CN211318136U - 一种适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置，包括模拟装置本体以及分别与模拟装置本体相连的动力加压装置、测量装置；模拟装置本体具体包括水箱以及设置在水箱上端的断层突水通道，水箱与断层突水通道之间设有透水板；断层突水通道包括壳体，壳体的内部自下而上，沿水流运动方向，依次包括承压含水层、断层突水层以及断层带迁移物质分离层，其中，断层突水层以及断层带迁移物质分离层的中部留有一纵向延伸的通道。本实用新型的优点在于：采用本装置进行承压含水层上断层突水模拟实验，有利于后期对承压水作用下的断层活化渗流突变规律及突水通道形成机制的研究，从而为隧道断层突水防治提供实验依据。

Description

一种适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置

技术领域

本实用新型涉及实验设备技术领域，尤其涉及一种适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置。

背景技术

承压含水层上掘进是近年来我国隧道工程所面临的复杂地质条件下的特殊问题。随着社会的发展，掘进深度逐渐向深部延伸，面临的下伏底板承压水害的威胁也越来越大，一旦发生突水事故，将会造成巨大损失。通过对现场大量突水事故的调查和分析发现，底板突水事故的发生受突水通道形成过程所控制，可以说，突水通道的形成在地质结构上为底板的突水发生创造了条件，因此可以把突水通道看作是控制底板突水的本质原因。

目前，也有一些关于底板突水方面的研究，但是，对于渗流过程中破碎带产生渗透破坏后，岩石颗粒迁移引发的孔隙率和渗透性变化的现象尚未得到足够的重视。据此，本申请人所在实验室的研究方向为：通过模拟试验，结合现场压渗试验结果，分析断层破碎带渗透破坏后，断层带中充填物颗粒迁移引起的孔隙率、渗透特性的变化关系，从而揭示承压水作用下的断层活化渗流突变规律及突水通道的形成机制，为隧道断层突水防治提供了实验依据。

然而，对于承压含水层上断层底板突水事故来说，突水具有突发性及破坏性，很难通过现场工业试验来获取相关规律，为了再现地下隧道掘进过程中底板承压水沿断层突出过程，重点在于设计断层突水泥模型。据此，目前急需一种适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置。

本实用新型采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置，包括模拟装置本体以及分别与所述模拟装置本体相连的动力加压装置、测量装置；所述模拟装置本体具体包括水箱以及设置在水箱上端的断层突水通道，水箱与断层突水通道之间设有透水板；所述断层突水通道包括壳体，所述壳体的内部自下而上，沿水流运动方向，依次包括承压含水层、断层突水层以及断层带迁移物质分离层，其中，断层突水层以及断层带迁移物质分离层的中部留有一纵向延伸的通道。

作为本实用新型的优选方式之一，所述模拟装置本体还包括进水口与出水口，所述进水口设置在水箱底部，出水口设置壳体顶部；所述进水口、水箱、通道与出水口之间相连通。

作为本实用新型的优选方式之一，所述壳体的外周安装有两个呈上下分布的法兰盘，每个所述法兰盘上分别固定有一个橡胶密封垫；所述橡胶密封垫具体设置在与法兰盘对应的壳体内部，并围设在所述通道外周。

作为本实用新型的优选方式之一，所述承压含水层与断层突水层之间，以及，断层突水层与断层带迁移物质分离层之间，分别设置有一滤网。

作为本实用新型的优选方式之一，所述壳体内部的承压含水层中均匀填充有围岩料A；所述壳体内部的断层突水层与断层带迁移物质分离层中填充有围岩料B，并保持中部留有通道；其中，所述围岩料A的颗粒粒径大于围岩料B的颗粒粒径。

作为本实用新型的优选方式之一，所述动力加压装置具体为高压泥浆泵，额定最高压力4.5MPa，额定功率50KW，额定电流3A，最大流量为80L/min；所述高压泥浆泵与水箱相连，在突水模拟过程中起稳压作用。

作为本实用新型的优选方式之一，所述测量装置包括水压力测量系统以及水量与填充物流失颗粒量测量系统；所述水压力测量系统通过孔隙水压传感器采集断层突水通道内的水压力信息；所述水量与填充物流失颗粒量测量系统通过电子秤称量经过断层突水通道的样品水量与填充物流失颗粒量。

作为本实用新型的优选方式之一，所述壳体上开设有若干开口，开口内分别设置有所述孔隙水压传感器，孔隙水压传感器为YH-131型振弦式孔隙水压力传感器，直径27mm，长度125mm，量程为0-600kPa，精度等级为0.5％；所述孔隙水压传感器的一端延伸进壳体内部采集相应水压力信息，其另一端则与外部的控制显示器相连。

作为本实用新型的优选方式之一，所述开口处还设置有密封接头。

作为本实用新型的优选方式之一，所述水量与填充物流失颗粒量测量系统的具体测量方法为：水量和充填物流失颗粒量采用容积20L的塑料桶每隔10s收集一次；待收集的水和流失颗粒沉淀后，对水和流失颗粒进行分离，再通过精度为1g、量程为30kg的数显电子秤进行称重，得出每10s内的突水量和突泥量。

本实用新型相比现有技术的优点在于：本实用新型结构简单、使用方便，本实用新型整体装置的设计是以现场断层的工程地质与水文地质特征作为出发点，做到完全模拟；采用本装置进行承压含水层上断层突水模拟实验，有利于后期对承压水作用下的断层活化渗流突变规律及突水通道形成机制的研究，从而为隧道断层突水防治提供实验依据。

附图说明

图1是实施例1中适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置的整体结构示意图；

图2是实施例1中适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置的法兰盘结构示意图；

图3是实施例1中适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置的透水板结构示意图；

图4是实施例1中试验过程流程图。

图中：100为模拟装置本体，1为水箱，11为进水口，2为断层突水通道，21为壳体，211为开口，22为承压含水层，221为围岩料A，23为断层突水层，231为围岩料B，24为断层带迁移物质分离层，241为出水口，25为通道，3为透水板，4为法兰盘，5为橡胶密封垫，61为下部滤网，62为上部滤网，7为密封接头。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1-3所示，本实施例的一种适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置，根据现场断层的工程地质与水文地质特征，按照1:100的几何相似比、1:150的水压相似比设计而得；所述突水模拟装置包括模拟装置本体100以及分别与模拟装置本体100相连的动力加压装置、测量装置。

模拟装置本体100由厚度为10mm的钢板加工而成，具体包括水箱1以及设置在水箱1上端的断层突水通道2。其中，水箱1的内径为600mm、高为600mm，水箱1的底部两侧分别设有一个进水口11以保证水流供给，水箱1的顶部与其上端的断层突水通道2之间设有透水板3。断层突水通道2包括壳体21，壳体21的内径为255mm、高为1000mm，壳体21的内部自下而上，沿水流运动方向，依次划分为三部分：承压含水层22、断层突水层23以及断层带迁移物质分离层24。其中，承压含水层22高200mm，均匀填充有围岩料A 221，模拟含水层；断层突水层23高600mm，为主突水渗流部分，填充有围岩料B 231(为断层破碎带物质)，模拟断层突水过程；断层带迁移物质分离层24高200mm，也填充有围岩料B 231(为断层破碎带物质)，为断层带迁移物质分离部分；所述断层突水层23与断层带迁移物质分离层24中相应填充料的中部留有一纵向延伸的通道25。此外，断层带迁移物质分离层24的顶部还设有一个出水口241，出水口241延伸至相应壳体21的一侧，与外界相连；所述进水口11、水箱1、通道25与出水口241之间相连通。

动力加压装置具体为高压泥浆泵，额定最高压力4.5MPa，额定功率50KW，额定电流3A，最大流量为80L/min；高压泥浆泵与水箱1相连，在突水模拟过程中起稳压作用。

测量装置包括水压力测量系统以及水量与填充物流失颗粒量测量系统。水压力测量系统通过孔隙水压传感器采集断层突水通道内的水压力信息；水量与填充物流失颗粒量测量系统通过电子秤称量经过断层突水通道2的样品水量与填充物流失颗粒量。其中，水压力测量系统的具体测量方法为：壳体21上开设有若干开口211，开口211内分别设置有孔隙水压传感器，孔隙水压传感器为YH-131型振弦式孔隙水压力传感器，直径27mm，长度125mm，量程为0-600kPa，精度等级为0.5％；孔隙水压传感器的一端延伸进壳体21内部采集相应水压力信息，其另一端则与外部的控制显示器相连，将信息传递至控制器。水量与填充物流失颗粒量测量系统的具体测量方法为：水量和充填物流失颗粒量采用容积20L的塑料桶每隔10s收集一次；待收集的水和流失颗粒沉淀后，对水和流失颗粒进行分离，再通过精度为1g、量程为30kg的数显电子秤进行称重，得出每10s内的突水量和突泥量。

进一步地，在本实施例中，壳体21的外周安装有两个呈上下分布的法兰盘4，每个法兰盘4上分别固定有一个橡胶密封垫5；橡胶密封垫5具体设置在与法兰盘4对应的壳体21内部，并围设在通道25外周。该橡胶密封垫5的设计为壳体21内部填充物提供支撑，进一步增加模拟装置本体的稳固性。

进一步地，在本实施例中，承压含水层22与断层突水层23之间，以及，断层突水层23与断层带迁移物质分离层24之间，还分别设置有一滤网，分别为下部滤网61、上部滤网62。其中，下部滤网61的作用是保证底部含水层中的充填物不被冲出，以致影响主突水渗流通道内的物质迁移及突水；上部滤网62的作用是在突水过程中允许直径为0-2mm的物质通过，以达到模拟断层破碎带渗流转换的目的。

进一步地，在本实施例中，壳体21上的各开口211处还分别设置有密封接头7，以增加开口211处的密封性。

进一步地，在本实施例中，关于围岩料B 231的具体组成：用颗粒为10-20mm破碎石灰石为骨架，以粒径为0-2mm和2-6mm的破碎泥岩按1:1配比的混合物作为充填物，然后将两种物质按一定比例混合。

关于围岩料A 221的具体组成：颗粒粒径大于围岩料B 231的颗粒粒径。

采用本实施例突水模拟装置，可分析研究不同充填材料配比、不同压力、不同通道宽度条件下断层突水过程中的启动运移、突变和稳定的动力机制。试验流程图见图4，试验过程分为断层突水通道制作、装料、渗流和卸料四个步骤。

(1)断层突水通道制作

试验所需断层突水通道是通过水泥砂浆和木板在模型箱内浇筑而成的，对于水泥砂浆要求其渗透性较小才能到达模拟断层渗流的目的，否则会在水泥砂浆中发生渗流影响试验效果。根据已有研究结果可知，影响水泥砂浆渗透性的因素主要有水灰比、水泥含量、龄期、以及河砂的颗粒级配等。因此，本次试验采用的水灰比为0.30，水泥砂子比为0.4，所得到的水泥砂浆渗透性较低，稳定渗透系数为10^-11cm/s数量级，7d龄期水泥块体的抗压强度为46MPa。

(2)装料

将不同粒径的材料按照一定比例配置成不同的断层破碎带，在装入断层模拟通道前需将各种材料均匀混合，在装填过程中需要将混合后的材料捣实，以免试验过程中造成局部渗流不均匀。

(3)渗流

打开高压水泵并调节溢流阀使模型通道中的混合材料在小压力条件下饱和，该压力可称为是饱和压力。之后再次调节溢流阀使压力达到试验预定值(试验压力)，使液体在混合材料中渗透。在整个渗流试验过程中，为突出充填物颗粒流失对断层突水渗流的影响，试验压力由饱和压力通过4次加压逐渐升高到试验设计压力，每次加压时间间隔为10s，与收集充填物颗粒的时间相同。

在此渗流过程中与本试验有关的物理量参数有水压、渗流长度、水量、水的粘滞系数、密度、渗透系数、充填物流失率、孔隙率、渗流速度、渗透率及雷诺数等，各物理量间的关系为：

①充填物流失率

在试验过程中每隔一段时间(10s)对迁移出的充填物颗粒进行收集，静置、烘干后称出质量Δm₁、Δm₂…Δm_n。即可得到各时间阶段内模型中充填物的流失率m'_n以及流失量总M：

M＝Δm₁+Δm₂+…Δm_n (式2)

②孔隙率

试验过程中，充填物颗粒流失引起断层的孔隙率发生了变化，其中任一时间段内孔隙率变化值Δφ_n与各时间段内流失的质量Δm_n之间存在如下关系：

其中ρ为灰岩的密度。由此可计算出各时间段内断层充填物的孔隙率增量φ_n和空隙变化率φ'_n的计算公式。

式中，a、b分布为突水通道截面长度和宽度；h为突水通道高度。

③渗流速度与渗透系数

由于试验模型尺寸较小，重力作用效果与水压力作用效果相比可以忽略不计，因而模型中的渗流可近似认为是一维流，任一时间段内渗流速度可表示为：

式中，Q为流量；q为渗流速度(m/s)；k为断层渗透率(m²)；μ为流体的动力粘度(Pa.s)；p为流体压力(Pa)。

假设断层破碎带内压力梯度均匀分布，即：

根据式(6)～式(7)，得到断层破碎带渗透率及渗透系数计算公式分别为：

④雷诺数(Re)

不同时间段的雷诺数可根据下式计算：

式中，d_A为充填物颗粒的平均粒径；υ为流体的运动粘度，取0.01cm²/s。

(4)卸料

待整个渗流试验完成后，将模型拆卸，清理模型中剩余的材料，同时也可对比不同模型中渗流后的残余材料情况。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置，其特征在于，包括模拟装置本体以及分别与所述模拟装置本体相连的动力加压装置、测量装置；所述模拟装置本体具体包括水箱以及设置在水箱上端的断层突水通道，水箱与断层突水通道之间设有透水板；所述断层突水通道包括壳体，所述壳体的内部自下而上，沿水流运动方向，依次包括承压含水层、断层突水层以及断层带迁移物质分离层，其中，断层突水层以及断层带迁移物质分离层的中部留有一纵向延伸的通道。

2.根据权利要求1所述的适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置，其特征在于，所述模拟装置本体还包括进水口与出水口，所述进水口设置在水箱底部，出水口设置壳体顶部；所述进水口、水箱、通道与出水口之间相连通。

3.根据权利要求1所述的适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置，其特征在于，所述壳体的外周安装有两个呈上下分布的法兰盘，每个所述法兰盘上分别固定有一个橡胶密封垫；所述橡胶密封垫具体设置在与法兰盘对应的壳体内部，并围设在所述通道外周。

4.根据权利要求1所述的适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置，其特征在于，所述承压含水层与断层突水层之间，以及，断层突水层与断层带迁移物质分离层之间，分别设置有一滤网。

5.根据权利要求1所述的适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置，其特征在于，所述壳体内部的承压含水层中均匀填充有围岩料A；所述壳体内部的断层突水层与断层带迁移物质分离层中填充有围岩料B，并保持中部留有通道；其中，所述围岩料A的颗粒粒径大于围岩料B的颗粒粒径。

6.根据权利要求1-5任一所述的适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置，其特征在于，所述动力加压装置具体为高压泥浆泵；所述高压泥浆泵与水箱相连。

7.根据权利要求1-5任一所述的适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置，其特征在于，所述测量装置包括水压力测量系统以及水量与填充物流失颗粒量测量系统；所述水压力测量系统通过孔隙水压传感器采集断层突水通道内的水压力信息；所述水量与填充物流失颗粒量测量系统通过电子秤称量经过断层突水通道的样品水量与填充物流失颗粒量。

8.根据权利要求7所述的适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置，其特征在于，所述壳体上开设有若干开口，开口内分别设置有所述孔隙水压传感器；所述孔隙水压传感器的一端延伸进壳体内部采集相应水压力信息，其另一端与外部的控制显示器相连。

9.根据权利要求8所述的适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置，其特征在于，所述开口处还设置有密封接头。

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