CN216051724U - 岩溶地面塌陷模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型地质灾害致灾机理与防治技术领域，尤其涉及岩溶地面塌陷模拟试验装置。包括安装架，还包括设置于安装架上方的上部试验箱、设置于安装架下部的供排水循环系统，设置于上部试验箱内部的检测控制单元和模拟自然气候变化的气候模拟单元；所述上部试验箱包括用于装水的外部试验箱和用于装土体的内部试验箱，所述外部试验箱顶部敞开，且在底面中部设有第一通孔，所述内部试验箱的上端敞开，且在其底部开设有第二通孔，单个所述内部试验箱的外壁上设有微孔；本技术方案旨在对受集群效应作用而发生岩溶土洞集体塌陷的诱发因素、土洞演化和坍塌过程进行系统性研究，用以对岩溶地面塌陷群的本质作出准确的判断和有效的防治。

Description

岩溶地面塌陷模拟试验装置

技术领域

本实用新型地质灾害致灾机理与防治技术领域，尤其涉及岩溶地面塌陷模拟试验装置。

背景技术

岩溶地面塌陷是一种典型的极难发现和预测的地质灾害，具有强隐蔽性、难预测性和过程复杂的特点，往往成群成片的发生，集群效应明显。到目前为止，塌陷成因机理已经超过10种，比较有名的如徐卫国(1978)提出的“真空吸蚀论”、康彦仁(1984)提出的重力塌陷、潜蚀塌陷、冲(气)爆塌陷以及罗小杰(2017)提出的“三机理论”等，在这些理论的指导下，我国岩溶地面塌陷预测和防治都取得了较大的进展，但是因致灾诱导因素复杂多变，防治措施单一，一些塌陷点多次治理后又复发，既没有达到根治岩溶地面塌陷，又耗费了大量人力物力。原因在于自然条件极其复杂多变，塌陷致灾的本质又是多因素综合联动的过程，而现有的岩溶地面塌陷机理或成因研究多限于理想条件下的现象推理或针对某个点开展了研究，对受集群效应作用而发生岩溶土洞集体塌陷的诱发因素、土洞演化和坍塌过程的系统性研究不够；另一方面也限于当前的技术发展水平不允许我们使用像医学诊断一样的高精尖设备，如CT扫描技术、核磁共振技术来综合研究地质灾害，即使使用了如地质雷达、高密度电法、浅层地震波反射法等相对先进的技术手段，但是因地球物理解译的多解性，很难对岩溶地面塌陷群的本质作出准确的判断和有效的防治。

实用新型内容

针对上述技术的不足，本实用新型的目的在于提供岩溶地面塌陷模拟试验装置，以对受集群效应作用而发生岩溶土洞集体塌陷的诱发因素、土洞演化和坍塌过程进行研究和有效的防治。

为了达到上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：

岩溶地面塌陷模拟试验装置，包括安装架，还包括设置于安装架上方的上部试验箱、设置于安装架下部的供排水循环系统，设置于上部试验箱内部的检测控制单元和模拟自然气候变化的气候模拟单元；

所述上部试验箱包括用于装水的外部试验箱和用于装土体的内部试验箱，所述外部试验箱顶部敞开，且在底面中部设有第一通孔，若干所述内部试验箱设置于外部试验箱内，所述内部试验箱的上端敞开，且在其底部开设有第二通孔，单个所述内部试验箱的外壁上设有微孔；

所述供排水循环系统包括水槽、水泵、第一连接管和第一闸阀组成，所述水泵将水槽内的水通过连接管泵送至外部试验箱，所述水槽内设有隔板，所述隔板将水槽分为四个腔室，四个所述腔室顺次为第一沉腔室、第二沉淀腔室、第三沉淀腔室和第四沉淀腔室，所述第一沉淀腔室与第二沉淀腔室之间的隔板、第二沉淀腔室与第三沉淀腔室的隔板、以及第三沉淀腔室和第四沉淀腔室的隔板上部均设有透水孔，所述水泵位于第四沉淀腔室内；

若干个所述内部试验箱的第二通孔分别通过第二连接管与第一沉淀腔室连通，且在第二连接管上设有控制连接管水流通断的第二闸阀，所述第二连接管上设有与之串接的岩溶空腔，所述岩溶空腔用于收集内部试验箱内排出的土体。

进一步限定，所述检测控制单元包括监测单元、控制单元和视频系统组成，所述监测单元包括用于土体变形监测的光纤传感器、用以土体孔隙内的压力孔隙流体渗压计、用于岩溶空腔内水气压力监测的水气压力监测计，所述控制单元包括电脑终端软件、计时器、水位监测计、雨量计量器，所述电脑终端软件与监测单元连接，用于物理数据的采集、传输、计算和保存，所述计时器用于降雨和日照时间控制，所述水位监测计用于试验水位控制，所述雨量计量器用于单次降雨量的控制。所述视频系统由高清摄像头组成，用于试验过程和结果的摄制，提供岩溶地面塌陷群发生、发展、塌陷全过程再现视频，其有益之处在于，通过监测单元、控制单元和控制系统，可以对土体所受到的物理参数进行采集，量化水-土-气的函数关系，解密地下工程活动诱发塌陷群发生的作用机理，为岩溶地面塌陷群防治提供解决方案。

进一步限定，所述气候模拟单元包括压力积水降雨器和风干机，所述压力积水降雨器的进水端和供排水系统中的水泵出水端连接，所述压力积水降雨其的另一端位于上部试验箱的正上方，其有益之处在于，根据试验要求的日降雨量，控制变频加压泵压力，模拟降雨，以及通过风干机模拟干旱气候的太阳日照蒸发作用，可模拟自然环境对土体塌陷所造成的影响。

进一步限定，所述岩溶空腔的底部为锥形，且岩溶空腔的上部和第二连接管串接，其有益之处在于，通过在第二连接管上设置溶岩空腔，可单独对内部试验箱内塌陷的土体进行收集，便于对塌陷土体的量进行测量，底部设置为锥形的目的是为了提升对土体的收集效果。

进一步限定，所述第一沉淀腔室与第二沉淀腔室之间的隔板、第二沉淀腔室与第三沉淀腔室的隔板、以及第三沉淀腔室和第四沉淀腔室的隔板上均设有过滤层，所述过滤层将隔板上的透水孔全覆盖，其有益之处在于，在逐级沉淀的同时，透水孔上设置过滤层可进一步提升对泥水的过滤效果。

进一步限定，所述外部试验箱、内部试验箱、水槽和岩溶空腔均采用透明材质制成，其有益之处在于，便于观察外部试验箱的水位，内部试验箱内的土体变化、水槽内的水质、以及岩溶空腔内塌陷土体的量。

进一步限定，所述透明材质为玻璃，其有益之处在于，玻璃的成本低廉。

进一步限定，所述外部试验箱外壁上的微孔为混合分布的圆孔和条形孔，其有益之处在于，圆形孔和条形孔的混合设置可模拟土层孔隙和裂隙，进一步提升对外部环境的模拟效果。

进一步限定，所述外部试验箱和内部试验箱的形状均为圆柱形，且若干个所述内部试验箱与外部试验箱的内壁相切排布，其有益之处在于，圆柱形在安装的时候可减小接触面积，即增大了内部试验箱的进水面积，提升土体的渗水效果。

本实用新型的技术效果为：

(1)对岩溶地面塌陷群的土体厚度与变形、土洞演化与坍塌、水气压力、降雨及地下水位涨落等多因素、多工况进行过程模拟，定性与定量相结合表征岩溶地面塌陷群的成因机理，为系统防治岩溶地面塌陷提供理论支撑。(2)多个内部试验箱的设置可以模拟岩溶地面塌陷群，能用于研究受集群效应作用而发生岩溶土洞集体塌陷的诱发因素、土洞演化和坍塌过程。(3)供排水循环系统能对本试验中使用的水源进行循环使用。

附图说明

图1为本具体实施方式中物理试验装置的正视图；

图2为本具体实施方式中外部试验箱和内部试验箱的俯视图；

图3为本具体实施方式中水槽的俯视图；

图4为本具体实施方式中物理试验装置的俯视图示意图；

图5为本具体实施方式中岩溶腔与第二连接管的连接示意图。

附图编号

安装架1、外部试验箱2、第一通孔21、水槽3、第一沉淀腔室31、第二沉淀腔室32、第三沉淀腔室33、第四沉淀腔室34、压力积水降雨器4、水泵5、计量泵6、电脑终端7、第二连接管8、第一连接管81、岩溶空腔9、内部试验箱10、第二通孔101。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

如图1图2、图3和图4所示，岩溶地面塌陷模拟试验装置，包括安装架1，安装架1 采用的是不锈钢的横梁和纵梁相互固定而成，在安装架1的上端还设有支架梁，且支架梁在上部形成一个摆放空间，在摆放空间内安装有上部试验箱，上部试验箱主要包括外部试验箱2和内部试验箱10，内部试验箱10设置在外部试验箱2的内部，在本实施例中，内部试验箱10和外部试验箱2的形状均匀带有底盖且中部镂空的圆柱体，内部试验箱10和外部试验箱2的材质均为透明玻璃，这样的好出在于便于观测，外部试验箱2的作用是，用以装水，模拟地下水位，且在外部试验箱2的底面上开设有第一通孔21，第一通孔21的目的是便于将外部试验箱2内的水排出，在外部试验箱2的内部设有若干个内部试验箱10，在本实施中为3个，内部试验箱10的数量可以根据实际情况进行选择，这样的目的在于，可以满足多种土层在同一环境下的岩溶试验研究，单个的内部试验箱10的底面上开设有第二通孔101，第二通孔101的作用是模拟土层岩溶过程中的溶洞，若干个内部试验箱10的外侧均与外部试验箱2的内侧面相切的摆放在外部试验箱2内。

在安装架1的下部安装供排水循环系统，供排水循环系统包括水槽3、水泵5、第一连接管81和和第一闸阀组成，水槽3的形状为圆柱体，且在水槽3的内部设有隔板，隔板将水槽3的内部空间分为四个部分，分别为第一沉淀腔室31、第二沉淀腔室32、第三沉淀腔室33和第四沉淀腔室34，第一沉淀腔室31与第二沉淀腔室32之间的隔板、第二沉淀腔室 32与第三沉淀腔室33的隔板、以及第三沉淀腔室33和第四沉淀腔室34的隔板上部均设有透水孔，水泵5位于第四沉淀腔室34内，水泵5通过第一连接管81将水槽3内的水泵5送至外部试验箱2的内部，同时在内部试验箱10的外侧表面上设有若干的微孔，微孔的作用是将外部试验箱2内的渗透至内部试验箱10的土层内部，模拟地下水在土层中的渗透方式，且外部试验箱2内的水排出至水槽3的第四沉淀腔室34内，外部试验箱2外壁上的微孔为混合分布的圆孔和条形孔，其有益之处在于，圆形孔和条形孔的混合设置可模拟土层孔隙和裂隙，进一步提升对外部环境的模拟效果。在本实施例中水泵5为变频抽水泵。内部试验箱 10的第二通孔101通过第二连接管8与第一沉淀腔室31连通，设置第一沉淀腔室31、第二沉淀腔室32、第三沉淀腔室33和第四沉淀腔室34的目的在于便于对排出的水进行逐级沉淀，优选地，在本实施例中，开设有透水孔的隔板上均设有过滤层，过滤层可以为土工布层，这样可以增强泥水的过滤效果。

如图5所示，为了对多个内部试验箱10内的坍塌涂层进行分别收集，便于后续的称量，在每一根第二连接管8上均设有岩溶空腔9，岩溶空腔9串接在第二连接管8上，且进水端位于岩溶空腔9的上端，出水端位于岩溶空腔9的上部，这样的好出在于，内部试验箱10 排出的泥水可以在岩溶空腔9内从下至上逐渐排出，便于对泥水中的泥沙进行收集，同时在岩溶空腔9的底端设有支管，支管上设有闸阀，便于对收集的泥土进行排出。

为了模拟自然环境以及对土层坍塌过程中受到的物理常数进行测量，在本申请文件还包括检测控制单元和气候模拟单元，检测控制单元包括监测单元、控制单元和视频系统组成，监测单元包括用于土体变形监测的光纤传感器、用以土体孔隙内的压力孔隙流体渗压计、用于岩溶空腔9内水气压力监测的水气压力监测计，控制单元包括电脑终端7软件、计时器、水位监测计、雨量计量器，电脑终端7软件与监测单元连接，用于物理数据的采集、传输和保存，计时器用于降雨和日照时间控制，水位监测计用于试验水位控制，雨量计量器用于单次降雨量的控制。视频系统由高清摄像头组成，用于试验过程和结果的摄制，提供岩溶地面塌陷群发生、发展、塌陷全过程再现视频，其有益之处在于，通过监测单元、控制单元和控制系统，可以对土体所受到的物理参数进行采集，量化水-土-气的函数关系，解密地下工程活动诱发塌陷群发生的作用机理，为岩溶地面塌陷群防治提供解决方案。

气候模拟单元包括压力积水降雨器4和风干机，压力积水降雨器4的进水端和供排水系统中的水泵5出水端连接，压力积水降雨其的另一端位于上部试验箱的正上方，其有益之处在于，根据试验要求的日降雨量，控制变频加压泵压力，模拟降雨，以及通过风干机模拟干旱气候的太阳日照蒸发作用，可模拟自然环境对土体塌陷所造成的影响，优选地，压力积水降雨器4的进水端和计量泵6连接，计量泵6可以对降雨量进行精准控制。

在本装置中，连接管道上的闸阀没做过多的阐述，因为为了控制液体在连接管内的通断，设置闸阀是公知常识。

本物理试验装置的操作方式如下：

步骤1，采集试验需要的覆盖层土样，测定天然密度和天然含水率；用环刀取土样做直剪试验，测定内摩擦角和粘聚力；

步骤2，所述步骤1采集的土样送试验室烘干碾碎、备用；

步骤3，根据所述步骤1测定的天然密度和天然含水率，按比例混合粉砂和烘干的土样，制备试验需要的覆盖层土体；

步骤4，将所述步骤3制备的土样分层平铺在内部试验箱10，每次铺土层的厚度为2cm 并击实，土层的总厚度根据试验目的确定，光纤传感器和孔隙流体渗压计分三层铺设。

步骤5，关闭第二连接管8闸阀，通过变频抽水泵和水位控制器向外部试验箱2注水，注入的水从内部试验箱10的微孔缓慢渗入试验的覆盖土层，土层达到一定饱和度后，开启闸阀，通过第二连接管8将水排入水槽3。

步骤6，重复所述步骤5，直至试验的覆盖土层全部达到饱和。

步骤7，开启风干机，将试验的覆盖土层风干，使得土层固结。

步骤8，重复所述步骤5-步骤6，模拟土层固结过程，并在底部形成土洞。

步骤9，根据试验目的，计算模拟地区的日降雨量，开始实施降雨过程，并开启水位传感器、水气压力传感器、光纤传感器、孔隙流体渗压计和视频监控，降雨至试验要求水位，开启第二连接管8的闸阀，排出土层中的水，收集土层。

步骤10，重复步骤9，直至土层坍塌。

步骤11，收集分析岩溶塌陷群的坍塌试验过程数据，建立水-土-气的函数关系，解密地下工程活动诱发塌陷群发生的作用机理，为岩溶地面塌陷群防治提供解决方案。

需要提前说明的是，在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.岩溶地面塌陷模拟试验装置，包括安装架，其特征在于，还包括设置于安装架上方的上部试验箱、设置于安装架下部的供排水循环系统，设置于上部试验箱内部的检测控制单元和模拟自然气候变化的气候模拟单元；

所述上部试验箱包括用于装水的外部试验箱和用于装土体的内部试验箱，所述外部试验箱顶部敞开，且在底面中部设有第一通孔，若干所述内部试验箱设置于外部试验箱内，所述内部试验箱的上端敞开，且在其底部开设有第二通孔，单个所述内部试验箱的外壁上设有微孔；

所述供排水循环系统包括水槽、水泵、第一连接管和第一闸阀组成，所述水泵将水槽内的水通过连接管泵送至外部试验箱，所述水槽内设有隔板，所述隔板将水槽分为四个腔室，四个所述腔室顺次为第一沉淀 腔室、第二沉淀腔室、第三沉淀腔室和第四沉淀腔室，所述第一沉淀腔室与第二沉淀腔室之间的隔板、第二沉淀腔室与第三沉淀腔室的隔板、以及第三沉淀腔室和第四沉淀腔室的隔板上部均设有透水孔，所述水泵位于第四沉淀腔室内；

若干个所述内部试验箱的第二通孔分别通过第二连接管与第一沉淀腔室连通，且在第二连接管上设有控制连接管水流通断的第二闸阀，所述第二连接管上设有与之串接的岩溶空腔，所述岩溶空腔用于收集内部试验箱内排出的土体。

2.根据权利要求1所述的岩溶地面塌陷模拟试验装置，其特征在于，所述检测控制单元包括监测单元、控制单元和视频系统组成，所述监测单元包括用于土体变形监测的光纤传感器、用以土体孔隙内的压力孔隙流体渗压计、用于岩溶空腔内水气压力监测的水气压力监测计，所述控制单元包括电脑终端软件、计时器、水位监测计、雨量计量器，所述电脑终端软件与监测单元连接，用于物理数据的采集、传输、计算和保存，所述计时器用于降雨和日照时间控制，所述水位监测计用于试验水位控制，所述雨量计量器用于单次降雨量的控制，所述视频系统由高清摄像头组成，用于试验过程和结果的摄制。

3.根据权利要求1所述的岩溶地面塌陷模拟试验装置，其特征在于，所述气候模拟单元包括压力积水降雨器和风干机，所述压力积水降雨器的进水端和供排水系统中的水泵出水端连接，所述压力积水降雨其的另一端位于上部试验箱的正上方。

4.根据权利要求1所述的岩溶地面塌陷模拟试验装置，其特征在于，所述岩溶空腔的底部为锥形，且岩溶空腔的上部和第二连接管串接。

5.根据权利要求1所述的岩溶地面塌陷模拟试验装置，其特征在于，所述第一沉淀腔室与第二沉淀腔室之间的隔板、第二沉淀腔室与第三沉淀腔室的隔板、以及第三沉淀腔室和第四沉淀腔室的隔板上均设有过滤层，所述过滤层将隔板上的透水孔全覆盖。

6.根据权利要求1所述的岩溶地面塌陷模拟试验装置，其特征在于，所述外部试验箱、内部试验箱、水槽和岩溶空腔均采用透明材质制成。

7.根据权利要求6所述的岩溶地面塌陷模拟试验装置，其特征在于，所述透明材质为玻璃。

8.根据权利要求1所述的岩溶地面塌陷模拟试验装置，其特征在于，所述外部试验箱外壁上的微孔为混合分布的圆孔和条形孔。

9.根据权利要求1所述的岩溶地面塌陷模拟试验装置，其特征在于，所述外部试验箱和内部试验箱的形状均为圆柱形，且若干个所述内部试验箱与外部试验箱的内壁相切排布。

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