专利名称：一种海底隧道突水模型试验的密封性加水装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种海底隧道突水模型试验的密封性加水装置，属于试验模型领域。
背景技术：
目前，我国经济建设的发展越来越迅速，对基础设施建设的要求不断提高。我国拥有近2X104km长的海岸线，岛屿、海湾星罗棋布，海南岛、台湾岛、香港、澳门、厦门、青岛、烟台和大连等区域都是人口稠密、经济发达的地区。目前，我国的跨海峡交通仍依靠轮船和飞机，但是，轮船和飞机受天气影响较为严重，当台风、浓雾天气等则不能运行。随着厦门翔安海底隧道的建成通车以及青岛胶州湾海底隧道的修建完成，海底隧道越来越彰显出其优越性，我国海底隧道的修建必将进入一个新的时代。海底隧道的建设中，上覆层有无限的海水，一旦发生突水事故，将对海底隧道的建设产生极大的危害，造成大量围岩失稳，隧道报废或人身伤亡事故。因此，加强海底隧道突水机理的研究，建立有效的预防措施保障隧道施工及隧道运营安全，具有重要的意义。海底隧道突涌水的分析首先是从定性研究开始的，最早的分析只是通过查明隧道围岩中的断裂构造带、裂隙密集带等可能的海水突涌水通道，判断是否会发生突水。通过模型试验来研究海底隧道突水失稳的机理，目前国内还没有研究。目前的模型试验中，涉及到突水试验的主要为隧道岩溶突水试验及煤层开挖突水试验等，主要模拟围岩应力场、温度场、渗流场、声发射场等的变化演化规律等，但是该类试验采用的水体均为内置水体，不适用于海底隧道的开挖模拟。研究海底隧道突水机理，进而实现对海底隧道涌水量的预测，应当研究海底隧道多场信息的变化，从多场信息的变化中分析各场的相关性，找到突水机理的主要变化规律。 为了提高模型试验与原型的实际情况吻合程度，模型试验制作时要考虑维持模型顶端的恒定水头以及隧道口处的试验材料与模型架铁板之间的密封问题。如若不能维持恒定水头， 则不能模拟海底隧道上覆的无限水体；如若密封不好，水流会顺着缝隙从隧道口处大量流出，影响模型试验中的上覆岩层水压的变化，导致与原型产生较大出入，不能得到正确的海底隧道突水机理。通过模型试验研究海底隧道突水机理，应当考虑隧道开挖后，由于隧道内涌水使上覆水体的水量减少，需要维持上覆水体的恒定水头的功能，同时还得消除隧道口处试验材料与试验铁板间的密封问题，使模型与原型更加吻合。
实用新型内容针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种海底隧道突水模型试验的密封性加水装置。本实用新型能够考虑在不同的恒定水头高度情况下，消除隧道口处由于不密封产生的影响，监测隧道开挖过程中隧道内突水机理，准确模拟海底隧道的实际开挖情况。本实用新型是通过以下技术方案实现的一种海底隧道突水模型试验的密封性加水装置，包括固定于基座上的模型架；模型架内装有模型试验相似材料，在模型试验相似材料上方覆有一层水体，水体通过水体进水管与自动加水系统相连，所述的自动加水系统包括水箱，水箱内设有与进水管相通的连杆，连杆一端封闭一端开口，连杆封闭的一端固定在水箱上，开口的一端设有控制进水管进水的浮球，水箱上设有出水管，出水管与水体进水管通过软管相连。所述的模型架两端在欲挖隧道口分别埋置有一个圆形的气囊，气囊略大于欲挖隧道口，气囊上设有充气和放气的阀门。所述的模型试验相似材料内埋设有监测元件。打开水箱的进水管水头开关，使水慢慢流入水箱，待水位达到浮球停止上覆的高度时，进水管通过连杆会被浮球自动堵死；当水位下降时，浮球下降，从而打开堵死的进水管，重新注水，达到设定的水头高度。通过该方法实现维持恒定水头的目的。维持恒定水头 24h以上，以保证试验材料都被水渗透，实现模型与原型的吻合。水体进水管和出水管用较长的软管连接，以方便改变水头的高度。改变水箱的高度，模拟不同的海水高度，测量隧道内的涌水量，并监测隧道围岩应力、渗压、温度场等的变化。可在模型正前方及正后方打开摄像机、摄像头进行录像，使用摄像机拍摄开挖全过程以及每一步开挖后隧道内的场景。利用电脑采集预先埋设的监测元件应变砖、渗压传感器、温度传感器等的数据，每步开挖完成后，等监测元件数据稳定，再进行下一步开挖，分步开挖直至隧道开挖完成。本实用新型能够实现对模型试验上覆水体的密封加水功能，使试验与原型的实际情况更加接近，试验结果较为准确。本实用新型的有益效果是一、模型密封效果良好，不会在隧道口处发生较明显的渗流，即气囊处密封效果较好。二、通过分析实验中的应力场、温度场和渗流场监测的数据，表明隧道开挖较符合原型的开挖情况，模拟效果良好。三、提高水箱高度，即变化水头时，渗压传感器出现明显的变化，说明上覆水体的设置完全能够模拟不同水头高度的情况，有较好的适用性。本实用新型具有很好的实用价值。
图1为本实用新型的试验方法的流程图；图2为本实用新型海底隧道突水模型试验的密封性加水装置的正面结构示意图；图3为本实用新型海底隧道突水模型试验的密封性加水装置的侧面结构示意图；图4为本实用新型的自动加水系统结构示意图；其中，1、基座；2、模型架；3、水体；4、欲挖隧道；5、气囊；6、水体进水管；7、放气阀门；8、充气阀门；9、浮球；10、水箱；11、连杆；12、出水管；13、进水管。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步的说明[0025]一种海底隧道突水模型试验的密封性加水装置，包括固定于基座1上的模型架2 ； 模型架2内装有模型试验相似材料，在模型试验相似材料上方覆有一层水体3，水体3通过水体进水管6与自动加水系统相连，所述的自动加水系统包括水箱10，水箱10内设有与进水管13相通的连杆11，连杆11 一端封闭一端开口，连杆11封闭的一端固定在水箱10上， 开口的一端设有控制进水管进水的浮球9，水箱10上设有出水管12，出水管12与水体进水管6通过软管相连。所述的模型架两端的欲挖隧道4 口分别埋置有一个圆形的气囊5，气囊5略大于欲挖隧道口，气囊上5设有充气和放气的阀门7、8。所述的模型试验相似材料内埋设有监测元件。进行海底隧道突水模型试验的方法，步骤如下1)配料配置模型试验相似材料利用相似比要求配置试验用相似材料，相似材料应当满足几何、运动、动力、弹性模量、泊松比、强度等相似要求。2)填料将配置好的试验相似材料按照实际相对位置放置于模型架中，在欲挖隧道洞口及洞尾位置分别放置由天然橡胶制作的稍大于隧道口形状的圆形气囊，气囊充气口由模型架侧向铁板处引出，模型内的充气管由刚性较大的细铁管保护，防止充气管由于填料被挤死，模型架四周填筑一层薄的天然橡胶，消除试验材料与模型架铁板间摩擦力过大的影响。3)埋设元件在指定位置处埋设监测元件，将测线引出并与监测仪器相连，检查元件是否功能正常，对于不能正常工作的元件应重新埋设。4)气囊充气利用空气压缩机，分别对隧道洞口及洞尾处的气囊充气，充气压力为 0. 2MP。5)注水打开上层水箱的水头开关，使水慢慢流入水箱，待水位达到浮球停止上覆的高度时，进水管会被浮球自动堵死；当水位下降时，浮球下降，从而打开堵死的进水管， 重新注水，达到设定的水头高度。通过该方法实现维持恒定水头的目的。维持恒定水头24h 以上，以保证试验材料都被水渗透，实现模型与原型的吻合。6)开挖及监测在模型正前方及正后方打开摄像机、摄像头进行录像，使用摄像机拍摄开挖全过程以及每一步开挖后隧道内的场景。利用电脑采集预先埋设的监测元件应变砖、渗压传感器、温度传感器等的数据，每步开挖完成后，等监测元件数据稳定，再进行下一步开挖，分步开挖直至隧道开挖完成。7)改变水箱的高度，模拟不同的海水高度，测量隧道内的涌水量，并监测隧道围岩应力、渗压、温度场等的变化。8)通过以上步骤得到的信息，得出不同水头高度情况下，隧道开挖产生的隧道内的突水机理。
权利要求1.一种海底隧道突水模型试验的密封性加水装置，包括固定于基座上的模型架；模型架内装有模型试验相似材料，其特征是，在模型试验相似材料上方覆有一层水体，水体通过水体进水管与自动加水系统相连，所述的自动加水系统包括水箱，水箱内设有与进水管相通的连杆，连杆一端封闭一端开口，连杆封闭的一端固定在水箱上，开口的一端设有控制进水管进水的浮球，水箱上设有出水管，出水管与水体进水管通过软管相连。
2.根据权利要求1所述的海底隧道突水模型试验的密封性加水装置，其特征是，所述的模型架两端在欲挖隧道口分别埋置有一个圆形的气囊，气囊略大于欲挖隧道口，气囊上设有充气和放气的阀门。
3.根据权利要求1所述的海底隧道突水模型试验的密封性加水装置，其特征是，所述的模型试验相似材料内埋设有监测元件。
专利摘要本实用新型涉及一种海底隧道突水模型试验的密封性加水装置，它包括固定于基座上的模型架；模型架内装有模型试验相似材料，在模型试验相似材料上方覆有一层水体，水体通过水体进水管与自动加水系统相连，所述的自动加水系统包括水箱，水箱内设有与进水管相通的连杆，连杆一端封闭一端开口，连杆封闭的一端固定在水箱上，开口的一端设有控制进水管进水的浮球，水箱上设有出水管，出水管与水体进水管通过软管相连。本实用新型模型密封效果良好，符合原型的开挖情况，适应性及模拟效果良好。
文档编号G01N33/00GK202216944SQ20112028691
公开日2012年5月9日 申请日期2011年8月9日 优先权日2011年8月9日
发明者徐帮树, 李术才, 王育奎, 蔚立元 申请人:山东大学