一种覆盖型岩溶区水动力致塌灾变演化模拟试验装置的制作方法

本发明涉及地质灾害防治领域，尤其涉及一种覆盖型岩溶区水动力致塌灾变演化模拟试验装置。

背景技术：

岩溶塌陷是覆盖型岩溶区最为普遍的地质灾害问题之一。由于覆盖型岩溶塌陷具有突发性、空间隐蔽性、影响因素多样性以及致塌机制复杂性等显著特点，使得复杂环境条件下的岩溶塌陷机理研究问题一直是地球科学领域的前沿。

目前国内外针对岩溶塌陷机理问题的研究还处于定性或半定量评价阶段，定量化计算如数值模拟模型也是在很多假设前提下的研究，普遍缺乏可以在室内完整呈现野外地质结构特征的高仿真度物理模型，且对于致塌机理的探究，试验过程中需严格坚持控制变量原则，在频繁改变单一影响因素的试验条件下，进行多组重复性试验，当前的室内模型试验平台一旦建成，改变试验条件困难且试验周期长、花费也大，这些因素都或多或少制约了物理模型试验研究的进一步发展。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种适用于复杂水动力条件下覆盖型岩溶塌陷形成过程的室内模拟试验研究，直观地研究覆盖型岩溶水动力致塌过程规律的覆盖型岩溶区水动力致塌灾变演化模拟试验装置。

本发明的实施例提供一种覆盖型岩溶区水动力致塌灾变演化模拟试验装置，所述覆盖型岩溶区水动力致塌灾变演化模拟试验装置包括主体试验系统、水位及降雨控制系统和监测监视系统，所述主体试验系统包括主体土箱和设置于所述主体土箱下方的岩溶漏斗空箱，所述主体土箱装入土体样本以模拟潜水含水层地质结构，所述岩溶漏斗空箱装入土体样本模拟承压含水层地质结构，所述水位及降雨控制系统通过对主体土箱供水、变换水位、降雨等手段模拟潜水含水层水位变化，所述水位及降雨控制系统通过对岩溶漏斗空箱供水和控制水位的手段模拟承压含水层水位变化，所述监测监视系统读取和保存所述主体土箱中的土体样本和所述岩溶漏斗空箱中的土体样本在不同水位和不同降雨条件下孔隙水压力、应力、应变等的变化情况。

进一步地，所述主体土箱包括角钢、底板、侧壁、左部、右部和中部，所述角钢设在主体土箱四角，所述底板是钢板，所述侧壁是钢化玻璃，所述角钢与底板焊接，所述侧壁被固定在角钢与底板之间，所述底板上固定有左隔挡和右隔挡，所述左隔挡和右隔挡分割主体土箱的内部空间，所述左隔挡和右隔挡之间是中部，所述左隔档和左侧壁之间左部，所述右隔挡和右侧壁之间是右部，所述左隔挡和右隔挡是带有细孔的有机玻璃，所述中部中装入土体样本以模拟潜水含水层地质结构，所述左隔挡和右隔挡将土体样本限制在中部中，所述水位及降雨控制系统向左部和右部供水，所述左部和右部向中部供水。

进一步地，所述底板中间位置设有开口，所述开口是固定尺寸方形开口，所述开口下焊接有第一法兰盘，所述第一法兰盘形状大小于与所述开口相适配，所述第一法兰盘是钢板制成的方形法兰盘，所述岩溶漏斗空箱包括设在顶部的第二法兰盘、设在底部的第三法兰盘和底板，所述第二法兰盘与第一法兰盘相适配，所述岩溶漏斗空箱上端通过第二法兰盘与第一法兰盘连接，所述第二法兰盘和第一法兰盘之间通过止水橡胶垫止水，所述底板与与第三法兰盘尺寸相适配，所述第三法兰盘连接底板和岩溶漏斗空箱下端，所述底板和岩溶漏斗空箱之间通过止水橡胶垫止水，所述岩溶漏斗空箱中装入土体样本用于模拟承压含水层地质结构，所述岩溶漏斗空箱左右两侧分别设置有左有机玻璃水箱和右有机玻璃水箱，所述左有机玻璃水箱和右有机玻璃水箱用于向岩溶漏斗空箱均匀供水。

进一步地，所述岩溶漏斗空箱采用透明的有机玻璃制成。

进一步地，所述水位及降雨控制系统包括左水位控制箱、右控制箱、左水位升降平台和右水位升降平台，所述左水位升降平台和右水位升降平台分别固定在主体土箱左右两侧的地面上，所述左水位控制箱可移动地固定在左水位升降平台上，所述左水位控制箱可沿左水位升降平台上下移动，所述右控制箱固定在右水位升降平台，所述右控制箱可沿右水位升降平台上下移动。

进一步地，所述左水位控制箱设有左进水管、左出水管和左溢水管，所述左进水管将水从水源输送到左水位控制箱，所述左出水管连接左部底部和左水位控制箱，所述左出水管将左水位控制箱中的水输送至左部，直至达到预设水位，所述左水位控制箱中多余的水由左溢水管输出，所述右水位控制箱设有右进水管、右出水管和右溢水管，所述右进水管水从水源输送到右水位控制箱，所述右出水管连接右部底部和右水位控制箱，所述右出水管将右水位控制箱的水送至右部，所述右溢水管将右水位控制箱中多余的水输出，所述左水位升降系统通过改变左水位控制箱的上下位置，使主体土箱中水位降低或上升，所述右水位升降系统通过改变右水位控制箱的上下位置，使主体土箱中水位降低或上升，从而模拟潜水含水层水位的变化。

进一步地，所述水位及降雨控制系统还包括水槽、恒压变频水泵、自来水管、下进水管、下出水管、第一分水管和第二分水管，所述自来水管向水槽输送水，所述恒压变频水泵通过下进水管将水槽中的水向下出水管输出，所述下出水管一端连接恒压变频水泵，另一端同时与第一分水管、第二分水管连接，所述第一分水管一端连接下出水管，另一端连接左水箱，所述第一分水管与下进水管连接的一端设有第一阀门，所述第一阀门用于控制第一分水管里的水流量，所述第一分水管与左水箱连接的另一端设有第一显示液位变送器，所述第一显示液位变送器用于左水箱中水位的测量和控制，所述第二分水管一端连接下出水管，另一端连接右水箱，所述第二分水管与连接的一端设有第二阀门，所述第二阀门用于控制第二分水管里的水流量，所述第二分水管与右水箱连接的另一端设有第二显示液位变送器，所述第二显示液位变送器用于右水箱中水位的测量和控制，所述第一分水管向左有机玻璃水箱供水，所述第一阀门和左显示液位变送器一起控制左有机玻璃水箱的水位，所述第二分水管向右有机玻璃水箱供水，所述第二阀门和右显示液位变送器一起控制控制右有机玻璃水箱的水位，所述左有机玻璃水箱和右有机玻璃水箱向岩溶漏斗空箱供水并控制岩溶漏斗空箱的水位变化，从而模拟承压含水层水位的变化。

进一步地，所述水位及降雨控制系统还包括第三分水管，所述第三分水管一端连接下出水管，另一端固定在主体土箱正上方，所述第三分水管固定在主体土箱正上方的一端设有多个喷雾器，多个所述喷雾器用于模拟人工降雨，所述第三分水管与下出水管连接的一端设有流量阀，所述流量阀通过控制第三分水管内的水流量的控制喷雾器的降雨强度，所述流量阀上的读数用于记录降雨量，所述第三分水管向喷雾器供水，所述流量阀调节第三分水管向喷雾器的供水量，以模拟不同程度的降雨情况。

进一步地，所述监测监视系统包括摄像头和电脑，所述摄像头设置于所述主体试验系统的正前方，所述摄像头与电脑连接，所述摄像头透过所述侧壁观察并记录所述主体土箱和岩溶漏斗空箱里的土体样本在不同水位以及不同降雨情况下的位移情况，所述电脑读取和保存所述摄像头记录的情况。

进一步地，所述监测监视系统还包括孔隙水压力传感器、土压力传感器和数采装置，所述孔隙水压力传感器用于孔隙水压监测，所述土压力传感器用于土压力监测，所述数采装置有多个，多个所述数采装置一端连接孔隙水压力传感器或土压力传感器，另一端连接电脑，所述数采装置采集孔隙水压力传感器或土压力传感器的数据，并将采集的数据发送给电脑，电脑读取和保存数采装置采集的数据。

本发明是一种盖型岩溶区水动力致塌演化模拟试验装置，完整呈现了覆盖型岩溶区野外地质结构特征以及致塌影响因素加载效应，更改水位变化、降雨变化等实验条件时操作简单，可进行多组重复性试验，实验装置结构直观，适用于复杂水动力条件下覆盖型岩溶塌陷演化全过程的模拟及其灾变机理研究。

附图说明

图1是本发明一种覆盖型岩溶区水动力致塌灾变演化模拟试验装置的一示意图。

图2是本发明一种覆盖型岩溶区水动力致塌灾变演化模拟试验装置的另一示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1和图2，本发明提供的一种覆盖型岩溶区水动力致塌灾变演化模拟试验装置的实施例示意图，所述一种覆盖型岩溶区水动力致塌灾变演化模拟试验装置包括主体试验系统1、水位及降雨控制系统2和监测监视系统4。

所述主体试验系统1包括主体土箱1-1和设置于所述主体土箱1-1下方的岩溶漏斗空箱1-2，所述主体土箱1-1包括角钢1-5、底板1-6、侧壁(图未示)、左部1-1a、右部1-1b和中部1-1c，所述角钢1-5设在主体土箱1-1四角，所述底板1-6是钢板，所述侧壁是透明钢化玻璃，所述角钢1-5与底板1-6焊接，所述侧壁被固定在角钢1-5与底板1-6之间，所述底板1-6上固定有左隔挡1-3a和右隔挡1-3b，所述左隔挡1-3a和右隔挡1-3b分割主体土箱1-1的内部空间，所述左隔挡1-3a和右隔挡1-3b之间是中部1-1c，所述左隔档1-3a和左侧壁之间是左部1-1a，所述右隔挡1-3b和右侧壁之间是右部1-1b，所述左隔挡1-3a和右隔挡1-3b是带有细孔的有机玻璃，所述中部1-1c中装入土体样本以模拟潜水含水层地质结构，所述左隔挡1-3a和右隔挡1-3b将土体样本限制在中部1-1c中，所述左部1-1a和右部1-1b成为空腔，用于装水而向中部1-1c供水。

所述底板1-6中间位置设有开口1-7，所述开口1-7是固定尺寸的方形开口，所述开口1-7下焊接有第一法兰盘1-8，所述第一法兰盘1-8形状大小于与所述开口1-7相适配，所述第一法兰盘1-8是钢板制成的方形法兰盘。

所述岩溶漏斗空箱1-2包括设在顶部的第二法兰盘1-10a、设在底部的第三法兰盘1-10b和底板1-11，所述第二法兰盘1-10a与第一法兰盘1-8相适配，所述岩溶漏斗空箱1-2上端通过第二法兰盘1-10a与第一法兰盘1-8连接，所述第二法兰盘1-10a和第一法兰盘1-8之间通过止水橡胶垫止水，所述底板1-11与与第三法兰盘1-10b尺寸相适配，所述第三法兰盘1-10b连接底板1-11和岩溶漏斗空箱1-2下端，所述底板1-11和岩溶漏斗空箱1-2之间通过止水橡胶垫止水。

所述岩溶漏斗空箱1-2的侧壁、第二法兰盘1-10a、底板1-11和第三法兰盘1-10b均是透明有机玻璃板制成。

所述岩溶漏斗空箱1-2中装入土体样本用于模拟承压含水层地质结构，所述岩溶漏斗空箱1-2左右两侧分别设置有左有机玻璃水箱1-9a和右有机玻璃水箱1-9b，所述左有机玻璃水箱1-9a和右有机玻璃水箱1-9b用于向岩溶漏斗空箱1-2均匀供水，以模拟承压含水层水位变化情况。

所述主体土箱1-1和所述岩溶漏斗空箱1-2的侧壁均采用的玻璃都是透明玻璃，便于所述监测监视系统4观察主体土箱1-1和岩溶漏斗空箱1-2内模拟情况。

所述水位及降雨控制系统2包括水槽2-2b、恒压变频水泵2-2a、自来水管2-10、下进水管2-9、下出水管2-11、左水位控制箱2-1a、右控制箱2-1b、左水位升降平台2-5a、右水位升降平台2-5b、第一分水管3-3a、第二分水管3-3b和第三分水管3-3c，所述左水位升降平台2-5a和右水位升降平台2-5b分别固定在主体土箱1-1左右两侧的地面上，所述左水位控制箱2-1a可移动地固定在左水位升降平台2-5a上，所述左水位控制箱2-1a可沿左水位升降平台2-5a上下移动，所述左水位控制箱2-1a设有左进水管2-6a、左出水管2-7a和左溢水管2-8a，所述左进水管2-6a将水从水源(图未示)输送到左水位控制箱2-1a，所述左出水管2-7a连接左部1-1a底部和左水位控制箱2-1a，所述左出水管2-7a将左水位控制箱2-1a中的水输送至左部1-1a，直至达到预设水位，所述左水位控制箱2-1a中多余的水由左溢水管2-8a输出。

所述右控制箱2-1b固定在右水位升降平台2-5b，所述右控制箱2-1b可沿右水位升降平台2-5b上下移动，所述右水位控制箱2-1b设有右进水管2-6b、右出水管2-7b和右溢水管2-8b，所述右进水管2-6b水从水源(图未示)输送到右水位控制箱2-1b，所述右出水管2-7b连接右部1-1b底部和右水位控制箱2-1b，所述右出水管2-7b将右水位控制箱2-1b的水送至右部1-1b，所述右溢水管2-8b将右水位控制箱2-1b中多余的水输出。

当设置所述左部1-1a的水位高于所述右部1-1b的水位时，所述左部1-1a的水通过左隔挡1-3a进入到中部1-1c，再通过右隔挡1-3b进入右部1-1b，所述右出水管2-7b将右部1-1b多余的水输送至右水位控制箱2-1b；当设置所述左部1-1a的水位与所述右部1-1b的水位齐平时，所述左部1-1a和右部1-1b的水分别通过左隔挡1-3a和右隔挡1-3b进入到中部1-1c后，再通过开口1-7进入岩溶漏斗空箱1-2。

所述左水位升降系统2-5a通过改变左水位控制箱2-1a的上下位置，使主体土箱中水位降低或上升，所述右水位升降系统2-5b通过改变右水位控制箱2-1b的上下位置，使主体土箱1-1中水位降低或上升，从而模拟潜水含水层水位的变化。

所述自来水管2-10向水槽2-2b输送水，所述恒压变频水泵2-2a通过下进水管2-9将水槽2-2b中的水向下出水管2-11输出，所述下出水管2-11一端连接恒压变频水泵2-2a，另一端同时与第一分水管3-3a、第二分水管3-3b和第三分水管3-3c连接。

所述第一分水管3-3a一端连接下出水管2-11，另一端连接左水箱1-9a，所述第一分水管3-3a与下进水管2-11连接的一端设有第一阀门3-1a，所述第一阀门3-1a用于控制第一分水管3-3a里的水流量，所述第一分水管3-3a与左水箱1-9a连接的另一端设有第一显示液位变送器2-3a，所述第一显示液位变送器2-3a对左水箱1-9a中水位进行测量和控制。

所述第二分水管3-3b一端连接下出水管2-11，另一端连接右水箱1-9b，所述第二分水管3-3b与2-11连接的一端设有第二阀门3-1b，所述第二阀门3-1b用于控制第二分水管3-3b里的水流量，所述第二分水管3-3b与右水箱1-9b连接的另一端设有第二显示液位变送器2-3b，所述第二显示液位变送器2-3b对右水箱1-9b中水位进行测量和控制。

所述第一分水管3-3a向左有机玻璃水箱1-9a供水，所述第一阀门3-1a和左显示液位变送器2-3a一起控制左有机玻璃水箱1-9a的水位，所述第二分水管3-3b向右有机玻璃水箱1-9a供水，所述第二阀门3-1b和右显示液位变送器2-3b一起控制控制右有机玻璃水箱1-9a的水位。所述左有机玻璃水箱1-9a和右有机玻璃水箱1-9a向岩溶漏斗空箱1-2供水并控制岩溶漏斗空箱1-2的水位变化，从而模拟承压含水层水位的变化。

所述第三分水管3-3c一端连接下出水管2-11，另一端固定在主体土箱1-1正上方，所述第三分水管3-3c固定在主体土箱1-1正上方的一端设有多个喷雾器3-2，多个所述喷雾器3-2用于模拟人工降雨，所述第三分水管3-3c与下出水管2-11连接的一端设有流量阀3-1c，所述流量阀3-1c通过控制第三分水管3-3c内的水流量的控制喷雾器3-2的降雨强度，所述流量阀3-1c上的读数用于记录降雨量。

所述第三分水管3-3c向喷雾器3-2供水，所述流量阀3-1c调节第三分水管3-3c向喷雾器3-2的供水量，以模拟不同程度的降雨情况。

本发明试验过程的监测监视系统4包括孔隙水压力传感器4-1a、土压力传感器4-1b、摄像头4-2、数采装置(图未示)和电脑(图未示)，所述孔隙水压力传感器4-1a用于孔隙水压监测，所述土压力传感器4-1b用于土压力监测，所述摄像头4-2设置于所述主体试验系统1的正前方，所述孔隙水压力传感器4-1a沿中心线a-a左右对称布置的埋设于主体土箱1-1内，上部和左右两侧相对稀疏，中间和下部相对密集。所述土压力传感器4-1b沿中心线a-a埋设于主体土箱1-1内，位置在方形开口1-7以上，对应地表以下。

所述摄像头4-2透过所述主体试验系统1的透明玻璃侧壁观察并记录所述主体土箱1-1和岩溶漏斗空箱1-2里的土体样本，在不同水位以及不同降雨情况下的位移情况，所述摄像头4-2与电脑连接，所述电脑读取和保存所述摄像头4-2采集到的影像。

所述数采装置有多个，所述数采装置一端连接孔隙水压力传感器4-1a或土压力传感器4-1b，另一端连接电脑，所述数采装置采集孔隙水压力传感器4-1a或土压力传感器4-1b的数据，并将采集的数据发送给电脑，电脑读取和保存数采装置采集的数据。

试验装置运行时，所述第三法兰盘1-10b将底板1-11安装到岩溶漏斗空箱1-2下端，选择适合的土体样本，然后将土体样本烘干、压碎后装入岩溶漏斗空箱1-2，模拟地下承压含水层结构特征，在岩溶漏斗空箱1-2中将土体样本压实填满，然后通过左右水箱1-9a、b使土体样本饱水后固结一段时间，以最大程度模拟野外原始地质结构。

再将有机玻璃格网隔挡1-3a和机玻璃格网隔挡b之间的主体土箱1-1中填入烘干、压碎后的土体样本，以模拟地下潜水层结构特征，放入土体样本的同时放入隙水压力传感器4-1a和土压力传感器4-1b，将土体样本压实后，所述水位及降雨控制系统2通过左部1-1a和右1-1b向中部1-1c供水，使中部1-1c中的土体样本饱水后，依据实验方案，打开底板1-11，调整左部1-1a和右1-1b的水位，并模拟降雨。

所述孔隙水压力传感器4-1a监测孔隙水压，所述土压力传感器4-1b监测土压力，所述数采装置采集和传递所述孔隙水压力传感器4-1a和土压力传感器4-1b采集到的信息，所述摄像头4-2记录所述主体试验系统1中的土体样本位移情况，所述电脑读取和保存所述数采装置和所述摄像头4-2采集到的数据。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。