滑坡作用下大尺度埋地输气管道破坏模拟试验装置的制作方法

本实用新型设计了一种滑坡作用下埋地输气管道大尺度破坏模拟试验装置，用于模拟不同工况下埋地输气管道在滑坡灾害作用下的受力及变形情况，属于输气管道滑坡灾害防治领域。

背景技术：

滑坡是指在一定的自然条件与地质条件下，组成斜坡的部分岩土体在重力等因素的作用下，沿斜坡内部一定的软弱面发生剪切而产生的整体下滑破坏。滑坡是一个非线性系统，是各种复杂因素相互作用形成的复合体，演变具有周期性，通常是一个累进性变形破坏过程。其作为我国山区常见的地质灾害，具有破坏性强、影响范围广、难预防等特点。敷设在山区的天然气管道可能受到滑坡体变形的影响发生弯曲甚至断裂，造成严重的后果。现阶段管道及滑坡灾害单独研究较为全面，将二者结合起来进行研究较少，无法对滑坡体发育情况及管道受力特点，以及滑坡对管道的影响规律进行深入了解。

国内外学者研究管道地质灾害风险，多使用数值模拟法，借助相关软件和经验公式计算管道在承受内部气压和外部滑坡土挤压作用下的应力及变形情况。埋地管道在遭受滑坡灾害时情况较为复杂，单纯依靠数值模拟较难取得可靠结论，所获计算结果无法直接运用于实际施工。

我国滑坡灾害模拟试验装置发展较慢，传统管道滑坡试验装置，只能通过设计简易试验装置来探究滑坡压力或者滑坡振动对于管道的应变影响，监测参数较少，不能满足多种不同工况下的模拟试验要求，无法掌握滑坡各发育阶段位移速率、位移变化量和降雨对滑坡位移的影响。现行试验监测装置容易受到电磁干扰和应变破坏，可靠性和稳定性有待提高。

技术实现要素：

本实用新型提供了一套滑坡作用下大尺度埋地输气管道破坏模拟试验装置，用于模拟埋地输气管道在滑坡灾害作用下的受力、位移及变形情况。

本实用新型专利主要解决了以下几个问题：1.设计了一套自动降雨装置，可以利用干管和支管流量计监测降雨量的大小，通过改变输水支管的数量和水源增压的压力控制试验系统自动降雨量的输量。2.设计了试验系统，包含滑坡区、管道区、自动降雨区、装置监测区和滑坡土收集区5个分区，全方位模拟了滑坡灾害对输气管道作用的全过程，并对相关参数进行了监测。3.装置可以模拟不同管道内压、滑坡土性质、管道埋深、环境降雨量条件下的管道滑坡试验，使试验装置更符合管道滑坡模拟试验的需要。4.设计装置试验系统的监测区，可监测数据包括管道内压、管道应变、滑坡土对管道压力、滑坡体深部位移、降雨量大小、地下滑坡土孔隙水压力及地下滑坡土土壤含水量的参数。5.监测区中管道应变、滑坡对管道推力和滑坡深部位移量等监测设备均使用光纤光栅传感技术，该传感技术运行可靠，耐腐蚀，可以满足自动监测的要求。6.装置处理监测区的监测数据，可分析滑坡各发育阶段位移速率、位移变化量和降雨对滑坡位移的影响，以及输气管道在滑坡作用下的应力、应变和位移情况，为数值模拟的计算结果提供相应参考。

为了进行上述试验，本实用新型采用了以下的一种滑坡作用下大尺度埋地输气管道破坏模拟试验装置，其主要包括：

顺序连接的空气储存系统(A)、空气增压系统(B)、水源分配系统(C)、水源增压系统(D)、水源储存系统(E)、试验系统(F)、剩余水源汇集系统(G)；其特征在于：气源由空气储存系统(A)提供，经过空气增压系统(B)压缩增压至试验所设气压值，压缩空气通过试验系统(F)进行相关试验，剩余空气返回空气储存系统(A)；水源由水源储存系统(E)提供，经过水源增压系统(D)增压，达到试验所需水压值，经过水源分配系统(C)，由水源干管34流经各条并联的水源支管33，通过各支管降雨孔18进行降雨作业，由各干管和支管压力表7和流量计6进行监测，水源经由剩余水源汇集系统(G)收集，重新返回水源储存系统(E)。

作为本实用新型的一种优选方式，空气储存系统(A)主要由立式空气储罐1、流量计6、压力表7和阀门组成，立式空气储罐1里面有空气泵，可以抽取外界中的空气，使储气瓶压力达到一定范围，随时备用。

作为本实用新型的一种优选方式，空气增压系统(B)由两台往复式压缩机31、压力表7和放空系统30组成，该压缩机具有控制系统，可以依据试验要求对空气进行增压作业，并且将空气压力以及气体流量情况及时传输到装置监测站19，装置监测站19依据监测的空气压力和流量情况对空气增压系统(B)进行实时调整。

作为本实用新型的一种优选方式，管道水源分配系统(C)由止回阀4、压力表7、流量计6、9组水源支管33和支管降雨孔18组成，9条水源支管33与水源干管34连接，水源干管34和水源支管33都配有流量计6和压力表7，装置监测站19可以随时监测干管和支管的输水情况，设置止回阀4防止水源回流造成损失，可以通过控制输水支管的数量和水源增压的压力控制试验系统(F)自动降雨的大小。

作为本实用新型的一种优选方式，水源增压系统(D)由阀门、流量计6、压力表7和2台卧式离心泵5组成，两台卧式离心泵5串联连接可以给来自水源储存系统(E)处的水源增压，使水源达到输往下一阶段的要求，卧式离心泵5控制系统直接与装置监测站19连接，可通过控制离心泵的功率改变自动降雨区(c)的降雨量大小。

作为本实用新型的一种优选方式，水源储存系统(E)由两座立式不锈钢水塔8、阀门、流量计6和压力表7组成，其中水塔选择的是容积为8吨的不锈钢水塔，采用拱顶结构，水源主要来自于附近所建混凝土蓄水池9。

作为本实用新型的一种优选方式，试验系统(F)主要滑坡试验基座10、输水管道11、试验空气管道12、滑坡带13、装置监测区(d)、滑坡深部位移监测区15、滑坡主滑线16、滑坡体17、降雨孔18、装置监测站19、滑坡基岩面20、箱体可移动底座21、滑坡土收集箱体22、可拆除挡墙23、滑坡土孔隙水压力监测传感器24、光纤光栅测斜管传感器25、管道光纤光栅应变传感器26、土压力盒光纤光栅传感器27、滑坡土水分监测传感器28和PVC测斜管29组成。

上述试验系统(F)管道滑坡监测系统原理分为4个部分，地下滑坡土监测系统由地下滑坡土水分监测传感器28和地下滑坡土孔隙水压力监测传感器24组成，可以全面监测地下滑坡土情况。监测数据传输至地下滑坡土监测数据中转站35，后由光纤传输至装置监测站19，经过数据处理显示在监测站上位计算机显示器上。管道及滑坡监测系统由管道光纤光栅应变传感器26、土压力盒光纤光栅传感器27和光纤光栅测斜管传感器25组成，三者对管道和滑坡的应力、应变及滑坡深部位移进行实时监测，数据传输至装置监测站19的光纤光栅解调仪处，经过数据处理与分析，显示在装置监测站19上位计算机显示器上。自动降雨监控系统，主要由水源压力控制系统、自动降雨流量计6和自动降雨压力表7组成，数据通过数据线传输到装置监测站19中，由上位计算机显示器显示。

上述装置监测站由光纤接线盒、连接光缆、光转换开关、光纤光栅解调仪和上位计算机组成。光纤接线盒和光缆连接来自土压力盒光纤光栅传感器43、管道光纤光栅应变传感器26和滑坡深部光纤光栅测斜管传感器25的光纤。由接线盒接出的光纤连接光转换开关，光转换开关将各通道信号依次转换给光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪解调出各光纤光栅传感器的中心波长位移量传给上位计算机，上位计算机自动计算出各监测量，由显示器显示。

附图说明

图1埋地输气管道破坏模拟试验装置总体流程图

图2滑坡试验区监测图(正对管道方向)

图3滑坡试验区监测图(沿着管道方向)

图4空气增压系统图

图5水源分配系统图

图6地下滑坡土监测系统图

图7滑坡土孔隙水压力监测传感器结构图

图8管道滑坡监测系统原理框图

图9土压力盒光纤光栅传感器安装结构图

图10管道光纤光栅传感器安装图(横截面图)

图11管道光纤光栅传感器安装图

图12滑坡土光纤光栅测斜管传感器安装图

图13光纤光栅土压力盒结构图

其中：A、空气储存系统；B、空气增压系统；C、水源分配系统；D、水源增压系统；E、水源储存系统；F、试验系统；G、剩余水源汇集系统；1、立式储气罐；2、试验环道；3、节流阀；4、止回阀；5、离心泵；6、流量计；7、压力表；8、不锈钢水塔；9、蓄水池；10、滑坡试验基座；11、输水管道；12、试验空气管道；13、滑坡带；14、管道监测区；15、滑坡深部位移监测区；16、滑坡主滑线；17、滑坡体；18、降雨孔；19、装置监测站；20、滑坡基岩面；21、箱体可移动底座；22、滑坡土收集箱体；23、可拆除挡墙；24、滑坡土孔隙水压力监测传感器；25、光纤光栅测斜管传感器；26、管道光纤光栅应变传感器；27、土压力盒光纤光栅传感器；28、滑坡土水分监测传感器；29、PVC测斜管；30、放空系统；31、一级压缩机；32、二级压缩机；33、水源支管；34、水源干管；35、监测数据中转站：36、密封圈；37、挡圈；38、中空管；39、光纤；40、安装耳；41、测量探头；42、四棱锥探头；43、土压力盒光纤光栅传感器；44、土压力盒支架；45、钢板卡箍；46、圆弧形钢板；47、管道速干胶；48、管道光纤光栅应变传感器；49、管道刮开的防腐涂层；50、钢套管；51、混凝土墩；52、深部位移光纤；53、光纤光栅应变器；54、管道防水速干胶；55、光纤沟槽；56、细沙；57、基岩面；58、细泥浆；59、橡皮薄膜；60、弹性压力盒；61、压紧垫圈；62、压紧螺母；63、密封空气；64、气阀；65、土压力盒钢制盒。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本实用新型。

实施例

本实用新型所采用试验装置的技术方案主要包括顺序连接的空气储存系统(A)、空气增压系统(B)、水源分配系统(C)、水源增压系统(D)、水源储存系统(E)、试验系统(F)、剩余水源汇集系统(G)。其特征在于：气源由空气储存系统(A)提供，经过空气增压系统(B)压缩增压到试验所设气压值，压缩空气通过试验系统(F)进行相关试验，剩余空气重新返回空气储存系统(A)。水源由水源储存系统(E)提供，经过水源增压系统(D)增压，达到试验所需水压值，经过水源分配系统(C)，由水源干管34流经各条并联的水源支管33，通过各支管降雨孔18进行降雨作业，由各干管和支管压力表7和流量计6进行监测，水源经由剩余水源汇集系统(G)收集，重新返回水源储存系统(E)。降雨量达到一定数值后滑坡发生，管道发生相应变形，装置监测站19进行数据收集，观测管道、滑坡现状，整理数据之后可进行下一工况试验。

空气储存系统(A)主要由立式空气储罐1、流量计6、压力表7和相关阀门组成。立式空气储罐1里面有空气泵，可以抽取外界中的空气，使储气瓶压力达到一定范围，随时备用。

如图2和图3所示，试验系统(F)主要滑坡试验基座10、输水管道11、空气管道12、滑坡带13、管道监测区14、滑坡深部位移监测区15、滑坡主滑线16、滑坡体17、降雨孔18、装置监测站19、滑坡基岩面20、箱体可移动底座21、滑坡土收集箱体22、可拆除挡墙23、滑坡土水压力监测传感器24、光纤光栅测斜管25、管道光纤光栅应变传感器26、土压力盒光纤光栅传感器27、滑坡土水分监测传感器28和PVC测斜管29组成。主要分为滑坡区(a)、管道区(b)、自动降雨区(c)、装置监测区(d)和滑坡土收集区(e)5个部分。

滑坡区(a)外围是半圆形滑坡外围土体10，由滑坡土壤碾压、夯实完成，试验过程中滑坡体外围没有明显位移及变形。滑坡区下层是滑坡土基岩面20，由人工或者机械开挖完成，在基岩面上面铺设一层滑坡带13，材料主要为膨润土、滑石粉、细沙、水的混合物，塑料薄膜在滑带上下各铺一层，滑带厚度不少于35cm，滑带上部薄膜之上应铺20-30cm左右的细砂，砂层必须顺延到滑坡周边，方便降雨作业。在滑坡区(a)指定位置开挖测斜管底部坑槽15，其深度为1.5m。

管道区包括试验气输送管道12，在管道与滑坡主滑线交界处安装土压力盒光纤光栅传感器43，安装时土压力盒垂直于滑坡土对管道压力方向。管道光纤光栅应变传感器48等距离安装，在同一管道截面安装三个，在管道截面3点、9点和12点三个方向安装。

装置监测区(d)主要由装置监测站19组成，装置监测站19主要工作是实时监测试验装置各流量计6和压力表7数值大小、2台往复式压缩机31工作功率，并监控2台卧式离心泵5功率情况，依据水源压力和流量进行相应调节；实时收集管道内压、管道应变、滑坡土对管道推力、滑坡体深部位移、降雨量大小、地下滑坡土孔隙水压力及地下滑坡土土壤含水量监测数据，并进行整理和处理，绘制成相应图表，展示在装置监测站上位计算机显示器上。

滑坡土收集区(e)由滑坡收集箱体22、可拆除挡墙23和箱体可移动底座21组成，试验时拆除挡墙，将之平放，盖在滑坡收集箱体上方，试验完成后，撤出挡墙，将试验完成后的滑坡土壤收集于滑坡土收集箱里面，待全部收集以后，通过滑坡土收集箱里面自带的排水系统进行排水作业，滤干水分，翻转箱体可移动底座21，将滑坡土壤利用挖掘机取出，准备下次试验。

如图4所示，空气增压系统(B)由两台往复式压缩机31、压力表7和放空系统30组成。该压缩机具有控制系统，可以依据试验要求对空气进行增压作业，并且将空气压力以及气体流量情况及时传输到装置监测站19，装置监测站19依据监测的空气压力和流量情况对压缩机功率进行实时调整。例如空气经过往复式压缩机31一级增压以后，已经达到试验所需压力值，可以直接通过分支管道通往下一区域，节省试验时间和试验成本。

如图5所示，管道水源分配系统由止回阀4、压力表7、流量计6、9组水源支管33和水源支管降雨孔18组成。其中9条水源支管33与水源干管34连接，输水干线和支线都配有流量计6和压力表7，装置监测站19可以随时监测干管和支管的输水情况，设置止回阀4来防止水源回流造成损失，可以通过控制输水支管的数量和水源增压的压力控制试验装置自动降雨的降雨量大小。

水源增压系统(D)由阀门、流量计6、压力表7和2台卧式离心泵5组成，两台卧式离心泵5串联连接可以给来自水源储存系统(E)处的水源增压，使水源达到输往下一阶段的要求，卧式离心泵5控制系统直接与装置监测站19连接，可通过控制离心泵5的功率改变自动降雨区(c)的降雨量大小。

水源储存系统(E)由两座立式不锈钢水塔8、阀门、流量计6和压力表7组成，其中水塔选择的是8吨容积的不锈钢水塔，采用拱顶结构，水源主要来自附近所建混凝土蓄水池9。

如图6、7所示，孔隙水压力监测传感器24由密封圈36、挡圈37、中空管38、光纤39、安装耳40、测量探头41、四棱锥探头42组成。孔隙水压力监测传感器24内部是空心的，中空管38里面是多组测量探头41，可以监测滑坡地下土不同深度的孔隙水压力，将监测得到的数据由光纤39传输到监测数据中转站35中，孔隙水压力监测传感器24下端是四棱锥探头42，该结构方便施工，中空管38外形是正四棱柱。其中中空管38侧面留有可与四棱锥探头42连接的连接孔，连接孔可以将中空管38和四棱锥探头42牢固连接在一起。在孔隙水压力监测传感器24上端有密封圈36密封，保证测量时地下水不进入内部，挡圈37可以固定住密封圈，将之与中空管紧密连接在一起，监测得到的数据通过光纤外输。其中孔隙水压力监测传感器24中空管38内部2个相邻测量探头41之间的距离为大于等于20cm，且小于120cm。2个相邻安装耳40之间的距离为40cm～140cm。的测量探头41适用环境温度范围为-20℃～80℃。上述的中空管38和四棱锥探头41连接方式为焊接。

如图8所示，管道滑坡试验系统共分为4个区域,地下水监测系统由滑坡土孔隙水压力监测传感器24和滑坡土水分监测传感器28组成，实时监测滑坡土地下水情况，将数据传输至滑坡土地下水监测数据中转站35，后由光纤传输至装置，测站19，经过数据处理显示在上位计算机显示器上。管道及滑坡监测系统由管道光纤光栅应变传感器48、土压力盒光纤光栅传感器43和光纤光栅测斜管传感器25组成，三者对管道和滑坡的应力应变进行实时监测，传输至装置监测站19的光纤光栅解调仪处，经过数据处理与分析，最终显示在装置监测站19上位计算机显示器上。自动降雨监测系统，主要由水源压力控制系统、自动降雨流量计6和自动降雨压力表7组成，数据通过数据线传输到装置监测站19中，有上位计算机显示器显示。

如图9所示，土压力盒光纤光栅传感器由空气管道12、土压力盒光纤光栅传感器43、土压力盒支架44、钢板卡箍45、圆弧形钢板46组成。土压力盒光纤光栅传感器43由土压力盒支架44固定在空气管道12上，其中土压力盒光纤光栅传感器43监测压力的一面朝向滑坡17的滑动方向；土压力盒支架44由两块圆弧形卡箍构成，上方的圆弧形卡箍焊接有安装底座，土压力盒光纤光栅传感器43嵌入其中，并与安装底座四周留有裕量，其中安装底座与光纤光栅传感器通过速干胶连接；土压力盒支架44上下两个卡箍使用左右两个卡箍连接件和螺帽连接。

如图10、图11所示，管道光纤光栅应变传感器安装结构由空气管道12、管道速干胶47、光纤39、管道光纤光栅应变传感器48和管道刮开的防腐涂层49组成。在空气输送管道上均匀布设管道光纤光栅应变传感器48，在所选监测点截面处，放置三个光纤光栅应变传感器48，三者在管道截面上呈3,9,12点钟方向排列，有了截面三个点的数据就可以计算得出该截面最大应变值的大小及位置。管道光纤光栅应变传感器48安装时要先刮开管道防腐涂层，打磨光滑，用速干胶将管道光纤光栅应变传感器粘贴在打磨好的管道外壁上。将光纤与管道光纤光栅应变传感器引纤连接好，并且引至地面，对其进行保护。

如图12所示，管道光纤光栅测斜管传感器安装结构由钢套管50、混凝土墩51、深部位移光纤52、光纤光栅应变传感器53、管道防水速干胶54、光纤沟槽55、细沙56、基岩面57、细砂浆58和PVC测斜管29组成。先在滑坡17上用地质钻进行工艺钻孔，钻孔必须穿过所在滑动面，并且延伸至基岩面13以下1.5m左右，其中钻孔口径为120mm，孔斜小于1°。钻孔过程中，除了基岩面以外要求全套管护壁。在PVC测斜管29外侧进行刻槽，宽度为2mm，将光纤用防水胶布固定在刻槽，在PVC测斜管29外管刻槽处每隔2m放置光纤光栅应变传感器25，利用管道防水速干胶54粘贴。下放PVC测斜管29，将粘贴光纤光栅应变传感器25的一面朝向滑坡滑动方向，PVC管全部放下后，向基岩与PVC测斜管29间隙里注入细砂浆，用注浆管引导，并在距离孔底大约1m左右开始注浆，在滑坡土与测斜管间隙回填细砂并压实。在深部位移孔口处浇注混凝土墩51，在墩内放置钢套管50，包裹PVC测斜管29，并将光缆连接至装置监测站19处。

装置监测站由光纤接线盒、连接光缆、光转换开关、光纤光栅解调仪和上位计算机组成。光纤接线盒和光缆连接来着土压力盒光纤光栅传感器43、管道光纤光栅应变传感器48和滑坡深部光纤光栅测斜管传感器25的光纤。由接线盒接出的光纤连接光转换开关，光转换开关将各通道信号依次转换给光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪解调出各光纤光栅传感器的中心波长位移量传给上位计算机，上位计算机自动计算出各监测量，并由显示器显示。