CN111239370A - 一种用于模拟地下水引起岩溶塌陷的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涉及地质工程、岩土工程技术领域，特别涉及一种用于模拟地下水引起岩溶塌陷的实验方法。包括主体模型结构、供排水系统和控制监测系统。通过变频水泵和水阀控制水位和水速来模拟地下水变化，利用摄像机记录岩体裂隙变化和塌陷的形成过程。本发明的有益效果是：能够实现不同地下水位、不同地层弱化程度以及不同岩溶裂隙宽度情况下岩溶塌陷的模拟，并且实验科学有效，装置简单，操作便利。

Description

一种用于模拟地下水引起岩溶塌陷的实验方法

（一）技术领域

本发明涉及地质工程、岩土工程技术领域，特别涉及一种用于模拟地下水引起岩溶塌陷的实验方法。

（二）背景技术

岩溶塌陷是指隐伏在覆盖层下的可溶岩中存在岩溶空洞，在自然或人为因素作用下，覆盖层土体沿岩溶通道进入岩溶空洞，引起覆盖层出现塌陷的自然现象。我国碳酸盐岩等可溶岩分布广，岩溶发育面积较大，可溶性地层分布面积约为345万km ² ，约为国土面积的30％以上。近年来，我国地铁建设迅速发展，大量地铁线路会经过岩溶地区，隧道开挖的施工过程必定会产生地层扰动，造成地层弱化，导致岩溶塌陷发生频率更加频繁，破坏日益严重，引发的危害也随之变大。因此开展岩溶塌陷研究具有重大意义。

岩溶塌陷是岩溶地区特殊的地质灾害类型,它是指隐伏在覆盖层下的可溶岩中存在岩溶空洞,在自然或人为因素作用下,覆盖层物质沿岩溶通道进入岩溶空洞,引起覆盖土体发生漏失,导致地面出现塌陷的自然现象。常见的岩溶塌陷为潜烛塌陷和真空吸烛塌陷，地下水对岩溶塌陷的形成具有重要影响,因此本发明将影响岩溶塌陷的地下水动作为重要控制因素。随着工农业和工程建设的发展，在岩溶地区，人类工程活动导致的岩溶塌陷灾害日趋频繁，给社会经济发展和工程建设造成严重危害，给人民的生命财产安全造成严重威胁，因此，对岩溶塌陷的演化机理、监测预报以及易发性研究，具有重大的经济意义和社会价值。本发明采用岩溶物理模型试验主要考虑地下水动力条件对塌陷发育过程的影响，可再现岩溶塌陷的过程,提升对岩溶塌陷演化本质的理解,有助于研究岩溶塌陷机理及地面沉降规律。

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种用于模拟地下水引起岩溶塌陷的实验方法，改变土体的水力条件、溶洞大小、位置等条件，可以有效模拟上述塌陷现象。

一种用于模拟地下水引起岩溶塌陷的实验方法，其特征在于，本发明涉及内容包括主体模型结构、供排水系统和控制监测系统；所述的主体模型结构包括岩溶模 拟箱、岩溶地层、溶洞和覆盖层。岩溶模拟箱由有机玻璃组成,岩溶地层由混凝土块制成，中部预制圆孔模拟溶洞，覆盖层由取自岩溶区的红黏土组成。

所述的岩溶模拟箱上盖预制有若干大圆孔与小圆孔，大孔用来做通风口，通风口可加活动盖密封，小孔用来通过降雨系统的胶管、真空泵的通气管和沉降杆的紫铜管，空心管穿过小圆孔后用玻璃胶固定密封；岩溶模拟箱底部预制一个圆孔通过排水管，岩溶模拟箱左右两各预制一个圆孔通过进水管。

所述的供排水系统分为供水系统和排水系统，供水系统分为直接供水系统和降雨系统。供排水系统包括水箱、水槽、岩溶管道、排水管、进水管、降雨设备；直接供水系统是指岩溶模拟箱外边左右两次各有一个水箱，岩溶模拟箱内侧左右两边各有个水槽，水箱中的岩溶水通过进水管上的水阀、水表、压力表进入水槽，再由水槽进入岩溶管道；降雨系统是指降雨设备是以水箱作供水水源,用胶管连接喷雾器固定在岩溶模拟箱上盖，模拟大气降雨, 对覆盖层实施降雨,使样土表面有一薄层水体均匀下渗，通过水阀控制开关、水表测量降雨量；排水系统是指排水管连接在岩溶模拟箱底部，流入排水管中的水，依次通过排水阀、变频水泵、水表，用排水阀控制开关，用变频水泵控制出水的流速，水表记录排出水量。

所述的控制监测系统包括控制系统和监测系统。控制系统包括真空泵、水阀、变频水泵、通风口；监测系统包括沉降杆、测压管、摄像机、刻度尺、水表、压力表、细筛、天平；水位通过供排水系统控制，当关闭 排水阀打开进水阀水位上升，调节水阀打开程度控制水位上升速度；当关闭 进水阀打开排水阀，水位下降，通过变频水泵控制水位下降速度，用刻度尺测量水位，用水表记录进水量和出水量，用压力表记录水压。

所述的测压管来测量岩溶水的动态变化；压力表测量水压力；真空泵、通风口控制岩溶模拟箱内气压；沉降杆用以测量土体的局部沉降量；摄像机在试验过程中记录每一刻土体变形塌陷发生过程、监测土体沉降；用固定在岩溶模拟箱侧面的刻度尺通过测量来计算土体的整体沉降量；排出的水通过细筛过滤，用天平称量流失土体的质量，当土体流失量迅速增加，可预判土洞进一步扩大，岩溶塌陷即将发生；沉降杆是一空心紫铜管穿过岩溶模拟箱上盖预制的小圆孔，用钢线 穿过紫铜管中心，上端固定百分表，底部系一小铁片上埋置覆盖层中，土体沉降会带动小铁 片向下移动，由此读得局部土体的沉降位移。

本发明的有益效果是：1、降雨系统可以很好模拟岩溶地区的自然环境，进水出水及流失土体都可以量化，可自行控制气压，实时观测模型中各点水压力，针对潜烛致塌模式、真空吸烛致塌模式进行模拟和探索；2、利用钢尺测量覆盖层的整体沉降，利用沉降杆测量局部沉降，通过整体与局部的对比，揭示出溶洞裂隙在地下水活动下对岩溶沉降塌陷的影响；3、塌陷模型结构简单、操作方便、成本低。

（四）附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1为本发明的主视结构示意图；

附图2为本发明的俯视结构示意图；

附图3为本发明的侧视结构示意图。

图中，1岩溶模拟箱，2岩溶地层，3溶洞，4覆盖层，5水箱，6水槽，7岩溶管道，8排水管，9进水管，10降雨设备，11真空泵，12沉降杆，13测压管，14摄像机，15刻度尺，16水阀，17水表，18压力表，19变频水泵，20细筛，21天平，22通风口。

（五）具体实施方式

附图为本发明的一种具体实施例。本发明提供一种用于模拟地下水引起岩溶塌陷的实验方法。

如图1所示，首先将测压管(13)固定在水槽(6)内侧，将岩溶地层(2)预制溶洞(3)，再将水槽(6)、岩溶地层(2)模拟材料覆盖层(4)模拟材料依次加入并固定在岩溶模拟箱(1)内，然后把降雨设备(10)固定在岩溶模拟箱(1)上盖，再将降雨设备(10)的胶管、真空泵(11)的通气管和沉降杆(12)的紫铜管通过上盖预制的圆孔并固定，把沉降杆(12)底端的铁片埋置覆盖层顶端与百分表连好，把水阀(16-3)和水表(17-3)依次固定在降雨设备(10)的胶管上，再与水箱(5-2)连接，最后将上盖密封到岩溶模拟箱上；将水阀(16-1)、水表(17-1)、压力表(18)依次固定在进水管(9)上，再将水箱(5)进水管(9)水槽(6)依次连接；将水阀(16-2)、变频水泵(19)、水表(17-2)依次固定在排水管(8)上，再将排水管(8)固定在溶模拟箱(1)底部，与岩溶管道(7)连通，排水管(8)口放在细筛(20)上，准备好天平(21)随时测量，最后将刻度尺(15)固定在模拟箱的侧面，将摄像机(14)放置在岩溶箱的正面。

待土体稳定一段时间以后，设定仪器设备的初始值，打开通风口(22)和摄像机(14)，再打开水阀(16-1)，水箱(5)中的岩溶水通过进水管(9)上的水阀(16-1)、水表(17-1)、压力表(18)进入水槽(6)，监测进水量和水压力，再由水槽(6)进入岩溶管道(7)，水位上升，用刻度尺(15)测量水位记录测压管水压；关闭水阀(16-1)，打开水阀(16-2)和变频水泵(19)进行排水，水位下降，记录测压管(13)水压和沉降杆(12)覆盖土下降的局部位移，刻度尺(15)记录覆盖层整体位移，称量细筛(20)中的流失土体，重复循环；

当模拟大气降雨时，仅打开水阀(16-3)，使样土表面有一薄层水体均匀下渗，水表(17-3)测量降雨量，记录覆盖层(4)的沉降量和水压变化；降低气压时，关闭通风口(22)，使模拟箱处于封闭状态，打开真空泵(11)；升高气压时，关闭真空泵(11)，打开通风口(22)。

Claims (4)

1.一种用于模拟地下水引起岩溶塌陷的实验方法，其特征在于：该方法包括主体模型结构、供排水系统和控制监测系统；所述的主体模型结构包括岩溶模拟箱(1)、岩溶地层(2)、溶洞(3)和覆盖层(4)；供排水系统包括水箱(5)、水槽(6)、岩溶管道(7)、排水管(8)、进水管(9)、降雨设备(10)，控制监测系统包括真空泵(11)、沉降杆(12)、测压管(13)、摄像机(14)、刻度尺(15)、水阀(16)、水表(17)、压力表(18)、变频水泵(19)、细筛 (20)、天平(21)、通风口(22)；岩溶模拟箱(1)由透明有机玻璃材料制成，岩溶模拟箱(1)内的岩溶地层(2)由混凝土块制成，覆盖层(4)由取自岩溶区的红黏土组成，且岩溶地层(2)中部预制了溶洞(3)。

2.根据权利要求1所述的用于模拟地下水引起岩溶塌陷的实验方法，其特征是：所述的岩溶模拟箱(1)外边左右两次各有一个水箱(5)，岩溶模拟箱(1)内侧左右两边各有个水槽(6)，水箱(5)中的岩溶水通过进水管(9)上的水阀(16-1)、水表(17-1)、压力表(18)进入水槽(6)，监测进水量和水压力，再由水槽(6)进入岩溶管道(7)，用刻度尺(15)固定在岩溶模拟箱(1)的侧面，用来测量水位；降雨设备(10)是以水箱(5-2)作供水水源,用胶管连接喷雾器固定在岩溶模拟箱(1)上盖，模拟大气降雨,对覆盖层实施降雨,使样土表面有一薄层水体均匀下渗，通过水阀(16- 3)控制开关、水表(17-3)测量降雨量；排水管(8)连接在岩溶模拟箱(1)底部，用水阀(16-2)控制开关，用变频水泵(19)控制出水的流速，水表(17-2)记录排出水量，排出的水通过细筛 (20)过滤，用天平(21)称量流失土体的质量。

3.根据权利要求1所述的用于模拟地下水引起岩溶塌陷的实验方法，其特征是：所述的测压管(13)来测量岩溶水的动态变化，真空泵(11)、通风口(22)控制岩溶模拟箱(1)内气压；沉降杆(12)是一空心紫铜 管穿过岩溶模拟箱(1)上盖，用钢线穿过其中心，上端固定百分表,下端系于一小铁片上放置覆盖层中，由此测量局部土体的沉降量。

4.根据权利要求1所述的用于模拟地下水引起岩溶塌陷的实验方法，其特征是：所述的摄像机(14)在试验过程中记录每一刻土体变形塌陷发生过程、监测土体沉降；刻度尺(15)用以测量土体的整体沉降量。

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