模型试验中突水涌泥水力边界条件控制系统与方法
【专利摘要】一种模型试验中突水涌泥水力边界条件控制系统与方法，包括：控制水箱，所述控制水箱一侧通过进水管与水泵连接，所述水泵设置在外部集水箱中；所述控制水箱内部设置隔水板A和隔水板B，所述隔水板A和隔水板B将控制水箱依次分为El、E2、E3三个区；控制水箱E2区底部通过输水管与水压转换器连接，所述水压转换器放置在隧道进口端，隧道出口端下方设置采集装置，采集装置通过回流管A与外部集水箱连通；控制水箱E3区底部通过回流管B与外部水箱连接。本发明有益效果：本装置中的水可循环利用，节约水资源，采用高强度透明树脂材料制成，具有良好的可视性，水压转换器的设置可调节一定流量条件下,突水涌泥处的水压。
【专利说明】模型试验中突水涌泥水力边界条件控制系统与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种地质力学试验技术，尤其涉及一种模型试验中突水涌泥水力边界 条件控制系统与方法。
【背景技术】
[0002]隧道修建过程中面临着严重的突水涌泥等地质灾害风险，尤其是深埋隧道突水涌 泥灾害往往具有突发性、大流量、高水压等特点，灾害一旦发生，轻则淹没隧道、施工中断， 重则造成重大的人员伤亡和经济损失，甚至有些工程被迫停建或改线。国内外学者针对突 水涌泥灾害致灾机理及其灾变演化过程中位移场、应力场和渗流场的变化特征作了大量 理论与模型试验研究工作，而对于灾害发生后流体在隧道内的流动规律研究甚少，仅采用 ANSYS等有限元分析软件进行了数值模拟，在模型试验研究方面尚属空白。
[0003]如何真实的模拟隧道突水涌泥灾害的流速、流量及水压等边界条件，从而准确分 析流体在隧道内的流动规律，是开展此类模型试验中面临的主要技术问题之一。通过调研 分析发现，已有学者设计了适用于岩体含水层内部及上覆水体的水力边界条件控制系统， 而适用于突水涌泥灾害的水力边界条件（包括流速、流量、水压等）的控制系统和方法，国 内外未见相关报道。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为克服上述技术的不足，提供一种结构简单、操作简便、具有可视 性的适用于模型试验中突水涌泥水力边界条件控制系统与方法，以模拟隧道突水涌泥灾害 的流速、流量及水压等边界条件，从而真实再现隧道突水涌泥灾害，准确分析水力边界条件 对流体在隧道内流动规律的影响。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] 一种模型试验中突水涌泥水力边界条件控制系统，包括：控制水箱，所述控制水箱 一侧通过进水管与水泵连接，所述水泵设置在外部集水箱中；所述控制水箱内部设置隔水 板A和隔水板B,所述隔水板A和隔水板B将控制水箱依次分为El、E2、E3三个区；
[0007] 所述控制水箱E2区底部通过输水管与水压转换器连接，所述水压转换器放置在 隧道进口端，隧道出口端下方设置采集装置，采集装置通过回流管A与外部集水箱连通；
[0008] 所述控制水箱E3区底部通过回流管B与外部水箱连接。
[0009] 所述进水管上靠近控制水箱位置处设有阀门A，所述进水管上还安装有流量计。 [0010] 所述输水管两端分别设有阀门B和阀门C，并在靠近隧道进口端位置处设置流速 计。
[0011] 所述的回流管B上设有一阀门D。
[0012] 所述水压转换器包括：水压转换器进水管口、转换装置以及若干不同管径的水压 转换器出水管口，所述若干水压转换器出水管口通过转换装置分别与水压转换器进水管口 连通。
[0013]所述的控制水箱内水流具有单向流动性，即水流可依次流过E1、E2、E3区。
[0014]所述隔水板B高度可调，通过调节隔水板B高度调节E2区的最大储水量。
[0015]所述控制水箱和隧道均采用高强度透明树脂材料制成，具有可视性。
[0016] 一种模型试验中突水涌泥水力边界条件控制系统的方法，其特征是，包括以下步 骤：
[0017] A.根据试验要求的静储量Q。调节隔水板B的高度h，使得控制水箱E2区的最大 储水量满足Q。二lbh，其中，1为控制水箱净长，b为E2区净宽；
[0018] B.将控制水箱放置到距隧道设定高度的水平面上，打开进水管上的阀门A、输水 管上的阀门B和回流管B上的阀门D，关闭输水管上的阀门C ;
[0019] 〇_启动外部集水箱中的水泵，使水经进水管依次流入控制水箱的以、似、旧区，直 至E2区内储水量达到最大值Q。，E3区的水经回流管B流入外部集水箱中；
[0020] D·依次关闭外部集水箱中的水泵和进水管上的阀门A，打开输水管上的阀门C，并 记录输水管上流速计的初始读数；
[0021] E·根据流速计初始读数与试验要求初始水流速度％的关系，调节控制水箱距隧道 的高度，重复步骤B-D，直至流速计初始读数等于v。；
[0022] F.根据试验要求的初始水压力值Pq选择水压转换器中的流水管道，使得水压转换 器出口端的流速和水压均满足试验要求；
[0023] G·重复步骤B-C，根据水源补给条件Λ Q调节外部集水箱中水泵功率，使得进水管 上的流量计的读数q满足下述条件：
[0024] ①无水源补给时：关闭水泵和进水管上阀门A ;
[0025] ②有水源补给时：流量计的读数q满足q Q ;
[0026] Η·参数调整完毕。
[0027] 本发明有益效果：
[0028] 1、本装置中的水可循环利用，节约水资源。
[0029] 2、本装置采用高强度透明树脂材料制成，具有良好的可视性。
[0030] 3、水压转换器的设置可调节一定流量条件下突水涌泥处的水压。
[0031 ] 4、控制水箱的设置，可模拟不同静储量条件下的突水涌泥模型试验。
[0032] 5、本装置可模拟静储量一定，补给水源不同条件下（无补给水源、少量补给水源、 补给水源充足）的突水涌泥模型试验。
【专利附图】
【附图说明】：
[0033]图1是本发明结构示意图；
[0034]图2是水压转换器结构示意图。
[0035]其中，上控制水箱，2.进水管，3·水栗，4.外部集水箱，；5·输水管，6.水压转换 器，7.隧道，8·米集装置，9.回流管Α，10.回流管Β，11.隔水板Α, 12.隔水板Β，13.阀门Α， 14·流量计，I5·阀门B，ie.阀门C，17_流速计，18.阀门 d，19.水压转换器进水管口，20.转 换装置，21.水压转换器出水管口。
【具体实施方式】：
[0036] 下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的说明。
[0037]模型试验中突水涌泥水力边界条件控制系统如图1所示，包括控制水箱丨，控制水 箱1左侧通过一进水管2与水泵3连接，水栗3放置在外部集水箱4中，控制水箱1底部中 心通过一输水管5与水压转换器6连接，水压转换器6放置在隧道7进口端，隧道7出口端 下方放置一采集装置8,采集装置 8通过回流管A 9与外部集水箱4相通；控制水箱1右下 方通过回流管B 10与外部水箱4连接。
[0038] 控制水箱1被隔水板A 11和隔水板B 12分为三个区：E1、E2、E3。
[0039] 控制水箱1内水流具有单向流动性，可依次流过E1、E2、E3区。通过合理设置隔水 板All和隔水板B12的高度，使得E1区域水满后流入E2区；E2区水满后流入E3区，而不 会倒流入E1区。
[0040] 隔水板B 12高度具有可调性，从而调节E2区的最大静储水量。水源补给条件通 过调节进水管流量控制，无水源补给时，进水管关闭；少量水源补给时，调整进水管流量计 读数；补给水源充足时，加大进水管流量，保证E2区满水。
[0041] 控制水箱1采用高强度透明树脂材料制成，具有可视性，可以方便直观的观察控 制水箱内水量情况；隧道7采用高强度透明树脂材料制成，具有可视性，可以方便观察水进 入隧道后的流动情况。
[0042] 进水管2上设有一阀门A 13,并安装有一个流量计14。输水管5上两端设有阀门 B 15和阀门C 16,并安有一流速计17。回流管B 10上设有一阀门D 18。流量计为了控制 水源补给条件；流速计是为了控制水进入隧道时刻的流速、流量、压力。
[0043] 所述水压转换器6包括：水压转换器进水管口 19、转换装置20以及若干不同管径 的水压转换器出水管口 21，所述若干水压转换器出水管口 21通过转换装置20分别与水压 转换器进水管口 19连通。水压转换器进水管口 19与输水管5连通，水压转换器出水管口 21与燧道7连通。
[0044] 应用上述控制系统实现模型试验中突水涌泥水力边界条件的控制，包括以下步 骤：
[0045] A.根据试验要求的静储量％调节隔水板B 12的高度h，使得控制水箱1 E2区的 最大储水量满足Q〇 = lbh (1为控制水箱净长；b为E2区净宽）；
[0046] B.将控制水箱1放置到距隧道7 -定高度的水平面上，打开进水管2上的阀门A 13、输水管5上的阀门B 15和回流管B 10上的阀门D 18,关闭输水管5上的阀门C 16; [0047] C.启动外部集水箱4中的水泵3,使水经进水管2依次流入控制水箱1的E1、E2、 E3区，直至E2区内储水量达到最大值Q，E3区的水经回流管B 10流入外部集水箱4中； [0048] D.依次关闭外部集水箱4中的水栗3和进水管2上的阀门A 13,打开输水管5上 的阀门C 16,并读取输水管5上流速计17的初始读数；
[0049] E.根据流速计17初始读数与试验要求初始水流速度V。的关系，调节控制水箱1 距隧道7的高度，重复步骤B-D，直至流速计17初始读数等于V。；
[0050] F.根据试验要求的初始水压力值p。选择水压转换器6中的流水管道，使得水压转 换器6出口端的流速和水压均满足试验要求；
[0051] G.重复步骤B-C，根据水源补给条件Λ Q调节外部集水箱4中水泵3功率，使得进 水管2上的流量计14的读数q满足下述条件：
[0052]①无水源补给时：关闭水泵3和进水管2上阀门A 13 ;关闭水泵3和阀门A13后， 进水管2中没有水，也就没有读数了。
[0053] ②有水源补给时：流量计14的读数q满足Q = A Q。
[0054] 水源补给条件是指单位时间内流入E2区域的水量，这是进行实验前需要设定的 参数之一。
[0055] H.打开输水管5上的阀门c 16,进行隧道突水涌泥模型试验，观测水流在隧道7 内的流动规律，自隧道7出口端留出的水经采集装置8和回流管A 9入外部集水箱4中循 环利用。
[0056]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1. 一种模型试验中突水涌泥水力边界条件控制系统，包括：控制水箱，所述控制水箱 一侧通过进水管与水栗连接，所述水泵设置在外部集水箱中；所述控制水箱内部设置隔水 板A和隔水板B，所述隔水板A和隔水板B将控制水箱依次分为El、E2、E3三个区； 所述控制水箱E2区底部通过输水管与水压转换器连接，所述水压转换器放置在隧道 进口端，隧道出口端下方设置采集装置，采集装置通过回流管A与外部集水箱连通； 所述控制水箱E3区底部通过回流管B与外部水箱连接。
2. 如权利要求1所述的一种模型试验中突水涌泥水力边界条件控制系统，其特征是， 所述进水管上靠近控制水箱位置处设有阀门A，所述进水管上还安装有流量计。
3. 如权利要求1所述的一种模型试验中突水涌泥水力边界条件控制系统，其特征是， 所述输水管两端分别设有阀门B和阀门C，并在靠近隧道进口端位置处设置流速计。
4. 如权利要求1所述的一种模型试验中突水涌泥水力边界条件控制系统，其特征是， 所述的回流管B上设有一阀门D。
5·如权利要求1所述的一种模型试验中突水涌泥水力边界条件控制系统，其特征是， 所述水压转换器包括：水压转换器进水管口、转换装置以及若干不同管径的水压转换器出 水管口，所述若干水压转换器出水管口通过转换装置分别与水压转换器进水管口连通。
6·如权利要求1所述的一种模型试验中突水涌泥水力边界条件控制系统，其特征是， 所述的控制水箱内水流具有单向流动性，即水流可依次流过El、E2、E3区。
7·如权利要求1所述的一种模型试验中突水涌泥水力边界条件控制系统，其特征是， 所述隔水板B高度可调，通过调节隔水板B高度调节E2区的最大储水量。
8·如权利要求1所述的一种模型试验中突水涌泥水力边界条件控制系统，其特征是， 所述控制水箱和隧道均采用高强度透明树脂材料制成，具有可视性。
9· 一种如权利要求1所述的模型试验中突水涌泥水力边界条件控制系统的方法，其特 征是，包括以下步骤： A. 根据试验要求的静储量％调节隔水板B的高度h，使得控制水箱E2区的最大储水 量满足Q。= lbh，其中，1为控制水箱净长，b为E2区净宽； B. 将控制水箱放置到距隧道设定高度的水平面上，打开进水管上的阀门A、输水管上 的阀门B和回流管B上的阀门D，关闭输水管上的阀门C ; C. 启动外部集水箱中的水泵，使水经进水管依次流入控制水箱的El、E2、E3区，直至E2 区内储水量达到最大值Q。，E3区的水经回流管B流入外部集水箱中； D. 依次关闭外部集水箱中的水泵和进水管上的阀门A，打开输水管上的阀门C，并记录 输水管上流速计的初始读数； E. 根据流速计初始读数与试验要求初始水流速度V()的关系，调节控制水箱距隧道的高 度，重复步骤B-D，直至流速计初始读数等于v。； F. 根据试验要求的初始水压力值p。选择水压转换器中的流水管道，使得水压转换器出 口端的流速和水压均满足试验要求； G·重复步骤B-C，根据水源补给条件Λ Q调节外部集水箱中水栗功率，使得进水管上的 流量计的读数q满足下述条件： ① 无水源补给时：关闭水栗和进水管上阀门A，流量计无读数； ② 有水源补给时：流量计的读数q满足q =Λ Q ; Η.参数调整完毕。
【文档编号】G01M10/00GK104215424SQ201410415950
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月22日 优先权日:2014年8月22日
【发明者】周宗青, 陈迪杨, 李术才, 李利平, 石少帅, 袁永才, 雷霆, 王升 申请人:山东大学