CN115839822A - 一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验系统及方法，包括密封箱体，密封箱体的顶面设置为开放端，密封箱体的底面固接有基础底座，密封箱体外套设有地应力加载装置，密封箱体内设置有围岩模拟层，密封箱体的底部连通设置有排水装置，围岩模拟层内贯穿设置有隧道模型，且隧道模型的两端分别与密封箱体的两相对侧面连通设置；模拟装置包括洞内水压模拟装置，洞内水压模拟装置设置在隧道模型内，密封箱体内设置有洞外水压模拟装置，洞内水压模拟装置连通设置有抽排装置，隧道模型上设置有数据监测装置。本发明有效模拟了富水岩溶地区不同降雨条件、洞内淹没速度和洞内抽排水条件下隧道衬砌结构的受力、破坏全过程。

Description

一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验系统及方法

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，特别是涉及一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验系统及方法。

背景技术

富水岩溶区围岩渗透系数较大，受季节降雨影响明显，强降雨诱发隧道突涌水、淹没、洪涝灾害频发，造成隧道结构承受衬砌内、外侧水压力和围岩压力的综合作用。而现有隧道结构设计往往仅考虑了隧道外侧水土荷载的作用，既有富水环境隧道衬砌结构力学特性模型试验仅考虑了外侧水荷载的影响，对于承压水体侵入既有隧道结构空间的涌水淹没灾害的试验研究还处于较为空白的阶段，涌水淹没条件下衬砌结构的力学响应尚不明确。因此，开展隧道衬砌在围岩压力及内、外水压力综合作用下力学响应的试验研究对富水岩溶区隧道的结构运营安全至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验系统及方法，以解决现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验系统，包括：

密封箱体，所述密封箱体的顶面设置为开放端，所述密封箱体的底面固接有基础底座，所述密封箱体外套设有地应力加载装置，所述密封箱体内设置有围岩模拟层，所述密封箱体的底部连通设置有排水装置，所述围岩模拟层内贯穿设置有隧道模型，且所述隧道模型的两端分别与所述密封箱体的两相对侧面连通设置；

模拟装置，所述模拟装置包括洞内水压模拟装置，所述洞内水压模拟装置设置在所述隧道模型内，所述密封箱体内设置有洞外水压模拟装置，所述洞内水压模拟装置连通设置有抽排装置，所述隧道模型上设置有数据监测装置。

优选的，所述洞内水压模拟装置包括柔性水囊，所述柔性水囊设置在所述隧道模型内，所述柔性水囊内设置有若干金属支撑杆，所述金属支撑杆与所述隧道模型夹持所述柔性水囊，所述柔性水囊与所述隧道模型内腔形状相适配，所述柔性水囊的两端分别开设有内注水孔和内排水孔，所述内注水孔连通设置有内注水导管的一端，所述内注水导管的另一端连通设置有内注水泵，所述内注水导管上依次设置有内水压计和内阀门。

优选的，所述洞外水压模拟装置包括外注水泵，所述外注水泵的输出端通过外注水导管与所述密封箱体顶部连通设置，所述外注水导管上依次设置有外水压计和外阀门。

优选的，所述抽排装置包括抽水泵，所述抽水泵输出端和输入端分别通过抽排导管与所述内排水孔和存水箱连通设置，所述抽排导管上设置有流速控制阀。

优选的，所述数据监测装置包括监测计算机，所述监测计算机电性连接有静态应变采集仪，所述隧道模型的内壁和外壁上对应设置有若干应变片和光栅位移传感器，所述隧道模型外的所述围岩模拟层对应嵌设有微型土压力盒和微型水压计，所述应变片、所述光栅位移传感器、所述微型土压力盒和所述微型水压计均与所述静态应变采集仪电性连接。

优选的，所述排水装置包括排水管，所述排水管的一端与所述密封箱体的侧面底部连通设置，所述排水管另一端连通设置有排水箱。

优选的，所述地应力加载装置包括反力架，所述反力架套设在所述密封箱体的外部，且所述反力架的底部与所述基础底座顶面两侧固接，所述反力架的底面固接有油压泵，所述油压泵的输出端固接有竖向位移动作器，所述竖向位移动作器底部抵接有打孔钢垫板，所述竖向位移动作器上设置有压力传感器，所述打孔钢垫板上开设有若干通孔，所述打孔钢垫板的底面与所述围岩模拟层底面抵接，所述压力传感器和所述油压泵电性连接有控制计算机。

优选的，所述围岩模拟层由石英砂、凡士林和重晶石粉混合制成。

优选的，所述密封箱体包括外框架，所述外框架固接在所述基础底座上，所述外框架的周面固接有有机玻璃面板，所述有机玻璃面板侧面设置有加强肋，所述加强肋的两端分别与所述外框架固接。

一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验方法，包括如下步骤：

S1、在隧道模型上粘贴应变片和光栅位移传感器，向密封箱体内装填围岩模拟层后将隧道模型进行埋设同时布置微型土压力盒和微型水压计，并将其与静态应变仪和检测计算机电性连接；

S2、安装地应力加载装置和模拟装置，同时启动控制油压泵液压的控制计算机，使竖向位移作动器的底面与打孔钢板刚好接触，根据所研究的工程情况施加初始水压和土压；

S3、待围岩模拟层固结完成后，进行分阶段调整隧道模型洞内、洞外水压和土压，使隧道模型经受试验设计的所有水、土压力组合情况，并利用隧道模型上安装的数据监测装置记录隧道模型的变形和受力响应；

S4、将水压、土压完全卸载，试验结束。

本发明公开了以下技术效果：本发明通过地应力加载装置模拟不同隧道埋深条件，通过洞外水压模拟装置对降雨环境进行定量控制，通过洞内水压模拟装置定量控制洞内水压量值再现降雨导致隧道淹没过程中洞内水压的变化规律。有效模拟了富水岩溶地区不同降雨条件、洞内淹没速度和洞内抽排水条件下隧道衬砌结构的受力、破坏全过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验系统及方法的结构示意图；

图2为本发明中数据监测装置的结构示意图；

图3为本发明中抽排装置的结构示意图；

其中，1、密封箱体；2、基础底座；3、加强肋；4、围岩模拟层；5、隧道模型；6、柔性水囊；7、金属支撑杆；8、内注水导管；9、内注水泵；10、内水压计；11、内阀门；12、外注水泵；13、外注水导管；14、外水压计；15、外阀门；16、抽水泵；17、抽排导管；18、存水箱；19、流速控制阀；20、监测计算机；21、静态应变采集仪；22、应变片；23、光栅位移传感器；24、微型土压力盒；25、微型水压计；26、排水管；27、排水箱；28、反力架；29、油压泵；30、竖向位移动作器；31、打孔钢垫板；32、控制计算机。

具体实施方式

下面将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进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-3，本发明提供一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验系统，包括：

密封箱体1，密封箱体1的顶面设置为开放端，密封箱体1的底面固接有基础底座2，密封箱体1外套设有地应力加载装置，密封箱体1内设置有围岩模拟层4，密封箱体1的底部连通设置有排水装置，围岩模拟层4内贯穿设置有隧道模型5，且隧道模型5的两端分别与密封箱体1的两相对侧面连通设置；

模拟装置，模拟装置包括洞内水压模拟装置，洞内水压模拟装置设置在隧道模型5内，密封箱体1内设置有洞外水压模拟装置，洞内水压模拟装置连通设置有抽排装置，隧道模型5上设置有数据监测装置。

进一步优化方案，洞内水压模拟装置包括柔性水囊6，柔性水囊6设置在隧道模型5内，柔性水囊6内设置有若干金属支撑杆7，金属支撑杆7与隧道模型5夹持柔性水囊6，柔性水囊6与隧道模型5内腔形状相适配，柔性水囊6的两端分别开设有内注水孔和内排水孔，内注水孔连通设置有内注水导管8的一端，内注水导管8的另一端连通设置有内注水泵9，内注水导管8上依次设置有内水压计10和内阀门11。

柔性水囊6置于隧道模型5内部，采用与隧道模型5相同的断面形状，以保证充水后柔性水囊6侧面与隧道模型5内壁密贴，内部通过金属支撑杆7将柔性水囊6预先定位。柔性水囊6前段后端中间位置分别留有内注水孔和内排水孔。水囊前端内注水孔通过内注水导管8与内注水泵9和内水压计10连接，通过控制内注水泵9调节隧道洞内水压大小，模拟强降雨淹没隧道过程中的隧道洞内水压升高现象。

进一步优化方案，洞外水压模拟装置包括外注水泵12，外注水泵12的输出端通过外注水导管13与密封箱体1顶部连通设置，外注水导管13上依次设置有外水压计14和外阀门15。

利用外注水泵12向密闭试验箱内持续注水可模拟短时强降雨形成的既有隧道结构外部水压力，注水过程中通过外水压计14控制隧道模型5外水压力的量值大小。

进一步优化方案，抽排装置包括抽水泵16，抽水泵16输出端和输入端分别通过抽排导管17与内排水孔和存水箱18连通设置，抽排导管17上设置有流速控制阀19。通过控制抽水速度模拟淹没隧道内水体的抽排过程，抽出水体排至存水箱18内。

进一步优化方案，数据监测装置包括监测计算机20，监测计算机20电性连接有静态应变采集仪21，隧道模型5的内壁和外壁上对应设置有若干应变片22和光栅位移传感器23，隧道模型5外的围岩模拟层4对应嵌设有微型土压力盒24和微型水压计25，应变片22、光栅位移传感器23、微型土压力盒24和微型水压计25均与静态应变采集仪21电性连接。

隧道模型5内外侧表面粘贴应变片22和光栅位移传感器23，隧道模型5周围预定位置的围岩模拟层4内埋置微型土压力盒24和微型水压计。应变片22、光栅位移传感器23、微型水压计和微型土压力盒24分别通过传输线与静态应变仪和计算机的输入端连接实现对隧道模型5力学响应全过程动态量测。

进一步优化方案，排水装置包括排水管26，排水管26的一端与密封箱体1的侧面底部连通设置，排水管26另一端连通设置有排水箱27。

进一步优化方案，地应力加载装置包括反力架28，反力架28套设在密封箱体1的外部，且反力架28的底部与基础底座2顶面两侧固接，反力架28的底面固接有油压泵29，油压泵29的输出端固接有竖向位移动作器30，竖向位移动作器30底部抵接有打孔钢垫板31，竖向位移动作器30上设置有压力传感器，打孔钢垫板31上开设有若干通孔，打孔钢垫板31的底面与围岩模拟层4底面抵接，压力传感器和油压泵29电性连接有控制计算机32。

反力架28的底部焊接在钢制基础底座2上，反力架28下面依次设有油压泵29、竖向位移作动器，打孔钢垫板31；通过控制计算机32控制油压泵29施加压力于打孔钢板上，作用力能够均匀传至下部围岩模拟层4，模拟隧道模型5顶部地层应力，同时，打孔钢垫板31中的预留孔洞可以供隧道外水压力。

进一步优化方案，围岩模拟层4由石英砂、凡士林和重晶石粉混合制成。

进一步优化方案，密封箱体1包括外框架，外框架固接在基础底座2上，外框架的周面固接有有机玻璃面板，有机玻璃面板侧面设置有加强肋3，加强肋3的两端分别与外框架固接。

外框架主要由槽钢和角钢焊接而成，设置的隧道模型5为空心圆柱体，采用水和石膏按比例混合浇筑制成，隧道模型5、围岩模拟层4的物理参数均可根据研究对象和相似理论计算获得。

设置的外框架焊接在钢制的基础底座2上，密封箱体1前、后侧分别设有隧道模型5进口和出口，为洞内水压模拟装置提供空间，前后两端进口均设置固定装置约束水囊变形。密闭箱体上部设有可拆卸活动挡板，供装填围岩模拟层4，活动挡板中部设有竖向位移作动器的预留孔。

本发明在模型试验箱内部填充围岩相似材料，在稳定围岩模拟层4预定位置埋设有隧道模型5。模型箱填筑完成后，根据预设水头高度调整水箱高度，模拟短时强降雨形成的既有隧道结构外侧水压力。外水压达到预定值后保持试验系统处于稳定状态。随后，通过控制隧道洞内水压模拟装置进而洞内水压模拟装置调整隧道洞内水压力大小，模拟短时强降雨淹没隧洞形成的洞内水压力增高现象。最后，通过控制抽排装置排水量大小模拟抽排过程。在整个隧道洞外、洞内水压力加载和抽排过程中，通过在试验模型箱外部设置有数据检测装置实现对隧道模型5受力与变形等力学表现的实时量测。

通过设置不同隧道洞外水头高度、洞内水头高度和抽排速度，重复上述步骤可得到不同工况下既有隧道结构变形、受力和破坏规律。与现有技术相比，本发明的有益效果在：该实验装置实现了试验中隧道洞内和洞外水压力分别独立控制，能够再现强降雨诱发隧道淹没条件下水土荷载条件。

一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验方法，包括如下步骤：

S1、在隧道模型5上粘贴应变片22和光栅位移传感器23，向密封箱体1内装填围岩模拟层4后将隧道模型5进行埋设同时布置微型土压力盒24和微型水压计25，并将其与静态应变仪和检测计算机电性连接；

针对所研究的工程对象制作隧道模型5，在隧道模型5上粘贴应变片22和光栅位移传感器23；然后配置围岩相似材料，将模拟地层材料在箱体内部按照预定密实度逐层摊铺、压实，形成围岩模拟层4。当达到预定高度时，将隧道模型5埋入围岩模拟层4内部。同时，进行数据检测装置的安装并进行防水密封。

S2、安装地应力加载装置和模拟装置，同时启动控制油压泵29液压的控制计算机32，使竖向位移作动器的底面与打孔钢板刚好接触，根据所研究的工程情况施加初始水压和土压；

围岩相似材料填装完成后，从土体顶部开始依次向上安装打孔钢板、竖向位移作动器、油压泵29，油压泵29顶部与反力架28接触，打孔钢板与土体顶面接触。最后，对油压泵29与试验箱顶板连接处密封后完成试验箱组装。启动控制计算机32，使竖向位移作动器的底面与打孔钢板刚好接触。最后，根据所研究的工程情况对隧道模型5试验箱施加初始水压和土压。

S3、待围岩模拟层4固结完成后，进行分阶段调整隧道模型5洞内、洞外水压和土压，使隧道模型5经受试验设计的所有水、土压力组合情况，并利用隧道模型5上安装的数据监测装置记录隧道模型5的变形和受力响应；

S4、将水压、土压完全卸载，试验结束。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“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发明，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发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验系统，其特征在于，包括：

密封箱体（1），所述密封箱体（1）的顶面设置为开放端，所述密封箱体（1）的底面固接有基础底座（2），所述密封箱体（1）外套设有地应力加载装置，所述密封箱体（1）内设置有围岩模拟层（4），所述密封箱体（1）的底部连通设置有排水装置，所述围岩模拟层（4）内贯穿设置有隧道模型（5），且所述隧道模型（5）的两端分别与所述密封箱体（1）的两相对侧面连通设置；

模拟装置，所述模拟装置包括洞内水压模拟装置，所述洞内水压模拟装置设置在所述隧道模型（5）内，所述密封箱体（1）内设置有洞外水压模拟装置，所述洞内水压模拟装置连通设置有抽排装置，所述隧道模型（5）上设置有数据监测装置。

2.根据权利要求1所述的一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验系统，其特征在于：所述洞内水压模拟装置包括柔性水囊（6），所述柔性水囊（6）设置在所述隧道模型（5）内，所述柔性水囊（6）内设置有若干金属支撑杆（7），所述金属支撑杆（7）与所述隧道模型（5）夹持所述柔性水囊（6），所述柔性水囊（6）与所述隧道模型（5）内腔形状相适配，所述柔性水囊（6）的两端分别开设有内注水孔和内排水孔，所述内注水孔连通设置有内注水导管（8）的一端，所述内注水导管（8）的另一端连通设置有内注水泵（9），所述内注水导管（8）上依次设置有内水压计（10）和内阀门（11）。

3.根据权利要求2所述的一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验系统，其特征在于：所述洞外水压模拟装置包括外注水泵（12），所述外注水泵（12）的输出端通过外注水导管（13）与所述密封箱体（1）顶部连通设置，所述外注水导管（13）上依次设置有外水压计（14）和外阀门（15）。

4.根据权利要求3所述的一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验系统，其特征在于：所述抽排装置包括抽水泵（16），所述抽水泵（16）输出端和输入端分别通过抽排导管（17）与所述内排水孔和存水箱（18）连通设置，所述抽排导管（17）上设置有流速控制阀（19）。

5.根据权利要求4所述的一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验系统，其特征在于：所述数据监测装置包括监测计算机（20），所述监测计算机（20）电性连接有静态应变采集仪（21），所述隧道模型（5）的内壁和外壁上对应设置有若干应变片（22）和光栅位移传感器（23），所述隧道模型（5）外的所述围岩模拟层（4）对应嵌设有微型土压力盒（24）和微型水压计（25），所述应变片（22）、所述光栅位移传感器（23）、所述微型土压力盒（24）和所述微型水压计（25）均与所述静态应变采集仪（21）电性连接。

6.根据权利要求5所述的一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验系统，其特征在于：所述排水装置包括排水管（26），所述排水管（26）的一端与所述密封箱体（1）的侧面底部连通设置，所述排水管（26）另一端连通设置有排水箱（27）。

7.根据权利要求6所述的一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验系统，其特征在于：所述地应力加载装置包括反力架（28），所述反力架（28）套设在所述密封箱体（1）的外部，且所述反力架（28）的底部与所述基础底座（2）顶面两侧固接，所述反力架（28）的底面固接有油压泵（29），所述油压泵（29）的输出端固接有竖向位移动作器（30），所述竖向位移动作器（30）底部抵接有打孔钢垫板（31），所述竖向位移动作器（30）上设置有压力传感器，所述打孔钢垫板（31）上开设有若干通孔，所述打孔钢垫板（31）的底面与所述围岩模拟层（4）底面抵接，所述压力传感器和所述油压泵（29）电性连接有控制计算机（32）。

8.根据权利要求7所述的一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验系统，其特征在于：所述围岩模拟层（4）由石英砂、凡士林和重晶石粉混合制成。

9.根据权利要求8所述的一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验系统，其特征在于：所述密封箱体（1）包括外框架，所述外框架固接在所述基础底座（2）上，所述外框架的周面固接有有机玻璃面板，所述有机玻璃面板侧面设置有加强肋（3），所述加强肋（3）的两端分别与所述外框架固接。

10.一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验方法，根据权利要求9所述的一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验系统，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在隧道模型（5）上粘贴应变片（22）和光栅位移传感器（23），向密封箱体（1）内装填围岩模拟层（4）后将隧道模型（5）进行埋设同时布置微型土压力盒（24）和微型水压计（25），并将其与静态应变仪和检测计算机电性连接；

S2、安装地应力加载装置和模拟装置，同时启动控制油压泵（29）液压的控制计算机（32），使竖向位移作动器的底面与打孔钢板刚好接触，根据所研究的工程情况施加初始水压和土压；

S3、待围岩模拟层（4）固结完成后，进行分阶段调整隧道模型（5）洞内、洞外水压和土压，使隧道模型（5）经受试验设计的所有水、土压力组合情况，并利用隧道模型（5）上安装的数据监测装置记录隧道模型（5）的变形和受力响应；

S4、将水压、土压完全卸载，试验结束。

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