[發(fā)明專利]模擬降雨及地下水滲流下隧道圍巖塌方的試驗(yàn)裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410602956.9
• 申請(qǐng)日: 2014-10-30
• 公開（公告）號(hào): CN104330533A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王迎超;李勇良;耿凡;靖洪文;李亞博
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國礦業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N33/00
• 分類號(hào): G01N33/00;G09B25/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種隧道模型試驗(yàn)裝置及方法，尤其是一種適用于模擬地表水和地下水滲流作用下的多功能隧道模型試驗(yàn)裝置及方法，屬于隧道工程地質(zhì)災(zāi)害模型試驗(yàn)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著我國交通建設(shè)的蓬勃發(fā)展，隧道的增長速度越來越快，建設(shè)規(guī)模越來越大。隧道的建設(shè)中有“十隧九漏”之說，在長期的地下水作用下，隧道圍巖易發(fā)生較大變形甚至失穩(wěn)破壞。由于隧道的開挖本身可能形成一個(gè)集水走廊，同時(shí)會(huì)引起圍巖應(yīng)力重分布，導(dǎo)致圍巖滲透系數(shù)增大，從而增大了地層中地下水對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。

隧道是一個(gè)長條形地下建筑物，沿線工程地質(zhì)條件復(fù)雜，經(jīng)常要在富水地段或雨季修建隧道，而水對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性具有不利影響，因此，開展降雨和地下水滲流作用下隧道圍巖變形破壞機(jī)理的研究是很有必要的。目前關(guān)于定量研究地表水或地下水對(duì)破碎圍巖力學(xué)行為的研究鮮見報(bào)道，特別是開展降雨和地下水滲流的隧道模型試驗(yàn)尚不多見，對(duì)于不同降雨型式、不同地下水滲流路徑等條件下的隧道變形破壞研究，缺乏合理的解釋和分析的模型試驗(yàn)裝置。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種結(jié)構(gòu)及方法簡單、能模擬降雨及地下水滲流下隧道圍巖塌方的試驗(yàn)裝置及方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明的模擬降雨及地下水滲流下隧道圍巖塌方的試驗(yàn)裝置，包括含水量量測(cè)系統(tǒng)、數(shù)字照相非接觸量測(cè)系統(tǒng)，還包括方形的模型箱，模型箱的四個(gè)角上設(shè)有帶玻璃插槽的立柱，模型箱的四個(gè)面均為鋼化玻璃，正面的鋼化玻璃可拆卸，模型箱周邊經(jīng)螺栓固定，并設(shè)有保證不滲水、不漏水的橡膠密封條；模型箱頂部設(shè)有人工降雨模擬系統(tǒng)，模型箱上間隔設(shè)有多路用于模擬不同地下水滲流路徑的滲流水管，多路滲流水管入水口處均設(shè)有控制閥，模型箱的一側(cè)設(shè)有專門向模型箱下部提供地下水供給系統(tǒng)；所述的模型箱內(nèi)充填有模擬隧道圍巖、構(gòu)建模擬隧道的流固耦合相似材料，在模擬隧道的圍巖層內(nèi)及構(gòu)建模擬的隧道截面周圍布設(shè)多個(gè)傳感器和光纖光柵位移計(jì)；所述的含水量量測(cè)系統(tǒng)經(jīng)支架對(duì)稱設(shè)在模型箱上部中心位置，所述的數(shù)字照相非接觸量測(cè)系統(tǒng)設(shè)在模型箱的正前方。

所述的地下水供給系統(tǒng)包括帶有刻度的玻璃水箱、與玻璃水箱相連的加壓泵，加壓泵經(jīng)管路與模型箱下部入水口相連，進(jìn)入模型箱的管路上依次設(shè)有控制總流量流量計(jì)、調(diào)控流動(dòng)速度的流速計(jì)以及地下給水控制閥。

所述的人工降雨模擬系統(tǒng)包括模擬降雨大小的多排輸水管，輸水管上布有若干降雨噴頭，輸水管上設(shè)有控制噴頭水量的開關(guān)閥，并設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥和水壓表。

使用上述裝置的模擬降雨及地下水滲流下隧道圍巖塌方的試驗(yàn)方法，包括如下步驟：

a.根據(jù)要模擬的隧道工況，基于相似理論，計(jì)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(yù)留孔洞的尺寸；

b.將帶有預(yù)制的隧道斷面孔洞的正面鋼化玻璃安設(shè)在模型箱上，并密封好；

c.按照預(yù)設(shè)的配比，配置流固耦合相似材料，并將其填充于模型箱體內(nèi)，在填充的過程中，在隧道截面周邊及上部不同的位置間隔埋設(shè)多個(gè)壓力傳感器和光纖光柵位移計(jì)；

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

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

d.調(diào)節(jié)人工降雨系統(tǒng)模擬不同雨型、雨量；或通過調(diào)節(jié)流量計(jì)，并選擇模型箱兩側(cè)滲流水管進(jìn)出水的方式來模擬不同地下水滲流路徑；利用數(shù)字照相非接觸量測(cè)系統(tǒng)捕捉降雨或地下水滲流條件下隧道圍巖的失穩(wěn)破壞過程，通過高分辨率數(shù)碼相機(jī)定時(shí)連續(xù)采集試驗(yàn)照片，然后運(yùn)用圖像處理軟件進(jìn)行圖片分析，實(shí)現(xiàn)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(jiān)測(cè)與分析；

e、通過在模型箱中預(yù)埋的壓力傳感器、光纖光柵位移計(jì)和含水量量測(cè)系統(tǒng)，測(cè)定降雨或地下水滲流過程中隧道圍巖應(yīng)力、位移和含水量的變化情況，獲取隧道圍巖的應(yīng)力場、位移場和滲流場的時(shí)空演化規(guī)律。

本發(fā)明通過控制模型箱上兩側(cè)間隔設(shè)置的多路地下水滲流路徑滲流水管不同位置的進(jìn)水閥門和出水閥門，可實(shí)現(xiàn)不同地下水滲流路徑的模擬。