CN115508118A - 一种富水隧道的涌水突水试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道工程地质灾害模型试验领域，尤其涉及一种富水隧道的涌水突水试验系统，包括模型箱体、水箱、水箱高度调节装置、渗水模拟装置、降雨喷洒装置和监测单元。本发明通过水力加载装置能对断层不同富水情况进行定量控制，同时调整不同的降雨强度，模拟不同水力条件、降雨条件下隧道穿越富水断层涌水突水情况；通过高压泵和流量计能对降雨强度进行定量控制，模拟不同降雨强度，用以分析不同降雨强度对隧道地下水分布的影响，有效模拟了不同水力情况，不同降雨强度的涌水突水问题。

Description

一种富水隧道的涌水突水试验系统

技术领域

本发明涉及隧道工程地质灾害模型试验领域，具体为一种富水隧道的涌水突水试验系统。

背景技术

隧道在穿越富水断层破碎带时，极易出现塌方、突涌水突泥等工程问题，倘若没有探明其顶富水特性和水力联系，极易引发隧道突水、透水等工程事故，危害施工人员和其他财产安全。而且富水区隧道建成后的隧道洞室周围形成承压水，衬砌中的任何缺陷和病害都可能成为渗漏水的通道，设计、施工或运营过程中的有害扰动而造成的隧道防排水体系的任何缺陷，都可能引起隧道渗漏水。而隧道渗漏水又会加速各类病害的发生和发展，影响隧道的使用性能和使用寿命。当隧道遇到极为破碎、富水突泥地层，断层破碎带的充填介质散碎，内部结构松散，在降雨作用下易形成内部水系，更会极大增加施工工程难度与费用，延误工期甚至造成人员伤亡事故。因此，当隧道穿越富水断层破碎带时，如何开展富水地层水力特性对隧道设计、施工、运营的影响至关重要。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种富水隧道的涌水突水试验系统。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种富水隧道的涌水突水试验系统，包括模型箱体、水箱、水箱高度调节装置、渗水模拟装置、降雨喷洒装置和监测单元；

所述模型箱体包括上方开口的箱体、隧道、底部透水板、隧道涌水突水出水管、底部渗水出水管、底部渗水收集桶、隧道涌水突水收集桶、侧边渗水收集桶、围岩相似材料、多个隧道涌水突水进水管和多个侧边渗水出水管；所述底部透水板设置于箱体内部，并将箱体内部分为底部透水区和试验区，所述隧道悬空设置于水平设置于试验区，所述试验区的剩余部分由围岩相似材料进行填充；

多个所述隧道涌水突水进水管沿箱体的高度设置于箱体上，所述隧道涌水突水进水管的一端与水箱连接，另一端与试验区连通；

多个所述侧边渗水出水管沿箱体的高度设置于箱体上，所述侧边渗水出水管的一端与试验区连通，另一端与侧边渗水收集桶连通；所述隧道涌水突水出水管的一端与隧道连通，另一端与位于箱体外侧的隧道涌水突水收集桶连通；所述底部渗水出水管的一端与底部透水区连通，另一端与底部渗水收集桶连通；

所述渗水模拟装置包括伸缩管和渗水组件，所述渗水组件包括渗水进水管、阀门和渗水流量计，所述渗水进水管的一端与伸缩管连接，另一端与隧道涌水突水进水管连通；所述阀门和渗水流量计均设置于渗水进水管上；

所述水箱用于储存水体和提供水源，所述水箱位于箱体的一侧；所述水箱与箱体连通，所述水箱高度调节装置用于改变水箱的高度；

所述降雨喷洒装置包括高压水泵、降雨流量计、降雨管、降雨进水管和降雨调节装置，所述高压水泵和降雨流量计均设置于降雨进水管上，所述降雨进水管的一端连通水源，另一端于箱体上方开口处与降雨管连通；所述降雨管上设有多个降雨孔，所述降雨调节装置用于驱动降雨管转动；

所述监测单元包括监测设备和多个监测元件，多个所述监测元件沿隧道端面的周边均匀设置，多个所述监测元件的输出端均与监测设备的输入端连接，所述监测设备用于收集和分析监测元件传输的监测数据。

优选的，所述围岩相似材料包括河砂、石膏和石灰。

优选的，所述隧道涌水突水进水管包括第一集水管和多个连接进水管，多个所述连接进水管间隔设置于第一集水管上，所述连接进水管的一端与第一集水管连通，另一端与箱体内部的试验区连通；多个所述连接进水管位于同一高度上；所述第一集水管远离连接进水管的一端与水源连接。

优选的，所述渗水组件设置有多个，多个所述渗水组件依照箱体的高度分层设置，所述渗水组件与隧道涌水突水进水管一一对应，所述渗水进水管与对应的隧道涌水突水进水管位于同一高度。

优选的，所述侧边渗水出水管包括第二集水管和多个连接出水管，多个所述连接出水管间隔设置于第二集水管上，所述连接出水管的一端与第二集水管连通，另一端与箱体内部连通；多个所述连接处出水管位于同一高度上；所述第二集水管远离连接出水管的一端与侧边渗水收集桶连通。

优选的，所述水箱高度调节装置包括台面、驱动机构、伸缩支架和支撑支架，所述水箱设置于台面底部，所述伸缩支架的一端与台面底部连接，另一端与支撑支架连接，所述驱动机构与伸缩支架连接。

优选的，所述伸缩管为软质波纹管。

优选的，所述降雨调节装置包括降雨支架、旋转电机和传动组件，所述降雨支架与降雨进水管外壁固定连接，所述旋转电机的壳体与降雨支架固定连接，所述降雨管与降雨进水管转动连接，所述旋转电机的驱动轴通过传动组件与降雨管外壁连接。

优选的，所述降雨管设有多个，多个所述降雨管夹叉连通设置。

优选的，多个所述降雨孔分组等距离布置于降雨管上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明一种富水隧道的涌水突水试验系统有效模拟了不同水力情况，不同降雨强度的涌水突水问题，通过水力加载装置能对断层不同富水情况进行定量控制，同时调整不同的降雨强度，模拟不同水力条件、降雨条件下隧道穿越富水断层涌水突水情况；通过高压泵和流量计能对降雨强度进行定量控制，模拟不同降雨强度，能够不同降雨强度对隧道地下水分布的影响。

本发明一种富水隧道的涌水突水试验系统可以开展不同水压、不同降雨强度下富水隧道涌水突水模型试验，通过构建不同水力学参数，能够充分模拟富水地层的隧道涌水、突水问题，为得到不同水力学参数对隧道水压的影响以及探明突水机理提供科学有效的试验条件。

本发明一种富水隧道的涌水突水试验系统对隧道进行开挖，同步进行数据收集和监测，动态观察和分析突涌水过程规律提供支持，所得研究成果对研究水隧道涌突水致灾机理、隧道防排水措施、富水隧道施工方法等相关研究方向提供了试验基础，进而为富水地层隧道制定科学预防涌水、突水及安全施工提供可靠技术支持。

附图说明

图1为本发明一种富水隧道的涌水突水试验系统的装置示意图；

图2为模型箱体结构图；

图3为水箱高度调节装置结构图；

图4为渗水模拟装置结构图；

图5为降雨喷洒装置结构图；

图6为喷孔布置示意图。

图中，1、模型箱体；1-1、箱体；1-2、隧道涌水突水进水管；1-3、进水孔；1-4、隧道；1-5、监测元件；1-6、侧边出水孔；1-7、底部透水板；1-8、隧道涌水突水出水管；1-9、侧边渗水出水管；1-10、底部渗水出水管；1-11、底部渗水收集桶；1-12、隧道涌水突水收集桶；1-13、侧边渗水收集桶；1-14、监测设备；2、水箱高度调节装置；2-1、水体；2-2、水箱；2-3、台面；2-4、液压缸；2-5、液压油管；2-6、固定端；2-7、开关电器；2-8、控制器；2-9、销轴；2-10、伸缩支架；2-11、滑道；2-12、滑轮；3、渗水模拟装置；3-1、伸缩管；3-2、渗水进水管；3-3、阀门；3-4、渗水流量计；3-5、底座；4、降雨喷洒装置；4-1、高压水泵；4-2、降雨流量计；4-3、旋转电机；4-4、降雨进水管；4-5、水源；5-1、降雨管；5-2、降雨孔。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明公开了一种富水隧道的涌水突水试验系统，参照图1，包括模型箱体1、水箱2-2、水箱2-2高度调节装置2、渗水模拟装置3、降雨喷洒装置4和监测单元。

参照图2，模型箱体1包括上方开口的箱体1-1、隧道1-4、底部透水板1-7、隧道1-4涌水突水出水管、底部渗水出水管1-10、底部渗水收集桶1-11、隧道1-4涌水突水收集桶、侧边渗水收集桶1-13、围岩相似材料、多个隧道涌水突水进水管1-2和多个侧边渗水出水管1-9。

箱体1-1包括底板和围绕底板周边设置的第一侧板、第二侧板、第三侧板与第四侧板，第一侧板和第三侧板相对设置，第二侧板和第四侧板相对设置。其中，组成箱体1-1的各个板体中至少有一个是由透明材料制成的，这是为了便于人员进行外部观测，例如第一侧板和第三侧板均由玻璃或者亚克力板等透明材料制成。

底部透水板1-7设置于箱体1-1内部，并将箱体1-1内部分为底部透水区和试验区，隧道1-4悬空设置于水平设置于试验区内部，隧道1-4的一端与第一侧板连接，另一端与第三侧板连接，试验区的其余部分由围岩相似材料进行填充，围岩相似材料包括河砂、石膏和石灰。

多个隧道涌水突水进水管1-2沿箱体1-1的高度设置于箱体1-1上，隧道涌水突水进水管1-2包括第一集水管和多个连接进水管，多个连接进水管通过通过进水孔1-3间隔设置于第一集水管上，连接进水管的一端与第一集水管连通，另一端与箱体1-1内部的试验区连通；多个连接进水管位于同一高度上；第一集水管远离连接进水管的一端与水源4-5连接。

多个侧边渗水出水管1-9沿箱体1-1的高度设置于箱体1-1上，侧边渗水出水管1-9包括第二集水管和多个连接出水管，多个连接出水管间隔设置于第二集水管上，连接出水管的一端与第二集水管连通，另一端通过侧边出水孔1-6与箱体1-1内部的试验区连通；多个连接处出水管位于同一高度上；第二集水管远离连接出水管的一端与侧边渗水收集桶1-13连通。

隧道1-4涌水突水出水管的一端与隧道1-4连通，另一端与位于箱体1-1外侧的隧道1-4涌水突水收集桶连通。

底部渗水出水管1-10的一端与底部透水区连通，另一端与底部渗水收集桶1-11连通。

参照图3，水箱2-2用于储存水体2-1和提供水源4-5，水箱2-2位于箱体1-1的一侧；水箱2-2与箱体1-1连通，水箱2-2高度调节装置2用于改变水箱2-2的高度，以便于模拟不同高度的水流对隧道1-4涌水突水的影响。

水箱2-2高度调节装置2包括台面2-3、驱动机构、伸缩支架2-10和支撑支架，水箱2-2设置于台面2-3底部，伸缩支架2-10的一端与台面2-3底部连接，另一端与支撑支架连接，驱动机构与伸缩支架2-10连接。

本实施例中伸缩支架2-10包括由上到下依次连接的第一交叉组件、第二交叉组件和第三交叉组件，第一交叉组件包括两个相对设置且中部转动连接的第一左连杆和第一右连杆，第二交叉组件包括两个相对设置且中部转动连接的第二左连杆和第二右连杆，第三交叉组件包括两个相对设置且中部转动连接的第三左连杆和第三右连杆。

第一交叉组件中的两个第一左连杆通过销轴2-9转动连接于台面2-3底部，两个第一右连杆通过配合的第一滑轮2-12和第一滑道2-11滑动连接于台面2-3底部，第一滑道2-11的长度轴线与第一左连杆和第一右连杆的转动轴线垂直。

第二左连杆与第一右连杆远离台面2-3的一端通过销轴2-9转动连接，第二右连杆与第一左连杆远离台面2-3的一端通过销轴2-9转动连接。

第三左连杆的一端与通过配合的第二滑轮2-12和第二滑道2-11与支撑支架滑动连接，另一端通过销轴2-9与第二右连杆远离第一左连杆的一端转动连接，第二滑道2-11的长度轴线与第一滑道2-11的长度轴线平行；第三右连杆通过销轴2-9转动连接于支撑支架上，另一端与第二左连杆远离第一右连杆的一端转动连接形成固定端2-6。

驱动机构包括液压缸2-4、液压油管2-5、开关电器2-7和控制器2-8，相对设置的两个第一右连杆之间通过螺栓设有第一加强杆，相对设置的两个第三右连杆之间设有第二加强杆，液压缸2-4的缸体铰接于第二加强杆上，液压缸2-4的液压杆与第一加强杆铰接，液压油管2-5用于连接液压缸2-4和液压油源，开关电器2-7设置于液压油管2-5上，开关电器2-7的输入端与控制器2-8的输出端连接。伸缩支架2-10也可以类似折叠伞柄的结构，可以实现高度调节即可。

参照图4，渗水模拟装置3包括伸缩管3-1和渗水组件，伸缩管3-1为软质波纹管，可以自行根据距离进行调整。渗水组件包括渗水进水管3-2、阀门3-3和渗水流量计3-4，渗水进水管3-2的一端与伸缩管3-1连接，另一端与第一集水管连通；阀门3-3和渗水流量计3-4均设置于渗水进水管3-2上。渗水进水管3-2的底部设有底座3-5，底座3-5起到支撑的作用。

渗水组件设置有多个，多个渗水组件依照箱体1-1的高度分层设置，渗水组件与隧道涌水突水进水管1-2一一对应；渗水进水管3-2与对应的隧道涌水突水进水管1-2位于同一高度。单独设计的阀门3-3和渗水流量计3-4便于人员独立的控制进水量。

参照图5、6，降雨喷洒装置4包括高压水泵4-1、降雨流量计4-2、降雨进水管4-4和降雨调节装置和多个降雨管5-1，高压水泵4-1和降雨流量计4-2均设置于降雨进水管4-4上，降雨进水管4-4的一端连通水源4-5，另一端于箱体1-1上方开口处与降雨管5-1连通。多个降雨管5-1夹叉连通设置，降雨管5-1上设有多个降雨孔5-2，多个降雨孔5-2分组等距离布置于降雨管5-1上。本实施例中设有两个降雨管5-1，呈十字型设置。高压水泵4-1用于调整降雨管5-1喷水的喷洒速率。

降雨调节装置用于驱动降雨管5-1转动，实现水体2-1的均匀喷洒。降雨调节装置包括降雨支架、旋转电机4-3和传动组件，降雨支架与降雨进水管4-4外壁固定连接，旋转电机4-3的壳体通过螺栓与降雨支架固定连接，降雨管5-1与降雨进水管4-4通过轴承转动连接，旋转电机4-3的驱动轴通过传动组件与降雨管5-1外壁连接。本实施例中传动组件包括第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮与旋转电机4-3的输出轴连接，第一齿轮和第二齿轮啮合，第二齿轮套设于降雨管5-1的连接头外侧，也可以是带传动结构或者链传动结构，可以实现降雨管5-1的旋转即可。

参照图2，监测单元包括监测设备1-14和多个监测元件1-5，多个监测元件1-5沿隧道1-4的周边均匀设置，多个监测元件1-5的输出端均与监测设备1-14的输入端连接，监测设备1-14用于收集和分析监测元件1-5传输的监测数据。

本发明一种富水隧道的涌水突水试验系统的操作步骤如下：

步骤1：在箱体1-1内安装隧道1-4，在试验区的其余部分填充围岩相似材料，并在围岩相似材料中埋设监测元件1-5；

步骤2：打开驱动机构，驱动台面2-3将水箱2-2调整至试验高度；

步骤3；控制高压水泵4-1和降雨流量计4-2以调整降雨强度；

步骤4：挖开隧道1-4外围材料，同步进行数据收集和监测，观察和分析突涌水过程规律；

步骤5：对底部渗水收集桶1-11、隧道1-4涌水突水收集桶、侧边渗水收集桶1-13中的混合物进行收集、称量、过滤，进一步分析和研究隧道1-4穿越富水断层涌水突水机制和规律。

以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种富水隧道的涌水突水试验系统，其特征在于，包括模型箱体(1)、水箱(2-2)、水箱(2-2)高度调节装置(2)、渗水模拟装置(3)、降雨喷洒装置(4)和监测单元；

所述模型箱体(1)包括上方开口的箱体(1-1)、隧道(1-4)、底部透水板(1-7)、隧道(1-4)涌水突水出水管、底部渗水出水管(1-10)、底部渗水收集桶(1-11)、隧道(1-4)涌水突水收集桶、侧边渗水收集桶(1-13)、围岩相似材料、多个隧道涌水突水进水管(1-2)和多个侧边渗水出水管(1-9)；所述底部透水板(1-7)设置于箱体(1-1)内部，并将箱体(1-1)内部分为底部透水区和试验区，所述隧道(1-4)悬空设置于水平设置于试验区，所述试验区的剩余部分由围岩相似材料进行填充；

多个所述隧道涌水突水进水管(1-2)沿箱体(1-1)的高度设置于箱体(1-1)上，所述隧道涌水突水进水管(1-2)的一端与水箱(2-2)连接，另一端与试验区连通；

多个所述侧边渗水出水管(1-9)沿箱体(1-1)的高度设置于箱体(1-1)上，所述侧边渗水出水管(1-9)的一端与试验区连通，另一端与侧边渗水收集桶(1-13)连通；所述隧道(1-4)涌水突水出水管的一端与隧道(1-4)连通，另一端与位于箱体(1-1)外侧的隧道(1-4)涌水突水收集桶连通；所述底部渗水出水管(1-10)的一端与底部透水区连通，另一端与底部渗水收集桶(1-11)连通；

所述渗水模拟装置(3)包括伸缩管(3-1)和渗水组件，所述渗水组件包括渗水进水管(3-2)、阀门(3-3)和渗水流量计(3-4)，所述渗水进水管(3-2)的一端与伸缩管(3-1)连接，另一端与隧道涌水突水进水管(1-2)连通；所述阀门(3-3)和渗水流量计(3-4)均设置于渗水进水管(3-2)上；

所述水箱(2-2)用于储存水体(2-1)和提供水源(4-5)，所述水箱(2-2)位于箱体(1-1)的一侧；所述水箱(2-2)与箱体(1-1)连通，所述水箱(2-2)高度调节装置(2)用于改变水箱(2-2)的高度；

所述降雨喷洒装置(4)包括高压水泵(4-1)、降雨流量计(4-2)、降雨管(5-1)、降雨进水管(4-4)和降雨调节装置，所述高压水泵(4-1)和降雨流量计(4-2)均设置于降雨进水管(4-4)上，所述降雨进水管(4-4)的一端连通水源(4-5)，另一端于箱体(1-1)上方开口处与降雨管(5-1)连通；所述降雨管(5-1)上设有多个降雨孔(5-2)，所述降雨调节装置用于驱动降雨管(5-1)转动；

所述监测单元包括监测设备(1-14)和多个监测元件(1-5)，多个所述监测元件(1-5)沿隧道(1-4)端面的周边均匀设置，多个所述监测元件(1-5)的输出端均与监测设备(1-14)的输入端连接，所述监测设备(1-14)用于收集和分析监测元件(1-5)传输的监测数据。

2.根据权利要求1所述的富水隧道的涌水突水试验系统，其特征在于，所述围岩相似材料包括河砂、石膏和石灰。

3.根据权利要求1所述的富水隧道的涌水突水试验系统，其特征在于，所述隧道涌水突水进水管(1-2)包括第一集水管和多个连接进水管，多个所述连接进水管间隔设置于第一集水管上，所述连接进水管的一端与第一集水管连通，另一端与箱体(1-1)内部的试验区连通；多个所述连接进水管位于同一高度上；所述第一集水管远离连接进水管的一端与水源(4-5)连接。

4.根据权利要求3所述的富水隧道的涌水突水试验系统，其特征在于，所述渗水组件设置有多个，多个所述渗水组件依照箱体(1-1)的高度分层设置，所述渗水组件与隧道涌水突水进水管(1-2)一一对应，所述渗水进水管(3-2)与对应的隧道涌水突水进水管(1-2)位于同一高度。

5.根据权利要求1所述的富水隧道的涌水突水试验系统，其特征在于，所述侧边渗水出水管(1-9)包括第二集水管和多个连接出水管，多个所述连接出水管间隔设置于第二集水管上，所述连接出水管的一端与第二集水管连通，另一端与箱体(1-1)内部连通；多个所述连接处出水管位于同一高度上；所述第二集水管远离连接出水管的一端与侧边渗水收集桶(1-13)连通。

6.根据权利要求1所述的富水隧道的涌水突水试验系统，其特征在于，所述水箱(2-2)高度调节装置(2)包括台面(2-3)、驱动机构、伸缩支架(2-10)和支撑支架，所述水箱(2-2)设置于台面(2-3)底部，所述伸缩支架(2-10)的一端与台面(2-3)底部连接，另一端与支撑支架连接，所述驱动机构与伸缩支架(2-10)连接。

7.根据权利要求1所述的富水隧道的涌水突水试验系统，其特征在于，所述伸缩管(3-1)为软质波纹管。

8.根据权利要求1所述的富水隧道的涌水突水试验系统，其特征在于，所述降雨调节装置包括降雨支架、旋转电机(4-3)和传动组件，所述降雨支架与降雨进水管(4-4)外壁固定连接，所述旋转电机(4-3)的壳体与降雨支架固定连接，所述降雨管(5-1)与降雨进水管(4-4)转动连接，所述旋转电机(4-3)的驱动轴通过传动组件与降雨管(5-1)外壁连接。

9.根据权利要求1所述的富水隧道的涌水突水试验系统，其特征在于，所述降雨管(5-1)设有多个，多个所述降雨管(5-1)夹叉连通设置。

10.根据权利要求1所述的富水隧道的涌水突水试验系统，其特征在于，多个所述降雨孔(5-2)分组等距离布置于降雨管(5-1)上。

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