CN219039039U - 冻融模拟隧道涌水突泥试验用模型箱 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种冻融模拟隧道涌水突泥试验用模型箱，包括模型箱体，所述模型箱体内设置有温度控制装置、隧道模型装置和岩溶水压装置，隧道模型装置包括围岩模型内的隧道模型和防突岩体模型，围岩模型采用泡沫轻质混凝土浇筑成型，隧道模型的预留隧道口位于模型箱体的壁上，防突岩体模型采用设计配合比的水‑沙‑石‑泥凝固块，岩溶水压装置包括开口箱，开口箱的开口邻接防突岩体模型，开口箱内可填充介质，所述填充介质可施加压力于防突岩体模型，温度控制装置用以控制防突岩体模型的强度。模型箱的整体结构简单、容易制作、操作方便，试验方法简便、经济、可重复。

Description

冻融模拟隧道涌水突泥试验用模型箱

技术领域

本实用新型涉及一种用于模拟隧道涌水突泥的模型箱。

背景技术

随着工程技术的发展，公路铁路工程中桥隧比越来越高，“逢山开路、遇水搭桥”已成为基础建设施工的常态。涌水突泥在岩溶隧道灾害中发生频率最高，占到所统计隧道的74.5%。隧道突水突泥灾害危害性大，轻者导致工期延误和经济损失，重者造成重大人员伤亡事件。此外，隧道突水突泥破坏地下水循环系统，引起地下水枯竭、地表水渗流、植被生态破坏等一系列问题也不容忽视。因此，在隧道工程建设中，要重视涌水突泥灾害的致灾机理，无论是工程前期勘测，还是工程实施阶段，都需要理清致灾环境的变化及其影响。隧道涌水突泥灾害具有极强的突发性，在工程室外环境中又常因视角受限、准备时间不足、涌水量大等因素而研究十分困难。室内模拟试验更易于复杂变量情况下隧道涌水突泥发生过程的机理和规律的研究。

近年来，国内已经开展了一些模拟隧道涌水突泥的试验模型的研究。如CN104807960A。上述试验模型设计中，涌水突泥的模拟材料在试验过程中强度不发生变化，材料的流动依靠高压水流及隔板控制，事实上不能完全模拟实际涌水突泥灾害发生过程中，局部材料强度会发生变化的过程。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种更真实地模拟隧道涌水突泥的模型箱。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：冻融模拟隧道涌水突泥试验用模型箱，包括模型箱体，所述模型箱体内设置有温度控制装置、隧道模型装置和岩溶水压装置，隧道模型装置包括围岩模型内的隧道模型和防突岩体模型，围岩模型采用泡沫轻质混凝土浇筑成型，隧道模型的预留隧道口位于模型箱体的壁上，防突岩体模型采用设计配合比的水-沙-石-泥凝固块，岩溶水压装置包括开口箱，开口箱的开口邻接防突岩体模型，开口箱内可填充介质，所述填充介质可施加压力于防突岩体模型。

上述隧道模型的断面形状、尺寸可根据实验设计进行变化，防突岩体模型的形状与隧道模型的断面形状相适配，防突岩体模型的厚度也可根据实验设计在很大范围内进行变化及完成相应的制作，最主要是的，防突岩体模型采用设计配合比的水-沙-石-泥凝固块，借助于温度控制装置，可以控制防突岩体模型的强度变化，利用水的凝结温度在低温状态下制作成型相应的防突岩体模型，其在试验中逐渐升温，水逐渐融化，凝固块的强度随之削弱，开口箱内填充的填充介质可从开口向隧道模型涌入，较为真实的模拟了防突岩体在涌水突泥过程中的变化，从而有可能得出更为准确的实验结论。

进一步的是，所述填充介质为水，开口箱通过水管与外部水源箱连接，外部水源箱位于可升降底座上，通过调节开口箱内填充介质体积或外部水源箱的高度改变填充介质施加压力于防突岩体模型的压力大小，从而以较低成本实现防突岩体模型所受压力的无级调节。

为方便观测防突岩体模型所受到的压力变化，所述开口箱与液压管连接，液压管设于开口箱内的管端设置有过滤网，可将压力参数直观的反馈于试验者，过滤网可防止管口堵塞而影响液压传导。

为方便模型箱体的温度控制，所述模型箱体内分层布置，底部设置有具有进、出水口的储水箱，储水箱顶部设下支撑板，下支撑板上为隧道模型装置和岩溶水压装置，围岩模型顶部设上支撑板，上支撑板以上空间作为降温装置安装空间。降温装置与储水箱作为温度控制装置使用：在置入防突岩体模型后而围岩模型成型前，利用降温装置使其模型箱体内温度低于零度，保持防突岩体模型的凝固状态，在围岩模型成型并向防突岩体模型加载设定压力后，向储水箱通入可流动的液态水，使其模型箱体内温度上升，模拟涌水突泥过程。通过降温装置保持模型制作过程中的较低温度，防止防突岩体模型中水分融化而发生软化；通过向储水箱通入冰水或热水等不同温度的水，实现温度的缓慢调控。上述设计便于模型的制作和控制，而且成本低。

因勿须精确控制零度以下温度，所述降温装置安装空间内安装有悬挂梁，悬挂梁上安装有与自增压液氮罐连通的蛇形冷凝管，利用液氮的流量来控制箱内温度，便捷易实现，且成本不高，悬挂梁可固定于模型箱体上，便于快捷安装降温装置。

所述储水箱内安装有温度传感器，温度传感器与控制终端连接，方便数据记录。

温度传感器有两个以上，均位于防突岩体模型下方并围绕防突岩体模型一周均匀分布。

本实用新型的有益效果是：模型箱的整体结构简单、容易制作、操作方便，试验方法简便、经济、可重复。

附图说明

图1是本实用新型冻融模拟隧道涌水突泥试验用模型箱的整体结构示意图。

图2是图1中蛇形冷凝管的安装示意图。

图中标记为：1-自增压液氮罐，2-第一截止阀，3-压力表，4-泄压阀，5-隔热板，6-悬挂梁，7-蛇形冷凝管，8-上支撑板，9-第二截止阀，10-真空泵，11-缓冲瓶，12-外部水源箱进水口，13-外部水源箱，14-外部水源箱出水口，15-闸阀，16-可升降底座，17-水管，18-模型箱体，19-隧道模型的预留隧道口，20-钢管，21-防突岩体模型，22-开口箱，23-填充介质，24-过滤网，25-液压管，26-储水箱进水口，27-立柱，28-温度传感器，29-下支撑板，30-储水箱出水口，31-控制终端，32-螺栓，33-围岩模型，34储水箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1、图2所示，本实用新型的冻融模拟隧道涌水突泥试验用模型箱包括透明的模型箱体18，模型箱体18内设置有温度控制装置、隧道模型装置和岩溶水压装置，隧道模型装置包括围岩模型33内的隧道模型和防突岩体模型21，围岩模型33采用泡沫轻质混凝土浇筑成型，隧道模型的预留隧道口19位于模型箱体18的壁上，模拟的涌水突泥由该隧道口19向外排出，方便观察和清理，防突岩体模型21采用设计配合比的水-沙-石-泥凝固块，结合模型箱体的温度控制，能实现涌水突泥过程中局部材料强度变化的模拟，更真实地模拟实际灾害发生状况，岩溶水压装置也位于围岩模型33内，岩溶水压装置包括开口箱22，开口箱22通过水管17与外部水源箱13连接，外部水源箱13位于可升降底座16上，开口箱22的开口邻接防突岩体模型21，开口箱22内可填充介质，由于开口箱22和隧道模型均被围岩模型33包住，所述填充介质23可施加压力于防突岩体模型21，方便调节所施加的压力。

温度控制装置结合不同尺寸、形状的设计配合比的水-沙-石-泥凝固块，更好地模拟了实际涌水突泥灾害发生情况下防突岩体会发生强度变化的情况，可模拟多种厚度、强度防突岩体条件下隧道发生涌水突泥的情况，模型制作方便，试验进程易控，并且便于观察。

实施例：

如图1、图2所示，冻融模拟隧道涌水突泥试验用模型箱，模型箱体18是通过亚克力板制作的透明可视箱体，透明试验模型箱的各个内侧面均设置有保温隔热层，且在需要的位置留有孔洞；模型箱体18内设置有温度控制装置、隧道模型装置和岩溶水压装置，隧道模型装置包括围岩模型33内的隧道模型和防突岩体模型21，隧道模型分为两部分，开挖段和未开挖段，其中开挖段采用钢管20作为衬砌支撑上部荷载，未开挖段即防突岩体模型21采用设计配合比的水-沙-石-泥凝固块，围岩模型33采用泡沫轻质混凝土浇筑成型，隧道模型的预留隧道口19位于模型箱体18的壁上，岩溶水压装置包括开口箱22，开口箱22的开口朝向防突岩体模型21，开口的外轮廓与防突岩体模型21邻接开口箱22一端的端面轮廓一致，开口箱18内部可填充介质从而向防突岩体模型21施加可调节压力。

温度控制装置由透明试验模型箱下部预留的储水箱34和上部预留空间内的降温装置组成，通过控制储水箱34内水体温度间接控制其上部结构的温度，储水箱34的底板为模型箱体18的底板，通过在若干等高的立柱27上放置一块钢板作为下支撑板29支撑上部隧道模型等的重量而形成，储水箱34设有一个储水箱进水口26和储水箱出水口30，立柱27在防突岩体模型21下方沿其周围布置，立柱27上安装有温度传感器28，多个温度传感器28均匀布置在防突岩体模型21下方的周围，并均与控制终端31信号连接。所述降温装置包括相互连接的自增压液氮罐1、控制阀、蛇形冷凝管7、缓冲瓶11和真空泵10等，用于降低所述试验模型箱内的温度，液氮管路上设有多个压力表3，分别用于观测自增压液氮罐1和蛇形冷凝管7内的氮气压力，以按需调节液氮控制阀，即第一截止阀2和第二截止阀9。所述蛇形冷凝管7按轴对称布置在其布置平面内，有利于均匀降温。

所述岩溶水压装置包括依次连接的外部水源箱13、止水阀15、水管17、开口箱22，用于向开口箱22注入一定量的水，以向防突岩体模型21提供设定的压力，所述外部水源箱13由可升降底座16支撑，可控制外部水源箱13所提供的水压，外部水源箱13设有一个进水口和出水口。液压管25与所述开口箱22的底部连接组成测压装置，通过读取液压管高度可测量开口箱底部水压，且在液压管25与开口箱22相连的端口处放置过滤网24，防止填充介质进入液压管25而堵塞液压管25。

防突岩体模型21是可具有不同配合比的水-沙-石-泥预制的柱状冰块，通过改变预制柱状冰块的形状、尺寸可研究不同断面形状和尺寸隧道可能受涌水突泥的变化情况，围岩模型33通过泡沫轻质混凝土浇筑成型，模拟防突岩体周围岩体，同时对柱状冰块起到保温隔热作用。

应用本实用新型模型箱进行试验的步骤如下。

步骤1：制作完成透明试验模型箱18，在内侧安装隔热板5，预制防突岩体模型21。

步骤2：安装降温装置，连接自增压液氮罐1、压力表3、第一截止阀2、蛇形冷凝管7、另一压力表3、缓冲瓶11、第二截止阀9和真空泵10。

步骤3：安装岩溶水压装置，连接外部水源箱13、止水阀15、水管17、开口箱22，外部水源箱13上同时安装外部水源箱进水口12、外部水源箱出水口14，外部水源箱13置于可升降底座16上以方便调节水压。

步骤4：安装测压装置，在开口箱22底部安装过滤网24和液压管25。

步骤5：安装立柱27及钢板作为下支撑板29，形成储水箱34，浇筑泡沫轻质混凝土至预留隧道口19处后，将防突岩体模型21、钢管20、安装完成的岩溶水压装置放到相应位置，迅速浇筑泡沫轻质混凝土形成围岩模型33，同时在围岩模型33内部提前预设位置放上若干温度传感器28并将各温度传感器28与外部终端31相连。

步骤6：浇筑完成后，在泡沫轻质混凝土上放置上支撑板8，将降温装置通过悬挂梁6安装于透明试验模型箱的顶板，然后固定顶板，立即开启降温装置，防止防突岩体模型21融化。同时通过储水箱进水口26向模型箱体18底部的储水箱34灌入冷水，降低透明试验模型箱内的温度。

步骤7：待混凝土凝固后，可进行涌水突泥模拟试验。

步骤8：通过控制降温装置、储水箱控制透明试验模型箱内的温度，间接控制防突岩体模型21的强度。通过储水箱进水口26向储水箱34灌入热水控制防突岩体模型21的强度，当防突岩体模型21强度降低到一定程度时，发生涌水突泥，同时可观测到填充介质23的变化情况，并采用高速摄影机记录。填充介质23可以是在模型制作过程中预置入开口箱22的冰块或通过外部水源箱13加入开口箱22的水。

由上可知，本实施例的模型箱采用分层式结构布置，底层主要用于升温控制，顶层用于降温控制，中间用于模型布置，可利用液氮汽化吸热和向储水箱34灌入冰水或热水，实现模型箱内的快速降温、升温，液氮价格便宜、容易获取、降温快速，低温水与高温水获取高效简单，属于清洁能源，可回收利用，无污染，试验过程中不会产生有害气体；箱体整体结构简单、容易制作、操作方便，试验方法简便、经济、可重复。

Claims (8)

1.冻融模拟隧道涌水突泥试验用模型箱，包括模型箱体（18），所述模型箱体（18）内设置有温度控制装置、隧道模型装置和岩溶水压装置，其特征是：隧道模型装置包括围岩模型（33）内的隧道模型和防突岩体模型（21），围岩模型（33）采用泡沫轻质混凝土浇筑成型，隧道模型的预留隧道口（19）位于模型箱体（18）的壁上，防突岩体模型（21）采用设计配合比的水-沙-石-泥凝固块，岩溶水压装置包括开口箱（22），开口箱（22）的开口邻接防突岩体模型（21），开口箱（22）内可填充介质，所述填充介质可施加压力于防突岩体模型（21）。

2.如权利要求1所述的冻融模拟隧道涌水突泥试验用模型箱，其特征是：所述填充介质为水，开口箱（22）通过水管（17）与外部水源箱（13）连接，外部水源箱（13）位于可升降底座（16）上。

3.如权利要求1所述的冻融模拟隧道涌水突泥试验用模型箱，其特征是：所述岩溶水压装置也位于围岩模型（33）内。

4.如权利要求3所述的冻融模拟隧道涌水突泥试验用模型箱，其特征是：所述开口箱（22）与液压管（25）连接，液压管（25）设于开口箱（22）内的管端设置有过滤网（24）。

5.如权利要求1、2、3或4所述的冻融模拟隧道涌水突泥试验用模型箱，其特征是：所述模型箱体（18）内分层布置，底部设置有具有进、出水口的储水箱（34），储水箱（34）顶部设下支撑板（29），下支撑板（29）上为隧道模型装置和岩溶水压装置，围岩模型（33）顶部设上支撑板（8），上支撑板（8）以上空间作为降温装置安装空间。

6.如权利要求5所述的冻融模拟隧道涌水突泥试验用模型箱，其特征是：所述降温装置安装空间内安装有悬挂梁（6），悬挂梁（6）上安装有与自增压液氮罐（1）连通的蛇形冷凝管（7）。

7.如权利要求5所述的冻融模拟隧道涌水突泥试验用模型箱，其特征是：所述储水箱（34）内安装有温度传感器（28），温度传感器（28）与控制终端（31）连接。

8.如权利要求7所述的冻融模拟隧道涌水突泥试验用模型箱，其特征是：所述温度传感器（28）有两个以上，均位于防突岩体模型（21）下方并围绕防突岩体模型（21）均匀分布。

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