CN204359770U - 深埋隧道突水灾害二维物理模拟试验系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种深埋隧道突水灾害二维物理模拟试验系统，包括刚性试验箱、水压伺服控制系统、竖向加载系统、压力传感器和渗透压力传感器，所述刚性试验箱为上部开口的立方体结构，其前侧面为高强度玻璃板，所述高强度玻璃板上设预留隧道口，在所述刚性试验箱内部铺设有岩石相似材料，并在预定位置埋设溶洞空腔，在所述溶洞空腔和隧道周边设置压应力传感器和渗透压力传感器，所述溶洞空腔通过高压水管与水压伺服控制系统连通，所述刚性试验箱上部开口位置通过竖向加载系统加载至设定荷载值。本实用新型构造简单、强度高、刚度大、封水性能良好，能够更直观的观察隧道突水过程中围岩破裂演化特征的二维模型试验系统及其试验方法。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域，尤其涉及一种用于模拟深埋隧道突水灾害和隧道围岩破坏失稳的试验系统。
背景技术
深埋隧道突水灾害灾变演化机理是国家重点基础研究发展计划(973)科技攻关中的热点和难点之一。目前，我国交通和水利工程领域隧道埋深显著增加，千米埋深不断涌现，锦屏二级水电站引水隧洞埋深甚至达到2525m，由此带来的施工期灾害日趋严重，其中，突水是隧道掘进过程中常见的重大地质灾害，给工程建设带来极大的安全隐患和经济损失。深埋隧道突水致灾机理物理模拟试验系统是揭示地下工程突水灾变演化与失稳机理的重要研究手段，从而有助于深部隧道施工中采取合理有效的防治措施以减少或避免突水灾害的发生。
《岩石力学与工程学报》2009年第7期和申请号为200810031466.2的发明专利介绍了一种水下开采顶板渗流突水试验装置，该装置能够体现构造应力和顶部水压力、覆盖层自重共同作用下，水下开采顶板渗流突水。但是该装置不能完全模拟实际开采过程，只能将将其概化为几个重要的开采步骤进行；该装置只能模拟致灾水源赋存与煤层顶板的情况，而实际工程中，致灾水源构造与隧(巷)道相对空间位置是任意的，这体现出该装置的局限性。
申请号为201110264763.3的发明专利介绍了一种用于模拟采动煤层底板突水的试验系统，该装置能够模拟深井高水压与底板岩性变化、底板突水全过程，从而获得底板突水的相关数据。但是该装置在模拟突水过程中只能模拟底板突水，同样不能改变突水水源位置。
作者为蔚立元，2010年山东大学博士毕业论文《水下隧道围岩稳定性研究及其覆盖层厚度确定》介绍了一种自重应力场流固耦合模型实验装置，该装置可改变上覆水体高度来模拟流固耦合作用下水底隧道突涌水。但是该装置水源压力的大小取决于上部敞口水池与隧道的相对高度，难于获得实际工程中高达兆帕级别的水源压力。
《岩石力学与工程学报》2013年第5期和申请号为201110412569.5的发明专利介绍了一种海底隧道流固耦合模型试验系统，该试验系统能模拟现场真实情况下渗流场及应力场、可直观观察施工过程中海底隧道围岩渗流特征及加载过程中围岩破裂和突水过程。但是该试验系统针对青岛胶州湾海底隧道进行设计，在隧道突水试验研究方面有其天然缺陷，如不能改变水源位置、不能改变水源储水量、不能实现深部高地应力和水压力等，难以实现对深埋岩溶隧道突水灾害的物理模拟。
由于人们认识和技术方面的限制，隧道突水室内模型试验研究近几年才逐渐展开，相关模型试验系统和研究鲜有报道，目前已研发的隧道突水模型试验系统主要存在以下几种不足：水压精确控制、水源位置可调、封水性能等。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种深埋隧道突水灾害二维物理模拟试验系统，构造简单、强度高、刚度大、封水性能良好、能够模拟不同埋深隧道应力场和渗流场、不同应力场下隧道突水征兆、突水过程围岩应力场和位移场的变化特征、能够直观的观察隧道突水过程中围岩破裂演化特征的二维模型试验系统及其试验方法。
技术方案：为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：
深埋隧道突水灾害二维物理模拟试验系统，包括刚性试验箱、水压伺服控制系统、竖向加载系统、压力传感器和渗透压力传感器，所述刚性试验箱为上部开口的立方体结构，其前侧面为高强度玻璃板，所述高强度玻璃板上设预留隧道口，在所述刚性试验箱内部铺设有岩石相似材料，并在预定位置埋设溶洞空腔，在所述溶洞空腔和隧道周边设置压应力传感器和渗透压力传感器，所述溶洞空腔通过高压水管与水压伺服控制系统连通，所述刚性试验箱上部开口位置通过竖向加载系统加载至设定荷载值。其中，所述溶洞空腔的大小和位置可以改变。
进一步的，通过所述玻璃板预留隧道口开挖隧道，在隧道上安装位移传感器，并在隧道围岩防突岩体的高强度玻璃板相应位置安装超声波探头。
进一步的，还包括数字照相系统和数据采集系统，所述数字照相系统设置在刚性试验箱外，所述压应力传感器、渗透压力传感器、位移传感器和超声波探头的信号输出端与数据采集系统的信号输入端连接。
进一步的，所述竖向加载系统包括上部垫板、液压油缸和液压泵站，所述上部垫板下方固定设置若干液压油缸，所述液压油缸与液压泵站连接。
进一步的，所述刚性试验箱包括刚性试验架和钢板，所述钢板分别设置在刚性试验架的底面、左侧面、右侧面和后面，所述高强度玻璃板设置在刚性试验架的前面，在所述高强度玻璃板上侧和下侧分别设置前肋板，所述前肋板与刚性试验架固定。
有益效果：本实用新型与现有技术相比，在玻璃板与整体框架结合处采用嵌入式橡胶条封水方法，封水效果良好；采用溶洞空腔模拟含水溶洞，可以调节空腔大小和位置来模拟不同工程实际情况；通过水压伺服控制系统来施加水压力，可以更精准的调节水压力；竖向加载系统可以模拟不同埋深条件下隧道围岩初始应力场；通过数字照相系统实时图像采集，隧道围岩的位移场变化监测结果更加准确。
附图说明
图1为刚性试验架的结构示意图。
图2嵌入式封水橡胶条。
图3为高强钢化玻璃结构示意图。
图4为刚性试验箱上部垫板的俯视图。
图5为刚性试验箱前肋板的主视图。
图6为竖向加载系统结构示意图。
图7为水压伺服控制系统结构示意图。
图8为深埋隧道突水致灾机理二维模型试验系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。
如附图8所示，深埋隧道突水灾害二维物理模拟试验系统，包括刚性试验箱、水压伺服控制系统8、竖向加载系统、压力传感器13和渗透压力传感器131。所述刚性试验箱为上部开口的立方体结构，所述刚性试验箱包括附图1中的刚性试验架和钢板，所述钢板分别设置在刚性试验架的底面、左侧面、右侧面和后面，附图2中的高强度玻璃板设置在刚性试验架的前侧面并与刚性试验架通过螺栓固定，高强度玻璃板与刚性试验架之间接缝处设置嵌入式橡胶条，可以防止漏水。在所述高强度玻璃板上侧和下侧分别设置前肋板(如附图5所示)，所述前肋板与刚性试验架固定，所述高强钢化玻璃与肋板配合使用，增加刚性试验箱前面板的刚度。
所述高强度玻璃板上设预留隧道口3，在所述刚性试验箱内部铺设有岩石相似材料，并在岩石相似材料内部预定位置埋设溶洞空腔9，所述溶洞空腔9的大小和位置可以改变，可通过调整溶洞空腔9的位置和大小模拟突水灾害源的赋存位置和静储量。在所述溶洞空腔9周边需要检测围岩应力和渗透压的位置设置压应力传感器13和渗透压力传感器131，在所述溶洞空腔9中装满食用盐，当向溶洞空腔9内注水，食用盐溶解即可形成溶洞。所述溶洞空腔9通过高压水管与附图7中的水压伺服控制系统8连通，所述水压伺服控制系统8最大工作压力6MPa。所述刚性试验箱上部开口位置通过附图6中的竖向加载系统加载，所述竖向加载系统包括附图4中的上部垫板、液压油缸6和液压泵站7，所述上部垫板下方固定设置若干液压油缸6，所述上部垫板通过高强螺栓固定设置在刚性试验箱上部，所述液压油缸6与液压泵站7连接，打开回油阀和液压泵站7，通过液压油缸6和上部垫板的配合可对岩石相似材料加载。在所述上部垫板上设置预留缺口5，所述压应力传感器13和渗透压力传感器131的相关接线从预留缺口5中接入，在上部垫板上还设置垫板把手4，方便操作。
通过所述玻璃板预留隧道口3开挖隧道，隧道开挖完成后，在隧道上安装位移传感器14，并在对应隧道围岩防突岩体的高强度玻璃板相应位置安装超声波探头15。还包括数字照相系统11和数据采集系统12，所述数字照相系统11设置在刚性试验箱外。所述压应力传感器13、渗透压力传感器131、位移传感器14和超声波探头15的信号输出端与数据采集系统12的信号输入端连接。通过压应力传感器13、渗透压力传感器131、位移传感器14和超声波探头15监测隧道围岩应力场、渗透压力的变化、位移场和防突岩体渐进破坏导致的声发射信息。
深埋隧道突水灾害二维物理模拟试验系统的试验方法，包括以下试验步骤：
1)组装刚性试验架和钢板成刚性试验箱，将高强度玻璃板和前肋板固定在刚性试验架上；
2)将岩石相似材料铺设在刚性试验箱内，并在岩石相似材料内部预定位置埋设溶洞空腔9，通过高压水管连通溶洞空腔9和水压伺服控制系统8，在溶洞空腔9和隧道周边需监测位置设置压应力传感器13和渗透压力传感器131；在试验箱外安装数字照相系统11和数据采集系统12，所述压应力传感器13和渗透压力传感器131的数据传输线与数据采集系统12连接；
3)岩石相似材料铺设完成后，在其上安装竖向加载系统，开启液压泵站7，通过液压油缸6对岩石相似材料施加竖向载荷至设定值，竖向荷载达到设计值后，关闭液压泵站7；
4)向溶洞空腔9内注水，待溶洞空腔9满水后，将溶洞空腔9内的空气驱出，并使其内的食用盐溶解，再通过水压伺服控制系统8对溶洞空腔加压至设定水压值；
5)通过玻璃板预留隧道口3在岩石相似材料上进行隧道开挖，隧道挖掘完成后，在隧道上安装位移传感器14，并在隧道围岩防突岩体的高强度玻璃板相应位置安装超声波探头15，所述位移传感器14和超声波探头15的数据传输线与数据采集系统12连接；
6)隧道开挖过程和突水过程中，数据采集系统12和数字照相系统11不间断的采集数据和图像，监测隧道围岩应力场、位移场、渗透压力的变化和防突岩体渐进破坏导致的声发射信息。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.深埋隧道突水灾害二维物理模拟试验系统，其特征在于：包括刚性试验箱、水压伺服控制系统(8)、竖向加载系统、压力传感器(13)和渗透压力传感器(131)，所述刚性试验箱为上部开口的立方体结构，其前侧面为强度玻璃板，所述强度玻璃板上设预留隧道口(3)，在所述刚性试验箱内部铺设有模拟岩石材料，并在预定位置埋设溶洞空腔(9)，在所述溶洞空腔(9)周边设置压应力传感器(13)和渗透压力传感器(131)，所述溶洞空腔(9)通过高压水管与水压伺服控制系统(8)连通，所述刚性试验箱上部开口位置通过竖向加载系统加载至设定荷载值。
2.根据权利要求1所述深埋隧道突水灾害二维物理模拟试验系统，其特征在于：通过所述玻璃板预留隧道口(3)开挖隧道，在隧道围岩表面安装位移传感器(14)，并在隧道围岩防突岩体的强度玻璃板相应位置安装超声波探头(15)。
3.根据权利要求2所述深埋隧道突水灾害二维物理模拟试验系统，其特征在于：还包括数字照相系统(11)和数据采集系统(12)，所述数字照相系统(11)设置在刚性试验箱外，所述压应力传感器(13)、渗透压力传感器(131)、位移传感器(14)和超声波探头(15)的信号输出端与数据采集系统(12)的信号输入端连接。
4.根据权利要求1所述深埋隧道突水灾害二维物理模拟试验系统，其特征在于：所述竖向加载系统包括上部垫板、液压油缸(6)和液压泵站(7)，所述上部垫板下方固定设置若干液压油缸(6)，所述液压油缸(6)与液压泵站(7)连接。
5.根据权利要求1所述深埋隧道突水灾害二维物理模拟试验系统，其特征在于：所述刚性试验箱包括刚性试验架和钢板，所述钢板分别设置在刚性试验架的底面、左侧面、右侧面和后面，所述强度玻璃板设置在刚性试验架的前面并与刚性试验架通过螺栓连接，在所述强度玻璃板上侧和下侧分别设置前肋板，所述前肋板与刚性试验架固定。
6.根据权利要求1所述深埋隧道突水灾害二维物理模拟试验系统，其特征在于：所述溶洞空腔(9)的大小和位置可以改变。
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