一种大型地裂缝物理模型的实验系统的制作方法

本发明涉及基于地质学的实验测量技术领域，尤其涉及一种大型地裂缝物理模型的实验系统。

背景技术：

在矿产开发、隧道挖掘等工程中，地质裂缝会对工程本身造成很多不利因素，甚至酿成事故。因此在需要在前期勘探中对可能出现的地质裂缝进行充分测量以及研究评估，以便能够安全施工，保护作业人员，同时减小工程隐患。其中，地下水的变化又是造成地质裂缝的主要原因之一。

在工程的施工过程中，很多时候都需要人为主动抽水，而在抽水后孔隙水压力下降颗粒间浮托力减小，但由于抽水过程中土层的总应力基本保持不变，故导致有效应力增加，土层压密，垂向位移随着地下水位的降低而逐渐增大。又由于受基岩潜山影响，土层厚度在潜山附近形成突变，土体差异压缩，导致在地表形成裂缝。

但是，目前对于基岩潜山环境中的地质裂缝的评估方式，主要还是通过实地勘探。同时，实际的地下水网较为复杂，在基岩潜山的环境中，很难准确评估地下水的变化对于地质裂缝的影响情况。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种大型地裂缝物理模型的实验系统，实现了通过实验模拟，在开采地下水条件下，研究在基岩潜山部位地层差异压缩导致地裂缝发育扩展的物理模型。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供的方法，包括：模型箱、支撑框架系统、进水系统、排水系统和基底形态控制系统；

所述模型箱由有机玻璃溶接制成；

所述支撑框架系统包括框架、硬支撑和千斤顶，所述框架固定安装在所述模型箱的外表面，所述硬支撑为金属框架结构，覆盖安装在所述模型箱的外表面，所述千斤顶用于调节所述模型箱底的水平程度，所述千斤顶的底座安置在地面上，且所述千斤顶的举重杆接触所述金属框架结构的地盘；

所述进水系统包括了设置在所述模型箱两端的进水口，其中，在每一端的每个进水口上安装水量量测仪表和水阀；

所述排水系统包括了设置在所述模型箱底部的排水口，并在每个排水口上安装水量量测仪表和水阀；

所述基底形态控制系统包括：铺设在所述模型箱中的土层，和设置在所述土层中的监测仪器；其中，自所述模型箱底至上，所述土层包括：粘土层、砂层、粉土层和粘土薄层，且在所述土层之间设置用于标识的云母片；所述监测仪器由在各层中设置的分布式光纤、液位计、位移计、测压管和温度计组成。

本发明实施例提供的大型地裂缝物理模型的实验系统，通过实验模拟装置实现了研究抽水条件下，不同厚度含水层及其顶板弱透水层的沉降差异实验；和，研究弱透水层抽水条件下土层固结沉降规律；和，研究并监测地裂缝形成演化过程；和，研究起伏基底对地裂缝产生的影响；和，研究弱透水层、含水层释水形变参数的多监测方式获取。本实施例所提供的实验系统的运行原理在于：地下某深度处地层总应力σ等于有效应力σ′和孔隙水压力u之和,即：σ＝σ′+u，抽水后孔隙水压力下降颗粒间浮托力减小，但由于抽水过程中土层的总应力基本保持不变，故导致有效应力增加，土层压密，垂向位移随着地下水位的降低而逐渐增大。由于受基岩潜山影响，土层厚度在潜山附近形成突变，土体差异压缩，导致在地表形成裂缝。本实验模拟在开采地下水条件下在基岩潜山部位地层差异压缩导致地裂缝发育扩展的物理模型。从而实现了通过实验模拟，在开采地下水条件下，研究在基岩潜山部位地层差异压缩导致地裂缝发育扩展的物理模型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的大型地裂缝物理模型的实验系统的总体结构示意图；

图2、3、4为本发明实施例提供的大型地裂缝物理模型的实验系统的具体结构示意图；

图5、6、7、8为本发明实施例提供的大型地裂缝物理模型的中，各土层中的传感器和光纤的布置方式示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明实施例提供一种大型地裂缝物理模型的实验系统，如图1所示，包括：模型箱、支撑框架系统、进水系统、排水系统和基底形态控制系统。其中：

所述模型箱由有机玻璃溶接制成。

所述支撑框架系统包括框架、硬支撑和千斤顶，所述框架固定安装在所述模型箱的外表面，所述硬支撑为金属框架结构，覆盖安装在所述模型箱的外表面，所述千斤顶用于调节所述模型箱底的水平程度，所述千斤顶的底座安置在地面上，且所述千斤顶的举重杆接触所述金属框架结构的地盘。

所述进水系统包括了设置在所述模型箱两端的进水口，其中，在每一端的每个进水口上安装水量量测仪表和水阀。

所述排水系统包括了设置在所述模型箱底部的排水口，并在每个排水口上安装水量量测仪表和水阀。

所述基底形态控制系统包括：铺设在所述模型箱中的土层，和设置在所述土层中的监测仪器。其中，自所述模型箱底至上，所述土层包括：粘土层、砂层、粉土层和粘土薄层，且在所述土层之间设置用于标识的云母片。所述监测仪器由在各层中设置的分布式光纤、液位计、位移计、测压管和温度计组成。

其中，在所述进水系统中的每一个进水口上都安装有水量量测仪表和水阀。或者，各端的进水口分别连接各自的进水总管，并在所述进水总管上安装有水量量测仪表和水阀。

在本实施例的优选方案中，如图2所示的，组成所述模型箱的有机玻璃的厚度为25mm。所述模型箱的长度4.8m，宽度为1.8m，高度为1.5m。

在本实施例的优选方案中，在所述模型箱的一端：包括12个呈均匀分布在矩形区域内的进水口。所述进水口距离所述模型箱的内底面的最小距离为0.17m，距离模型箱的内壁面的最小距离为0.3m。各进水口之间的最小间距为0.32m，最大间距为0.6m；所述排水系统包括10个呈均匀分布在矩形区域内的排水口。所述排水口距离所述模型箱的内壁面的最小距离为0.45m，最大距离为0.48m。各排水口之间的最小间距为0.9m，最大间距为0.96m。

例如：可以按照图2所示布置进出水口，由于模型的渗流区四周边界为箱体、底部边界为粘土层，皆可作为隔水边界。模型的进水口、排水口可以概化为注水井群和抽水井群。井群互相干扰，对渗流场的影响可用“叠加原理”进行分析。在本实施例中，为平行隔水边界，可对井群进行平行边界映射，保证了渗流区流线均匀，最大限度减小边界对渗流场的影响。

在本实施例的优选方案中，所述粘土层的厚度为20cm，所述砂层的厚度为60cm，所述粉土层的厚度为55cm，所述粉土层中的粉土由细砂与粘土按照2:1的比例混合制成。具体的，在模型箱中的基底形态控制系统中，可以预设基底潜山，基底潜山长2.8m、宽1.8m、高0.8m，内用粘土填充，从而保证隔水。在模型箱中自下至上铺设20cm的粘土层，60cm的砂层，55cm的粉土层。砂层与粉土层间撒云母片做标识区分。土体表层处铺设粘土薄层。

在本实施例中，所述监测仪器的分布式光纤分竖向、横向铺设，其中包括四层水平分布式光纤和12条竖向分布式光纤。在本实施例中，可以采用聚氨酯应变感测光缆，预估光缆长度：200m。

在所述粘土层与所述砂层的交界面，布设第一层水平分布式光纤，并安装有与所述第一层水平分布式光纤连接的液位计、位移计和测压管。在本实施例中的粘土层与砂层，采用预估土方量：粘土7m3，细砂7.5m3。

在所述砂层中部，布设第二层水平分布式光纤，并安装有与所述第二层水平分布式光纤连接的液位计、位移计、温度计和至少5个PR2土壤剖面水分传感器。

在所述砂层与所述粉土层的交界面且用于标识的云母片下方，布设第三层水平分布式光纤，并安装有与所述第三层水平分布式光纤连接的温度计、位移计和至少5个PR2土壤剖面水分传感器。在所述粉土层中部，布设第四层水平分布式光纤，并安装有与所述第四层水平分布式光纤连接的位移计和至少5个PR2土壤剖面水分传感器。具体的，本实施例中采用的传感器具体包括：光纤光栅液位计、光纤光栅微型位移计、光纤光栅温度计、PR2土壤剖面水分传感器、测压管等。其中，光纤光栅又称光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)。

例如：本实施例中的监测仪器的布设方式可以参照如图3-4所示，其中分布式光纤分竖向、横向铺设，共12条竖向分布式光纤，4层水平分布式光纤，采用后定点方式固定玻片。后定点是指模型边堆填边进行点胶定点、加有机玻璃片。其中，如图5所示的，在20cm处(粘土层与砂层的交界面)，布设第一层水平分布式光纤、液位计、位移计、测压管；如图6所示的，在50cm处(砂层中部)，布设第二层分布式光纤、液位计、位移计、温度计；如图7所示的，在80cm处(砂层与粉土层的交界面，云母标识层之下)，布设第三层水平分布式光纤、温度计、位移计；如图8所示的，在110cm处(粉土层中部)，布设第四层光纤、位移计。设置5个PR2土壤剖面水分传感器，测试20-140cm的土壤含水率。

其中，具体的实验执行流程包括：

实际测量模型箱规格，将各顶点、进出水口定点并记录进计算机设备，其中，在模型箱上标注各位置线和红外标识，以便传感设备扫描定位点；

在潜山内部浇灌粘土充填并夯实，其中潜山外层用水泥混凝土成型，保证潜山表层刚度。

填土每堆填5～10cm需压实。到达设计位置即布设相应传感器。每层填土结束后，测试光缆传感信号质量。完成整个模型堆填后对所有光纤信号等进行质量检测。因粉土为粘土与细砂混合而成，上层粉土为粉末状填充，所以每堆填5～10cm压实然后浸水；

接通光纤并标注光纤编号，并检测各通路光损情况；

在模型堆填结束后，可以静置约一周，并在实验前安装千分表；

对模型表面重复洒水、蒸发的步骤，使表层形成硬壳层，读取千分表读数，计算机设备记录模型表面沉降量；

打开模型两端进水阀门，记录各水表流量。使各层土饱水，含水层达承压状态，关闭进水阀门，需静置数天。读取千分表读数，记录模型表面沉降量，采集各传感器数据，直至变形稳定。在这过程中，可以由实验人员或者由计算机控制摄像头对表面情况进行拍照；再打开模型底部排水阀门，记录各水表流量。使含水层缓慢释水，直至监测不到排水量的疏干状态，读取千分表读数，记录模型表面沉降量，采集各传感器数据，直至变形稳定。对表面情况进行拍照；并重复该过程，直至模型表面出现裂缝。

本发明实施例提供的大型地裂缝物理模型的实验系统，通过实验模拟装置实现了研究抽水条件下，不同厚度含水层及其顶板弱透水层的沉降差异实验；和，研究弱透水层抽水条件下土层固结沉降规律；和，研究并监测地裂缝形成演化过程；和，研究起伏基底对地裂缝产生的影响；和，研究弱透水层、含水层释水形变参数的多监测方式获取。本实施例所提供的实验系统的运行原理在于：地下某深度处地层总应力σ等于有效应力σ′和孔隙水压力u之和,即：σ＝σ′+u，抽水后孔隙水压力下降颗粒间浮托力减小，但由于抽水过程中土层的总应力基本保持不变，故导致有效应力增加，土层压密，垂向位移随着地下水位的降低而逐渐增大。由于受基岩潜山影响，土层厚度在潜山附近形成突变，土体差异压缩，导致在地表形成裂缝。本实验模拟在开采地下水条件下在基岩潜山部位差异地层压缩导致地裂缝发育扩展的物理模型。从而实现了通过实验模拟，在开采地下水条件下，研究在基岩潜山部位地层差异压缩导致地裂缝发育扩展的物理模型。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。