CN205808669U - 模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，装置包括模型试验箱、断层致灾构造系统、地下水渗流模拟系统、水力加载系统、顶部荷载控制系统、数据采集监测系统、突水混合物回收系统和视图录制系统；数据采集监测系统预埋设置在断层致灾构造系统内部，断层致灾构造系统设置在模型试验箱内部，顶部荷载控制系统与模型试验箱顶部加载设置，地下水渗流模拟系统与模型试验箱内部连通，水力加载系统与地下水渗流模拟系统连接，突水混合物回收系统与模型试验箱排水出口连接，视图录制系统录制整个突水致灾试验过程。本实用新型装置可以模拟不同断层破碎带、不同水力条件以及不同隧道埋深等多因素控制下的隧道断层突水。

Description

模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置

技术领域

本实用新型属于隧道工程地质灾害模型试验领域，具体涉及一种适用于模拟不同断层致灾构造、不同水力条件、不同埋深情况下的隧道断层突水的多功能试验装置。

背景技术

近几十年来，我国交通运输等重大基础设施蓬勃发展。到2020年，我国高速公路和铁路均将超过12万公里，铁路隧道将达到1万公里。一大批高风险深长隧道即将修建，这些隧道具有“埋深大、洞线长、高应力、高水压和地质构造复杂”的显著特点。突水是深长隧道建设过程中经常遇到的重大地质灾害，据不完全统计，约占各类灾害的40％。

隧道突水可以分为2大类：一是完整岩体裂隙演化导致的突水，即水力劈裂型。另一种是地质缺陷型突水，断层破碎带是这类突水模式的典型致灾构造。断层带岩体往往具有破碎、散体结构，且多数富水性良好。在富水断层破碎带地区修建隧道，施工时极易发生突水、突泥，对隧道建设安全影响极大，轻则造成工期延误、机具损坏，重则危及施工人员的生命和财产安全。

隧道断层突水是多物理场耦合作用下的结果，其影响因素众多、发生机理复杂。因此，研究隧道在多因素条件下的渗流突水过程具有重要意义，也有助于揭示复杂条件下的隧道突水灾变演化机理。目前，对于隧道断层突水的研究主要还是以数值模拟为主，由于缺乏相应的试验装置，模型试验研究相对滞后。要实现断层突水的试验模拟，急需研发能综合实现断层参数精确设定、复杂水力条件和工程地质条件模拟的试验装置。

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模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，可以模拟不同断层破碎带、不同水力条件以及不同隧道埋深等多因素控制下的隧道断层突水，结构简单，试验结果精确。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，包括模型试验箱、断层致灾构造系统、地下水渗流模拟系统、水力加载系统、顶部荷载控制系统、数据采集监测系统、突水混合物回收系统和视图录制系统；所述数据采集监测系统预埋设置在断层致灾构造系统内部，所述断层致灾构造系统设置在模型试验箱内部，所述顶部荷载控制系统与模型试验箱顶部加载设置，所述地下水渗流模拟系统与模型试验箱内部连通，所述水力加载系统与地下水渗流模拟系统连接，所述突水混合物回收系统与模型试验箱的允许排水出口连接，所述视图录制系统架设在模型试验箱前，录制整个突水致灾试验过程。

进一步的，所述模型试验箱包括模型箱槽、钢化玻璃板、螺栓和密封条，所述模型箱槽为立方体结构，所述钢化玻璃板面上预制隧道截面，通过密封条和螺栓与模型箱槽密封连接。

进一步的，所述断层致灾构造系统包括滑动式断层带支架、滑动板、断层破碎带相似材料和断层周围岩土相似材料，所述滑动式断层带支架的两侧分别滑动设置有一个滑动板，两个滑动板将模型试验箱内部分隔为三个部分，其中中间部分填充断层破碎带相似材料，两边部分均填充断层周围岩土相似材料。

进一步的，所述滑动式断层带支架包括带刻度滑轨角钢、带刻度滑轨钢板、带滑轨角钢、下部特制角钢、上部特制角钢和带螺母孔角度仪；两个所述带刻度滑轨角钢相互平行设置在底部平面，并与两个相互平行设置的下部特制角钢垂直连接在同一底部平面内，构成断层带支架下底面；四个所述带滑轨角钢的底端分别与两根带刻度滑轨角钢通过带螺母孔角度仪在竖直方向上可旋转调节角度连接，两个所述带滑轨角钢的底端分别可沿所述带刻度滑轨角钢上的滑轨水平方向移动，两块所述滑动板分别与两个带滑轨角钢上下滑动设置；四个所述带滑轨角钢的顶端分别与所述带刻度滑轨角钢平行设置的两个带刻度滑轨钢板连接，所述带滑轨角钢的顶端可沿所述带刻度滑轨钢板上的滑轨水平方向移动，且两根所述带刻度滑轨钢板的两端分别与相互平行的上部特制角钢垂直连接，构成断层带支架上底面；两个所述滑动板之间的距离，两个滑动板的倾角，以及带刻度滑轨角钢与带刻度滑轨钢板之间的相对高度均可精确调节。

进一步的，所述地下水渗流模拟系统包括渗流水管、控制阀和透水板，所述模型试验箱底部敷设有透水板，所述渗流水管通过控制阀分别与透水板以及模型试验箱的侧面连接。

进一步的，所述水力加载系统包括带刻度水箱、高压水泵和连接水管，所述带刻度水箱内通过红墨水控制系统泵入一定量的红墨水并搅匀，所述带刻度水箱与高压水泵连接，所述高压水泵与连接水管连接，所述连接水管连接有压力表和流量计，分别与各渗流水管连接。

进一步的，所述顶部荷载控制系统包括均布梁、油压千斤顶、自动控制柜和反力架，通过自动控制柜、油压千斤顶和反力架对设置在模型箱槽顶部的均布梁加载。

进一步的，所述数据采集监测系统包括应力计、位移计和孔隙水压力计，所述应力计、位移计和孔隙水压力计预埋在断层致灾构造系统的断层破碎带相似材料和和断层周围岩土相似材料中；所述视图录制系统包括摄像机；所述应力计、位移计、孔隙水压力计以及摄像机的信号输出端分别与计算机的信号输入端传输连接。

进一步的，所述突水混合物回收系统包括废液桶、振动筛滤网、烘箱以及电子秤，所述废液桶为旋转式倒锥形桶体结构，所述废液桶内部由上至下设置有三层振动筛滤网，上层振动筛滤网的滤网孔径大于下层振动筛滤网的孔径，对突水混合物依次进行收集、分离、过滤，再分别通过烘箱以及电子秤烘干和称重，进行突水突泥量的对比分析。

有益效果：本实用新型模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，采用如上技术方案，可以进行不同断层破碎带、不同水力条件以及不同隧道埋深等多因素控制下的隧道断层突水的试验模拟。具体体现为：1)通过调节滑动式断层带支架，可以精确设定断层参数及其所在位置；2)通过接入渗流水管位置以及接入方式的不同可实现不同水力条件下的渗流模拟3)通过控制顶部油压千斤顶的加载值，可模拟不同埋深条件，进而可以模拟分析多因素控制影响下的隧道断层突水行为。

附图说明

图1为本实用新型的试验装置结构示意图；

图2为断层致灾构造系统的结构示意图；

图3为断层致灾构造系统的底座结构示意图；

图4为断层致灾构造系统的顶部结构示意图；

图5为带螺母孔角度仪的结构示意图；

图6为本实用新型的试验装置的传感器详细布置示意图；

图7为本实用新型的试验装置三维构造示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图1和7，一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，包括模型试验箱、断层致灾构造系统、地下水渗流模拟系统、水力加载系统、顶部荷载控制系统、数据采集监测系统、突水混合物回收系统和视图录制系统；所述数据采集监测系统预埋设置在断层致灾构造系统内部，所述断层致灾构造系统设置在模型试验箱内部，所述顶部荷载控制系统与模型试验箱顶部加载设置，所述地下水渗流模拟系统与模型试验箱内部连通，所述水力加载系统与地下水渗流模拟系统连接，所述突水混合物回收系统与模型试验箱的允许排水出口或隧道截面口连接，所述视图录制系统架设在模型试验箱前，录制整个突水致灾试验过程。

上述涉及的各具体组成系统如下分别阐述：

所述模型试验箱包括模型箱槽1、钢化玻璃板2、螺栓3和密封条5，所述模型箱槽1为立方体结构，所述钢化玻璃板2面上预制隧道截面，通过密封条5和螺栓3与模型箱槽1密封连接。

如附图2所示，所述断层致灾构造系统包括滑动式断层带支架7、滑动板8、断层破碎带相似材料25和断层周围岩土相似材料24，所述滑动式断层带支架7的两侧分别滑动设置有一个滑动板8，两个滑动板8将模型试验箱内部分隔为三个部分，其中中间部分填充断层破碎带相似材料26，两边部分均填充断层周围岩土相似材料25。所述断层破碎带相似材料由滑石粉、石子配制而成，其中H:Z＝9:1；断层周围岩土相似材料以黄砂、滑石粉和水泥为主料，液压油和水为调节剂配制而成，其中，S:H:N＝10:1:0.6。

如附图2、3、4和5，所述滑动式断层带支架7包括带刻度滑轨角钢71、带刻度滑轨钢板72、带滑轨角钢73、下部特制角钢74、上部特制角钢75和带螺母孔角度仪76；两个所述带刻度滑轨角钢71相互平行设置在底部平面，并与两个相互平行设置的下部特制角钢74垂直连接在同一底部平面内，构成断层带支架下底面；四个所述带滑轨角钢73的底端分别与两根带刻度滑轨角钢71通过带螺母孔角度仪76在竖直方向上可旋转调节角度连接，两个所述带滑轨角钢73的底端分别可沿所述带刻度滑轨角钢71上的滑轨水平方向移动，两块所述滑动板8分别与两个带滑轨角钢73上下滑动设置；四个所述带滑轨角钢73的顶端分别与所述带刻度滑轨角钢71平行设置的两个带刻度滑轨钢板72连接，所述带滑轨角钢73的顶端可沿所述带刻度滑轨钢板72上的滑轨水平方向移动，且两根所述带刻度滑轨钢板72的两端分别与相互平行的上部特制角钢75垂直连接，构成断层带支架上底面。

两个所述滑动板8之间的距离，两个滑动板8的倾角，以及带刻度滑轨角钢71与带刻度滑轨钢板72之间的相对高度均可调节，进而使断层倾角、宽度、高度以及位置等物理参数的精确可控。调节滑动式断层带支架7的倾角时，松动带螺母孔角度仪76精确调节带滑轨角钢73间的夹角至任意预定角度后拧紧带螺母孔角度仪76，实现预制断层倾角的精确调节设定。调节滑动式断层带支架的宽度时，松动连接带滑轨角钢73的螺栓，通过带刻度滑轨钢板72的滑轨以及刻度线精确调节断层带的宽度至任意预定值后拧紧螺栓，实现预制断层宽度的精确调节设定。调节滑动式断层带支架的高度时，松动连接带滑轨角钢73的螺栓，通过带滑轨角钢73上的滑轨上下调节带刻度滑轨钢板72至任意预定值后拧紧螺栓。

如附图1，所述地下水渗流模拟系统包括渗流水管10、控制阀11和透水板12，所述模型试验箱底部敷设有透水板12，所述渗流水管10通过控制阀11分别与透水板12以及模型试验箱的侧面连接。具体的，渗流水管10包括9个，其中三个与透水板12连接，实现承压水层的模拟；另外六个分为两组分别与模型试验箱的左侧面和右侧面连接，实现不同的水力边界条件试验。

所述水力加载系统包括带刻度水箱13、高压水泵14和连接水管18，所述带刻度水箱13内通过红墨水控制系统16泵入一定量的红墨水并搅匀，所述带刻度水箱13与高压水泵14连接，所述高压水泵14与连接水管18连接，所述连接水管18连接有压力表15和流量计17，分别与各渗流水管10连接。试验过程中，通过颜色的浓度可以直观观测水流路径和突水情况。红墨水控制系统16可以具体实时控制红墨水的输入量，即红墨水占水量的百分比。具体的：由吸水泵164通过红墨水管162将红墨水槽161中的红墨水泵送至带刻度水箱13内，红墨水管162外侧为连接扇叶169与扇叶轴电动机165的扇叶轴168，在扇叶轴电动机165的作用下，扇叶169转动将送入带刻度水箱13内的红墨水搅匀，进而通入后续试验装置内，扇叶轴168外侧为连接承载盖166的保护套167，承载盖166上均匀分布透气孔160，避免水箱内形成密闭负压空间，影响高压水泵14的作用，承载盖166上放置红墨水槽161、吸水泵164以及扇叶轴电动机165。

所述顶部荷载控制系统包括均布梁20、油压千斤顶21、自动控制柜22和反力架23，通过自动控制柜22、油压千斤顶21和反力架23对设置在模型箱槽顶部的均布梁20加载。通过加载值的大小模拟不同的埋深条件。自动控制柜通过线路连接油压千斤顶21，通过对自动控制柜22加载值和加载时间等加载控制参数的设定，能实现自动加卸载。

所述数据采集监测系统包括应力计、位移计和孔隙水压力计等传感器24，所述应力计241、位移计242和孔隙水压力计243等传感器24预埋在断层致灾构造系统的断层破碎带相似材料26和断层周围岩土相似材料25中；所述视图录制系统包括摄像机29；所述应力计241、位移计242、孔隙水压力计243等传感器24以及摄像机29的信号输出端分别与计算机的信号输入端传输连接。

所述突水混合物回收系统包括废液桶27、振动筛滤网28、烘箱以及电子秤，对突水混合物依次进行收集、分离、过滤、烘干和称重，进行突水突泥量的对比分析。

一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验方法：

1)试验前，先在钢化玻璃板2面上预制隧道截面，并通过密封条5及螺栓3与模型箱槽1连接、密封，防止钢化玻璃板2边缘渗漏水；

2)调节滑动式断层带支架7，根据试验需要精确设置断层宽度、倾角、高度参数，调节好相应参数后，将滑动式断层带支架7置入模型试验箱中预设位置；

3)根据相似原理配置断层破碎带相似材料26和断层周围岩土相似材料25；具体为：在滑动式断层带支架7两侧面各滑动设置一个滑动板8，此时模型试验箱内侧被分割成三个区域；分层向三个区域填埋断层破碎带相似材料26和断层周围岩土相似材料25至低于隧道截面一定高度时，取出滑动板8，分层分别埋设应力计241、位移计242，埋设完成后，放入滑动板，继续向三个区域填埋断层破碎带相似材料26和断层周围岩土相似材料25至隧道截面时，再次取出滑动板8，在隧道截面轮廓线处的隧道底谷、两底角、两帮以及拱顶处分别埋设应力计241、位移计242和孔隙水压力计243，布设的应力计241、位移计242和孔隙水压力计243的位置按与钢化玻璃板2的距离由近及远布置；后继续放入滑动板8，重复操作，直至填满模型试验箱；

具体的：在距离隧道拱顶和底谷分别为a、2a、2.5a时，分层埋设应力计241,应力计241埋于装置的各层中轴线处，各层应力计241间的水平间距分别为a、2a、2.5a；在距离隧道拱顶和底谷分别为0.5a、a、2a、2.5a时，分层埋设位移计242,位移计242埋于装置的各层中轴线处，各层位移计242间的水平间距分别为2/3a、a、2a、2.5a；在隧道截面左右两侧布设应力计241和位移计242，该层布设的应力计241和位移计242的位置按与钢化玻璃板2的距离由近及远布置；孔隙水压力计243的布设沿隧道轮廓线呈放射状分层间隔布设，取隧道截面两底角距离的一半为b,以0.5b的增量沿隧道截面轮廓线向外延展；在隧道截面轮廓线处的隧道底谷、两底角、两帮以及拱顶处分别埋设应力计241、位移计242和孔隙水压力计243，布设的应力计241、位移计242和孔隙水压力计243的位置按与钢化玻璃板2的距离由近及远布置；应力计、位移计分层非等间距布设符合实际工况的受力特点，离隧道截面较近时，受力变化复杂，传感器密集布设，有利于详细提取实际工况的受力变化参数，而距离隧道截面较远时，传感器稀疏布设，可以整体了解装置范围内的受力变化情况，更好的提取试验过程中装置全局范围内的力学参数，有利于后续的详细分析。孔隙水压力呈放射状布设有利于提取沿隧道轮廓线放射状分布下的孔隙水压力参数，对于后续研究孔隙水压力与隧道轮廓线间存在的某种关系具有重要作用；

4)在带刻度水箱13内通过红墨水控制系统16泵入一定量的红墨水并搅匀，根据试验方案，将连接水管18与各渗流水管10连接，根据试验需要，通过控制各渗流水管10的控制阀11来确定相应的水力边界条件；若当模拟的水源性质为承压水层时，在填埋断层破碎带相似材料26和断层周围岩土相似材料25前，将模型试验箱底部的透水板12与对应的渗流水管10连接；

5)根据试验方案设定自动控制柜22的加载参数值，通过油压千斤顶21、反力架23对均布梁20加载，模拟隧道埋深条件；

6)调节设定好摄像机29记录渗流突水过程，开启高压水泵14，按照试验方案通入高压水开始试验，在钢化玻璃板2的隧道截面口以及允许排水处放置废液桶27回收隧道突水突泥混合物；

7)对收集到的突水突泥混合物依次进行分离、过滤、烘干、称重，以便进行后续不同影响因素下的突水突泥量的对比分析；

8)实时监测应力计241、位移计242、孔隙水压力计243数据，为后续的理论研究分析奠定基础。

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 (9)

1.一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，其特征在于：包括模型试验箱、断层致灾构造系统、地下水渗流模拟系统、水力加载系统、顶部荷载控制系统、数据采集监测系统、突水混合物回收系统和视图录制系统；所述数据采集监测系统预埋设置在断层致灾构造系统内部，所述断层致灾构造系统设置在模型试验箱内部，所述顶部荷载控制系统与模型试验箱顶部加载设置，所述地下水渗流模拟系统与模型试验箱内部连通，所述水力加载系统与地下水渗流模拟系统连接，所述突水混合物回收系统与模型试验箱的允许排水出口连接，所述视图录制系统架设在模型试验箱前，录制整个突水致灾试验过程。

2.根据权利要求1所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，其特征在于：所述模型试验箱包括模型箱槽(1)、钢化玻璃板(2)、螺栓(3)和密封条(5)，所述模型箱槽(1)为立方体结构，所述钢化玻璃板(2)面上预制隧道截面，通过密封条(5)和螺栓(3)与模型箱槽(1)密封连接。

3.根据权利要求1所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，其特征在于：所述断层致灾构造系统包括滑动式断层带支架(7)、滑动板(8)、断层破碎带相似材料(26)和断层周围岩土相似材料(25)，所述滑动式断层带支架(7)的两侧分别滑动设置有一个滑动板(8)，两个滑动板(8)将模型试验箱内部分隔为三个部分，其中中间部分填充断层破碎带相似材料(26)，两边部分均填充断层周围岩土相似材料(25)。

4.根据权利要求3所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，其特征在于：所述滑动式断层带支架(7)包括带刻度滑轨角钢(71)、带刻度滑轨钢板(72)、带滑轨角钢(73)、下部特制角钢(74)、上部特制角钢(75)和带螺母孔角度仪(76)；两个所述带刻度滑轨角钢(71)相互平行设置在底部平面，并与两个相互平行设置的下部特制角钢(74)垂直连接在同一底部平面内，构成断层带支架下底面；四个所述带滑轨角钢(73)的底端分别与两根带刻度滑轨角钢(71)通过带螺母孔角度仪(76)在竖直方向上可旋转调节角度连接，两个所述带滑轨角钢(73)的底端分别可沿所述带刻度滑轨角钢(71)上的滑轨水平方向移动，两块所述滑动板(8)分别与两个带滑轨角钢(73)上下滑动设置；四个所述带滑轨角钢(73)的顶端分别与所述带刻度滑轨角钢(71)平行设置的两个带刻度滑轨钢板(72)连接，所述带滑轨角钢(73)的顶端可沿所述带刻度滑轨钢板(72)上的滑轨水平方向移动，且两根所述带刻度滑轨钢板(72)的两端分别与相互平行的上部特制角钢(75)垂直连接，构成断层带支架上底面；两个所述滑动板(8)之间的距离，两个滑动板(8)的倾角，以及带刻度滑轨角钢(71)与带刻度滑轨钢板(72)之间的相对高度均可精确调节。

5.根据权利要求1所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，其特征在于：所述地下水渗流模拟系统包括渗流水管(10)、控制阀(11)和透水板(12)，所述模型试验箱底部敷设有透水板(12)，所述渗流水管(10)通过控制阀(11)分别与透水板(12)以及模型试验箱的侧面连接。

6.根据权利要求1或5所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，其特征在于：所述水力加载系统包括带刻度水箱(13)、高压水泵(14)和连接水管(18)，所述带刻度水箱(13)通过红墨水控制系统(16)泵入红墨水并搅匀，所述带刻度水箱(13)与高压水泵(14)连接，所述高压水泵(14)与连接水管(18)连接，所述连接水管(18)连接有压力表(15)和流量计(17)，分别与各渗流水管(10)连接。

7.根据权利要求1所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，其特征在于：所述顶部荷载控制系统包括均布梁(20)、油压千斤顶(21)、自动控制柜(22)和反力架(23)，通过自动控制柜(22)、油压千斤顶(21)和反力架(23)对设置在模型箱槽(1)顶部的均布梁(20)加载。

8.根据权利要求1或3所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，其特征在于：所述数据采集监测系统包括应力计(241)、位移计(242)和孔隙水压力计(243)，所述应力计(241)、位移计(242)和孔隙水压力计(243)预埋在断层致灾构造系统的断层破碎带相似材料(26)和断层周围岩土相似材料(25)中；所述视图录制系统包括摄像机(29)；所述应力计(241)、位移计(242)、孔隙水压力计(243)以及摄像机(29)的信号输出端分别与计算机的信号输入端传输连接。

9.根据权利要求1所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，其特征在于：所述突水混合物回收系统包括废液桶(27)、振动筛滤网(28)、烘箱以及电子秤，所述废液桶(27)为旋转式倒锥形桶体结构，所述废液桶(27)内部由上至下设置有三层振动筛滤网(28)，上层振动筛滤网(28)的滤网孔径大于下层振动筛滤网(28)的孔径，对突水混合物依次进行收集、分离、过滤，再分别通过烘箱以及电子秤烘干和称重，进行突水突泥量的对比分析。