本实用新型涉及一种海底隧道工程中孔隙水压力、隧道应变和隧道涌水量测量的试验装置，特别是涉及潮汐要素变化的海底隧道周围海床土压力以及孔隙水压力响应的模型试验装置，可用于量测不同隧道埋置深度、隧道开挖半径、衬砌厚度等情况下海底隧道周围海床孔隙水压力值。
背景技术：
随着中国城市化进程的加快，东部沿海地区出现越来越多沿海跨江的隧道工程，相比于跨海以及跨江的大桥，隧道对环境带来的损伤较小，而且几乎不受天气条件的影响。但是这些隧道工程都将面临着同一个问题，即潮汐作用的影响。潮汐作用不仅影响着总应力的变化，而且还改变着水力边界条件，而且对于弱透水土层，还存在着孔压累计的问题，因此潮汐荷载作用下，渗流场内部的水土压力响应是一个复杂的问题。现行的设计规范往往将一段重现期内的最高水位作为恒定水位进行设计，但是这么简化到底是偏危险还是偏安全，已有研究并未给出答案。
技术实现要素：
本实用新型提供了一种模拟受潮汐作用的海底隧道试验装置，可以提供不同的潮汐要素(振幅、周期等)，可以用于研究不同隧道埋置深度、隧道开挖半径、衬砌厚度等情况下海底隧道周围海床孔隙水压力值。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模拟受潮汐作用的海底隧道试验装置，包括水位波动系统、模型箱、隧道、支撑系统和量测系统；所述水位波动系统包括包括恒水位水箱、进水管阀门、进水管、出水管阀门、出水管、连通管阀门、连通管、衬板A、竖杆、衬板B、滑膛、两个曲杆、两个圆环、减速器、电机和插头；所述模型箱由模型箱底板、四条角钢、模型箱左侧转动板、出水口阀门、钢化玻璃、模型箱背面板、模型箱右侧板、进出水阀门和有机玻璃板组成；
所述恒水位水箱第一侧面顶部开有孔洞，用于安装进水管阀门；所述进水管阀门通过进水管和水源连接；所述恒水位水箱第二侧面中央开有孔洞，用于安装出水管阀门；所述出水管阀门与出水管一端连接；所述出水管另一端连接到地漏；所述恒水位水箱第三侧面底部开有孔洞，用于安装连通管阀门；所述连通管阀门与连通管一端连接，所述连通管另一端连接模型箱的进出水阀门；所述衬板A固定在恒水位水箱底部；所述衬板B固定在滑膛顶部；所述竖杆一端与衬板A固定连接，另一端与衬板B固定连接；所述滑膛呈长方体形，其中长边对应的铅垂面上开有条形的贯通孔A，短边对应的铅垂面上开有贯通孔B，所述贯通孔A和贯通孔B在同一水平面内，并相互垂直，两个圆环分别穿过两侧的贯通孔B置于贯通孔A的指定位置；所述曲杆呈Z字形，一头套在圆环内，另一头连接减速器，所述减速器与电机连接，所述电机通过插头连接电源；
所述模型箱底板和四条角钢焊接形成模型箱框架；所述模型箱右侧板和模型箱背面板均由铁板制成并焊接到模型箱框架上；所述模型箱右侧板底部开有小孔，用于安装出水口阀门，用以加快土体固结，顶部安装有进出水阀门；所述模型箱背面板开有两个矩形开口，或者中间位置开有一个矩形开口，矩形开口处放置有机玻璃板；所述有机玻璃板中央开有圆形孔洞，孔洞半径和隧道外半径一致，用于安放隧道；所述钢化玻璃位于模型箱正面，并和模型箱框架通过结构胶粘接；所述模型箱左侧转动板由铁板制成，通过位于模型箱左侧转动板上的转子A和位于模型箱框架的角钢上的转子B连接，从而达到能够自由转动的目的，通过位于模型箱左侧转动板左侧的插销A和位于模型箱框架的角钢上的插销B以及插条固定；所述隧道由水泥和石英砂浇筑养护而成，安放在支撑系统上；所述支撑系统由支撑叉子、支撑管以及支撑底座组成；所述量测系统包括第一孔压传感装置、第二孔压传感装置、应变片和涌水量箱；所述第一孔压传感装置由第一传感器固定支架和固定在第一传感器固定支架上的第一孔压传感器组成；所述第二孔压传感装置由第二传感器固定支架和固定在第二传感器固定支架上的第二孔压传感器组成；所述第一孔压传感装置位于隧道下方，隧道的两侧各具有一个第二孔压传感器装置；所述应变片两两一组，共四组，每组的两个应变片呈T字形排布，四组沿隧道外表面环向等间距排布，用于测量隧道应变；所述涌水量箱由涌水量箱主体和第三孔压传感器组成；所述涌水量箱主体由四块塑料板构成，利用玻璃胶粘贴在模型箱背面板上；所述涌水量箱主体底部放置第三孔压传感器，用于测量水位高度。
进一步地，所述贯通孔B截面形状为两段半圆形，中间连接矩形，刚好能够放入圆环。
进一步地，所述曲杆为三根圆形截面的圆柱杆互相焊接而成。
进一步地，所述恒水位水箱为五块正方形有机玻璃板通过AB胶粘接而成无顶水箱。
进一步地，所述衬板A材质为金属板，钻有四个螺纹孔，通过螺丝连接在恒水位水箱底部；所述衬板B材质为铁板，钻有四个螺纹孔，通过螺丝与滑膛连接。
进一步地，所述竖杆为铁杆，一端满焊在衬板A上，另一端满焊在衬板B上。
进一步地，所述第一传感器固定支架和第二传感器固定支架由圆柱形细长铁杆点焊于正方形薄铁板中央，所述第一传感器固定支架和第二传感器固定支架上车有用于安装孔压传感器的凹槽。
进一步地，所述转子A为一圆柱形钢条焊接在模型箱左侧转动板上，转子B焊接在模型箱框架的角钢上，为一棱柱体钢块，内部车出一圆柱体孔洞，圆柱体孔洞大于转子A，用于安放转子A；所述插销A和插销B均为一钢块，内部车去相同大小的孔洞后分别焊接在模型箱左侧转动板和模型箱框架的角钢上。
进一步地，所述支撑叉子插入支撑管内，并且支撑管上每隔10厘米钻有一个孔洞，通过转紧螺丝用于调节支撑叉子的高度。
进一步地，所述第一孔压传感器外径曲率与第一传感器固定支架上的凹槽曲率一致，通过绑扎带固定在第一传感器固定支架上；所述第二孔压传感器外径曲率与第二传感器固定支架上的凹槽曲率一致，通过绑扎带固定在第一传感器固定支架上；所述第一孔压传感器的信号传输线沿着第一传感器固定支架、模型箱底板、钢化玻璃的顺序连接到数据采集仪和第一孔压传感器供电装置上；所述第二孔压传感器的信号传输线沿着第二传感器固定支架、模型箱底板、钢化玻璃的顺序连接到数据采集仪和第二孔压传感器供电装置上。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型可以提供简谐变化的边界水压，为研究潮汐荷载对工程的影响提供技术支持。
2、本实用新型可以通过调节Z字形曲杆中杆的长度来调节潮汐变化的幅值，通过调节减速器的齿轮比来调节潮汐变化的周期。
3、本实用新型可以通过调整海底隧道不同埋置深度、不同开挖半径以及不同衬砌厚度研究波浪作用下海底隧道合理的参数取值。
4、本实用新型通过转动位于支撑管子上的螺丝调节支撑叉子的高度，并且通过更换相对应的有机玻璃板来调节隧道的埋置深度，有机玻璃板成本较低，这样的设计能够大大降低实验的费用。
5、本实用新型通过引入转动板的设计，使得在卸土的时候可以从侧面进行，降低了劳动强度，方便实验实施。
6、本实用新型在模型箱底板上放置一系列传感器固定支架，支架上放置数量不等的孔压传感器，用来量测任意时刻下海底隧道附近海床孔隙水压力值，进而描绘渗流场内等水头线以及流线并研究其变化规律。
7、本实用新型提供了单线隧道和双线隧道两种模式；通过调节两块有机玻璃板开孔位置来调整双线隧道的相对位置，从而实现不同的隧道间距。
附图说明
图1(a)为一种模拟受潮汐作用的海底隧道试验装置采用单线隧道的效果图；
图1(b)为一种模拟受潮汐作用的海底隧道试验装置采用双线隧道的效果图；
图2为恒水位水箱正视图；
图3为恒水位水箱俯视图；
图4为滑膛正视图；
图5为滑膛侧视图；
图6为曲柄示意图；
图7为减速箱及电机示意图；
图8为模型箱框架示意图；
图9为模型箱左侧转动板示意图；
图10(a)为采用单线隧道的模型箱示意图；
图10(b)为采用双线隧道的模型箱示意图；
图11为转子示意图；
图12为插销示意图；
图13为模型右侧板示意图；
图14为隧道及支撑系统示意图；
图15为传感器固定支架；
图16为涌水量箱示意图；
图中：恒水位水箱1；进水管阀门2；进水管3；出水管阀门4；出水管5；连通管阀门6；连通管7；衬板A8；竖杆9；衬板B10；滑膛11；曲杆12；贯通孔A13；贯通孔B14；圆环15；减速器16；电机17；插头18；模型箱底板19；角钢20；转子B20-1；插销B20-2；模型箱左侧转动板21；转子A21-1；插销A21-2；出水口阀门22；钢化玻璃23；模型箱背面板24；模型箱右侧板25；进出水阀门26；有机玻璃板27；隧道28；支撑叉子29-1；支撑管29-2；支撑底座29-3；第一传感器固定支架30-1；第一孔压传感器30-2；第二传感器固定支架31-1；第二孔压传感器31-2；涌水量箱主体32-1；第三孔压传感器32-2；应变片33。
具体实施方式
下面结合附图和实施例子对本实用新型进一步说明。
如图1(a)、图1(b)所示，本实用新型一种模拟受潮汐作用的海底隧道试验装置，包括水位波动系统、模型箱、隧道28、支撑系统和量测系统。
如图2、3所示，所述恒水位水箱1为5块正方形有机玻璃板通过AB胶粘接而成无顶水箱；所述恒水位水箱1第一侧面顶部开有孔洞，用于安装进水管阀门2；所述进水管阀门2通过进水管3和水源连接，通过调整进水管阀门2可以控制进水速度；所述恒水位水箱1第二侧面中央开有孔洞，用于安装出水管阀门4；所述出水管阀门4与出水管5连接；所述出水管5另一头连接到地漏；所述恒水位水箱1第三侧面底部开有孔洞，用于安装连通管阀门6；所述连通管阀门6与连通管7连接；所述连通管7另一端连接进出水阀门26；所述衬板A8材质为铁板，钻有四个螺纹孔，通过螺丝连接在恒水位水箱1底部。
如图4所示，所述竖杆9为铁杆，一端满焊在衬板A8上，另一端满焊在衬板B10上；所述衬板B10材质为铁板，钻有四个螺纹孔，通过螺丝与滑膛11连接；所述滑膛11为铝合金材质，呈长方体形，内部开有图4所示的长方体贯通孔A，用于放置曲杆12；如图5所示，所述滑膛11内部在水平面内与贯通孔A13垂直的另一方向开有贯通孔B14，用于安放图6所示曲杆12上的圆环15；所述贯通孔B截面形状为两段半圆形，中间连接矩形，刚好能够放入圆环15；如图6所示，所述曲杆12呈Z字形，材质为低碳钢，一端套有圆环15，安放在滑膛11内，另一头连接减速器16。
如图7所示，所述减速器16一头连接曲杆12，另一头与电机17连接；所述插头18连接上电源后，整套装置开始工作，恒水位水箱1将在曲杆12的带动下呈简谐运动。
如图8-13所示，所述模型箱由模型箱底板19、角钢20、转子B20-1、插销B20-2、模型箱左侧转动板21、转子A21-1、插销A21-2、出水口阀门22、钢化玻璃23、模型箱背面板24、模型箱右侧板25、进出水阀门26和有机玻璃板27组成；所述模型箱底板19为1厘米厚钢板，和4根半厘米厚的角钢20点焊在一起形成整个模型箱的框架；所述模型箱右侧板25和模型箱背面板24均由1厘米厚铁板制成并焊接到模型箱框架上；如图13所示，所述模型箱右侧板25底部开有出水口阀门22，用以加快土体固结，顶部开有进出水阀门26；
所述模型箱背面板24开有两个矩形开口，或者中间位置开有一个矩形开口，矩形开口处放置有机玻璃板27，模型箱背面板24和有机玻璃板27之间的缝隙用玻璃胶填充；所述有机玻璃板27中央开有圆形孔洞，孔洞半径和隧道28外半径一致，用于安放隧道28；所述钢化玻璃5位于模型箱正面，并和模型箱框架通过结构胶粘接；所述模型箱左侧转动板21由铁板制成，通过位于转动板21右侧的转子A21-1和位于模型箱框架角钢20上的转子B20-1连接，从而达到可以自由转动的目的，通过位于模型箱转动板21左侧的插销A21-2和位于模型箱框架的角钢20上的插销B20-2以及插条固定；如图11所示，所述转子A21-1为一圆柱形钢条焊接在模型箱左侧转动板21上；所述转子B20-1焊接在模型箱框架的角钢20上，为一棱柱体钢块，内部车出一圆柱体孔洞，孔洞大于转子A21-1，用于安放转子A21-1；转子A21-1和转子B20-1组合使用，在模型箱左侧转动板21和角钢20交接处共有两处；如图12所示，插销A21-2和插销B20-2均为一钢块，内部车去相同大小的孔洞后分别焊接在模型箱左侧转动板21和模型箱框架的角钢20上。
如图14所示，所述隧道28由水泥以及石英砂按照一定比例浇筑养护而成，安放在支撑系统上；所述支撑系统由支撑叉子29-1、支撑管29-2以及支撑底座29-3组成；所述支撑叉子29-1插入支撑管29-2内，支撑管29-2上每隔10厘米钻有一个孔洞，通过转紧螺丝用于调节支撑叉子29-1的高度，支撑管29-2焊接在支撑底座29-3上。
所述量测系统包括第一孔压传感装置、第二孔压传感装置、应变片33和涌水量箱；如图15所示，所述第一孔压传感装置由第一传感器固定支架30-1和固定在第一传感器固定支架30-1上的第一孔压传感器30-2组成；所述第二孔压传感装置由第二传感器固定支架31-1和固定在第二传感器固定支架31-1上的第二孔压传感器31-2组成；所述第一孔压传感装置位于隧道28下方，隧道28的两侧各具有一个第二孔压传感器装置；所述第一传感器固定支架30-1和第二传感器固定支架31-1由圆柱形细长铁杆点焊于正方形薄铁板中央形成，铁杆上车有凹槽，凹槽的曲率和第一孔压传感器30-2和第二孔压传感器31-2的曲率一致，以方便安置第一孔压传感器30-2和第二孔压传感器31-2；如图14所示，所述应变片33两两一组，共四组，每组的两个应变片33呈T字形排布，四组沿隧道28外表面环向等间距排布，用于测量隧道28应变；如图16所示，所述涌水量箱由涌水量箱主体32-1和第三孔压传感器32-2组成；所述涌水量箱主体32-1由四块塑料板构成，利用玻璃胶粘贴在模型箱背面板24上；所述涌水量箱主体32-1底部放置第三孔压传感器32-2，用于测量水位高度。
本实用新型工作过程如下：首先，将恒水位水箱1通过螺丝和衬板A8连接，通过螺丝将衬板B10固定在滑膛11上；然后将圆环15通过贯通孔B放置到指定位置，再将曲杆12一端穿过圆环15放置在贯通孔A内，另一端连接减速器16；通过螺丝螺母将减速器16和电机17连接；接着对另一组曲杆12、圆环15、减速器16、电机17进行同样的操作。
接着，将支撑系统放置在模型箱中央，按照设计要求，调节支撑叉子29-1的高度，拧紧螺丝固定支撑叉子29-1和支撑管29-2；在隧道28外侧中央部位按照编号依次粘贴应变片33，将隧道28安放在支撑叉子29-1上；接着将有机玻璃板27利用玻璃胶粘贴在模型箱背面板24的矩形孔洞上；将第三孔压传感器32-2放置在涌水量箱主体32-1内，利用玻璃胶将涌水量箱主体32-1粘贴在模型箱背面板上；将应变片33的数据线按照隧道28—有机玻璃板27的顺序引导到模型箱外；接着，按照编号，将第一孔压传感器30-2和第二孔压传感器31-2固定在第一传感器固定支架30-1和第二传感器固定支架31-1上，安装完成的第一传感器固定支架30-1和第二传感器固定支架31-1按照对应纵断面位置布设在模型箱底板19上，将第一孔压传感器30-2和第二孔压传感器31-2按照第一传感器固定支架30-1和第二传感器固定支架31-1—模型箱底板19—模型箱背面板25的顺序引导到模型箱外；关上模型箱左侧转动板22，在模型箱左侧转动板22和模型箱框架之间的空隙利用结构胶填充完成密封的工作；采用水下抛填法制备海床，抛填土体之前保证模型箱内水深约5厘米，土体的抛洒应均匀缓慢，用扫帚沿着模型箱轴线对每层抛洒完成的土体均匀退扫2-3遍，减少土体内部的封闭气泡，每填筑20厘米土体时，静置两个小时，填土的过程中，注意对孔压计的保护；当土体填筑到隧道底部时，暂停填土，打开模型箱出水口阀门22加快土体固结，待土体固结完毕之后继续填土到设计高度。
接着打开进水管阀门2、出水管阀门4和连通管阀门6；将进水管3和水源相连；将出水管5和地漏相连，将连通管7和进出水阀门26相连接，打开水源往恒水位水箱1内注水；待水位上升到出水管位置时，通过调节进水管阀门2和出水管阀门4来控制进水出速率相同，从而控制恒水位水箱1内水位恒定。然后将两个插头18同时接入电源。恒水位水箱1便能够跟随曲杆12转动呈竖直方向的简谐运动。打开进出水阀门26，当恒水位水箱1随着曲杆12往上运动时，一部分水会通过连通管7进入到模型箱；当恒水位水箱1随着曲杆12往下运动时，一部分水会通过连通管7从模型箱进入到恒水位水箱1并通过出水管5排走，从而实现模拟潮汐荷载的简谐波动边界水头；然后将第一孔压传感30-2、第二孔压传感器31-2、第三孔压传感器32-2和应变片33数据线连接到对应的数据采集仪上以及供电装置上；采集第一孔压传感器30-2、第二孔压传感器31-2、第三孔压传感器32-2和应变片33传出的数据。
这样，一组实验完成，更改支撑叉子的高度或者不同外半径及衬砌厚度的隧道重复以上步骤完成所有实验。