CN211234996U - 一种模拟高压渗水隧道结晶堵塞的试验装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟高压渗水隧道结晶堵塞的试验装置,在模型箱内设置有隧道模型及排水系统，排水系统通过中心排水管与沉淀箱相连通，模型箱上部设置有盖板，盖板上设置有若干球形控水阀，模型箱顶部设置有水箱，水箱顶部设置有顶板、内中部设置有隔水顶推板，顶板上安装有液压油缸，液压油缸的活塞杆与隔水顶推板相连接，顶板与隔水顶推板之间安装有缓冲弹簧，水箱下部设置有进水管道，进水管道上依次安装有两个水压计、水压自控吸阀、控制阀、上水泵，本装置能真实模拟高压富水隧道渗水过程、隧道排水系统结晶堵塞过程、结晶沉淀收集及预测隧道排水系统发生堵塞的情况。

Description

一种模拟高压渗水隧道结晶堵塞的试验装置

技术领域

本实用新型属于隧道工程病害处置技术领域，具体涉及到一种关于模拟高压渗水隧道排水系统结晶堵塞和沉淀收集的试验装置。

背景技术

近年来，我国隧道建设发展迅速，在隧道防排水技术上取得了长足的进步，但绝大部分隧道仍有不同程度的渗漏，特别是高压富水区隧道，渗漏情况相当严重，溶出结晶物极易堵塞排水系统，造成衬砌外水压力集中，加剧对排水系统、衬砌结构的破坏，严重影响隧道的运营安全，因此，针对高压渗水隧道排水系统结晶堵塞的预防和处置办法已成为亟待解决的科学与工程问题。

关于隧道排水系统结晶堵塞方面，周卓通过室内水循环模拟试验计算了排水管内沉淀结晶物的结晶速率，得出排水管坡度及流量流速对隧道排水管堵塞过程的影响较为显著。翟明通过室内试验，得出CO2浓度、温度、压力、水溶液中的pH值以及地下水中的钙镁离子是影响排水系统堵塞的主要原因。同时，也有人从碳酸钙结晶动力学角度对结晶过程进行研究，如Donaldson等研究了磁场对海水结晶的影响。近年来，隧道渗水结晶排水系统堵塞的研究主要聚焦于对于结晶沉淀的处置，李正士结合工程实际对纵、环向盲管泄水孔的设计进行了优化改进，张学富等结合电磁场理论，提出一种能够改善渗流水结晶引起的隧道排水管堵塞的装置。然而，上述研究均未涉及到高压渗水隧道结晶物堵塞排水系统方面研究，到目前为止，也没有一套完善的实验装置来模拟隧道高压渗水情况和排水系统运行，对于其结晶堵塞的机理也没有取得突破性进展，只有真实模拟出高压渗水隧道的结晶情况，才能彻底探究清楚结晶堵塞的机理，从而有针对性的预防和处治此类病害。所以开展高压渗水隧道结晶堵塞的试验技术研究对彻底解决此类病害具有重要的科学意义和工程价值。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足,提供一种设计合理、结构紧凑、便于操作、能真实模拟高压富水隧道渗水过程、隧道排水系统结晶堵塞过程、结晶沉淀收集及预测隧道排水系统发生堵塞的试验装置。

解决上述技术问题采用的技术方案是：在模型箱内设置有隧道模型，隧道模型内侧面设置有弧形底板，隧道模型内表面与弧形底板外表面之间设置有环向排水盲管，弧形底板内侧面设置有环向排水盲管，环向排水盲管通过纵向排水盲管与横向排水管相连通，横向排水通过中心排水管与沉淀箱相连通，模型箱上部设置有盖板，盖板上设置有若干球形控水阀，模型箱顶部设置有水箱，水箱顶部设置有顶板、内中部设置有隔水顶推板，顶板上安装有液压油缸，液压油缸的活塞杆与隔水顶推板相连接，顶板与隔水顶推板之间安装有缓冲弹簧，水箱下部设置有进水管道，进水管道上依次安装有两个水压计、水压自控吸阀、控制阀、上水泵。

本实用新型的水压自控吸阀为：左壳体与右壳体相连接，左壳体内部设置有隔水挡板，隔水挡板的右端设置有过水板、左端设置有挡水块，过水板上加工有过水孔，挡水块上设置有压杆，压杆穿过设置在隔水挡板上的压杆定位环，挡水块与过水板之间设置有限位弹簧。

本实用新型的隔水挡板上加工有凹槽，挡水块上安装有与凹槽相对应的磁吸定位条。

本实用新型的沉淀箱为：沉淀箱本体内左端设置有一级沉淀池、右端设置有二级沉淀池，一级沉淀池下端设置有一级控制阀，二级沉淀池下端设置有二级控制阀，沉淀箱本体的右上部设置有排水管。

本实用新型的沉淀箱本体内部二级沉淀池中部设置有沉淀隔板，一级沉淀池和二级沉淀池上均设置有刻度。

本实用新型的隔水顶推板上设置有顶推梁，顶推梁为梯形结构，液压油缸的活塞杆与顶推梁相连接，顶推梁上设置有压力传感器，隔水顶推板上设置有位移传感器，压力传感器和位移传感器通过导线与电脑电连接。

本实用新型的隔水顶推板与水箱内壁之间设置有隔水膨胀块。

本实用新型的模型箱上部设置有盖板，盖板上设置有球形控水阀，盖板下部设置有过滤网。

本实用新型的模型箱上关于隧道模型对称设置有定位螺旋装置；

本实用新型所述的定位螺旋装置为：固定块固定在模型箱外侧壁上，固定块中心位置加工有螺纹孔，螺旋杆安装于螺纹孔内，推杆一端穿过模型箱侧壁伸入螺纹孔内、另一端与定位板相连接。

本实用新型相比于现有技术具有以下优点：

1、本实用新型采用液压油缸可以实现对隧道模型进行恒定水压加载，并且可以实时控制加载水压的大小，可以很好的模拟高压富水区隧道围岩水压力的情况。

2、本实用新型采用的水压自控吸阀和水压计组合装置可以实现全自动加水，连续循环加压，保证实验的长期进行。

3、本实用新型采用的加压渗水系统和拱形隧道模型可以真实模拟围岩水从各个方向渗透过初支的情况，能够更具象地获取围岩水进入排水系统的情况，通过装置的长期循环，可以预测隧道排水系统的堵塞规律和初支结构的破坏特征。

4、本实用新型采用的环纵横隧道排水系统真实模拟了隧道排水系统的情况，通过该实验装置和实验方法可以很好的判断易发生堵塞的薄弱环节和其堵塞规律，从而给富水高压区隧道排水系统的优化设计提供参考依据。

5、本实用新型采用两级沉淀池进行沉淀，可以减少沉淀流失，并通过收集到的沉淀总量和流水中的钙浓度计算便可以准确得到渗出隧道初支的结晶总量，能够更具象地获得模拟实验条件下的初支混凝土的钙流失情况和钙结晶情况，从而预测混凝土内部钙溶出平衡规律，为隧道初支混凝土的配合比设计提供参考依据。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的结构示意图。

图2是图1中水压自控吸阀16的结构示意图。

图3是图2中压杆定位环16-3的结构示意图。

图4是图1中沉淀箱19的结构示意图。

图5是图中定位螺旋装置3的结构示意图。

1、隧道模型；2、模型箱；3、定位螺旋装置；4、过滤网；5、连接插销；6、球形控水阀；7、隔水顶推板；8、隔水膨胀滑块；9、顶推梁；10、缓冲弹簧；11、液压油缸；12、压力传感器；13、位移传感器；14、电脑；15、水压计；16、水压自控吸阀；17、控制阀；18、上水泵；19、沉淀箱；20、中心排水管；21、水箱；22、弧形底板；23、横向排水管；24、纵向排水盲管；25、环向排水盲管；3-1、定位板；3-2、推杆；3-3、固定块；3-4、螺旋杆；16-1、左壳体；16-2、压杆；16-3、压杆定位环；16-4、隔水挡板；16-5、挡水块；16-6、过水板；16-7、右壳体；16-8、限位弹簧；16-9、磁吸定位条；19-1、沉淀箱本体；19-2、一级沉淀池；19-3、一级控制阀；19-4、二级控制阀；19-5、二级沉淀池；19-6、排水管；19-7、沉淀隔板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明，但本实用新型不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实用新型涉及的一种模拟高压渗水隧道结晶堵塞的试验装置,铺设排水系统，在弧形底板22外表面上、内侧面上安装环向排水盲管25，两排环向排水盲管25通过纵向排水盲管24连通，纵向排水盲管与横向排水管23相连通，横向排水管23通过中心排水管20与沉淀箱19相连通，在模型箱2内排水系统上采用现浇或者现喷混凝土的方法施作隧道模型1，模型箱1侧壁上关于隧道模型1对称安装有定位螺旋装置3，定位螺旋装置3用于调整固定隧道模型1，模型箱2上部安装有盖板，盖板上安装有若干球形控水阀6，盖板下部安装有过滤网。本实施例中，盖板上安装有6个球形控水阀6，球形控水阀6打开时，水箱21中的水进入模型箱2，通过水箱底部的6个球形控水阀6的打开数目调节渗水流量的大小。模型箱2顶部通过销钉5连接安装有水箱21，水箱21顶部安装有可拆卸顶板、内中部安装有隔水顶推板7，顶板上安装有液压油缸11，进一步地，本实施例的隔水顶推板7与水箱内壁之间安装有隔水膨胀块8，所述的隔水顶推板7上安装有顶推梁9，顶推梁9为梯形结构，液压油缸11的活塞杆与顶推梁9相连接，顶推梁9上安装有压力传感器12，压力传感器12监测液压油缸11的荷载压力，隔水顶推板7上安装有位移传感器13，位移传感器13监测隔水顶推板7的位移，压力传感器12和位移传感器13通过导线与电脑14电连接。隔水膨胀块8防止水箱21下部的水进入水箱21上部，顶板与隔水顶推板7之间安装有缓冲弹簧10，缓冲弹簧10在液压油缸11加载或者卸载时，起缓冲作用，防止隔水顶推板7在冲击力下损坏，水箱21下部连通安装有进水管道，进水管道上依次安装有两个水压计15、水压自控吸阀16、控制阀17、上水泵18，上水泵18为本实用新型提供水源。

在图2、3中，本实施例的水压自控吸阀16由左壳体16-1、压杆16-2、压杆定位环16-3、隔水挡板16-4、挡水块16-5、过水板16-6、右壳体16-7、限位弹簧16-8、磁吸定位条16-9连接构成，左壳体16-1与右壳体16-7通过螺纹紧固连接件固定连接，左壳体16-1内部焊接固定有隔水挡板16-4，隔水挡板16-4的中部加工有通孔，隔水挡板16-4的右端焊接固定有压杆定位环16-3，压杆16-2穿入压杆定位环16-3中，进一步地，压杆定位环16-3为长条形不锈钢杆件，杆件中部加工成环形结构，压杆16-2穿入环形结构中，压杆16-2靠近隔水挡板16-4的一端设置有挡水块16-5，挡水块16-5在左侧水压力作用下可挡住隔水挡板16-4上的通孔，隔水挡板16-4的右端设置有过水板16-6，过水板16-6上加工有过水孔，挡水块16-5与过水板16-6之间安装有限位弹簧16-8，限位弹簧16-8防止挡水块16-5在右侧水压力作用下被冲击偏离，为了保证挡水块16-5与隔水挡板16-4充分接触，隔水挡板16-4上加工有凹槽，挡水块16-5上安装有与凹槽相对应的磁吸定位条16-9。当右侧水压力大于左侧水压力时，挡水块16-5在水压力作用下离开隔水挡板16-4，水流通过自吸控制阀16，当左侧水压力大于右侧水压力时，挡水块16-5在右侧水压力作用下，紧密接触隔水挡板16-4，水流不能通过自吸控制阀16。

在图4中，沉淀箱19由沉淀箱本体19-1、一级沉淀池19-2、一级控制阀19-3、二级控制阀19-4、二级沉淀池19-5、排水管19-6、沉淀隔板19-7连接构成，沉淀箱本体19-1内左端安装有一级沉淀池19-2、右端安装有二级沉淀池19-5，一级沉淀池19-2和二级沉淀池19-5上均设置有刻度，可直观观察出沉淀量。沉淀箱本体1内部二级沉淀池19-5中部设置有沉淀隔板19-7，控制水的流出路径自下而上流出，从而减少水中表面漂浮晶体的流失。一级沉淀池19-2下端安装有一级控制阀19-3，二级沉淀池下端安装有二级控制阀19-4，沉淀箱本体19-1的右上部安装有排水管19-6，沉淀箱19内的渗透水由排水管19-6排出。

在图5中，定位螺旋装置3由定位板3-1、推杆3-2、固定块3-3、螺旋杆3-4连接构成，固定块3-3固定在模型箱1外侧壁上，固定块3-3中心位置加工有螺纹孔，螺旋杆3-4安装于螺纹孔内，推杆3-2一端穿过模型箱1侧壁伸入螺纹孔内、另一端与定位板3-1相连接，旋转螺旋杆3-4将推杆3-2向内顶动，从而使定位板3-1与隧道模型1接触并卡紧隧道模型1。

实施例2

上述实施例1中的模拟高压渗水隧道结晶堵塞的试验装置进行试验，研究不同荷载条件下渗透沉淀量，试验方法由以下步骤组成：

S1、首先铺设安装好隧道排水系统，采用现浇或者现喷混凝土的方法施作隧道模型2，调节定位螺旋装置3固定隧道模型2；

S2、调节上水泵18初始进水压力，打开控制阀17，使水箱21中的水在指定高度处仅在水头梯度的作用下，水压自控吸阀16两侧的水压计15压力值相等；

S3、打开球形控水阀6使水箱21中的水进入模型箱2内，水箱21中的水在恒定水压的作用下渗透隧道模型1，经排水系统再流进沉淀箱19，结晶沉淀将在两级沉淀池中聚集，通过其上刻度直接换算成沉淀量。渗透一段时间，观察沉淀箱19内的沉淀量。

S4、打开液压系统给顶推板9施加荷载，使隔水顶推板7下移，从而控制隧道模型1的渗透压力，通过位移传感器12和压力传感器13反馈到电脑的数据，实时调节液压系统施加的荷载大小，实现对混凝土的等应变加载或者等应力加载，观察不同荷载条件下，沉淀箱19内的沉淀量。

S5、隔水顶推板7下移过程中，压力传感器12、位移传感器13反馈信息给电脑14，当隔水顶推板7的位移值到达预先设定的限值后，即水箱21内的水位线到达设定的限值后，对液压系统进行卸载，卸载时，压力传感器12将会反馈卸荷大小，在缓冲弹簧10的配合工作下以实现其稳定的卸荷过程，此时隔水顶推板7将被回拉，水压自控吸阀16左侧水压计15的压力值将小于其右侧水压计15的压力值，水压自控吸阀16开启，上水泵18开始上水，卸载完成时，水箱21内的水维持稳定状态。

Claims (9)

1.一种模拟高压渗水隧道结晶堵塞的试验装置,其特征在于：在模型箱（2）内设置有隧道模型（1），隧道模型（1）内侧面设置有弧形底板（22），隧道模型（1）内表面与弧形底板（22）外表面之间设置有环向排水盲管（25），弧形底板（22）内侧面设置有环向排水盲管（25），环向排水盲管（25）通过纵向排水盲管（24）与横向排水管（23）相连通，横向排水管（23）通过中心排水管（20）与沉淀箱（19）相连通，模型箱（2）上部设置有盖板，盖板上设置有若干球形控水阀（6），模型箱（2）顶部设置有水箱（21），水箱（21）顶部设置有顶板、内中部设置有隔水顶推板（7），顶板上安装有液压油缸（11），液压油缸（11）的活塞杆与隔水顶推板（7）相连接，顶板与隔水顶推板（7）之间安装有缓冲弹簧（10），水箱（21）下部设置有进水管道，进水管道上依次安装有两个水压计（15）、水压自控吸阀（16）、控制阀（17）、上水泵（18）。

2.根据权利要求1所述的一种模拟高压渗水隧道结晶堵塞的试验装置，其特征在于所述的水压自控吸阀（16）为：左壳体（16-1）与右壳体（16-7）相连接，左壳体（16-1）内部设置有隔水挡板（16-4），隔水挡板（16-4）的右端设置有过水板（16-6）、左端设置有挡水块（16-5），过水板（16-6）上加工有过水孔，挡水块（16-5）上设置有压杆（16-2），压杆（16-2）穿过设置在隔水挡板（16-4）上的压杆定位环（16-3），挡水块（16-5）与过水板（16-6）之间设置有限位弹簧（16-8）。

3.根据权利要求2所述的一种模拟高压渗水隧道结晶堵塞的试验装置，其特征在于：所述的隔水挡板（16-4）上加工有凹槽，挡水块（16-5）上安装有与凹槽相对应的磁吸定位条（16-9）。

4.根据权利要求1所述的一种模拟高压渗水隧道结晶堵塞的试验装置，其特征在于所述的沉淀箱（19）为：沉淀箱本体（19-1）内左端设置有一级沉淀池（19-2）、右端设置有二级沉淀池（19-5），一级沉淀池（19-2）下端设置有一级控制阀（19-3），二级沉淀池下端设置有二级控制阀（19-4），沉淀箱本体（19-1）的右上部设置有排水管（19-6）。

5.根据权利要求4所述的一种模拟高压渗水隧道结晶堵塞的试验装置，其特征在于：所述的沉淀箱本体（19-1）内部二级沉淀池（19-5）中部设置有沉淀隔板（19-7），一级沉淀池（19-2）和二级沉淀池（19-5）上均设置有刻度。

6.根据权利要求1所述的一种模拟高压渗水隧道结晶堵塞的试验装置，其特征在于：所述的隔水顶推板（7）上设置有顶推梁（9），顶推梁（9）为梯形结构，液压油缸（11）的活塞杆与顶推梁（9）相连接，顶推梁（9）上设置有压力传感器（12），隔水顶推板（7）上设置有位移传感器（13），压力传感器（12）和位移传感器（13）通过导线与电脑（14）电连接。

7.根据权利要求1所述的一种模拟高压渗水隧道结晶堵塞的试验装置，其特征在于：所述的隔水顶推板（7）与水箱内壁之间设置有隔水膨胀块（8）。

8.根据权利要求1所述的一种模拟高压渗水隧道结晶堵塞的试验装置，其特征在于：所述的模型箱（2）上部设置有盖板，盖板上设置有球形控水阀（6），盖板下部设置有过滤网（4）。

9.根据权利要求1所述的一种模拟高压渗水隧道结晶堵塞的试验装置，其特征在于：所述的模型箱（2）上关于隧道模型（1）对称设置有定位螺旋装置（3）；

所述的定位螺旋装置（3）为：固定块（3-3）固定在模型箱（2）外侧壁上，固定块（3-3）中心位置加工有螺纹孔，螺旋杆（3-4）安装于螺纹孔内，推杆（3-2）一端穿过模型箱（2）侧壁伸入螺纹孔内、另一端与定位板（3-1）相连接。

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