一种水力诱导覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置及使用方法
【技术领域】
[0001]本发明属于地质灾害领域，具体地涉及一种水力诱导覆盖型岩溶塌陷模拟试验系统，适用于复杂水力条件诱导下覆盖型岩溶塌陷模拟室内试验。
【背景技术】
[0002]随着经济的增长，人类活动对覆盖型岩溶区的影响不断增强，覆盖型岩溶塌陷问题日趋频繁、严重。塌陷过程非常突然而且迅速，不仅会造成人员伤亡，还会对道路交通工程、水利水电工程、岩土工程造成破坏，并造成岩溶区域水土流失，影响环境，对社会稳定造成严重的影响。因此开展覆盖型岩溶塌陷的形成机理试验研究具有很重大的意义。对于覆盖型岩溶塌陷机理的探索，需要频繁改变实验条件，进行多次重复实验，现有的室内实验环境一旦建成，改变条件困难且周期长、花费大，无法完全满足生产和科研需求，此外室内实验研究的支撑技术是微型高灵敏度传感器及相应的数据自动采集分析系统，目前试验模型中瞬态状态信息比较难以捕获，实验可操作性不高，实验过程的可视化存在难题，制约了覆盖型岩溶塌陷室内实验研究工作。
【发明内容】
[0003]发明目的:针对现有的覆盖型岩溶塌陷试验模型的不足之处，本发明开发了一种水力诱导覆盖型岩溶塌陷模拟试验系统，可以适用于复杂水流边界条件下覆盖型岩溶塌陷的试验研究，捕获岩溶塌陷过程中的水流、位移、颗粒运移等瞬态信息。
[0004]本发明还要解决的技术问题在于提供利用上述试验装置模拟水力诱导覆盖型岩溶塌陷的方法。
[0005]技术方案:为实现上述目的，本发明提供了一种水力条件影响下的覆盖型岩溶塌陷过程机理研究的试验装置，包括水位控制单元、人工降雨模拟单元、试验单元和智能监测单元组成，其中:
[0006]所述水位控制单元用于控制试验过程中试验单元的承压水位和潜水位；
[0007]所述的人工降雨模拟单元与所述水位控制单元连接，由所述水位控制单元提供用于模拟人工降雨的供水；
[0008]所述试验单元包括潜水层模拟箱和设置于所述潜水层模拟箱下方的承压层水箱，用于覆盖型岩溶塌陷试验，所述潜水层模拟箱的左右两侧分别设置有不锈钢网，两个不锈钢网在潜水层模拟箱的左右两侧分隔成所述分别与所述不锈钢网构成左右水箱用于为潜水层土体均匀供水；
[0009]所述智能监测单元包括水压力传感器、土压力传感器、光学传感器、激光位移传感器、土壤水分传感器和数码相机，所述水压力传感器与设置于潜水层模拟箱的后面板上的测孔相连，所述测孔采取中间下部密集，其余部位分散，且沿中心线左右两侧错位布置;所述土压力传感器设置于所述潜水层模拟箱的底板表面;所述光学传感器布置于承压层水箱上端前后两侧中心处，用来监测覆盖层中细颗粒受水力因素影响启动流入承压层水箱的量，为覆盖型岩溶塌陷土洞形成过程提供依据;所述激光位移传感器设置于所述试验单元的上方，用于监测地表沉降；所述土壤水分传感器布置于待测土壤模型的潜水层非饱和带，用于监测土壤含水量，为覆盖型岩溶塌陷最终的土拱失稳提供依据;所述数码相机设置在所述试验单元的正前方，用于拍摄试验过程和结果。
[0010]具体地，所述水位控制单元包括水位控制箱、水位升降系统和循环水箱，其中，所述的水位控制箱包括承压层水位控制箱、左侧潜水层水位控制箱、右侧潜水层水位控制箱，每个水位控制箱设置有进水管、出水管和回水管，所述承压层水位控制箱的出水管与所述承压层水箱的底部相连通，其进水管和回水管分别与所述循环水箱相连通;所述左侧潜水层水位控制箱和右侧潜水层水位控制箱分别设置于所述潜水层模拟箱的左侧和右侧，两个水位控制箱的出水管分别与所述潜水层模拟箱底端的左右两侧，两个水位控制箱的进水管和回水管分别与所述循环水箱相连;每个水位控制箱分别设置于所述水位升降系统的升降平台上，并通过所述水位升降系统改变水位控制箱的位置。
[0011]优选地，每个水位升降系统的升降平台设有均匀升降机构和正弦机构，并由带自锁功能的变频电机驱动，通过变速齿轮再次调速。
[0012]进一步优选地，每个水位控制箱内设置有溢流板和消能板，其中，所述溢流板垂直设置于水位控制箱内将水位控制箱分隔为蓄水仓和回水仓，所述消能板水平设置于所述水位控制箱内，其位置高于进水口低于出水口，以利于稳定水头。
[0013]所述的潜水层模拟箱和承压层水箱由有机透明玻璃制成，所述承压层水箱的顶部设有承压层水箱顶板，与潜水层模拟箱的底板连接，两部分之间通过止水橡胶垫止水;所述潜水层模拟箱的左右两侧分别设置有不锈钢网并分别与所述不锈钢网构成左右水箱用于为潜水层土体均匀供水;在不锈钢网的底部分别设置有有机玻璃板用于为进入的水头消能，防止进水口水流直接与土体接触;在潜水层模拟箱的底板中间位置开有一空洞，并配有四个滑动槽，所述滑动槽用于设置岩溶裂隙模拟板，通过设置于裂隙岩溶模拟板侧边的左右裂隙隙宽控制片调整岩溶裂隙的隙宽。
[0014]所述的人工降雨模拟单元包括依次连接的蠕动栗和人工降雨水箱，所述蠕动栗与人工降雨水箱进水口相连，所述人工降雨水箱的底部设置有若干输液针用于出水，所述人工降雨模拟单元利用蠕动栗控制降雨强度。
[0015]所述试验单元设置在光线封闭的空间中，还包括照明灯和白色背景帷幕;所述照明灯设置在所述光线封闭的空间中用于提供光源所述白色背景帷幕设置在所述试验单元的正后方，用于减少数码相机的拍照色差。
[0016]所述水压力传感器采用输出4?20mA制式传感器，与250欧姆精密电阻以及24V直流电源串联，高频记录仪与250欧姆精密电阻并联，采集压力信号。
[0017]本发明同时提出了利用上述试验装置模拟水力诱导覆盖型岩溶塌陷的方法，包括如下步骤:
[0018](I)在潜水层模拟箱内内底板上平铺土压力传感器，根据试验要求调整裂隙隙宽控制片，并将裂隙岩溶模拟板固定；
[0019](2)将承压层水箱与潜水层模拟箱对接，并用螺丝固定，将承压层水箱中充水至潜水层模拟箱底板位置，同时在承压层水箱上部固定光学传感器；
[0020](3)制备土样，并用喷雾器喷雾，使得土质含有一定水分；
[0021](4)用泥团盖住底板中间位置处开设的空洞，泥团不可堵塞中间裂隙，以免增加水力渗透路径实验效果，将制备的土样平铺于潜水层模拟箱内，压实，并在土层上靠前侧有机玻璃边缘处设置彩色细砂，作为数字成像系统的标记线；
[0022](5)重复步骤(4)直至形成土层结构，在土层压实过程中，埋入土壤水分传感器；
[0023](6)打开承压水位控制箱，并通过阀门调整，使得水管中的水流缓慢流入承压层水箱，以防止土层中出现气爆现象，采用“热水饱和法”进行饱和，即在供水箱内贮存热水，使承压水位控制箱中水位略高于试样底面位置，再缓慢的提升水箱，每次提升I?2cm，待水箱中水位与试样中水位相等，稍等若干分钟后再次提升水箱，随着供水水箱上升，试样缓慢饱和，并排除试样中的空气，与此同时，当测孔有水析出时，接通连接水压力传感器的软管，要求软管接通前内部充满水排除气泡，软管两端略高于导管口，降低一端接通导管，确保导管与软管间无气泡，在另一端用注射器注水，排除空气，连接水压力传感器，注意排除传感器部分的空气；
[0024](7)静置，调整左右潜水层水位控制箱以及承压水位控制箱至初始位置，待所有传感器中的数值稳定，形成初始状态渗流场；
[0025](8)将激光位移传感器仪置于试验模型单元上方，打开所有监控设备，按照试验要求改变水力条件进行试验。
[0026]其中，步骤(4)中，通过如下步骤制备土样: