CN115060458A - 一种水工隧洞长期过水拟环境试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水工隧洞长期过水拟环境试验装置以及试验方法，试验装置包括物理模型试验腔、过水循环设备、模型双向加压装置、数据采集系统。过水装置包括供水水箱、储水水箱、透明玻璃管和流量控制阀；过水循环设备包括水压力自动控制系统、循环泵；数据采集系统包括应力应变监测装置、非金属超声检测仪、水压表、流量计等数据采集仪器。试验方法包括试验试件的制作与安装、数据采集仪器的安装、数据的采集与处理。所述的实施步骤包括过水装置和过水循环设备的拼装，数据采集系统的安装，以及数据的采集与处理分析。本发明可以根据水工隧洞长期过水环境，模拟运行期洞内过水变化，进而研究长期过水作用对水工隧洞洞壁围岩以及衬砌结构影响。

Description

一种水工隧洞长期过水拟环境试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及隧洞工程领域，具体是一种模拟引水隧洞运行环境的试验装置及试验方法，适用于隧洞工程围岩和衬砌结构在水环境作用下的长期稳定性以及耐久性研究。

背景技术

近年来随着大量输配水工程的建设，涉及的地区越来越广，所面临的地质条件情况也越复杂。当遇到地质条件良好的地段，隧洞设计会采用无衬砌的支护形式，围岩稳定性较差时需要针对性使用衬砌进行支护。隧洞在开挖过程中，岩体向临空面方向卸荷，围岩松动变形，其内部生成许多细微节理裂隙；加之运营期隧洞内部长期过水，裂隙为水的渗流提供天然渗流通道，且隧洞拱顶、拱底、洞壁围岩在水流冲刷侵蚀作用下，围岩亲水矿物不断溶蚀，颗粒间联结力减弱，且在不同过水流速和流量的影响下，水对围岩的侵蚀会进一步加剧。若隧洞采用钢筋混凝土衬砌支护形式，由于混凝土喷层表面不平整和地下水的酸碱性，长期过水冲刷会对衬砌结构耐久性造成不同程度的影响，导致一系列隧洞稳定性问题。

目前针对隧洞长期过水对围岩稳定性和衬砌结构耐久性方面的主要研究手段采用数值模拟和室内试验。采用数值模拟具有求解速度快，成本低廉，数据监测全面等优点，但流固耦合复杂难度较大，需要对计算模型进行简化，难以还原工程真实工况，且计算结果的准确性没有相关数据对其进行支撑。室内试验针对隧洞过水长期稳定性研究，主要集中研究岩石蠕变和岩石渗流蠕变，该方法存在几点不足：①蠕变伺服系统造价较高，应变计所需的灵敏度要求较高，系统后期维护较困难；②岩石蠕变试验中，需要长期稳定压力，受伺服系统工作原理影响，液压系统波动对于试验结果精度存在较大的影响；③在岩石渗流蠕变试验过程中，当围压大于孔压的情况下，水流难以通过岩石试件，难以模拟长期渗流作用，仅能实现低围压高孔压渗流蠕变试验，且室内试验主要集中在50×100mm标准岩石试件方面的研究，模型试验相关研究较少；④岩块试验难以同时考虑应力边界条件和过水条件。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种模拟隧洞运行环境模验装置和试验方法，能够还原隧洞内部运行环境，实现隧洞物理模型长期过水。通过对不同过水时长、不同过水流速、不同酸碱性地下水影响下的物理模型进行纵波波速采集，以及过水前后物理模型试件微细观分析，从波速劣化的角度和成分流失、微观结构的演化规律分析长期过水条件下的隧洞围岩稳定性情况。

为实现上述目的，本发明提供如下方案：

一种拟环境隧洞长期过水试验装置，包括物理模型试验腔、过水装置、双向加压装置、循环设备、数据采集系统。过水装置包括供水水箱、储水水箱、透明玻璃管、橡胶密封塞、流量控制阀；循环设备包括循环泵、水压力自动控制系统；数据采集系统包括应力计、应变片、非金属超声检测仪、压力表、流量计采集仪器。

进一步地，根据隧洞工程开挖和衬砌设计资料，将隧洞物理模型预制成无支护裸岩或含有衬砌的模型试件，以及根据工程隧洞断面形状对模型进行制作，模型中衬砌可根据工程设定不同标号混凝土浇筑成型。制作好物理模型后，根据模型隧洞尺寸进行衬砌的预制，在预制过程中进行应力应变监测装置的埋设。

进一步地，根据工程地质水文资料，了解并测试工程地下水的成分和酸碱性，制备相匹配工程地下水的试验水源。

进一步地，架设好供水水箱的高度位置，通过透明玻璃管和橡胶塞将围岩物理模型试件与水箱进行密封连接，在试件的两端各安装流量计和压力表，通过流量计算出透明玻璃管内水流流速，以及直接读取进水口和出水口的水压力。

进一步地，水压力自动控制系统安装有控制器和警报装置，当压力表监测压力超出设备运行正常压力范围时，警报装置发出报警信号，水压力自动控制系统和循环泵将自动断电，确保设备安全运行。

进一步地，过滤网安装在储水水箱内部与透明玻璃管连接处，将试验过程中所产生的碎屑颗粒进行过滤收集。储水水箱与透明玻璃管之间使用螺纹连接，便于拆卸清理。

进一步地，将双向加压装置钢板与物理模型试验腔紧贴，通过液压千斤顶对物理模型试件加压至设定压力，并持续稳压，模拟隧洞围岩地应力场。

进一步地，供水水箱注水，水压力自动控制系统通过不同压力实现不同水流流速通过物理模型试验腔，模拟水工隧洞运行期工作环境；所述监测系统，对长期过水物理模型试验腔的应力、应变、纵波波速、过水流量进行监测，并对物理模型试验腔稳定性和耐久性进行分析研究。

本发明还提供了一种隧洞长期过水试验装置及试验方法，其特征在于，包括以下试验步骤：

步骤1：隧洞物理模型的制作，包括：

根据隧洞工程开挖和衬砌设计资料，选择将隧洞物理模型预制成无支护裸岩或含有衬砌的模型试件。根据所设定的缩尺比例，确定模型试件外部尺寸、内部隧洞和衬砌的尺寸大小以及透明玻璃管的尺寸。

步骤2：安装模型试件，包括：

将双向加压装置底部和单侧壁钢板通过固定螺母进行固定，将物理模型试验腔固定放置双向加压装置试验台内，当试验开始时使用液压千斤顶通过加压活塞、活塞杆将力传递到钢板，对物理模型试验腔施加试验所需水平向和竖直向荷载，模拟水工隧洞地应力场。

步骤3：安装水箱，包括：

将供水水箱和储水水箱架设在固定高度和位置，通过透明玻璃管使用橡胶塞进行密封串联，防止在设备运行水压下发生漏水情况。并在储水水箱和供水水箱下端透明玻璃管各安装一个流量控制阀便于控制试验进程。

步骤4：安装循环设备，包括：

水压力自动控制系统通过透明玻璃管串联在供水水箱与物理模型试验腔之间，通过调节水压力自动控制系统的工作压力控制试验水流流速；循环泵通过透明玻璃管串联在储水水箱、供水水箱之间，实现水的重复利用。

步骤5：安装数据采集系统，包括：

预制衬砌的过程中，在模型内部临空面安装固定围岩应力应变监测装置。两只流量计和压力表分别安装在物理模型试验腔的两端各一个，第三个压力表安装在循环泵的尾部。采用流量计读取试验过程中物理模型试验腔内部流量，通过压力表监测试验过程中设备运行压力，确保设备在正常压力下运行。

步骤6：双向加压装置施加压力，包括：

将物理模型试验腔紧贴双向加压装置侧壁和顶部的钢板，通过液压千斤顶挤压钢板，对模型进行水平和垂直荷载的施加，达到预设压力时停止加压，通过加压活塞和活塞杆将钢板固定并稳定压力，模拟工程隧洞原地应力场。

步骤7：制备试验所用水源，包括：

根据工程地质水文资料，进行工程地下水成分和酸碱性测试，并制备出与工程地下水成分和酸碱性相匹配的试验水源。

步骤8：试验加水循环，包括：

将水注满供水水箱，打开流量控制阀，水流通过水压力自动控制系统(2)通过压力自动控制仪表盘控制压力泵运行，调节试验所需的不同水流流速通过物理模型试验腔内部的隧洞物理模型试件，开启循环泵将水循环至供水水箱，以达到物理模型试验腔长期过水模拟其运行环境的效果。

步骤9：试验数据处理分析，包括：

将长期过水循环过程中数据采集系统记录到的模型试件应力、应变、过水流量、模型纵波波速等数据通过电脑进行后期处理。同时整个试验基本做到可视化，可观察到试验过程内水渗透、模型围岩开裂情况得到模型试件长期耐久性和稳定性演化规律进行分析研究

与现阶段隧洞长期过水对围岩稳定性和衬砌结构耐久性研究方法和方案相比，本发明的有益效果是：

(1)试验模型可根据隧洞工程开挖和衬砌设计资料，隧洞物理模型预制成无支护裸岩或含有衬砌的模型试件，以及根据工程隧洞断面形状对模型进行制作，且衬砌结构可使用工程相匹配混凝土等级的原材料；

(2)试验所用过水水源，可收集使用原工程地下水，也可根据工程地质水文资料，进行工程地下水成分和酸碱性测试，并制备出与工程地下水成分相匹配的试验水源；

(3)采用双向加压装置对隧洞物理模型施加水平向和垂直向荷载，还原隧洞围岩地应力场；

(4)试验设备通过水压力自动控制系统和循环泵，实现试验全过程运行、安全监测自动化，可以实现不同流速条件下长期过水。

附图说明

图1为本发明试验装置整体图。

图2为本发明隧洞物理模型剖面图。

图3a为本发明中压力控制集成系统内部结构示意图。

图3b为本发明中压力控制集成系统剖面图。

图4a为本发明中水箱示意图。

图4b为本发明中水箱内部剖面图。

图5为本发明中双向加压装置示意图

其中，1-物理模型试验腔；11-衬砌；12-围岩应力应变监测装置；2-水压力自动控制系统；21-压力自动控制仪表盘；22-压力泵；23-内置水箱；3-储水水箱；31-过滤网；32-输水管道；4-供水水箱；41-透明玻璃管；42-流量控制阀；5-循环泵；6-双向加压装置；液压千斤顶-61；钢板-62；加压活塞63；活塞杆-64；固定螺母-65；7-流量计；8-压力表；9-非金属超声检测仪。

具体实施方式

以下结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案作进一步的详细说明。下面所述的实施例仅仅是本发明的一部分，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

如图1-5所示，本发明的一种隧洞拟环境长期过水试验装置包括物理模型试验腔1、水压力自动控制系统2、储水水箱3、供水水箱4、循环泵5；双向加压装置6；流量计7；压力表8；非金属超声检测仪9；

如图2所示，物理模型试验腔1内部可以进行不同强度等级衬砌11预制，在预制前埋设好围岩应力应变监测装置12，在试验过程对围岩应力和位移数据进行监测收集。

图3a、3b所示，水压力自动控制系统2包括压力自动控制仪表盘21、压力泵22、内置水箱23。通过自动控制仪表盘21控制可实现不同流速条件下循环过水。水压力自动控制系统2安装有控制器和警报装置，当压力表监测压力超出设备运行正常压力范围时，警报装置发出报警信号，水压力自动控制系统和循环泵将自动断电，确保设备安全运行。

图4a、4b所示，储水水箱3包括过滤网31、疏水管道32、流量控制阀42。通过滤网32将试验过程中产生的物理模型碎屑进行过滤收集。当设备运行异常时，可打开流量控制阀42，通过疏水管道32进行放水泄压，确保设备安全。

图5所示，双向加压装置6包括液压千斤顶61、钢板62、加压活塞63、活塞杆64、固定螺母65。将底部和单侧壁钢板62进行固定，将物理模型试验腔1放置双向加压装置6，通过液压千斤顶61、加压活塞63和活塞杆64将力传递到钢板62施加试验所需水平向和竖直向荷载，模拟水工隧洞地应力场。

一种隧洞长期过水试验装置的试验方法，包括以下试验步骤：

步骤1：隧洞物理模型的制作，包括：

根据隧洞工程开挖和衬砌设计资料，选择将隧洞物理模型预制成无支护裸岩或含有衬砌的模型试件。根据所设定的缩尺比例，确定模型试件外部尺寸、内部隧洞和衬砌11的尺寸大小以及透明玻璃管41的尺寸。

步骤2：安装模型试件，包括：

将双向加压装置6底部和单侧壁钢板62通过固定螺母65进行固定，将物理模型试验腔1固定放置双向加压装置6试验台内，当试验开始时使用液压千斤顶61通过加压活塞63、活塞杆64将力传递到钢板62，对物理模型试验腔1施加试验所需水平向和竖直向荷载，模拟水工隧洞地应力场。

步骤3：安装水箱，包括：

将供水水箱4和储水水箱3架设在固定高度和位置，通过透明玻璃管41使用橡胶塞进行密封串联，防止在设备运行水压下发生漏水情况。并在储水水箱3和供水水箱4下端透明玻璃管41各安装一个流量控制阀42便于控制试验进程。

步骤4：安装循环设备，包括：

水压力自动控制系统2通过透明玻璃管41串联在供水水箱4与物理模型试验腔1之间，通过调节水压力自动控制系统2的工作压力控制试验水流流速。循环泵5通过透明玻璃管41串联在储水水箱3、供水水箱4之间，实现水的重复利用。

步骤5：安装数据采集系统，包括：

预制衬砌11的过程中，在模型内部临空面安装固定围岩应力应变监测装置12。两只流量计7和压力表8分别安装在物理模型试验腔1的两端各一个，第三个压力表安装在循环泵的尾部。采用流量计7读取试验过程中物理模型试验腔1内部流量，通过压力表8监测试验过程中设备运行压力，确保设备在正常压力下运行。

步骤6：双向加压装置施加压力，包括：

将物理模型试验腔1紧贴双向加压装置6侧壁和顶部的钢板62，通过液压千斤顶61挤压钢板62，对模型进行水平和垂直荷载的施加，达到预设压力时停止加压，通过加压活塞63和活塞杆64将钢板62固定并稳定压力，模拟工程隧洞原地应力场。

步骤7：制备试验所用水源，包括：

根据工程地质水文资料，进行工程地下水成分和酸碱性测试，并制备出与工程地下水成分和酸碱性相匹配的试验水源。

步骤8：试验加水循环，包括：

将水注满供水水箱4，打开流量控制阀42，水流通过水压力自动控制系统2通过压力自动控制仪表盘21控制压力泵22运行，调节试验所需的不同水流流速通过物理模型试验腔1内部的隧洞物理模型试件，开启循环泵5将水循环至供水水箱4，以达到物理模型试验腔1长期过水模拟其运行环境的效果。

步骤9：试验数据处理分析，包括：

将长期过水循环过程中数据采集系统记录到的模型试件应力、应变、过水流量、模型纵波波速等数据通过电脑进行后期处理。同时整个试验基本做到可视化，可观察到试验过程内水渗透、模型围岩开裂情况得到模型试件长期耐久性和稳定性演化规律进行分析研究。

Claims (10)

1.一种水工隧洞长期过水拟环境试验装置，其特征在于，包括物理模型试验腔(1)、循环设备、数据采集系统、储水水箱(3)、供水水箱(4)、透明玻璃管(41)，双向加压装置(6)，所述循环设备包括水压力自动控制系统(2)、循环泵(5)，所述数据采集系统包括围岩应力应变监测装置(12)、流量计(7)、压力表(8)和非金属超声检测仪(9)，所述供水水箱(4)的高度位置架设好后，将水压力自动控制系统(2)放置在供水水箱(4)的下方采用透明玻璃管(41)进行连接；所述物理模型试验腔(1)在双向加压装置(6)内部固定好后，放置于水压力自动控制系统(2)的后方并使用透明玻璃管(41)与水压力自动控制系统(2)进行连接；安装完成后，按照顺序采用透明玻璃管(41)依次连接储水水箱(3)、循环泵(5)、供水水箱(4)；所述循环泵(5)密封串联在储水水箱(3)和供水水箱(4)之间；所述流量控制阀(42)安装在储水水箱(3)和供水水箱(4)下端透明玻璃管(41)；所述流量计(7)和压力表(8)安装在物理模型试验腔(1)两端以及在循环泵(5)末端安装一只压力表(8)，读取试验过程中过水流量以及监测设备内部运行压力，试验装置内部密闭不透水并稳定一定压力，确保水流以所需流速通过物理模型试验腔(1)，模拟隧洞内部过水环境。

2.根据权利要求1所述的一种水工隧洞长期过水拟环境试验装置，其特征在于，所述物理模型试验腔(1)内部的隧洞物理模型为根据隧洞工程开挖和衬砌设计资料，预制成无支护裸岩或含有衬砌的模型试件，并根据工程隧洞断面形状对模型进行制作，模型试件外部尺寸、内部隧洞和衬砌(11)的尺寸大小以及透明玻璃管(41)的尺寸，根据工程实际和试验需求进行预制，预制衬砌(11)的过程中，在模型内部临空面安装固定围岩应力应变监测装置(12)。

3.根据权利要求1所述的一种水工隧洞长期过水拟环境试验装置，其特征在于，所述水压力自动控制系统(2)安装有压力自动控制仪表盘(21)和压力泵(22)，水压力自动控制系统(2)内置有自动控制程序，实现对试验过程中不同水压力不同流速以及试验进程的自动控制。

4.根据权利要求1所述的一种水工隧洞长期过水拟环境试验装置，其特征在于，所述储水水箱(3)接通有疏水管道和阀门，当试验装置压力表(8)显示内部压力异常时，通过储水水箱(3)底部疏水水管(32)和流量控制阀(42)进行排水泄压。

5.根据权利要求4所述的一种水工隧洞长期过水拟环境试验装置，水箱内部设置有过滤网(31)，在试验过程中对物理模型试验腔(1)产生的碎屑进行过滤收集，保证试验装置安全运行。

6.根据权利要求1所述的一种水工隧洞长期过水拟环境试验装置，其特征在于，所述透明玻璃管(41)与设备各个部件通过使用橡胶塞进行密封串联。

7.根据权利要求1所述的一种水工隧洞长期过水拟环境试验装置，其特征在于，所述双向加压装置(6)包括液压千斤顶(61)、钢板(62)、加压活塞(63)、活塞杆(64)、固定螺母(65)，通过固定螺母(65)将双向加压装置(6)底部和单侧壁钢板(62)进行固定，物理模型试验腔(1)放置在双向加压装置(6)内，使用液压千斤顶(61)通过加压活塞(63)、活塞杆(64)将力传递到钢板(62)，对物理模型试验腔(1)施加试验所需水平向和竖直向荷载，模拟水工隧洞地应力场。

8.根据权利要求1所述的一种水工隧洞长期过水拟环境试验装置，其特征在于，所述流量计(7)、压力表(8)在物理模型试验腔(1)两端与透明玻璃管(41)衔接处各安装1个，对通过物理模型试验腔(1)内部物理模型过水流量和过水压力进行实时收集与安全监测。

9.根据权利要求1所述的一种水工隧洞长期过水拟环境试验装置，其特征在于，所述非金属超声检测仪(9)对物理模型试验腔(1)内部物理模型进行多点位实时纵波波速采集。

10.根据权利要求1-8任一项所述的一种水工隧洞长期过水拟环境试验装置的试验方法，包括以下试验步骤：

步骤1：隧洞物理模型的制作，包括：

根据隧洞工程开挖和衬砌设计资料，选择将隧洞物理模型预制成无支护裸岩或含有衬砌的模型试件。根据所设定的缩尺比例，确定模型试件外部尺寸、内部隧洞和衬砌(11)的尺寸大小以及透明玻璃管(41)的尺寸；

步骤2：安装模型试件，包括：

双向加压装置(6)底部和单侧壁钢板(62)通过固定螺母(65)进行固定，将物理模型试验腔(1)固定放置双向加压装置(6)试验台内，当试验开始时使用液压千斤顶(61)通过加压活塞(63)、活塞杆(64)将力传递到钢板(62)，对物理模型试验腔(1)施加试验所需水平向和竖直向荷载，模拟水工隧洞地应力场；

步骤3：安装水箱，包括：

供水水箱(4)和储水水箱(3)架设在固定高度和位置，通过透明玻璃管(41)使用橡胶塞进行密封串联，防止在设备运行水压下发生漏水情况，并在储水水箱(3)和供水水箱(4)下端透明玻璃管(41)各安装一个流量控制阀(42)便于控制试验进程；

步骤4：安装循环设备，包括：

水压力自动控制系统(2)通过透明玻璃管(41)串联在供水水箱(4)与物理模型试验腔(1)之间，通过调节水压力自动控制系统(2)的工作压力控制试验水流流速，循环泵(5)通过透明玻璃管(41)串联在储水水箱(3)、供水水箱(4)之间，实现水的重复利用；

步骤5：安装数据采集系统，包括：

预制衬砌(11)的过程中，在模型内部临空面安装固定围岩应力应变监测装置(12)，两只流量计(7)和压力表(8)分别安装在物理模型试验腔(1)的两端各一个，第三个压力表安装在循环泵的尾部，采用流量计(7)读取试验过程中物理模型试验腔(1)内部流量，通过压力表(8)监测试验过程中设备运行压力，确保设备在正常压力下运行；

步骤6：双向加压装置施加压力，包括：

将物理模型试验腔(1)紧贴双向加压装置(6)侧壁和顶部的钢板(62)，通过液压千斤顶(61)挤压钢板(62)，对模型进行水平和垂直荷载的施加，达到预设压力时停止加压，通过加压活塞(63)和活塞杆(64)将钢板(62)固定并稳定压力，模拟工程隧洞原地应力场；

步骤7：制备试验所用水源，包括：

根据工程地质水文资料，进行工程地下水成分和酸碱性测试，并制备出与工程地下水成分和酸碱性相匹配的试验水源；

步骤8：试验加水循环，包括：

将水注满供水水箱(4)，打开流量控制阀(42)，水流通过水压力自动控制系统(2)通过压力自动控制仪表盘(21)控制压力泵(22)运行，调节试验所需的不同水流流速通过物理模型试验腔(1)内部的隧洞物理模型试件，开启循环泵(5)将水循环至供水水箱(4)，以达到物理模型试验腔(1)长期过水模拟其运行环境的效果；

步骤9：试验数据处理分析，包括：

将长期过水循环过程中数据采集系统记录到的模型试件应力、应变、过水流量、模型纵波波速等数据通过电脑进行后期处理。同时整个试验基本做到可视化，可观察到试验过程内水渗透、模型围岩开裂情况得到模型试件长期耐久性和稳定性演化规律进行分析研究。

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