CN113640494B - 一种倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置及方法，模拟装置包括试验模块、振动模块和监测模块。试验模块包括试验箱及设于其内部的岩土体试样，岩土体试样内设置有待开挖区，放置有可溶于水的支撑材料和液态资源储区，液态资源储区用于存储液态溶液。试验箱设于振动模块上，振动模块适于带动试验箱、岩土体试样和液态资源储区水平和/或竖直方向振动。本发明通过在待开挖区填充支撑材料，支撑材料遇水溶解以模拟岩土体的开挖过程，通过向液态资源储区注水模拟液体资源注入过程，然后控制振动模块启动，通过监测模块实时获取岩土体试样及液态资源储区的动态响应信息，并根据动态响应信息对倾斜地层地下储库进行水力‑动力耦合灾害分析。

Description

一种倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及试验室模拟试验技术领域，尤其涉及一种倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置及方法。

背景技术

岩土体地下储库，整体而言可分为地下能源物资储库与地下有害废料安置库两大类，是未来地下岩土工程发展与物料安全高效存储的重要实现途径之一。对于当前规划建设较多的岩土体地下液态资源储库工程，赋水岩土体力学响应问题的研究尤为关键，岩土体塌方失稳、突水突泥、岩爆、瓦斯突出等地下工程典型地质灾害同样较为常见，对岩土体地下储库工程全生命周期安全性受到影响，给人民生命安全与国家发展带来严重威胁。多元灾害链中，水力-动力耦合致灾因素颇为关键，具体而言，赋水岩土体与动态荷载将对地下储库工程的建设运营养护造成影响，成为当前岩土体地下储库工程领域亟需解决的问题之一。

在地质条件较为复杂的岩土体地下储库工程中，赋水岩土体与动态荷载两者有时会共同出现。动态荷载作为岩土体地下储库工程体系的灾害影响因素，当以应力波传播的方式穿越赋水地层时，应力波与赋水岩土体结构发生复杂相互作用。由于水与岩土体对于应力波的响应不一致性，致使原有水力平衡体系被打破，使得岩土体地下储库工程空间临近区域应力场与渗流场发生急剧变化，引发岩土体地下储库工程体系较大的动态响应，构成岩土体地下储库工程的水力-动力耦合灾害。

开展室内试验尺度科学研究，可进一步加深岩土体地下储库工程灾变机理的认识，对丰富岩土体地下储库工程水力-动力联合致灾条件的理解，优化岩土体地下储库工程防灾减灾体系，保障国家战略中岩土体地下储库工程安全高效建设与运维等方面具有重要意义。

当前岩土体地下储库工程研究中，室内试验是当前重要的分析手段之一。但由于岩土体的开挖模拟、液态资源储存区域的模拟等难点，使得相关研究较为不足，对水力-动力耦合灾害的室内试验尺度研究更为欠缺，制约了目前岩土体地下储库工程的认识与发展。此外，常规岩土体地下工程试验模拟研究中，较多地布设为水平地层，对更具普遍意义的倾斜地层情况研究较少，亟需提升试验测试装备水平，完善丰富倾斜地层系列研究。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置及方法，模拟地下岩土体空间开挖及水力-动力耦合灾害对液态资源储区的影响，通过振动模块对岩土体试样及液体资源储区施加动力载荷，实现了试验室尺度对地下储库岩土体区域的水力-动力耦合灾害分析。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明提供了一种倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置及方法，具体技术方案如下：

一种倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置，包括：

试验模块，试验模块包括试验箱，及设于试验箱内的岩土体试样，岩土体试样内设置有多个待开挖区，多个待开挖区内分别设置有可溶于水的支撑材料和液态资源储区，液态资源储区用于存储液体溶液；

振动模块，试验箱设于振动模块上，振动模块适于带动试验模块、岩土体试样和液态资源储区水平和/或竖直方向同步振动；

监测模块，用于实时监测岩土体试样及液态资源储区的动态响应信息。

进一步，振动模块包括动力单元、平行设置的底座和试验平台；

试验箱设于试验平台上，试验平台通过过扰动组件与底座相连；

扰动组件与动力单元连接，动力单元工作能够带动与扰动组件连接的试验平台竖直和/或水平方向振动。

进一步，扰动组件包括6根液压伸缩杆；

6根液压伸缩杆成“W”状设置，两端分别通过万向节与试验平台和底座连接；

6根液压伸缩杆分别与动力单元连接，动力单元工作能够带动液压伸缩杆进行伸缩以带动试验平台水平和/或竖直方向振动。

优选地，还包括外置水源；

外置水源通过第一管道与待开挖区相连，用于向待开挖区注水。

进一步，还包括供液装置；

液态资源储区为柔性薄膜袋，供液装置通过第二管路与柔性薄膜袋相连，用于向柔性薄膜袋内注入液体溶液。

进一步，岩土体试样为倾斜设置的层状结构，多个待开挖区均布于岩土体试样的内部。

进一步，监测模块包括多个岩土体应变传感器、液体压力传感器和多个红外摄像头；

多个岩土体应变传感器均布于岩土体试样内，用于检测岩土体试样的岩土体应变信息；

液体压力传感器设于液态资源储区内，用于检测液态资源储区内的液体压力信息；

多个红外摄像头均布于试验箱的四周，用于采集岩土体试样和液态资源储区的红外图像信息。

进一步，还包括控制器：

控制器上设置有多个启停按钮，多个启停按钮分别与动力单元、外置水源和供液装置电性连接，用于控制动力单元、外置水源和供液装置的开启和/或关闭；

控制器还与监测模块通讯连接，用于接收监测模块检测到的岩土体试样和液态资源储区的动态响应信息，并根据动态响应信息进行仿真分析。

一种倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟试验方法，采用上述倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置，包括如下步骤：

响应于岩土体试样开挖指令，模拟地下岩土体开挖，向待挖区注水；

响应于液态资源储区注水指令，模拟地下储库的注液过程，向液态资源储区注入液体溶液；

响应于动力载荷输入指令，模拟地下储库水力-动力耦合灾害，控制振动模块启动，带动试验箱、岩土体试样和液态资源储区同步振动；

接收监测模块检测到的岩土体试样和液态资源储区的动态响应信息，并根据接收到的岩土体试样和液态资源储区的动态响应信息进行水力-动力耦合灾害分析。

进一步，接收监测模块检测到的岩土体试样和液态资源储区的动态响应信息，并根据接收到的岩土体试样和液态资源储区的动态响应信息进行水力-动力耦合灾害分析，具体包括：

接收岩土体试样的岩土体应变信息；

接收液态资源储区内的液体压力信息；

接收岩土体试样和液态资源储区的红外图像信息；

根据接收到的红外图像信息建立岩土体试样和液态资源储区的三维仿真模型；

基于三维仿真模型，并根据接收到的岩土体应变信息和液体压力信息进行仿真分析。

(三)有益效果

本发明提供的倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置及方法，用于试验室模拟地下岩土体空间开挖及地下储库的水力-动力耦合灾害，分析水力-动力灾害对液态资源储区的影响。

本发明中，将试验模块设于振动模块上，试验模块包括试验箱及设置其内部的岩土体试样，在岩土体试样内部设置有多个待开挖区，在多个待开挖区内分别放置可溶于水的支撑材料和液态资源储区，通过向待开挖区注水，支撑材料遇水溶解，模拟岩土体的开挖过程。通过向液态资源储区内注入液体资源，模拟液体资源的注入过程。然后控制振动模块启动，振动模块带动试验箱、及设于试验箱内的岩土体试样和液态资源储区竖直和/或水平方向同步振动，模拟地下储库的水力-动力耦合灾害，通过监测模块实时检测振动时岩土体试样及液态资源储区的动态响应信息，并根据动态响应信息进行仿真分析，实现了试验室尺度对岩土体试样及液体资源储区的水力-动力耦合灾害分析。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，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，在附图中：

图1为具体实施方式中倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置结构示意图；

图2为具体实施方式中振动模块的结构示意图；

图3为具体实施方式中试验模块的剖视图；

图4为具体实施方式中外置水源及供液装置的管路图；

图5为具体实施方式中倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟试验方法的流程图；

图6为具体实施方式中控制器的信息处理流程图。

【附图标记说明】

1、振动模块；110、底座；120、液压伸缩杆；130、试验平台；140、万向节；150、动力单元；

2、监测模块；210、岩土体应变传感器；220、液体压力传感器；230、红外摄像头；

3、试验模块；

310、试验箱；311、刻度线；

320、岩土体试样；330、待开挖区；

4、支撑材料；5、液态资源储区；6、外置水源；7、供液装置；8、第一管道；9、第二管道；10、控制器；11、第一单向阀；12、第二单向阀。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实施例保护范围的限制。

参见图1至图6，本实施例提供了一种倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置，包括试验模块3、振动模块1和监测模块2。具体地，试验模块3包括试验箱，及设于试验箱内部的岩土体试样320。本实施例中的试样箱310为透明材质制成的矩形箱体，试样箱310的外周设置有刻度线311，刻度线311沿试样箱310的高度方向延伸。岩土体试样320的内部设置有多个待开挖区330，多个待开挖区330内均放置有支撑材料4和液态资源储区5。试验箱设于振动模块1上，振动模块1适于带动试验箱及试验箱内的岩土体试样320和液态资源储区5水平、竖直方向同步振动。其中，岩土体试样320具体为倾斜设置的层状结构，多个待开挖区330均布于岩土体试样320内。岩土体试样320可以是通过石膏等材料铸造而成的层状岩石试样，还可以是采用待研究地段土体堆积而成的砂质层状结构，砂质层状结构的层与层之间通过柔性薄板隔开。

本实施例中，参见图，待开挖区330通过第一管道8与外置水源6连接，第一管道8上设置有第一单向阀11，外置水源6用于向待开挖区330注水，支撑材料4遇水溶解，以模拟地下岩土体空间的开挖过程，第一单向阀11用于防止水溶液回流。作为示例，本实施例中的支撑材料4优选固态硝酸铵，固态硝酸铵为块状或颗粒状，遇水易溶解，当为颗粒状时，需将颗粒状硝酸铵装于可渗水的袋子中，以方便溶解后的硝酸铵溶液的排出。液态资源储区5通过第二管道9与供液装置7相连，供液装置7用于向液态资源储区5注入液体溶液，以模拟液体资源的注入过程。第二管道9上还设置有第二单向阀12，第二单向阀12用于防止液态资源储区5内的液态溶液回流。本实施例中液体资源为水溶液、油液或其它液体溶液，以模拟不同的地下储库类型。作为示例，本实施例中液体资源优选为水溶液，液态资源储区5为柔性薄膜袋，压缩于支撑材料4的底部。柔性薄膜袋上设置有注液口，第二管道9与注液口相连。

本实施例提供的倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置可模拟岩土体开挖及液体资源注入过程。试验时，通过外置水源6向待开挖区330注水，待开挖区330内的支撑材料4遇水溶解，待开挖区330附件的岩土体试样320的地层结构发生改变，模拟岩土体开挖。通过供液装置7向液态资源储区5加注水溶液，水溶液使压缩状态的液态资源储区5膨胀，与待开挖区330周围岩土体试样320接触，以模拟地下储库的液体资源的注入过程，然后控制振动模块1启动，带动试验模块3、及试验模块3内的岩土体试样320和液态资源储区5同步振动，振动模块1可竖直及水平方向振动，对试验箱及设于试验箱内的岩土体试样320和液体资源储区施加动态载荷，模拟地下储库的水力-动力耦合灾害。监测模块2实时采集岩土体试样320、液态资源储区5及液态资源储区5内水溶液的动态响应信息，并根据动态响应信息进行仿真分析。本实施例通过在试验室尺度模拟岩土体开挖及地下储库液体资源的注入过程，并通过振动模块1施加动态载荷，模拟岩土体地下储库工程的水力-动力耦合灾害，实现了试验室尺度对岩土体地下储库工程的水力-动力耦合灾害分析。

具体地，本实施例中的振动模块1包括动力单元150、平行设置的底座110和试验平台130。底座110固定于地面上，试验箱设于试验平台130上，底座110和试验平台130之间设有6根液压伸缩杆120，6根液压伸缩杆120成“W”型设置，两端分别通过万向节140与底座110和试验平台130相连。动力单元150通过液压管路分别与6根液压伸缩杆120连接，动力单元150用于驱动液压伸缩杆120伸缩，以带动试验平台130水平或竖直方向振动。

进一步，本实施例提供的倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置，还包括控制器10，控制器10上设置有多个启停按钮，多个启停按钮分别与振动模块1、外置水源6和供液装置7电性连接，可通过按压启停按钮一键控制对应设备的开启和关闭，方便快捷。

进一步，控制器10还与监测模块2通讯连接，用于接收监测模块2检测到的岩土体试样320及液态资源储区5的动态响应信息。具体地，本实施例中的监测模块2包括多个岩土体应变传感器210、液体压力传感器220及多个红外摄像头230。其中，多个岩土体应变传感器210均布于岩土体试样320内，用于实时检测不同场景时的岩土体试样320的岩土体应变信息，并将岩土体应变信息传输给控制器10。液体压力传感器220设于液态资源储区5内，用于检测液态资源储区5内的液体压力信息，并将液体压力信息传输给控制器10。多个红外摄像头230均布于试验箱的四周，用于对岩土体试样320和液态资源储区5的进行红外成像，以获取岩土体试样320和液体资源储区的红外图像信息，并将红外图像信息传输给控制器10，控制器10根据接收到的红外成像信息生成岩土体试样320及液态资源储区5的三维仿真模型，并基于三维仿真模型，结合岩土体应变信息和液体压力信息进行仿真分析。

上述为倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置的具体结构，模拟岩土体开挖、地下储库的液体资源的输入过程及地下储库的水力-动力耦合灾害，通过监测模块2实时获取岩土体试样320及液态资源储区5的动态响应信息，根据动态响应信息分析倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害，在试验室尺度实现了动力荷载对岩石地层结构和地下储库的影响。本实施例通过在试验室模拟岩土体开挖及建立液态资源储区5，构建岩土体地下储库的水力-动力耦合灾害并进行水力-动力耦合灾害分析，填补了试验室无法模拟岩土体开挖过程及建立地下储库，进而无法进行水力-动力耦合灾害分析的空缺。

基于上述倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置，本发明还提供了倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害试验方法，参见图5及图6，具体包括如下步骤：

a：响应于岩土体试样320开挖指令，模拟地下岩土体开挖，向待开挖区330注水；

响应于岩土体试样320的开挖指令，控制外置水源6启动，开始向待开挖区330注水，待开挖区330内的支撑材料4遇水溶解，待开挖区330空置，然后控制外置水源6关闭，模拟地下岩土体开挖过程。

b：响应于液态资源储区5注液指令，模拟地下储库的注液过程，开始向液态资源储区5加注液体溶液；

响应于液态资源储区5注水指令，控制供液装置7启动，开始向液态资源储区5加注液体溶液，注满后控制外置水源6关闭。

c：响应于动力载荷输入指令，模拟地下储库的水力-动力耦合灾害，控制振动模块1启动，带动试验箱310、岩土体试样320和液态资源储区5同步振动；

响应于动力载荷输入指令，控制动力单元150启动，动力单元150带动液压伸缩杆120伸缩，以带动试验平台130及设于试验平台130上的试验箱310、岩土体试样320和液态资源储区5同步振动。

d：接收监测模块2检测到的岩土体试样320和液态资源储区5的动态响应信息，并根据接收到的岩土体试样320和液态资源储区5的动态响应信息进行水力动力耦合灾害分析；

1)、接收岩土体试样320的岩土体应变信息；

2)、接收液态资源储区5内的液体压力信息；

3)、接收岩土体试样320和液态资源储区5的影像信息；

4)、根据接收到的所述影像信息建立岩土体试样320和液态资源储区5的三维仿真模型，并基于上述三维仿真模型，结合岩土体应变信息和液体压力信息进行仿真分析。

上述方法中，控制器10接收多个红外摄像头220采集的试验箱310、岩土体试样320和液态资源储区5的多角度的红外图像信息，并根据红外图像信息建立三维仿真模型，基于上述三维仿真模型，结合岩土体应变信息和液体压力信息进行仿真分析，实现了在试验室阶段对岩土体地下储库工程灾变机理的研究。对丰富岩土体地下储库工程水力-动力联合致灾条件的理解，优化岩土体地下储库工程防灾减灾体系，保障国家战略中岩土体地下储库工程安全高效建设与运维等方面具有重要意义。

以上所述，仅为本发明的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置，其特征在于，包括：

试验模块，所述试验模块包括试验箱，及设于所述试验箱内的岩土体试样，所述岩土体试样内设置有多个待开挖区，多个所述待开挖区内分别设置有可溶于水的支撑材料和液态资源储区，所述液态资源储区为柔性薄膜袋，压缩于所述支撑材料的底部，所述液态资源储区用于存储液体溶液，所述岩土体试样为倾斜设置的层状结构，多个所述待开挖区均布于所述岩土体试样的内部，所述待开挖区以岩土体试样相同的倾斜方式布置；

振动模块，所述试验箱设于所述振动模块上，所述振动模块适于带动所述试验模块、所述岩土体试样和所述液态资源储区水平和/或竖直方向同步振动；

所述振动模块包括动力单元、平行设置的底座和试验平台；

所述试验箱设于所述试验平台上，所述试验平台通过过扰动组件与所述底座相连；

所述扰动组件与所述动力单元连接，所述动力单元工作能够带动与所述扰动组件连接的所述试验平台竖直和/或水平方向振动；

监测模块，用于实时监测所述岩土体试样及所述液态资源储区的动态响应信息；

外置水源，所述外置水源通过第一管道与所述待开挖区相连，用于向所述待开挖区注水；

供液装置，所述供液装置通过第二管路与所述柔性薄膜袋相连，用于向所述柔性薄膜袋内注入液体溶液。

2.根据权利要求1所述的倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置，其特征在于，所述扰动组件包括6根液压伸缩杆；

6根所述液压伸缩杆成“W”状设置，两端分别通过万向节与所述试验平台和所述底座连接；

6根所述液压伸缩杆分别与所述动力单元连接，所述动力单元工作能够带动所述液压伸缩杆进行伸缩以带动所述试验平台水平和/或竖直方向振动。

3.根据权利要求1所述的倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置，其特征在于，所述监测模块包括多个岩土体应变传感器、液体压力传感器和多个红外摄像头；

多个所述岩土体应变传感器均布于所述岩土体试样内，用于检测所述岩土体试样的岩土体应变信息；

所述液体压力传感器设于所述液态资源储区内，用于检测所述液态资源储区内的液体压力信息；

多个所述红外摄像头均布于所述试验箱的四周，用于采集所述岩土体试样和所述液态资源储区的红外图像信息。

4.根据权利要求1至3任一项所述的倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置，其特征在于，还包括控制器：

所述控制器上设置有多个启停按钮，多个启停按钮分别与所述动力单元、所述外置水源和所述供液装置电性连接，用于控制所述动力单元、所述外置水源和所述供液装置的开启和/或关闭；

所述控制器还与所述监测模块通讯连接，用于接收所述监测模块检测到的所述岩土体试样和所述液态资源储区的所述动态响应信息，并根据所述动态响应信息进行仿真分析。

5.一种倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟试验方法，采用权利要求4所述的倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟装置，其特征在于，包括如下步骤：

响应于岩土体试样开挖指令，模拟地下岩土体开挖，向待挖区注水；

响应于液态资源储区注液指令，模拟地下储库的注液过程，向液态资源储区注入液体溶液；

响应于动力载荷输入指令，模拟地下储库水力-动力耦合灾害，控制振动模块启动，带动试验箱、岩土体试样和液态资源储区同步振动；

接收监测模块检测到的岩土体试样和液态资源储区的动态响应信息，并根据接收到的所述岩土体试样和所述液态资源储区的动态响应信息进行水力-动力耦合灾害分析。

6.根据权利要求5所述的倾斜地层地下储库水力动力耦合灾害模拟试验方法，其特征在于，所述接收监测模块检测到的岩土体试样和液态资源储区的动态响应信息，并根据接收到的所述岩土体试样和所述液态资源储区的动态响应信息进行水力-动力耦合灾害分析，具体包括：

接收所述岩土体试样的岩土体应变信息；

接收所述液态资源储区内的液体压力信息；

接收所述岩土体试样和所述液态资源储区的红外图像信息；

根据接收到的所述红外图像信息建立所述岩土体试样和所述液态资源储区的三维仿真模型；

基于所述三维仿真模型，并根据接收到的所述岩土体应变信息和所述液体压力信息进行仿真分析。

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