[發明專利]模擬降雨及地下水滲流下隧道圍巖塌方的試驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201410602956.9
• 申請日: 2014-10-30
• 公開（公告）號: CN104330533A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發明（設計）人: 王迎超;李勇良;耿凡;靖洪文;李亞博
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00;G09B25/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

1.一種模擬降雨及地下水滲流下隧道圍巖塌方的試驗裝置，包括含水量量測系統（11）、數字照相非接觸量測系統，其特征在于：還包括方形的模型箱（1），模型箱（1）的四個角上設有帶玻璃插槽的立柱（12），模型箱（1）的四個面均為鋼化玻璃，正面的鋼化玻璃可拆卸，模型箱（1）周邊經螺栓固定，并設有保證不滲水、不漏水的橡膠密封條；模型箱（1）頂部設有人工降雨模擬系統（8），模型箱（1）上間隔設有多路用于模擬不同地下水滲流路徑的滲流水管（4），多路滲流水管（4）入水口處均設有控制閥（5），模型箱（1）的一側設有專門向模型箱（1）提供地下水供給系統；所述的模型箱（1）內充填有模擬隧道圍巖的流固耦合相似材料（19），在模擬隧道的圍巖層內及構建模擬的隧道截面（3）周圍布設多個傳感器（10）和光纖光柵位移計；所述的含水量量測系統（11）經支架（9）對稱設在模型箱（1）上部中心位置，所述的數字照相非接觸量測系統設在模型箱（1）的正前方。

2.如權利要求1所述的一種模擬降雨及地下水滲流下隧道圍巖塌方的試驗裝置，其特征在于：所述的地下水供給系統包括帶有刻度的玻璃水箱（18）、與玻璃水箱（18）相連的加壓泵（17），加壓泵（17）經管路與模型箱（1）入水口相連，進入模型箱（1）的管路上依次設有控制總流量的流量計（14）、調控流動速度的流速計（15）以及地下給水控制閥（13）。

3.如權利要求1所述的一種模擬降雨及地下水滲流下隧道圍巖塌方的試驗裝置，其特征在于：所述的人工降雨模擬系統（8）包括模擬降雨大小的多排輸水管（6），輸水管（6）上布有若干降雨噴頭（7），輸水管（6）上設有控制噴頭水量的開關閥，并設有流量調節閥和水壓表。

4.一種如權利要求1、2或3所述裝置的模擬降雨及地下水滲流下隧道圍巖塌方的試驗裝置，其特征在于，包括如下步驟：

a．根據要模擬的隧道工況，基于相似理論，計算相似比，確定模型箱正面鋼化玻璃上隧道斷面孔的形狀以及預留孔洞的尺寸；

b．將帶有預制的隧道斷面孔洞的正面鋼化玻璃安設在模型箱（1）上，并密封好；

c．按照預設的配比，配置流固耦合相似材料（19），并將其填充于模型箱體（1）內，在填充的過程中，在隧道截面（3）周邊及上部不同的位置間隔埋設多個壓力傳感器（10）和光纖光柵位移計；

模擬降雨條件下的隧道圍巖塌方情況時，將人工降雨模擬系統（8）安裝在模型箱頂部鋼架上，并安裝含水量測量系統（11）；

模擬地下水滲流條件下的隧道圍巖塌方情況時，向水箱注水，并將水箱、加壓泵、流量計、流速計連接至模型箱兩側的進水管，模擬地下水的滲流；

d．調節人工降雨系統（8）模擬不同雨型、雨量；或通過調節流量計，并選擇模型箱兩側滲流水管（4）進出水的方式來模擬不同地下水滲流路徑；利用數字照相非接觸量測系統捕捉降雨或地下水滲流條件下隧道圍巖的失穩破壞過程，通過高分辨率數碼相機定時連續采集試驗照片，然后運用圖像處理軟件進行圖片分析，實現降雨及地下水滲流條件下圍巖由無水到飽和過程中位移場的全場監測與分析；

e、通過在模型箱中預埋的壓力傳感器、光纖光柵位移計和含水量量測系統（11），測定降雨或地下水滲流過程中隧道圍巖應力、位移和含水量的變化情況，獲取隧道圍巖的應力場、位移場和滲流場的時空演化規律。

5.一種如權利要求4所述的模擬降雨及地下水滲流下隧道圍巖塌方的試驗裝置，其特征在于：通過控制模型箱（1）上兩側間隔設置的多路地下水滲流路徑滲流水管（4）不同位置的進水閥門和出水閥門，可實現不同地下水滲流路徑的模擬。