CN117330733A - 大型城市深部岩溶塌陷模型试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大型城市深部岩溶塌陷模型试验系统，包括：城市活动胁迫模拟加载系统，用于模拟不同城市活动胁迫对深部岩溶塌陷的影响，城市活动包括地下水位变化和/或降雨情况和/或静动载荷和/或开挖扰动；测控系统，用于监测和控制试验系统的各种参数，以测量和控制模型试验过程中的参数的变化情况；参数至少包括压力、水位、变形。本系统中的城市活动胁迫模拟加载系统可以模拟地下水位变化、降雨情况、静动载荷、开挖扰动等城市活动，更真实地模拟了实际情况，有助于更准确地评估深部岩溶塌陷的风险；还采用了测控系统，可以实时监测和控制试验系统压力、水位、变形等参数的变化情况，可以帮助研究人员更好地理解深部岩溶塌陷过程。

Description

大型城市深部岩溶塌陷模型试验系统

技术领域

本发明涉及城市岩溶塌陷技术领域，具体提供一种大型城市深部岩溶塌陷模型试验系统。

背景技术

岩溶塌陷是指在岩溶发育地区，岩溶洞隙上方的岩土体在自然或人为因素作用下发生变形破坏，并在地面形成塌陷坑洞的一种岩溶动力地质作用与现象，具有空间上的隐蔽性和时间上的突发性特点。我国多个城市受岩溶塌陷影响很大。因此，岩溶塌陷已成为我国城镇化建设中亟需关注的重大地质灾害问题。

目前国外岩溶塌陷模型试验系统功能和监测手段有限，发展也较为缓慢；我国岩溶塌陷相似模型试验系统研制一直在探索中发展，但普遍比尺较小、功能单一、监测手段有限，且尚未考虑城市活动胁迫的影响。城市深部岩溶塌陷易受到诸多因素的影响，如自然地质条件(断层、褶皱、极端降雨等)、人为胁迫(地下工程开挖、列车震动或施工带来的静动载、地下水的不合理抽采等)。因此，研制一种大型城市深部岩溶塌陷模型试验系统是十分有必要的。

发明内容

为了克服上述缺陷，提出了本发明，以提供解决或至少部分地解决岩溶塌陷模型试验系统功能和监测手段有限的问题。

本发明提供了一种大型城市深部岩溶塌陷模型试验系统，包括：

城市活动胁迫模拟加载系统，用于模拟不同城市活动胁迫对深部岩溶塌陷的影响，所述城市活动包括地下水位变化和/或降雨情况和/或静动载荷和/或开挖扰动；

测控系统，用于监测和控制所述试验系统的各种参数，以测量和控制模型试验过程中的参数的变化情况；其中，所述参数至少包括压力、水位、变形。

优选的，所述城市活动胁迫模拟加载系统包括：

地下水模拟系统，所述地下水模拟系统位于整个试验系统的底部；

真空负压系统用于通过对所述地下水模拟系统抽排水来模拟城市地下水位的变化；

降雨系统，所述降雨系统位于整个试验系统的顶部，用于模拟不同降雨程度对城市深部岩溶塌陷的影响；

静动载加载系统，所述静动载加载系统位于所述降雨系统下部，与液压动力系统配合，为试验系统提供城市建设及运行过程中产生的各种荷载作用；

开挖系统，所述开挖系统位于所述试验系统的侧部，用于模拟人类活动带来的各类工程扰动。

进一步的，城市活动胁迫模拟加载系统还包括廊道，用于人员行走及设备安装、维护时的通道；

优选的，所述测控系统包括：

监测系统，用于在抽排水过程中监测试验系统的真空负压情况和/或内部水位的变化和/或变形情况；

液压动力系统，为静动载加载系统提供动力源，同时，在监测塌陷过程中模型试验系统内部的压力反馈情况；

监测控制平台，用于根据实际需要控制监测系统和/或液压动力系统。

优选的，所述地下水模拟系统包括：压力储水塔、进水口、出水口、输水管路、控制阀、第二水泵，所述压力储水塔的底部分别与所述地下水模拟系统、所述进水口相连，通过所述进水口将压力储水塔中的水注入所述地下水模拟系统中；所述出水口与所述地下水模拟系统连接，用于排出所述地下水模拟系统中多余的水；所述输水管路用于连接所述压力储水塔、所述进水口、所述出水口和所述地下水模拟系统，将水的流动进行连通；所述第二水泵通过输水管路与进水口连接；所述控制阀用于控制水的流动，根据需要打开或关闭进水口、出水口，以控制地下水模拟系统中的水位。

优选的，所述监测系统包括：

水位获取模块，用于设置在所述模拟实验系统的进口和出口，用于监测相似模型试验系统内部水位的变化；

负压监测模块，与所述真空负压系统连接，用于在抽排水过程中监测试验系统的真空负压情况；

变形监测模块，用于监测内地层的变形情况和/或应力变形情况。

优选的，所述变形监测模块包括：

内地层变形模块，用于监测所述模拟实验系统的内地层的变形情况；

水-土-气压力模块，用于实现岩溶塌陷过程中土洞及溶洞内部水-气压力以及应力变形的实时采集与分析。

优选的，所述内地层变形模块包括：

图像采集模块，用于采集地层相关参数，所述参数至少包括地表层降值、岩土层位移值、岩土层应变值、孔壁裂隙参数、裂隙空间分布、岩土变形模式、岩土开裂模式、地表空间形态；

存储模块，用于存储采集的地层相关参数；

分析模块，基于所述地层相关参数对地层模型的变形过程进行分析和记录，建立可视化的模型试验系统。

优选的，所述水-土-气压力模块包括：

低频微震传感器，用于监测微弱的地震信号；

磁敏传感器，用于检测岩溶体的变形和松散程度；

分布式柔性应变传感器，用于监测岩溶体的应变变化；

压力传感器，用于测量洞穴内的孔隙水压力变化；

土压力盒，用于测量洞穴内土体的应力变化；

土中气压测试装置，用于测量洞穴内的气压变化。

优选的，所述静动载加载系统包括：

静载加载模块，用于产生静态荷载；

动载加载模块，用于产生振动荷载；

第一加载控制模块，用于控制所述静动载加载系统，至少包括静载和动载的施加，荷载的大小和频率的调节，以及采集和记录荷载施加过程中的相关数据。

优选的，所述开挖系统包括：

挖掘模块，用于模拟人类进行地下工程开挖活动；

动力模块，用于驱动挖掘模块的工作；

第二加载控制装置模块，用于控制所述开挖系统的操作和参数，所述参数至少包括控制挖掘模块的运动、速度。

本发明提供了一种大型城市深部岩溶塌陷模型试验系统，包括：城市活动胁迫模拟加载系统，用于模拟不同城市活动胁迫对深部岩溶塌陷的影响，所述城市活动包括地下水位变化和/或降雨情况和/或静动载荷和/或开挖扰动；测控系统，用于监测和控制所述试验系统的各种参数，以测量和控制模型试验过程中的参数的变化情况；其中，所述参数至少包括压力、水位、变形。与现有技术相比，本发明所提供的大型城市深部岩溶塌陷模型试验系统的有益效果为：城市活动胁迫模拟加载系统可以模拟城市活动胁迫对深部岩溶塌陷的影响。与传统的试验系统相比，该系统可以模拟地下水位变化、降雨情况、静动载荷和/或开挖扰动等城市活动，更为真实地模拟了实际情况，有助于更准确地评估深部岩溶塌陷的风险。还采用了测控系统，可以实时监测和控制试验系统中的各种参数的变化情况，包括压力、水位、变形等参数。这些监测数据可以帮助研究人员更好地理解深部岩溶塌陷过程，并提供可靠的数据支持实验结果和结论。

进一步的，各种城市活动胁迫模拟加载系统均独立布置于试验系统中，即可单独工作考虑单一因素对岩溶塌陷的影响，又可多系统共同工作，探究多因素耦合作用下的深部岩溶塌陷机理。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围组成限制。此外，图中类似的数字用以表示类似的部件，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的大型城市深部岩溶塌陷模型试验系统的结构示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的真空吸蚀模拟控制系统的结构示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的降雨模拟控制系统概念的结构示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的静动载加载系统中的动力源；

图5是根据本发明的一个实施例的地下开挖扰动模拟控制系统示意图；

图6是根据本发明的一个实施例的静动载加载系统中的激振器的示意图；

其中，1、廊道；2.1、出水口；2.2、进水口；2.3、输水管路；2.4、控制阀；3.1、压力储水塔；3.2、可变角喷头；3.3、金属支架；3.4、带孔导管；3.5、流量计；4、静动载加载系统；5、开挖系统；5.1、挖掘模块；5.2动力模块；6、真空负压系统；7、液压动力系统；8、水位观测仪；9、监测控制平台；10、摄影系统；11、钻孔摄像仪；12、水-土-气压力模块；13、动力源；14、激振器。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的一些实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例中的一种大型城市深部岩溶塌陷模型试验系统，包括：

城市活动胁迫模拟加载系统，用于模拟不同城市活动胁迫对深部岩溶塌陷的影响，所述城市活动包括地下水位变化和/或降雨情况和/或静动载荷和/或开挖扰动；

测控系统，用于监测和控制所述试验系统的各种参数，以测量和控制模型试验过程中的参数的变化情况；其中，所述参数至少包括压力、水位、变形。

城市活动胁迫是引发深部岩溶塌陷的重要因素之一。通过模拟不同城市活动的胁迫对岩溶地区的影响，可以深入了解城市活动对深部岩溶塌陷的具体机理和影响程度，为预测和防治深部岩溶塌陷提供科学依据。本实施例中，城市活动胁迫模拟加载系统可以模拟城市活动胁迫对深部岩溶塌陷的影响。与传统的试验系统相比，该系统可以模拟地下水位变化、降雨情况、静动载荷和开挖扰动等城市活动，更为真实地模拟了实际情况，有助于更准确地评估深部岩溶塌陷的风险。还采用了测控系统，可以实时监测和控制试验系统中的各种参数的变化情况，包括压力、水位、变形等参数，可以及时了解实验过程中的变化和异常情况，从而保证实验数据的准确性和可重复性。另外这些监测数据可以帮助研究人员更好地理解深部岩溶塌陷过程，并提供可靠的数据支持实验结果和结论。

在一个实施方式中，所述城市活动胁迫模拟加载系统包括：

地下水模拟系统，所述地下水模拟系统位于整个试验系统的底部；地下水模拟系统可以模拟地下水位的上升或下降，以及地下水的渗流等过程。通过调控地下水位，可以模拟城市地下水位变化对地下的影响。

真空负压系统6用于通过对所述地下水模拟系统抽排水来模拟城市地下水位的变化；通过调节真空负压系统6，可以控制地下水位的上升或下降，模拟城市地下水位的波动，以此来探究地下水渗流、真空吸蚀现象对岩溶塌陷的影响。

降雨系统，所述降雨系统位于整个试验系统的顶部，用于模拟不同降雨程度对城市深部岩溶塌陷的影响；降雨系统可以产生不同强度和规模的降雨，模拟城市中的降雨过程。通过调节降雨的参数，可以模拟不同降雨程度对城市深部岩溶塌陷的影响。

本实施例中，降雨系统包括：压力储水塔3.1、第一水泵(图中未示出)、金属支架3.3、带孔导管3.4、流量计3.5、水阀(图中未示出)、可变角喷头3.2组成。其中，压力储水塔3.1将水储存起来，以提供给降雨系统；第一水泵(图中未示出)连接到压力储水塔3.1，通过第一水泵(图中未示出)将水送入系统中，以产生一定的水压；金属支架3.3用来支撑整个降雨系统，确保系统的稳定性；带孔导管3.4：连接到第一水泵(图中未示出)的出口，水通过孔洞进入导管，形成细小的喷洒；流量计3.5：安装在导管上，用于测量水的流量，并对其进行准确计量；水阀(图中未示出)：安装在导管上，用于控制水的流动。可以通过调节水阀(图中未示出)来改变水的流量和喷洒的强度；可变角喷头3.2：连接到导管的末端，可以根据需要调节喷洒角度，模拟不同降雨强度和方式；

如图3所示，可以使用上述降雨系统进行降雨模拟控制。具体使用时，首先，确保压力储水塔3.1已储满水，并保持一定水位。这样可以保证有足够的水量供给降雨系统使用。打开第一水泵(图中未示出)，将第一水泵(图中未示出)启动，并将压力储水塔3.1中的水送入系统中。第一水泵(图中未示出)会产生一定的水压，将水送入导管系统中。调节水阀(图中未示出)来控制水的流动。通过打开或关闭水阀(图中未示出)，可以控制水的流量大小。水通过导管中的带孔洞进入，形成细小的喷洒。调节导管上的可变角喷头3.2，可以改变喷洒的角度，模拟不同的降雨方式。流量计3.5将测量水的流量，并进行准确计量。可以通过流量计3.5来监测和记录每次降雨的水量。通过逐步调节水阀(图中未示出)和可变角喷头3.2，可以模拟不同降雨强度和方式。可以根据需要调整水的流量和喷洒角度，来模拟不同场景下的降雨情况。例如，增大水流量和调整喷洒角度，可以模拟暴雨情况；减小水流量和调整喷洒角度，可以模拟小雨或毛毛雨情况。

静动载加载系统4，所述静动载加载系统4位于所述降雨系统下部，与液压动力系统7配合，为试验系统提供城市建设及运行过程中产生的各种荷载作用；静动载加载系统4可以为试验系统提供各种城市建设及运行过程中产生的荷载作用，例如列车及车辆行驶产生的震动，工程施工产生的动静荷载(如地面堆载、打桩)等。通过调节静动载加载系统4的参数，可以模拟不同类型和强度的荷载对地下的影响。

开挖系统5，所述开挖系统5位于所述试验系统的侧部，用于模拟人类活动带来的各类工程扰动。开挖系统5可以模拟城市中的地下开挖过程，例如如地铁的开挖，以及地下商场、停车场等地下工程的建设等。通过开挖系统5的运作，可以模拟地下的变形和破坏情况。

以上各种城市活动胁迫模拟加载系统均独立布置于试验系统中，即可单独工作考虑单一因素对岩溶塌陷的影响，又可多系统共同工作，探究多因素耦合作用下的深部岩溶塌陷机理。

在一个实施方式中，所述测控系统包括：

监测系统，用于在抽排水过程中监测试验系统的真空负压情况和/或内部水位的变化和/或变形情况；例如，可以通过传感器来监测试验系统的真空负压情况，也可以监测试验系统内部的水位变化和变形情况。这样可以实时获取试验系统的状态信息，用于分析和评估试验的效果和结果。

液压动力系统7，为静动载加载系统4提供如图4的动力源，同时，在监测塌陷过程中模型试验系统内部的压力反馈情况；本实施例中，通过液压力来提供加载系统所需的动力，可以实现静态和动态的加载。此外，在监测塌陷过程中，液压动力系统7还可用来反馈试验系统内部的压力信息，以便及时掌握试验系统的压力变化情况。

监测控制平台9，用于根据实际需要控制监测系统和/或液压动力系统7。本实施例中，监测控制平台9是控制监测系统和液压动力系统7的主控制单元。它可以根据实际需要对监测系统和液压动力系统7进行控制，包括启动、停止、调节等操作。监测控制平台9能够接收来自监测系统和液压动力系统7的数据，并进行实时显示和记录，以便对试验过程进行监控和分析。

在一个实施方式中，所述地下水模拟系统包括：压力储水塔3.1、进水口2.2、出水口2.1、输水管路2.3、控制阀2.4、第二水泵(图中未示出)，所述压力储水塔3.1的底部分别与所述地下水模拟系统、所述进水口2.2相连，通过所述进水口2.2将压力储水塔3.1中的水注入所述地下水模拟系统中；所述出水口2.1与所述地下水模拟系统连接，用于排出所述地下水模拟系统中多余的水；所述输水管路2.3用于连接所述压力储水塔3.1、所述进水口2.2、所述出水口2.1和所述地下水模拟系统，将水的流动进行连通；所述第二水泵(图中未示出)设置在压力储水塔3.1内，通过输水管路2.3与进水口2.2连接；所述控制阀2.4用于控制水的流动，根据需要打开或关闭进水口2.2、出水口2.1，以控制地下水模拟系统中的水位。

如图2所示，可以使用上述地下水模拟系统来控制模拟真空吸蚀。具体使用时，将压力储水塔3.1的底部与地下水模拟系统、进水口2.2连接，确保连接处密封可靠。然后打开控制阀2.4，允许水从压力储水塔3.1流入地下水模拟系统中。通过进水口2.2将压力储水塔3.1中的水注入地下水模拟系统。通过控制阀2.4调节进水口2.2的开度，以控制水的流量和进入地下水模拟系统的速度。当地下水模拟系统中的水位达到要求或需要排出多余的水时，打开控制阀2.4，使水从出水口2.1排出。调节控制阀2.4的开关状态，根据需要控制进水口2.2和出水口2.1的开启和关闭，以控制地下水模拟系统中的水位。通过第二水泵(图中未示出)将水注入进水口2.2，增加地下水模拟系统中的压力和流量。根据需要，调节第二水泵(图中未示出)的流量和压力，以保持地下水模拟系统中的水位在目标范围内。当地下水模拟实验结束时，关闭控制阀2.4，停止水的流动，接着可以进行下一次实验或进行清洗和维护。

在一个实施方式中，所述监测系统包括：

水位获取模块，用于设置在所述模拟实验系统的进口和出口，用于监测相似模型试验系统内部水位的变化；

本实施例中，使用水位观测仪8作为水位获取模块，设置在所述模拟实验系统的进口和出口各一个；进口处的水位观测仪8设置在模拟试验系统中的低位位置，用于引入液体到模拟试验系统内部。出口处的水位观测仪8设置在试验系统中的高位位置，用于排出模拟试验系统内部的液体。以上设置方法可以使液体在模拟试验系统中形成自然流动。通过将液体引入进口，它们可以均匀地分布在模拟试验系统的各个部分，而通过出口，液体可以顺利地流出，避免液体积聚造成水位不均匀。

另外，进口和出口设置在不同高度，可以监测模拟试验系统内部水位的变化。进口处的水位通常表示试验开始时的初始水位，而出口处的水位则表示试验过程中的实时水位变化。通过比较进口和出口处的水位变化，可以获得试验过程中模拟试验系统内部的水位变化趋势和水位均衡情况。

除此之外，可以方便地调节进出液体的量。通过调整进口和出口的开放程度，可以控制液体的进入和排出速度，以满足试验需要。

具体使用时，安装进口和出口：首先，将进口和出口部分的管道连接到试验系统的相应位置。进口通常设置在模拟试验系统的底部或者低位位置，而出口通常设置在模拟试验系统的顶部或者高位位置。

然后打开进口阀门，将液体引入模拟试验系统内部。液体将会通过进口管道均匀地分布到模拟试验系统的各个部分。

使用水位观测仪8配备的水位传感器或者测量装置，可以实时地检测模拟试验系统内部的水位变化。通过连接到进口和出口管道，水位观测仪8可以测量进口和出口处的水位。

水位观测仪8将实时测量的水位数据传输到数据记录设备上，如计算机或数据采集系统。这些数据可以被记录下来，以便后续的分析和处理。

通过比较进口和出口处的水位数据，可以分析模拟试验系统内部水位的变化趋势和水位均衡情况。这些数据可以用于评估试验系统的性能和效果，以及验证相似模型试验的准确性。

负压监测模块，与所述真空负压系统6连接，用于在抽排水过程中监测试验系统的真空负压情况；

本实施例中，负压监测模块可连接真空负压设备，通过传感器或监测仪器实时监测试验系统内的负压情况。负压监测模块可以通过设定的负压阈值或报警装置来提示研究人员是否需要调整真空负压系统6的运行状态，以保证试验过程的稳定性和准确性。

变形监测模块，用于监测内地层的变形情况和/或应力变形情况。

本实施例中，该模块可以采用多种传感器，如应变计、位移计、倾角计等，安装在试验系统内部的地层或结构体上，实时监测变形或位移数据。这些数据可被传输到监测系统的中控设备或显示屏上，供研究人员实时观察和记录地层的变形情况和/或应力变形情况。变形监测模块的数据可以帮助研究人员分析地层的力学特性和行为，从而对地下水系统进行模拟和分析。

在一个实施方式中，所述变形监测模块包括：

内地层变形模块，用于监测所述模拟实验系统的内地层的变形情况；

本实施例中，可以使用应变计、位移计或倾角计等传感器，安装在地层中以实时监测地层的变形情况。这些传感器可以采集地层材料的应变、位移或倾角数据，并将数据传输给监测系统的中控设备或显示屏，供研究人员实时观察和记录地层的变形行为。

水-土-气压力模块12，用于实现岩溶塌陷过程中土洞及溶洞内部水-气压力以及应力变形的实时采集与分析。

本实施例中，土洞和溶洞的内部水压力、气压力以及应力变形是岩溶塌陷过程中重要的参数。水-土-气压力模块12通过水压力传感器、气压力传感器和应变计等仪器，可以实时采集土洞和溶洞内部的水-气压力和应力变形数据。通过控制水-土-气压力模块12，研究人员可以模拟或调节试验系统中地层的水和气体压力变化，以及地层的应力变形情况。这些数据可以帮助研究人员分析岩溶塌陷过程中土洞和溶洞内部的水-气压力变化对地层的作用，从而更好地理解和预测岩溶塌陷现象。

在一个实施方式中，所述内地层变形模块包括：

图像采集模块，用于采集地层相关参数，所述参数至少包括地表层降值、岩土层位移值、岩土层应变值、孔壁裂隙参数、裂隙空间分布、岩土变形模式、岩土开裂模式、地表空间形态；

本实施例中，可以采用摄影系统10和钻孔摄像仪11来实现上述内容，具体地，钻孔摄像仪11：钻孔摄像仪11是一种特殊设计的摄像设备，通过将其安装在钻孔管中，可以捕捉到岩土层内部的裂隙参数、裂隙空间分布以及岩土变形模式等信息。它通过实时传输视频信号，使研究人员可以观察模型试验系统中地层内部的细节变化。摄影系统10包括双目相机、CCD摄影机、单反相机和内窥镜，其中，双目相机由两个摄像头组成，可以同时拍摄两个不同视角的图像，它可以用于捕捉地表层的降值变化，通过对比不同时刻的图像，可以计算出地表层的降值量。其中，CCD摄影机使用特殊的图像传感器来捕捉地层的位移变化，首先实时拍摄地层位移的图像，然后对比不同时刻的图像，可以计算出地层的位移量。单反相机：单反相机是一种高质量的相机，它可以用于拍摄大尺寸的模型试验系统，以获取更详细的地层应变值信息，单反相机的高分辨率和专业的镜头使其能够捕捉较为精细的图像，进而计算出地层的应变量。内窥镜：当内窥镜被插入到地层中时，光纤束可以通过光源传递光线，照亮观察区域。观察镜头会捕捉到地层内部的图像，并将其传输到摄影系统10的视频显示器上。通过观察内窥镜所传输的图像，研究人员可以获取关于地层内部裂隙参数、裂隙空间分布和岩土变形模式等信息。

存储模块，用于存储采集的地层相关参数；

分析模块，基于所述地层相关参数对地层模型的变形过程进行分析和记录，建立可视化的模型试验系统。

本实施例中，首先，分析模块会对摄影系统10和钻孔摄像仪11所采集的图像和视频进行处理，提取出地层变形相关的数据。例如，对双目相机拍摄的图像进行图像处理和测量，计算出地表降值的数值；对CCD摄影机和单反相机拍摄的图像进行位移分析，得到地层位移的数值；对钻孔摄像仪11拍摄的视频进行裂隙参数分析，确定裂隙参数和裂隙空间分布等等。

然后，分析模块会将这些提取的地层变形数据进行统计分析和图像处理，得出相应的变形特征和趋势。通过时间序列分析，可以了解地层变形的变化规律；通过空间分布图表，可以观察到不同地点的变形差异。

最后，分析模块会将处理后的地层变形数据进行记录和整理，建立可视化的模型试验系统。可以使用图表、曲线图、色谱图等形式，将地层变形的结果可视化展示。这样，研究人员能够直观地观察到地层变形过程的特征和趋势，为模型试验的评估和后续分析提供数据支持。

在一个实施方式中，所述水-土-气压力模块12包括：

低频微震传感器，用于监测微弱的地震信号；这些微弱的地震信号可能是岩层变形、岩溶体移动等地下水系统的活动所引起的。低频微震传感器可以帮助研究人员了解地下水系统的状态、演化和相关的地质灾害。

磁敏传感器，用于检测岩溶体的变形和松散程度；岩溶体是一种由溶蚀作用形成的洞穴或地下空洞，其变形和松散程度会直接影响洞穴的稳定性和岩溶体地质灾害的风险。因此，可以通过磁敏传感器监测岩溶体的磁场变化，提供有关岩溶体变形和松散程度的信息。

分布式柔性应变传感器，用于监测岩溶体的应变变化；岩溶体受到应力的作用时会发生变形，而变形程度是评估岩溶体稳定性的重要指标。分布式柔性应变传感器可以覆盖较大的区域，对岩溶体不同部位的应变进行连续监测，提供详细的应变分布数据。

压力传感器，用于测量洞穴内的孔隙水压力变化；洞穴内的水压力变化是地下水系统活动的一个重要指标。因此可以将压力传感器可以安装在洞穴壁面或孔隙中，实时监测洞穴内水压力的变化，以了解地下水的补给和排泄情况。

土压力盒，用于测量洞穴内土体的应力变化；洞穴周围的土体也会受到压力的作用而发生变形，因此可以使用土压力盒测量洞穴周围土体的应力变化情况，提供对土体稳定性的评估。

土中气压测试装置，用于测量洞穴内的气压变化。洞穴内的气压也是地下水活动的一个重要参数。因此可以使用土中气压测试装置监测洞穴内气压的变化，为洞穴稳定性分析和地下水活动研究提供数据支持。

在一个实施方式中，所述静动载加载系统4包括：

静载加载模块，用于产生静态荷载；静态荷载是指稳定施加在被测对象上的固定大小的力或压力。静载加载模块可以通过液压、气压或机械结构等方式产生稳定的静载，用于测试被测对象在静态荷载下的变形、承载能力、稳定性等性能。

本实施例中，可以使用反力梁-液压千斤顶作为静载加载模块，通过液压千斤顶施加静态荷载，将荷载传递到试验样品上。反力梁为支撑结构，液压千斤顶则提供稳定的力量。

动载加载模块，用于产生振动荷载；振动荷载是指以一定的频率和振幅作用于被测对象上的力或压力。动载加载模块通过电机、液压、电磁、压缩空气等方式产生不同频率和振幅的振动荷载，用于测试被测对象在动态荷载下的振动响应、疲劳性能等。本实施例中，如图6所示，可以使用激振器-偏心轮作为动载加载模块，激振器通过偏心轮的旋转产生振动荷载，模拟列车行驶、地震或其他动态荷载对试验样品的影响。

第一加载控制模块，用于控制所述静动载加载系统4，至少包括静载和动载的施加，荷载的大小和频率的调节，以及采集和记录荷载施加过程中的相关数据。用户可以根据需要，通过第一加载控制模块对静动载加载系统4进行灵活调整和操作。

在一个实施方式中，所述开挖系统5包括：

挖掘模块，用于模拟人类进行地下工程开挖活动；本实施例中，采用的是小型开挖掘进装置，如挖掘机臂、铲斗等。挖掘模块可以通过液压、电动机械或电动机等方式实现对地面或地下材料的挖掘操作。它可以模拟真实的挖掘活动，例如挖掘土壤、石头或其他材料，并产生相应的挖掘力和挖掘运动。

动力模块，用于驱动挖掘模块的工作；它可以提供足够的动力和能量，使挖掘模块能够进行挖掘工作。动力模块通常由一个发动机或电机组成，可以通过液压、气压或电力等方式提供动力输出。它能够为挖掘模块提供所需的动力和驱动力，使其能够有效地进行挖掘操作。

第二加载控制装置模块，用于控制所述开挖系统5的操作和参数，所述参数至少包括控制挖掘模块的运动、速度。

本实施例中，通过第二加载控制装置模块，可以对开挖系统5进行精确的操作和控制，例如控制挖掘模块的挖掘深度、挖掘速度、旋转方向等。此外，第二加载控制装置模块还可以实时监测和记录开挖过程中的相关数据，例如挖掘力、转速等参数，以便用户对开挖活动进行分析和优化。

如图5所示，使用上述开挖系统5实现地下开挖扰动模拟控制，具体使用时，首先根据地下开挖的需求，选择合适的小型开挖掘进装置，如挖掘机臂、铲斗等。这些挖掘模块可以通过液压、电动机械或电动机等方式实现对地下材料的挖掘操作。

然后配置合适的动力模块：根据挖掘模块的需求，选择合适的动力模块，例如发动机或电机。动力模块可以通过液压、气压或电力等方式提供动力输出，以驱动挖掘模块的工作。确保动力模块能够提供足够的动力和能量，使挖掘模块能够进行挖掘工作。

安装和连接挖掘模块和动力模块：将挖掘模块和动力模块正确安装和连接在一起，确保它们能够正常工作和协调运作。

安装第二加载控制装置模块，用于控制开挖系统5的操作和参数。根据地下开挖的需求，配置和调节控制装置的参数，例如挖掘模块的运动方向、速度等。根据实际情况进行调试和优化，确保控制装置能够精确地控制挖掘模块的运动。

进行地下开挖模拟控制：根据设定的参数，使用控制装置对挖掘模块进行控制，模拟地下开挖的挖掘力和挖掘运动。观察挖掘模块的工作状态，并根据需要进行调整和优化。

通过组装上述岩溶塌陷物理模型试验系统各功能模块，开展五大类型致塌因素下的岩溶塌陷相似模型试验，获得土中应力、孔隙水压力、土体应变、内部结构损伤、地面位移、溶洞水气压力等多元信息，研究关键参量变化规律。建立城市活动胁迫下-可控变量精准测控-多工况-可视化的大型相似模型试验系统，对揭示复杂工况下城市深部岩溶塌陷孕灾机制，以及通过试验建立塌陷危险性临界判据具有重要的意义。该装置具有多功能、模块化、可视化等优点。

进一步，应该理解的是，由于各个模块的设定仅仅是为了说明本发明的装置的功能单元，这些模块对应的物理器件可以是处理器本身，或者处理器中软件的一部分，硬件的一部分，或者软件和硬件结合的一部分。因此，图中的各个模块的数量仅仅是示意性的。

本领域技术人员能够理解的是，可以对装置中的各个模块进行适应性地拆分或合并。对具体模块的这种拆分或合并并不会导致技术方案偏离本发明的原理，因此，拆分或合并之后的技术方案都将落入本发明的保护范围内。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大型城市深部岩溶塌陷模型试验系统，其特征在于，包括：

城市活动胁迫模拟加载系统，用于模拟不同城市活动胁迫对深部岩溶塌陷的影响，所述城市活动包括地下水位变化和/或降雨情况和/或静动载荷和/或开挖扰动；

测控系统，用于监测和控制所述试验系统的各种参数，以测量和控制模型试验过程中的参数的变化情况；其中，所述参数至少包括压力、水位、变形。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述城市活动胁迫模拟加载系统包括：

地下水模拟系统，所述地下水模拟系统位于整个试验系统的底部；

真空负压系统用于通过对所述地下水模拟系统抽排水来模拟城市地下水位的变化；

降雨系统，所述降雨系统位于整个试验系统的顶部，用于模拟不同降雨程度对城市深部岩溶塌陷的影响；

静动载加载系统，所述静动载加载系统位于所述降雨系统下部，与液压动力系统配合，为试验系统提供城市建设及运行过程中产生的各种荷载作用；

开挖系统，所述开挖系统位于所述试验系统的侧部，用于模拟人类活动带来的各类工程扰动。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述测控系统包括：

监测系统，用于在抽排水过程中监测试验系统的真空负压情况和/或内部水位的变化和/或变形情况；

液压动力系统，为静动载加载系统提供动力源，同时，在监测塌陷过程中模型试验系统内部的压力反馈情况；

监测控制平台，用于根据实际需要控制监测系统和/或液压动力系统。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述地下水模拟系统包括：压力储水塔、进水口、出水口、输水管路、控制阀、第二水泵，所述压力储水塔的底部分别与所述地下水模拟系统、所述进水口相连，通过所述进水口将压力储水塔中的水注入所述地下水模拟系统中；所述出水口与所述地下水模拟系统连接，用于排出所述地下水模拟系统中多余的水；所述输水管路用于连接所述压力储水塔、所述进水口、所述出水口和所述地下水模拟系统，将水的流动进行连通；所述第二水泵通过输水管路与进水口连接；所述控制阀用于控制水的流动，根据需要打开或关闭进水口、出水口，以控制地下水模拟系统中的水位。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述监测系统包括：

水位获取模块，用于设置在所述模拟实验系统的进口和出口，用于监测相似模型试验系统内部水位的变化；

负压监测模块，与所述真空负压系统连接，用于在抽排水过程中监测试验系统的真空负压情况；

变形监测模块，用于监测内地层的变形情况和/或应力变形情况。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述变形监测模块包括：

内地层变形模块，用于监测所述模拟实验系统的内地层的变形情况；

水-土-气压力模块，用于实现岩溶塌陷过程中土洞及溶洞内部水-气压力以及应力变形的实时采集与分析。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述内地层变形模块包括：

图像采集模块，用于采集地层相关参数，所述参数至少包括地表层降值、岩土层位移值、岩土层应变值、孔壁裂隙参数、裂隙空间分布、岩土变形模式、岩土开裂模式、地表空间形态；

存储模块，用于存储采集的地层相关参数；

分析模块，基于所述地层相关参数对地层模型的变形过程进行分析和记录，建立可视化的模型试验系统。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述水-土-气压力模块包括：

低频微震传感器，用于监测微弱的地震信号；

磁敏传感器，用于检测岩溶体的变形和松散程度；

分布式柔性应变传感器，用于监测岩溶体的应变变化；

压力传感器，用于测量洞穴内的孔隙水压力变化；

土压力盒，用于测量洞穴内土体的应力变化；

土中气压测试装置，用于测量洞穴内的气压变化。

9.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述静动载加载系统包括：

静载加载模块，用于产生静态荷载；

动载加载模块，用于产生振动荷载；

第一加载控制模块，用于控制所述静动载加载系统，至少包括静载和动载的施加，荷载的大小和频率的调节，以及采集和记录荷载施加过程中的相关数据。

10.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述开挖系统包括：

挖掘模块，用于模拟人类进行地下工程开挖活动；

动力模块，用于驱动挖掘模块的工作；

第二加载控制装置模块，用于控制所述开挖系统的操作和参数，所述参数至少包括控制挖掘模块的运动、速度。