CN217587210U - 用于研究水力梯度条件下覆盖型岩溶塌陷的三维实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及岩溶塌陷技术领域，公开了一种用于研究水力梯度条件下覆盖型岩溶塌陷的三维实验装置，包括模型主箱、泥沙收集装置、孔隙水位控制系统以及岩溶水位控制系统，模型主箱与泥沙收集装置之间贯通连接有橡皮管，模型主箱与泥沙收集装置分别通过水管连接一套水位控制系统。本实用新型通过观察底部副箱漏沙、掉土情况结合外接监测仪器(如位移计、土压力计等)推断试验进展，并在试验结束后进行土洞揭露，由此可以反推土洞发育过程中的形态变化与各个阶段的临界条件；该模型可以通过遥控升降台的高度变化准确调整孔隙水位与岩溶水位，模拟水力梯度条件下的潜蚀作用对岩溶地面塌陷造成的影响；清扫方便，可迅速投入下一次使用。

Description

用于研究水力梯度条件下覆盖型岩溶塌陷的三维实验装置

技术领域

本实用新型涉及岩溶塌陷技术领域，具体是一种用于研究水力梯度条件下覆盖型岩溶塌陷的三维实验装置。

背景技术

众所周知，物理模型试验是研究地质灾害的一种重要手段，一些地质灾害如岩溶塌陷由于其成因复杂、规模较大以及土洞发育隐蔽等很难开展现场测试，故岩溶塌陷研究领域多采用物理模型试验手段进行研究。

但是物理模型试验进行覆盖层岩溶塌陷研究存在一定的问题与缺陷：一方面，对试验进程把握不清。覆盖层岩溶塌陷过程是渐近式的，覆盖层内部土洞随着外界因素影响不断扩大，最后达到临界状态，土洞结构无法支撑上覆土体自重而在地表发生突发性破坏。因此，很难仅通过肉眼判断土洞具体发育情况；另一方面，地下水波动(孔隙水与岩溶水)产生的潜蚀作用是覆盖型岩溶塌陷的主要因素之一，如何在试验中产生此类作用是岩溶塌陷物理实验所需解决的首要问题。针对这种情况，本领域技术人员提供了一种用于研究水力梯度条件下覆盖型岩溶塌陷的三维实验装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于研究水力梯度条件下覆盖型岩溶塌陷的三维实验装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种用于研究水力梯度条件下覆盖型岩溶塌陷的三维实验装置，包括模型主箱、泥沙收集装置、孔隙水位控制系统以及岩溶水位控制系统，其特征在于：模型主箱与泥沙收集装置之间贯通连接有橡皮管，模型主箱与泥沙收集装置分别通过水管连接孔隙水位控制系统与岩溶水位控制系统；水位控制系统包括溢流箱与电动升降台，可用外置遥控器对电动升降台高度进行调整。

作为本实用新型再进一步的方案：所述模型主箱四面与底部焊接，前后两侧为透明亚克力板，保证塌陷过程的可视化；底部正中间开有圆孔，下方焊接有岩溶开口阀门，岩溶开口阀门通过旋转球阀阀杆调整开口大小以模拟岩溶通道与上覆地层接触处的岩溶开口变化过程；模型主箱前后两侧为透明箱板，模型主箱左右两侧为侧壁钢板，底部焊有主箱水阀，用于水管连接供水系统控制给排水；模型主箱有四个支脚，可支撑箱体离地面一定高度以给予副箱空间；模型主箱内左右两侧各焊有带孔透明隔板，将模型主箱划分为中间的试验区与两侧的水槽，用于通过观察水槽中水位判定水位高度；带孔透明隔板上覆盖一层细纱网防止水管进出水时被泥沙堵塞。

作为本实用新型再进一步的方案：所述泥沙收集装置整体透明，为透明亚克力板胶接而成，用来模拟岩溶通道下的溶腔，可提供足够的空间收集漏沙，并且可以通过观察副箱中的漏沙情况判断试验进程；泥沙收集装置侧壁焊有副箱水阀，可用水管连接岩溶水位控制系统，对岩溶水位进行调控；顶部设有排气阀，可平衡泥沙收集装置内外气压，使进出水顺畅。

作为本实用新型再进一步的方案：所述孔隙水位控制系统由溢流箱与电动升降台组成，溢流箱箱体由透明亚克力板胶接而成，顶部不设置箱板，溢流箱内胶接一块低于溢流箱高度的透明隔板，将水箱分割为两块区域，一区域侧壁设有供水口，供水口与外界供水系统相连，底部设有进水口，进水口与主箱水阀之间以水管连接，当外界供水系统向溢流箱供水，水位高于透明隔板高度时，水流将跃过隔板流向另一区域；另一区域侧壁设有排水口，多余水将从此处排出，以保持水位高度始终等于隔板顶部高度。

作为本实用新型再进一步的方案：所述溢流箱下部为放置平台，放置平台焊接在电动升降台顶部，电动升降台可分为上下两节，截面为方形，内部中空，上节内截面大小与下节外截面相同，即上节与下节呈嵌套关系，下节内置直流变压式电机与高强度千斤顶螺杆，螺杆顶部与电动升降台上节顶面相连，通电后，可通过电子控制面板的上升、停止、下降按键控制螺杆带动上节发生竖向运动，从而控制电动升降台上方溢流箱升降。

作为本实用新型再进一步的方案：所述岩溶开口阀门与下方副箱间以橡皮管相连，岩溶开口阀门是由球阀阀体、球阀球体、球阀阀座与球阀阀杆组成的O 形球阀，O型球阀的球阀阀体上下为直径相等的通道，内部安装有中间空心的；球阀球体上下两侧各有一个环状的弹性体球阀阀座来实现密封与固定，球体在阀座中转动；当球阀阀杆水平时通道被球体堵住，通过转动球阀阀杆对球体进行90°旋转，即改变通孔的方向，从而实现对球阀的开口大小的调整，流体得以顺利通过，其他阀门包括主箱水阀、排气阀和副箱水阀等工作原理皆相同；

作为本实用新型再进一步的方案：所述泥沙收集装置上部正中间设有一开口，直径与岩溶开口相同，设有一排气阀，以保证进出水时气压平衡，水流通畅；一侧侧壁为可拆卸式，可分为内外两层：外层为透明亚克力箱板，内层为橡胶隔水层，侧壁四周打孔，可通过螺丝与箱体固定并密封，中间设有一副箱水阀，可通过副箱水阀开关控制岩溶水的进出。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、可以通过观察底部副箱漏沙、掉土情况结合外接监测仪器(如位移计、土压力计等)推断试验进展，并在试验结束后进行土洞揭露，由此可以反推土洞发育过程中的形态变化与各个阶段的临界条件；

2、该模型可以通过遥控升降台的高度变化准确调整孔隙水位与岩溶水位，模拟水力梯度条件下的潜蚀作用对岩溶地面塌陷造成的影响；

3、清扫方便，可迅速投入下一次使用。

附图说明

图1是一种研究水力梯度作用下的岩溶塌陷三维实验装置的结构图；

图2是图1的俯视图；

图3是岩溶开口阀门关闭时球阀剖面图；

图4是岩溶开口阀门开启时球阀剖面图；

图5是图1中泥沙收集装置的结构图；

图6是泥沙收集装置的可拆卸侧壁；

图7是橡胶隔水层的结构图；

图8是图1中孔隙水位控制系统的结构图。

图中：1、模型主箱；101、透明箱板；102、侧壁钢板；103、带孔透明隔板；104、岩溶开口阀门；1041、球阀阀体；1042、球阀球体；1043、球阀阀座； 1044、球阀阀杆；105、橡皮管；106、主箱水阀；2、泥沙收集装置；201、排气阀；202、副箱水阀；203、透明亚克力箱板；204、橡胶隔水层；3、孔隙水位控制系统；301、溢流箱；3011、透明隔板；3012、排水口；3013、进水口；3014、供水口；302、电动升降台；3021、放置平台；4、岩溶水位控制系统。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，请参阅图1～8，本实用新型实施例如下：

一种用于研究水力梯度条件下覆盖型岩溶塌陷的三维实验装置，包括模型主箱1、泥沙收集装置2、孔隙水位控制系统3以及岩溶水位控制系统4，其特征在于：模型主箱1与泥沙收集装置2之间贯通连接有橡皮管105，模型主箱1 与泥沙收集装置2分别通过水管连接孔隙水位控制系统3与岩溶水位控制系统 4；孔隙水位控制系统3包括溢流箱301与电动升降台302，可用外置遥控器对电动升降台302高度进行调整。

进一步的，模型主箱1四面与底部焊接，前后两侧为透明亚克力板，保证塌陷过程的可视化；底部正中间开有圆孔，下方焊接有岩溶开口阀门104，岩溶开口阀门104通过旋转球阀阀杆1044调整开口大小以模拟岩溶通道与上覆地层接触处的岩溶开口变化过程；模型主箱1前后两侧为透明箱板101，模型主箱1 左右两侧为侧壁钢板102，底部焊有主箱水阀106，用于水管连接供水系统控制给排水；模型主箱1有四个支脚，可支撑箱体离地面一定高度以给予副箱空间；模型主箱1内左右两侧各焊有带孔透明隔板103，将模型主箱1划分为中间的试验区与两侧的水槽，用于通过观察水槽中水位判定水位高度；带孔透明隔板103 上覆盖一层细纱网防止水管进出水时被泥沙堵塞。

进一步的，泥沙收集装置2整体透明，为透明亚克力板胶接而成，用来模拟岩溶通道下的溶腔，可提供足够的空间收集漏沙，并且可以通过观察副箱中的漏沙情况判断试验进程；泥沙收集装置2侧壁焊有副箱水阀202，可用水管连接岩溶水位控制系统4，对岩溶水位进行调控；顶部设有排气阀201，可平衡泥沙收集装置2内外气压，使进出水顺畅。

进一步的，孔隙水位控制系统3由溢流箱301与电动升降台302组成，溢流箱301箱体由透明亚克力板胶接而成，顶部不设置箱板，溢流箱301内胶接一块低于溢流箱301高度的透明隔板3011，将水箱分割为两块区域，一区域侧壁设有供水口3014，供水口3014与外界供水系统相连，底部设有进水口3013，进水口3013与主箱水阀106之间以水管连接，当外界供水系统向溢流箱301供水，水位高于透明隔板3011高度时，水流将跃过隔板流向另一区域；另一区域侧壁设有排水口3012，多余水将从此处排出，以保持水位高度始终等于隔板顶部高度。

进一步的，溢流箱301下部为放置平台3021，放置平台3021焊接在电动升降台302顶部，电动升降台302可分为上下两节，截面为方形，内部中空，上节内截面大小与下节外截面相同，即上节与下节呈嵌套关系，下节内置直流变压式电机与高强度千斤顶螺杆，螺杆顶部与电动升降台302上节顶面相连，通电后，可通过电子控制面板的上升、停止、下降按键控制螺杆带动上节发生竖向运动，从而控制电动升降台302上方溢流箱301升降。

进一步的，岩溶开口阀门104与下方副箱间以橡皮管105相连，岩溶开口阀门104是由球阀阀体1041、球阀球体1042、球阀阀座1043与球阀阀杆1044 组成的O形球阀，O型球阀的球阀阀体1041上下为直径相等的通道，内部安装有中间空心的；球阀球体1042上下两侧各有一个环状的弹性体球阀阀座1043 来实现密封与固定，球体在阀座中转动；当球阀阀杆1044水平时通道被球体堵住，通过转动球阀阀杆1044对球体进行90°旋转，即改变通孔的方向，从而实现对球阀的开口大小的调整，流体得以顺利通过，其他阀门包括主箱水阀106、排气阀201和副箱水阀202等工作原理皆相同。

进一步的，泥沙收集装置2上部正中间设有一开口，直径与岩溶开口相同，设有一排气阀201，以保证进出水时气压平衡，水流通畅；一侧侧壁为可拆卸式，可分为内外两层：外层为透明亚克力箱板203，内层为橡胶隔水层204，侧壁四周打孔，可通过螺丝与箱体固定并密封，中间设有一副箱水阀202，可通过副箱水阀202开关控制岩溶水的进出。

本实用新型的工作原理是：用水管将岩溶开口阀门104与孔隙水位控制系统3、副箱水阀202与岩溶水位控制系统4分别相连，橡皮管105连接主箱岩溶开口阀门104与泥沙收集装置2；模型主箱1填土前，关闭所有阀门；填土结束后，打开排气阀201、主箱水阀106、副箱水阀202与岩溶开口阀门104；将两个岩溶水位控制系统4的电动升降台302遥控面板外接电源，调整电动升降台 302高度使其透明隔板3011顶部高度分别位于实验设定的初始孔隙水位与初始岩溶水位；供水口3014外接水源，待水充满泥沙收集装置2后，关闭排气阀201，持续加水至到达指定水位；通过调整岩溶水位控制系统4与孔隙水位控制系统3 的电动升降台302高度，使其二者之间形成水力梯度，当水力梯度变化时，上层水对下层水产生潜蚀力度也随之变化，试验时不断增大水力梯度等级，并且对每个等级进行重复试验，可通过观察每组试验的泥沙收集装置2的漏沙情况、地表沉降情况以及自行布设的监测仪器(如孔隙水压力监测、位移监测等)变化情况对覆盖型岩溶土洞发育情况进行判定；试验结束后，关闭外接水源与岩溶开口阀门104，使模型主箱1土体不再向下漏沙；将岩溶水位控制系统4高度调至最低，并将岩溶水位控制系统4的进水口3013处的水管拔下放水，并打开排气阀201，保证排水通畅，待模型主箱1与泥沙收集装置2中的水排尽后，关闭阀门主箱水阀106与副箱水阀202，对模型主箱1中已塌陷的土体进行逐层开挖，揭露最终塌陷坑形态，对所推断的试验过程进行进一步的判定与修正；进行实验装置的清理，首先挖除模型主箱1土体，打开岩溶开口阀门104，将剩余难以清除的土体用水流冲进泥沙收集装置2，拧下泥沙收集装置2上的透明亚克力箱板203的螺丝，打开泥沙收集装置2，对泥沙收集装置2进行清扫，清扫完成后，合上泥沙收集装置2的侧壁钢板102，将螺丝全部拧回。

以上所述的，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于研究水力梯度条件下覆盖型岩溶塌陷的三维实验装置，包括模型主箱(1)、泥沙收集装置(2)、孔隙水位控制系统(3)以及岩溶水位控制系统(4)，其特征在于：模型主箱(1)与泥沙收集装置(2)之间贯通连接有橡皮管(105)，模型主箱(1)与泥沙收集装置(2)分别通过水管连接孔隙水位控制系统(3)与岩溶水位控制系统(4)；孔隙水位控制系统(3)包括溢流箱(301)与电动升降台(302)，可用外置遥控器对电动升降台(302)高度进行调整。

2.根据权利要求1所述岩溶塌陷的三维实验装置，其特征在于：所述模型主箱(1)四面与底部焊接，前后两侧为透明亚克力板，保证塌陷过程的可视化；底部正中间开有圆孔，下方焊接有岩溶开口阀门(104)，岩溶开口阀门(104)通过旋转球阀阀杆(1044)调整开口大小以模拟岩溶通道与上覆地层接触处的岩溶开口变化过程；模型主箱(1)前后两侧为透明箱板(101)，模型主箱(1)左右两侧为侧壁钢板(102)，底部焊有主箱水阀(106)，用于水管连接供水系统控制给排水；模型主箱(1)有四个支脚，可支撑箱体离地面一定高度以给予副箱空间；模型主箱(1)内左右两侧各焊有带孔透明隔板(103)，将模型主箱(1)划分为中间的试验区与两侧的水槽，用于通过观察水槽中水位判定水位高度；带孔透明隔板(103)上覆盖一层细纱网防止水管进出水时被泥沙堵塞。

3.根据权利要求1所述岩溶塌陷的三维实验装置，其特征在于：所述泥沙收集装置(2)整体透明，为透明亚克力板胶接而成，用来模拟岩溶通道下的溶腔，可提供足够的空间收集漏沙和掉土，并且可以通过观察副箱中的漏沙掉土情况判断试验进程；泥沙收集装置(2)侧壁焊有副箱水阀(202)，可用水管连接岩溶水位控制系统(4)，对岩溶水位进行调控；顶部设有排气阀(201)，可平衡泥沙收集装置(2)内外气压，使进出水顺畅。

4.根据权利要求1所述岩溶塌陷的三维实验装置，其特征在于：所述孔隙水位控制系统(3)由溢流箱(301)与电动升降台(302)组成，溢流箱(301)箱体由透明亚克力板胶接而成，顶部不设置箱板，溢流箱(301)内胶接一块低于溢流箱(301)高度的透明隔板(3011)，将水箱分割为两块区域，一区域侧壁设有供水口(3014)，供水口(3014)与外界供水系统相连，底部设有进水口(3013)，进水口(3013)与主箱水阀(106)之间以水管连接，当外界供水系统向溢流箱(301)供水，水位高于透明隔板(3011)高度时，水流将跃过隔板流向另一区域；另一区域侧壁设有排水口(3012)，多余水将从此处排出，以保持水位高度始终等于隔板顶部高度。

5.根据权利要求4所述岩溶塌陷的三维实验装置，其特征在于：所述溢流箱(301)下部为放置平台(3021)，放置平台(3021)焊接在电动升降台(302)顶部，电动升降台(302)可分为上下两节，截面为方形，内部中空，上节内截面大小与下节外截面相同，即上节与下节呈嵌套关系，下节内置直流变压式电机与高强度千斤顶螺杆，螺杆顶部与电动升降台(302)上节顶面相连，通电后，可通过电子控制面板的上升、停止、下降按键控制螺杆带动上节发生竖向运动，从而控制电动升降台(302)上方溢流箱(301)升降。

6.根据权利要求2所述岩溶塌陷的三维实验装置，其特征在于：所述岩溶开口阀门(104)与下方副箱间以橡皮管(105)相连，岩溶开口阀门(104)是由球阀阀体(1041)、球阀球体(1042)、球阀阀座(1043)与球阀阀杆(1044)组成的O形球阀，O型球阀的球阀阀体(1041)上下为直径相等的通道，内部安装有中间空心的；球阀球体(1042)上下两侧各有一个环状的弹性体球阀阀座(1043)来实现密封与固定，球体在阀座中转动；当球阀阀杆(1044)水平时通道被球体堵住，通过转动球阀阀杆(1044)对球体进行90°旋转，即改变通孔的方向，从而实现对球阀的开口大小的调整，流体得以顺利通过，主箱水阀(106)、排气阀(201)和副箱水阀(202)的工作原理皆相同。

7.根据权利要求1所述岩溶塌陷的三维实验装置，其特征在于：所述泥沙收集装置(2)上部正中间设有一开口，直径与岩溶开口相同，设有一排气阀(201)，以保证进出水时气压平衡，水流通畅；一侧侧壁为可拆卸式，可分为内外两层：外层为透明亚克力箱板(203)，内层为橡胶隔水层(204)，侧壁四周打孔，可通过螺丝与箱体固定并密封，中间设有一副箱水阀(202)，可通过副箱水阀(202)开关控制岩溶水的进出。

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