CN117388466A - 一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置，属于岩溶塌陷模拟实验技术领域，包括模拟箱体、水流控制装置、降雨模拟装置、数据收集装置、计算机，模拟箱体内的下部通过填料构成岩体，在模拟箱体的上部通过填充土体构成土层，在岩体内设有若干不规则形状的盐腔，模拟箱体的左右端分别设有水流控制装置，水流控制装置用以在土层形成含水层并模拟地下水的流动，在模拟箱体的上方设有降雨模拟装置，模拟箱体的上方及外壁设有数据收集装置，数据收集装置用以采集位移信息、塌陷过程、应力变化及三维地形数据，所述的数据收集装置通过数据线与计算机连接，所述的计算机针对采集的数据信息分析岩溶地面塌陷形成与演化的规律。

Description

一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置

技术领域

本发明属于岩溶塌陷模拟实验技术领域，具体涉及一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置。

背景技术

岩溶地面塌陷是岩溶发育地区最主要的一种地质灾害形式，是岩溶洞隙上方的岩土体在自然或人为条件下发生变形破坏，导致地面形成塌陷(坑洞)的一种岩溶地质现象。岩溶地面塌陷具有突发性、隐蔽性、破坏性强的特点，而且对人民群众的生命财产安全以及公路等基础设施安全造成了严重威胁。岩溶地面塌陷灾变机理复杂，受岩溶结构、上覆土层、地下水和人类工程活动等因素的影响。然而，在实际情况下在野外现场直接揭示岩溶地面塌陷形成与演化十分困难，并且需要开展大量的调查和现场工作，耗费大量的人力和物力。因此，开展岩溶地面塌陷形成与演化的室内模拟实验，确定地面塌陷形成与动态演化是十分有必要的和有意义的。目前在地质工程、水文地质等领域尚没有此方面的实验装置。因此，设计实验装置来模拟岩溶地面塌陷形成与演化特征。

发明内容

本发明公开了一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置，本发明够模拟岩溶地面塌陷形成与动态演化过程。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置，包括模拟箱体、水流控制装置、降雨模拟装置、数据收集装置、计算机，所述的模拟箱体内的下部通过填料构成岩体，在模拟箱体的上部通过填充土体构成土层，在岩体内设有若干不规则形状的盐腔，所述的模拟箱体的左右端分别设有水流控制装置，所述的水流控制装置用以在土层形成含水层并模拟地下水的流动，在模拟箱体的上方设有降雨模拟装置，所述的模拟箱体的上方及外壁设有数据收集装置，所述的数据收集装置用以采集位移信息、塌陷过程、应力变化及三维地形数据，所述的数据收集装置通过数据线与计算机连接，所述的计算机针对采集的数据信息分析岩溶地面塌陷形成与演化的规律。

优选的，所述的模拟箱体为上端敞口的立方体形壳体，所述的壳体由透明亚克力玻璃材料制成，所述的盐腔为岩体内通过填满NaCl晶体构成的腔室；所述的模拟箱体外设有供水水箱，所述的水流控制装置、降雨模拟装置分别与供水水箱连接。

优选的，所述的水流控制装置包括固定设于模拟箱体左右端顶部的第一溢流水槽、第二溢流水槽，所述的第一溢流水槽、第二溢流水槽的底端分别通过第一进水管、第二进水管与供水水箱连接，所述的第一进水管、第二进水管上分别设有第一水泵、第二水泵，所述的第一溢流水槽、第二溢流水槽远离模拟箱体的一端上部分别通过第一溢流管、第二溢流管与供水水箱连接，所述的第一溢流水槽、第二溢流水槽朝向模拟箱体的一端分别通过贯通模拟箱体侧壁的漏水孔与土层连接。

优选的，所述的第二溢流水槽上端还设有水位波动装置，所述的水位波动装置与第二溢流水槽配合使用。

优选的，所述的漏水孔处设有金属滤网，第二溢流水槽处的漏水孔低于第一溢流水槽的漏水孔，以形成水头差，模拟地下水的流动。

优选的，所述的模拟箱体上方通过支架固定连接有横梁，所述的降雨模拟装置包括固定连接于横梁底部的若干喷头，所述的喷头通过第三进水管与供水水箱连接，所述的第三进水管上分别设有第三水泵及流量控制阀门。

优选的，所述的数据收集装置包括应力监测装置、位移监测装置和三维地形扫描仪，所述的模拟箱体的前壁所在土层表面成矩阵排布有若干应力测点，所述的应力监测装置包括设于应力测点处的应力监测探头，所述的应力监测探头通过数据线与计算机信号连接，所述的模拟箱体的前壁内表面所在土层表面的位置还成矩阵排布有若干位移测点，所述的位移监测装置包括摄影测量相机，所述的摄影测量相机与模拟箱体的前端相对，并用以拍摄位移测点处的位移信息，所述的摄影测量相机通过数据线与计算机信号连接，所述的三维地形扫描仪固定连接于横梁底部，并用以采集土层表面的塌陷形成过程的信息。

优选的，所述的水位波动装置包括拍水板、电动伸缩杆，所述的拍水板的顶部连接有手柄，所述的手柄顶端与横梁铰接，所述的电动伸缩杆的两端分别与手柄及横梁铰接，所述的拍水板延伸入第二溢流水槽内，通过拍水板的来回移动模拟水位拨动。

优选的，所述的摄影测量相机拍摄模拟箱体的正面图片，所述的图片导入计算机后经测量软件计算所有位移测点移动变形值。

一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置的使用方法，包括如下步骤：

(1)、实验前准备工作，将一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置准备就绪，保证实验装置的各部件完好可用；

(2)、打开数据收集装置中的各个设备，打开第一水泵和第二水泵开始供水，打开水位波动装置，调节地下水水位变化，盐腔内的NaCl晶体在水流的影响下逐渐溶解，形成空洞并变大，模拟溶洞的发展过程；

(3)、打开第三水泵，开始模拟降雨，调节流量控制阀门改变降雨强度，用来分析降雨对岩溶地面塌陷形成与演化的影响；

(4)、直至盐腔内NaCl晶体完全溶解，土层不再发生塌陷，应力数据和位移数据保持稳定，停止实验；

(5)、计算机利用数据收集装置获取的的应力、位移监测数据、三维地形扫描仪数据以及摄影录像记录，分析各数据变化规律，地形塌陷演化过程，揭示岩溶地面塌陷形成与演化过程。

本发明一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置的有益效果为：

本发明能够模拟岩溶地面塌陷的形成与演化过程，通过对岩溶地面的塌陷规律的模拟分析，可为地质工程、水文地质等领域提供数据参考，对提高岩溶塌陷防治水平、丰富完善岩溶塌陷研究和应用体系具有重要意义。

说明书附图

图1、本发明的整体结构示意图。

图2、本发明水位波动装置的结构原理图。

1—模拟箱体，2—计算机，3—摄影测量相机，4—供水水箱，5—横梁，6—第一溢流水槽，7—第一溢流管，8—第一进水管，9—第二溢流水槽，10—第二溢流管，11—第二进水管，12—第三进水管，13—流量控制阀门，14—喷头，15—土层，16—岩体，17—盐腔，18—位移测点，19—应力测点，20—三维地形扫描仪，21—第一水泵，22—第二水泵，23—第三水泵，24—水位波动装置，24-1—手柄，24-2—拍水板，24-3—电动伸缩杆。

具体实施方式

以下所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例1

一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置，如图1所示，包括模拟箱体1、水流控制装置、降雨模拟装置、数据收集装置、计算机，所述的模拟箱体1内的下部通过填料构成岩体16，在模拟箱体1的上部通过填充土体构成土层15，在岩体16内设有若干不规则形状的盐腔17，所述的模拟箱体1的左右端分别设有水流控制装置，所述的水流控制装置用以在土层形成含水层并模拟地下水的流动，在模拟箱体1的上方设有降雨模拟装置，所述的模拟箱体的上方及外壁设有数据收集装置，所述的数据收集装置用以采集位移信息、塌陷过程、应力变化及三维地形数据，所述的数据收集装置通过数据线与计算机2连接，所述的计算机2针对采集的数据信息分析岩溶地面塌陷形成与演化的规律。

如图1所示，所述的模拟箱体1为上端敞口的立方体形壳体，所述的壳体由透明亚克力玻璃材料制成，所述的盐腔17为岩体16内通过填满NaCl晶体构成的腔室；所述的模拟箱体1外设有供水水箱4，所述的水流控制装置、降雨模拟装置分别与供水水箱4连接。

如图1所示，所述的水流控制装置包括固定设于模拟箱体1左右端顶部的第一溢流水槽6、第二溢流水槽9，所述的第一溢流水槽6、第二溢流水槽9的底端分别通过第一进水管8、第二进水管11与供水水箱4连接，所述的第一进水管8、第二进水管11上分别设有第一水泵21、第二水泵22，所述的第一溢流水槽6、第二溢流水槽9远离模拟箱体1的一端上部分别通过第一溢流管7、第二溢流管10与供水水箱4连接，所述的第一溢流水槽6、第二溢流水槽9朝向模拟箱体1的一端分别通过贯通模拟箱体1侧壁的漏水孔与土层15连接。

如图1所示，所述的第二溢流水槽9上端还设有水位波动装置24，所述的水位波动装置24与第二溢流水槽9配合使用。

如图1所示，所述的漏水孔处设有金属滤网，防止土层流出，第二溢流水槽9处的漏水孔低于第一溢流水槽6的漏水孔，以形成水头差，模拟地下水的流动。

如图1所示，所述的模拟箱体1上方通过支架(图中未画出)固定连接有横梁5，所述的降雨模拟装置包括固定连接于横梁5底部的若干喷头14，所述的喷头14通过第三进水管12与供水水箱4连接，所述的第三进水管12上分别设有第三水泵23及流量控制阀门13，通过流量控制阀门13的调节模拟降雨强度变化。

如图1所示，所述的数据收集装置包括应力监测装置、位移监测装置和三维地形扫描仪20，所述的模拟箱体1的前壁所在土层表面成矩阵排布有若干应力测点19，所述的应力监测装置包括设于应力测点19处的应力监测探头，所述的应力监测探头通过数据线与计算机信号连接，所述的模拟箱体1的前壁内表面所在土层表面的位置还成矩阵排布有若干位移测点18，所述的位移监测装置包括摄影测量相机3，所述的摄影测量相机3与模拟箱体1的前端相对，并用以拍摄位移测点18处的位移信息，所述的摄影测量相机3通过数据线与计算机信号连接，所述的三维地形扫描仪20固定连接于横梁底部，并用以采集土层表面(即地面)的塌陷形成过程的信息。

如图2所示，所述的水位波动装置24包括拍水板24-2、电动伸缩杆24-3，所述的拍水板24-2的顶部连接有手柄24-1，所述的手柄24-1顶端与横梁5铰接，所述的电动伸缩杆24-3的两端分别与手柄24-1及横梁5铰接，所述的拍水板24-2延伸入第二溢流水槽9内，通过拍水板的来回移动模拟水位拨动。

如图1所示，所述的摄影测量相机3拍摄模拟箱体1的正面图片，所述的图片导入计算机2后经测量软件计算所有位移测点18移动变形值。

实施例2

基于实施例1，本实施例公开了：

一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置的使用方法，如图1、2所示，包括如下步骤：

(1)、实验前准备工作，将一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置准备就绪，保证实验装置的各部件完好可用；

(2)、打开数据收集装置中的各个设备，打开第一水泵和第二水泵开始供水，打开水位波动装置，调节地下水水位变化，盐腔内的NaCl晶体在水流的影响下逐渐溶解，形成空洞并变大，模拟溶洞的发展过程；

(3)、打开第三水泵，开始模拟降雨，调节流量控制阀门改变降雨强度，用来分析降雨对岩溶地面塌陷形成与演化的影响；

(4)、直至盐腔内NaCl晶体完全溶解，土层不再发生塌陷，应力数据和位移数据保持稳定，停止实验；

(5)、计算机利用数据收集装置获取的的应力、位移监测数据、三维地形扫描仪数据以及摄影录像记录，分析各数据变化规律，地形塌陷演化过程，揭示岩溶地面塌陷形成与演化过程。

Claims (10)

1.一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置，其特征为：包括模拟箱体、水流控制装置、降雨模拟装置、数据收集装置、计算机，所述的模拟箱体内的下部通过填料构成岩体，在模拟箱体的上部通过填充土体构成土层，在岩体内设有若干不规则形状的盐腔，所述的模拟箱体的左右端分别设有水流控制装置，所述的水流控制装置用以在土层形成含水层并模拟地下水的流动，在模拟箱体的上方设有降雨模拟装置，所述的模拟箱体的上方及外壁设有数据收集装置，所述的数据收集装置用以采集位移信息、塌陷过程、应力变化及三维地形数据，所述的数据收集装置通过数据线与计算机连接，所述的计算机针对采集的数据信息分析岩溶地面塌陷形成与演化的规律。

2.如权利要求1所述的一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置，其特征为：所述的模拟箱体为上端敞口的立方体形壳体，所述的壳体由透明亚克力玻璃材料制成，所述的盐腔为岩体内通过填满NaCl晶体构成的腔室；所述的模拟箱体外设有供水水箱，所述的水流控制装置、降雨模拟装置分别与供水水箱连接。

3.如权利要求2所述的一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置，其特征为：所述的水流控制装置包括固定设于模拟箱体左右端顶部的第一溢流水槽、第二溢流水槽，所述的第一溢流水槽、第二溢流水槽的底端分别通过第一进水管、第二进水管与供水水箱连接，所述的第一进水管、第二进水管上分别设有第一水泵、第二水泵，所述的第一溢流水槽、第二溢流水槽远离模拟箱体的一端上部分别通过第一溢流管、第二溢流管与供水水箱连接，所述的第一溢流水槽、第二溢流水槽朝向模拟箱体的一端分别通过贯通模拟箱体侧壁的漏水孔与土层连接。

4.如权利要求3所述的一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置，其特征为：所述的第二溢流水槽上端还设有水位波动装置，所述的水位波动装置与第二溢流水槽配合使用。

5.如权利要求4所述的一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置，其特征为：所述的漏水孔处设有金属滤网，第二溢流水槽处的漏水孔低于第一溢流水槽的漏水孔，以形成水头差，模拟地下水的流动。

6.如权利要求5所述的一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置，其特征为：所述的模拟箱体上方通过支架固定连接有横梁，所述的降雨模拟装置包括固定连接于横梁底部的若干喷头，所述的喷头通过第三进水管与供水水箱连接，所述的第三进水管上分别设有第三水泵及流量控制阀门。

7.如权利要求6所述的一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置，其特征为：所述的数据收集装置包括应力监测装置、位移监测装置和三维地形扫描仪，所述的模拟箱体的前壁所在土层表面成矩阵排布有若干应力测点，所述的应力监测装置包括设于应力测点处的应力监测探头，所述的应力监测探头通过数据线与计算机信号连接，所述的模拟箱体的前壁内表面所在土层表面的位置还成矩阵排布有若干位移测点，所述的位移监测装置包括摄影测量相机，所述的摄影测量相机与模拟箱体的前端相对，并用以拍摄位移测点处的位移信息，所述的摄影测量相机通过数据线与计算机信号连接，所述的三维地形扫描仪固定连接于横梁底部，并用以采集土层表面的塌陷形成过程的信息。

8.如权利要求7所述的一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置，其特征为：所述的水位波动装置包括拍水板、电动伸缩杆，所述的拍水板的顶部连接有手柄，所述的手柄顶端与横梁铰接，所述的电动伸缩杆的两端分别与手柄及横梁铰接，所述的拍水板延伸入第二溢流水槽内，通过拍水板的来回移动模拟水位拨动。

9.如权利要求8所述的一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置，其特征为：所述的摄影测量相机拍摄模拟箱体的正面图片，所述的图片导入计算机后经测量软件计算所有位移测点移动变形值。

10.如权利要求9所述的一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置的使用方法，其特征为，包括如下步骤：

(1)、实验前准备工作，将一种模拟岩溶地面塌陷形成与演化的实验装置准备就绪，保证实验装置的各部件完好可用；

(2)、打开数据收集装置中的各个设备，打开第一水泵和第二水泵开始供水，打开水位波动装置，调节地下水水位变化，盐腔内的NaCl晶体在水流的影响下逐渐溶解，形成空洞并变大，模拟溶洞的发展过程；

(3)、打开第三水泵，开始模拟降雨，调节流量控制阀门改变降雨强度，用来分析降雨对岩溶地面塌陷形成与演化的影响；

(4)、直至盐腔内NaCl晶体完全溶解，土层不再发生塌陷，应力数据和位移数据保持稳定，停止实验；

(5)、计算机利用数据收集装置获取的的应力、位移监测数据、三维地形扫描仪数据以及摄影录像记录，分析各数据变化规律，地形塌陷演化过程，揭示岩溶地面塌陷形成与演化过程。