一种模拟隧道突水的可视化模型试验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于隧道工程地质灾害模型试验领域，具体涉及一种模拟隧道突水的可视化试验装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着交通和水利水电重大基础设施工程的建设，我国已成为世界上隧道修建规模与难度最大的国家。特别是随着重大工程建设重心向地形地质极端复杂的西部山区与岩溶地区转移，正在或即将修建大量的高风险深长隧道工程，建设过程中极易遭遇突水重大灾害，严重影响了隧道工程建设安全。
[0003]隧道是一个长条形地下建筑物，沿线工程地质条件复杂，施工过程中经常会遇到岩溶或断层破碎带等富水构造，在控水构造和高水压力作用下，隧道开挖扰动易诱发突水灾害。目前国内外对突水机理的研宄侧重于灾变的发生条件和影响因素，并逐步认识到隧道掌子面与致灾构造之间防突岩体结构的重要性。但由于突水灾变过程的非线性和强复杂性特征，灾变演化规律不清楚，其灾害发生机理难以突破。因此，亟待研宄强富水条件下隧道突水灾变演化机理与围岩破裂行为，揭示防突岩体结构破坏突水效应与渐进演化过程。目前关于研宄水压、防突岩体物理力学特性及结构特征等与防突厚度关系的研宄鲜见报道，特别是定量研宄隧道突水的模型试验尚不多见，对于隧道突水灾害临突判据和最小安全厚度分析方法的研宄，缺乏专业的试验装置。
【发明内容】
[0004]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种模拟隧道突水的可视化试验装置，通过进水管和透明的模型箱以及监控装置，一边模拟渗水一边检测突水通道的形成状况，并了解相关信息，解决现有技术中缺乏实验装置的问题。
[0005]技术方案:为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0006]一种模拟隧道突水的可视化实验装置，其特征在于，包括透明的模型箱、水箱、收集装置和监控装置；长方体的模型箱箱体密封，箱体内填充有流固耦合相似材料；模型箱通过进水管与水箱连接；
[0007]模型箱包括箱体和可拆卸的箱体上盖，该箱体上盖与箱体之间密封；进水管从箱体一侧的中心伸入；箱体另一侧位于收集装置上方；箱体内侧均匀设置有一组U型的玻璃隔挡，所述玻璃隔挡上布置有若干透水孔，该透水孔的开孔方向与进水管进水方向相同；
[0008]进水管由水箱接出，依次连接控制阀和高压水泵，最后伸入模型箱箱体；
[0009]收集装置包括水量和充填物流失收集容器以及数显电子秤，所述水量和充填物流失收集容器置于数显电子秤上；
[0010]监控装置包括设置在模型箱内腔的渗压传感器、微型土压力传感器、光纤光栅位移传感器和位于箱体外的数字照相非接触量测系统。
[0011]进一步的，本发明包括一个流量计；高压水泵提供的高压水通过流量计后进入模型箱中。流量计能够直观的掌握进入水箱的水量，达到测量进水量的目的。
[0012]进一步的，模型箱采用钢化玻璃制作而成，模型箱箱体与上盖之间通过橡胶密封垫密封，并通过螺栓固定。通过钢化玻璃可以更加直观地观察突水过程中防突岩体的渐进性破坏过程。玻璃箱体上盖可以拆卸，便于材料的填充，同时采用橡胶密封垫保证了密封效果，防止实验过程渗水。
[0013]进一步的，进水管伸入箱体的进水管末端，包括一个花洒状出水口，该出水口端面均匀布置有出水小孔。花洒结构保证了高压水出水均匀，使水能够均匀的渗流。
[0014]进一步的，模型箱通过一个钢架支座支撑。钢架支座使得整个模型箱固定。其下方采用水量和充填物流失收集容器进行实时收集，且收集容器直接放在数显电子秤上，每1s读取一次数据，可对试验过程中水和流失颗粒的重量进行实时称量。
[0015]进一步的，一组玻璃隔挡为均匀布置的五道隔挡，所述隔挡横截面是边长为20mm的正方形；隔挡上分布若干透水孔，其孔径为2mm。箱体内的玻璃隔挡，可模拟一定水压下不同防突岩体厚度的突水情况。另外，玻璃隔挡起到两方面作用:一方面可防止高压水作用下流固耦合材料和玻璃箱体间摩擦力过小而发生整体滑动，有利于突水通道的形成；另一方面通过在隔挡上设计若干透水孔，可实现高压水的顺畅渗流。
[0016]一种模拟隧道突水的可视化实验方法，其特征在于，定义该箱体上盖一侧为顶侧，与顶侧相对一侧为底侧，进水一侧为左侧，收集装置上方为右侧，其余两个面分别为前侧和后侧；
[0017]该方法包括以下步骤:
[0018]步骤I)固定钢架支座，将模型箱放置在钢架上，连接进水管高压水泵，并在模型箱前侧或后侧架设高分辨率数码相机，该装置与前侧或后侧间隔一段距离，拍摄画面中能够完整呈现整个实验装置；
[0019]步骤2)将配置好的流固耦合相似材料装填到模型箱内，装填的流固耦合相似材料上表面保持平整，并在填装的材料中均匀埋设渗压计、微型土压力传感器和光纤光栅位移计；可填充至不同玻璃隔挡位置处，以模拟不同的防突岩体厚度；
[0020]步骤3)放置模型箱上盖，密封并固定，调整高压水泵的压力至实验值，打开控制阀开始进水；
[0021]步骤4)用数码相机实时的连续进行定时拍照记录，同时采集记录渗压传感器的渗透压力数据、微型土压力传感器的应力数据和光纤光栅位移传感器的位移数据；
[0022]水量和充填物流失收集容器进行实时收集渗出的水和流失的填充颗粒物，数显电子秤对试验过程中水和流失颗粒的重量进行实时称量，每1s读取记录一次水量和充填物流失收集容器的质量数据；
[0023]步骤5)直观监测突水过程中防突岩体裂缝的扩展演化过程，并进行现场裂缝变化状况的记录；
[0024]步骤6)待突水通道完全形成后，关闭控制阀，称量流出水和充填物的总重量，计算涌水量和颗粒流失速率。
[0025]有益效果:
[0026](I)模型箱主体采用透明的钢化玻璃，可以更加直观地观察突水过程中防突岩体的渐进性破坏过程。玻璃箱体上盖可以拆卸，便于材料的填充，同时采用橡胶密封垫保证了密封效果。
[0027](2)箱体内的玻璃隔挡，可模拟一定水压下不同防突岩体厚度的突水情况。另外，玻璃隔挡起到两方面作用:一方面可防止高压水作用下流固耦合材料和玻璃箱体间摩擦力过小而发生整体滑动，有利于突水通道的形成；另一方面通过在隔挡上设计若干透水孔，可实现高压水的顺畅渗流。
[0028](3)该模型可以定量研宄水压、防突岩体物理力学特性及结构特征与防突厚度的相关关系，通过多种工况的模拟试验，可建立隧道突水灾害临突判据和最小安全厚度分析方法。
[0029](4)模型中采用非接触数字照相量测系统，并采用相应的后处理分析软件，实现隧道突水过程中位移场的全场监控。
【附图说明】
[0030]图1为本发明的结构示意图；
[0031]图2为本发明整体俯视示意图；
[0032]图3为进水管构造示意图
[0033]图4为玻璃隔挡构造示意图；
[0034]图5为整个装置的三维构造示意图；
[0035]图中，1-模型箱；2_水量和充填物流失收集容器；3_高压水泵；4_进水管；5_流量计；6_玻璃隔挡；7_流固耦合相似材料；8_控制阀；9_渗压传感器；10-微型土压力传感器；11-光纤光栅位移计；12_出水口 ； 13-透水孔；14-橡胶密封垫；15_螺栓；16_水箱；17-数显电子秤；18-钢架支座。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0037]如图1、图2、图3和图4所示，一种模拟隧道突水的可视化实验装置，其特征在于，包括透明的模型箱1、水箱16、收集装置和监控装置；长方体的模型箱I箱体密封，箱体内填充有流固耦合相似材料7 ;模型箱I通过进水管4与水箱16连接；
[0038]模型箱I包括箱体和可拆卸的箱体上盖，该箱体上盖与箱体之间密封；进水管从箱体一侧的中心伸入；箱体另一侧位于收集装置上方；如图4所示，箱体内侧均匀设置有一组U型的玻璃隔挡6，所述玻璃隔挡6上布置有若干透水孔13，该透水孔13的开孔方向与进水管4进水方向相同；
[0039]所述进水管4由水箱I接出，依次连接控制阀8和高压水泵3，最后伸入模型箱I箱体；
[0040]所述收集装置包括水量和充填物流失收集容器2以及数显电子秤17，所述水量和充填物流失收集容器2置于数显电子称17上；
[0041]所述监控装置包括设置在模型箱I内腔的渗压传感器9、微型土压力传感器10、光纤光栅位移传感器11和位于箱体外的数字照相非接触量测系统。
[0042]进一步的，一个流量计5 ;高压水泵3提供的高压水通过流量计5后进入模型箱I中。高压水泵提供的高压水通过流量计后进入模型箱中。流量计能够直观的掌握进入水箱的水量，达到检测水量的目的。
[0043]进一步的，模型箱I采用钢化玻璃制作而成，模型箱I箱体与上盖之间通过橡胶密封垫14密封，并通过螺栓15固定。通过钢化玻璃可以更加直观地观察突水过程中防突岩体的渐进性破坏过程。玻璃箱体上盖可以拆卸，便于材料的填充，同时采用橡胶密封垫保证了密封效果，防止实验过程渗水。
[0044]如图3所示，进水管4伸入箱体的进水管4末端，包括一个花洒状出水口 12，该出水口 12端面均匀布置有出水小孔。花洒结构保证了高压水出水均匀，使水能够均匀的渗流。
[0045]进一步的，模型箱I通过一个钢架支座18支撑。钢架支座使得整个模型箱固定。其下方采用水量和充填物流失收集容器进行实时收集，且收集容器直接放在数显电子秤上，每1s读取一次数据，可对试验过程中水和流失颗粒的重量进行实时称量。
[0046]进一步的，一组玻璃隔挡6为均匀布置的五道隔挡，所述隔挡横截面是边长为20mm的正方形；所述透水孔13孔径为2mm。箱体内的玻璃隔挡，可模拟一定水压下不同防突岩体厚度的突水情况。另外，玻璃隔挡起到两方面作用:一方面可防止高压水作用下流固耦合材料和玻璃箱体间摩擦力过小而发生整体滑动，有利于突水通道的形成；另一方面通过在隔挡上设计若干透水孔，可实现高压水的顺畅渗流。
[0047]一种模拟隧道突水的可视化实验方法，如图5所示，定义该箱体上盖一侧为顶侧，与顶侧