[發明專利]深埋水工隧洞滲透梯度模擬試驗系統和試驗方法

在審

• 申請號: 201811181666.6
• 申請日: 2018-10-11
• 公開（公告）號: CN109297880A
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發明（設計）人: 劉寧;張春生;單治鋼
• 申請（專利權）人: 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N3/12
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司 33100
• 代理人: 劉曉春

本發明提供了一種深埋水工隧洞滲透梯度模擬試驗系統和試驗方法，包括試驗鋼箱、模擬地應力加載系統、巖石模擬體；所述巖石模擬體被圍繞中心設置為多層，在巖石模擬體的層與層之間設置耐高壓的可充液體而膨脹的柔性管壁層，各層巖石模擬體與各層可充液體而膨脹的柔性管壁層連接形成整體，試驗鋼箱從立方體的六面包夾在巖石模擬體外；每層的巖石模擬體連接位移計和應變花。本發明提供了一種直接模擬滲透梯度的模型試驗系統和試驗方法，將外水壓力在圍巖中形成的滲透梯度真實反映在圍巖中，可以精準控制滲透梯度，避免了模型試驗無法施加外水壓力和無法模擬巖體裂隙網絡的技術缺陷，對評價隧洞在外水壓力作用下的滲透穩定提供了一個更加便捷的方法。

技術領域

本發明涉及深埋水工隧洞滲透梯度模擬試驗系統和試驗方法，屬于水利水電工程領域，尤其是處于高外水壓力作用下的深埋水工隧洞工程。

背景技術

水荷載是水工隧洞最主要的荷載，水工隧洞中的水荷載一般包括內水壓力和外水壓力兩部分。外水壓力是和有壓隧洞中的內水壓力相對而言的，而對無壓隧洞和剛建成未經使用的隧洞，一般不存在內水壓力。通常所稱的內水壓力是作用于隧洞內緣的面力，外水壓力則為作用于隧洞外緣的面力。嚴格地說，僅當襯砌不透水時，水對襯砌的作用力才是表面力。由于混凝土襯砌是透水的，因此水對襯砌的作用是滲流體積力。對于深埋隧洞，天然的地下水面線與隧洞軸線之間的高差很大，從而形成相對較大的外水荷載，將在圍巖中產生滲透梯度(單位滲透途徑上的水頭損失)。而為了保證隧洞的穩定，不僅要保證圍巖穩定，也要保證圍巖的滲透穩定，滲透穩定也是水工壓力隧洞需滿足三大設計準則之一。

目前對于滲透穩定的研究主要還是采用數值模擬的手段，但在數值模擬過程中由于單元尺度差異太大，對于裂隙網絡的模擬非常困難。而模型試驗已經被廣泛采用，用于研究地下洞室的穩定性，但也僅限于普通的地應力加載，無法考慮地下水作用產生的滲透梯度對隧洞穩定性的影響。

發明內容

本發明首先所要解決的技術問題是提供一種深埋水工隧洞滲透梯度模擬試驗系統。為此，本發明采用以下技術方案：

深埋水工隧洞滲透梯度模擬試驗系統，包括試驗鋼箱、模擬地應力加載系統、巖石模擬體；其特征在于：所述巖石模擬體被圍繞中心設置為多層，在巖石模擬體的層與層之間設置耐高壓的可充液體而膨脹的柔性管壁層，各層巖石模擬體與各層可充液體而膨脹的柔性管壁層連接形成整體，試驗鋼箱從立方體的六面包夾在巖石模擬體外；

最內層的巖石模擬體供開鑿模擬隧洞；每層的巖石模擬體連接位移計和應變花。

所述可充液體而膨脹的柔性管壁層優選采用硅膠管。

可充液體而膨脹的柔性管壁的抗壓下限5MPa，柔性管壁層的原始厚度為5mm-10mm。

模擬地應力加載系統可采用垂直施加于試驗鋼箱的千斤頂組和水平施加于試驗鋼箱的千斤頂組。

所述模擬試驗系統設置有油缸，可充液體而膨脹的柔性管壁層分別連接油缸。

本發明另一個所要解決的技術問題是提供了一種深埋水工隧洞滲透梯度模擬試驗方法，能夠準確、靈活地模擬外水壓力在圍巖中產生的各種滲透梯度。為此，本發明采用以下技術方案：

深埋水工隧洞滲透梯度模擬試驗方法，其特征在于：包括以下步驟：

(1)量測地應力和滲透力為零時應變花和位移計讀數的初始值；然后分步加載加載模擬地應力至模擬現場實際地應力大小；

(2)卸載，再重復步驟(1)，至加載模擬現場實際地應力時與不加載模擬地應力時，前后兩次實驗的應變花和位移計讀數的度數一致；

(3)在加載模擬現場實際地應力的條件下，在中心層巖石模擬體上開挖模擬隧洞；

(4)在加載模擬現場實際地應力的條件下，加滲透梯度力，對各層的可充液體而膨脹的柔性管壁層分別灌注相應壓力的液壓油；