的岩溶构造开口5，并向塌陷模拟箱2内填土。之后，根据试验设计工况，打开两个不同间距的岩构造控制阀门6。例如，1.将塌陷模拟箱2底部的第2和第3岩溶构造控制阀门6完全打开，作为第一个研究工况；2.将塌陷模拟箱2底部的第2和第4个控制阀门6完全打开，作为第二个研究工况；3.将塌陷模拟箱2底部的第1和第5控制阀门6完全打开，作为第三个工况。

同时，将水位控制箱1中的水位高度及塌陷模拟箱2中的土层厚度设为固定值，其他试验操作步骤与实施例二相同。通过分析多个岩溶构造开口及其间距变化条件下的塌陷过程与沉降变形规律，可分析两个岩溶构造共同致塌的相互作用机制。

实施例四：

通过控制阀门6关闭塌陷模拟箱2底部的岩溶构造开口5，并向塌陷模拟箱2内填土。之后，通过开启不同数量的岩溶构造控制阀门6来研究下伏溶洞数量对塌陷的影响。例如，1.将塌陷模拟箱2底部的第1、第2、第4和第5个控制阀门关闭，只打开中间的第3阀门，作为第一个研究工况；2.将塌陷模拟箱2底部的第1、第2和第5个控制阀门关闭，打开第3和第4个控制阀门，作为第二个研究工况；3.将塌陷模拟箱2底部的第1和第5个阀门关闭，打开第2、第3和第4个控制阀门，作为第三个工况。

其他试验操作步骤与实施例二和三相同，可研究分析不同溶洞数量所诱发的不同塌陷模式及影响范围。

其他试验工况可根据研究需要调整不同的控制变量，按照上述操作步骤开展模拟试验研究，获得不同因素对岩溶塌陷模式的影响规律。

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 (8)

1.一种覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置，其特征在于，包括：

水位控制箱，其一侧安装有用于调整水位控制箱内水位高度的溢流装置；

塌陷模拟箱，用于填充土体，塌陷模拟箱底部沿其长度方向上等间距布设多个岩溶构造开口，所述岩溶构造开口安装有用于调节开口大小的控制阀门；

其中，所述水位控制箱与岩溶构造开口通过过水管道相连，过水管道能够向塌陷模拟箱供水；

所述岩溶构造开口呈柱体与锥体结合的结构，呈锥体结构一端与过水管道相连，呈柱体结构一端连接塌陷模拟箱；

所述溢流装置包括溢流阀、溢流管，所述溢流阀通过溢流管与水位控制箱连通；

所述溢流阀与安装在水位控制箱侧面的导轨滑动连接。

2.根据权利要求1所述的一种覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置，其特征在于，所述水位控制箱底部与过水管道连通，且过水管道靠近水位控制箱底部一端安装进水阀门，过水管道另一端安装排水阀门。

3.根据权利要求1所述的一种覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置，其特征在于，所述塌陷模拟箱的两侧对称连接测压管。

4.根据权利要求1所述的一种覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置，其特征在于，所述塌陷模拟箱内部填充的土体表面设置多个用于监控沉降变形的位移传感器，土体内部设置多个应力应变传感器。

5.根据权利要求1所述的一种覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置，其特征在于，所述控制阀门为旋转阀门。

6.根据权利要求1所述的一种覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置，其特征在于，所述水位控制箱和塌陷模拟箱的侧壁分别设有用于测量竖向高度的标尺。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置的操作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据模拟试验工况，设计岩溶塌陷的控制参数；

步骤2：关闭控制阀门，在塌陷模拟箱内填入设定厚度和密实度的土体，在土体内部不同位置处预埋多组应力应变传感器，在土体表面安装位移传感器；

步骤3：填土完成后，调节控制阀门，控制岩溶构造开口的数量、大小和间距；

步骤4：将水位控制箱溢流装置的出水口调节至设计高度，之后向水位控制箱内注水并稳定在设定的水位高度；

步骤5：打开进水阀门，同时关闭排水阀门，水经由过水管道进入塌陷模拟箱内，使塌陷模拟箱中水位逐渐升高，模拟地下水水位抬升过程；

步骤6：待塌陷模拟箱中水位稳定后，关闭进水阀门，打开排水阀门，使塌陷模拟箱中水体从过水管道流出，模拟地下水位下降过程；

步骤7：重复步骤5和步骤6，模拟地下水位反复升降的变化过程，直至发生土体塌陷。

8.根据权利要求7所述的一种覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置的操作方法，其特征在于，进水阀门、排水阀门开启时，应注意其开启程度，通过调整阀门开启大小来控制水流流量。

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