深埋水工隧洞渗透梯度模拟试验系统和试验方法与流程

本发明涉及深埋水工隧洞渗透梯度模拟试验系统和试验方法，属于水利水电工程领域，尤其是处于高外水压力作用下的深埋水工隧洞工程。

背景技术：

水荷载是水工隧洞最主要的荷载，水工隧洞中的水荷载一般包括内水压力和外水压力两部分。外水压力是和有压隧洞中的内水压力相对而言的，而对无压隧洞和刚建成未经使用的隧洞，一般不存在内水压力。通常所称的内水压力是作用于隧洞内缘的面力，外水压力则为作用于隧洞外缘的面力。严格地说，仅当衬砌不透水时，水对衬砌的作用力才是表面力。由于混凝土衬砌是透水的，因此水对衬砌的作用是渗流体积力。对于深埋隧洞，天然的地下水面线与隧洞轴线之间的高差很大，从而形成相对较大的外水荷载，将在围岩中产生渗透梯度(单位渗透途径上的水头损失)。而为了保证隧洞的稳定，不仅要保证围岩稳定，也要保证围岩的渗透稳定，渗透稳定也是水工压力隧洞需满足三大设计准则之一。

目前对于渗透稳定的研究主要还是采用数值模拟的手段，但在数值模拟过程中由于单元尺度差异太大，对于裂隙网络的模拟非常困难。而模型试验已经被广泛采用，用于研究地下洞室的稳定性，但也仅限于普通的地应力加载，无法考虑地下水作用产生的渗透梯度对隧洞稳定性的影响。

技术实现要素：

本发明首先所要解决的技术问题是提供一种深埋水工隧洞渗透梯度模拟试验系统。为此，本发明采用以下技术方案：

深埋水工隧洞渗透梯度模拟试验系统，包括试验钢箱、模拟地应力加载系统、岩石模拟体；其特征在于：所述岩石模拟体被围绕中心设置为多层，在岩石模拟体的层与层之间设置耐高压的可充液体而膨胀的柔性管壁层，各层岩石模拟体与各层可充液体而膨胀的柔性管壁层连接形成整体，试验钢箱从立方体的六面包夹在岩石模拟体外；

最内层的岩石模拟体供开凿模拟隧洞；每层的岩石模拟体连接位移计和应变花。

所述可充液体而膨胀的柔性管壁层优选采用硅胶管。

可充液体而膨胀的柔性管壁的抗压下限5mpa，柔性管壁层的原始厚度为5mm-10mm。

模拟地应力加载系统可采用垂直施加于试验钢箱的千斤顶组和水平施加于试验钢箱的千斤顶组。

所述模拟试验系统设置有油缸，可充液体而膨胀的柔性管壁层分别连接油缸。

本发明另一个所要解决的技术问题是提供了一种深埋水工隧洞渗透梯度模拟试验方法，能够准确、灵活地模拟外水压力在围岩中产生的各种渗透梯度。为此，本发明采用以下技术方案：

深埋水工隧洞渗透梯度模拟试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)量测地应力和渗透力为零时应变花和位移计读数的初始值；然后分步加载加载模拟地应力至模拟现场实际地应力大小；

(2)卸载，再重复步骤(1)，至加载模拟现场实际地应力时与不加载模拟地应力时，前后两次实验的应变花和位移计读数的度数一致；

(3)在加载模拟现场实际地应力的条件下，在中心层岩石模拟体上开挖模拟隧洞；

(4)在加载模拟现场实际地应力的条件下，加渗透梯度力，对各层的可充液体而膨胀的柔性管壁层分别灌注相应压力的液压油；

(5)测量各层的应变花和位移计读数的度数。

为解决上述技术问题，本发明也可采用以下技术方案：

深埋水工隧洞渗透梯度模拟试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)量测地应力和渗透力为零时应变花和位移计读数的初始值；然后分步加载加载模拟地应力至模拟现场实际地应力大小；

(2)卸载，再重复步骤(1)，至加载模拟现场实际地应力时与不加载模拟地应力时，前后两次实验的应变花和位移计读数的度数一致；

(3)在加载模拟现场实际地应力的条件下，加渗透梯度力，对各层的可充液体而膨胀的柔性管壁层分别灌注相应压力的液压油；测量各层的应变花和位移计读数的度数。

(4)在中心层岩石模拟体上开挖模拟隧洞；测量各层的应变花和位移计读数的度数。

本发明提供了一种直接模拟渗透梯度的模型试验系统和试验方法，将外水压力在围岩中形成的渗透梯度真实反映在围岩中，可以精准控制渗透梯度，避免了模型试验无法施加外水压力和无法模拟岩体裂隙网络的技术缺陷，对评价隧洞在外水压力作用下的渗透稳定提供了一个更加便捷的方法。

附图说明

图1为本发明渗透梯度模拟试验系统实施例的示意图。

图2为单层渗压梯度模拟示意图。

图3为本发明渗透梯度模拟试验系统渗透压力分布图。

具体实施方式

(一)、模型试验设计

按照模型试验钢箱1尺寸设计模型比例尺。模型试验钢箱内设置岩石模拟体，钢箱壁立方体的六面与岩石模拟体紧贴。

本实施例采用1：50比例，开挖洞径13cm；岩石模拟体沿开挖洞轴线方向模拟30cm，约合2.5倍洞直径，沿洞宽方向模拟182cm，约合14倍洞直径，沿洞垂直方向117cm，约合9倍洞直径。

岩石模拟体的材料与模型尺寸保持匹配，反映现场实际条件，可选用重晶石粉、砂、石膏和水混合浇筑。

本实施例岩石模拟体采用变相似的三维模型，模型比尺如下：长度比尺：cl＝50；位移比尺：cδ＝cl＝50；

(二)、试验系统

所述试验系统包括试验钢箱1、地应力加载系统。所述岩石模拟体被围绕其中心设置为4层，分别是中心层31、第二层32、第三层33以及最外侧的与试验钢箱1紧贴的这一层34。在中心层31与第二层32之间设置第一层可充液体而膨胀的柔性管壁层41，在第二层32与第三层33之间设置第二层可充液体而膨胀的柔性管壁层42，在第三层33与第四层34之间设置第三层可充液体而膨胀的柔性管壁层43。中心层31在岩石模拟体挖凿模拟隧洞100后形成。各层岩石模拟体与各层可充液体而膨胀的柔性管壁层连接形成整体，可充液体而膨胀的柔性管壁层可采用硅胶管，硅胶管的抗压下限5mpa，硅胶管壁的原始厚度为5mm

在构建检测装置时，先通过模具在第一层可充液体而膨胀的柔性管壁层41内构筑实还未开凿模拟隧洞100的中心层岩石模拟体，然后再在第二层可充液体而膨胀的柔性管壁层42和第一层可充液体而膨胀的柔性管壁层41之间构筑实第二层岩石模拟体，然后再在第三层可充液体而膨胀的柔性管壁层43和第二层可充液体而膨胀的柔性管壁层42之间构筑实第三层岩石模拟体；然后再在试验钢箱1和第三层可充液体而膨胀的柔性管壁层43之间构筑实第四层岩石模拟体。

试验钢箱可通过带加强型材的钢板连接紧固呈包夹在岩石模拟体外。

地应力加载系统通过试验钢箱1向岩石模拟体模拟加载地应力。地应力加载系统采用垂直加载于试验钢箱1的千斤顶组21以及水平加载于试验钢箱1的千斤顶组22，本实施例垂直地应力采用4个截面积为15.9cm²千斤顶，水平采用9个千斤顶加压，每组千斤顶与分油器相连。

为了获得开挖隧洞及周边的变形，应力变化特征，在隧洞周边布置安装位移计51和应变花52，位移计51和应变花52自内向外布置4层分别对应岩石模拟体的各层，每层设置数个位移计51和应变花52，一般布置在0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°方向。位移计51和应变花52连接在每层岩石模拟体上，最佳部位为该层的厚度方向上的中间位置。所述位移计和应变花和数据采集处理装置比如电脑相连。

本试验系统能够模拟高外水压力所产生的体积力，基本要求是保证整个作用面的渗透梯度相似。本发明具体实施办法是：渗流网络的模拟试验主要用可充液体而膨胀的柔性管壁层(原始厚度为5mm，抗压10mpa的硅胶管)，实验时，将各层的硅胶管分别和油缸连接，模拟渗压的油压是通过逐层通油，加油量可按实际需要通过调节阀调节，并通过压力表显示实时的压力分布情况，保证尽量接近实际。本实施例中三层可膨胀柔性管壁层的内侧轮廓线距离隧洞轮廓线101分别为12cm、15cm和20cm，油压分别为第一层可充液体而膨胀的柔性管壁层p1＝3mpa、第二层可充液体而膨胀的柔性管壁层p2＝3.75mpa和第三层可充液体而膨胀的柔性管壁层p3＝5mpa。

从而在岩石内部产生类似渗透压的效果，且该渗透压的大小，根据实验需要而可以灵活调整。

三层可充液体而膨胀的柔性管壁层的渗透力(油压)施加完毕后，分别记录位移计和应变花的读数，计算不同渗透梯度下岩石的开挖响应，具体计算过程如下：两层之间的渗透力之间的差值/两层之间距离＝渗透梯度，例如最外层和中间层之间的渗透梯度之差为5mpa-3.75mpa＝1.25mpa，两层之间距离＝20cm-15cm＝5cm＝0.05m，渗透梯度＝1.25/0.05＝25，从该两层之间布置的位移计和应变花读数变化，可以预测此渗透梯度下，隧洞开挖导致的岩石开挖响应。

在上述模型构筑完毕后，试验步骤如下：

(1)量测地应力和渗透力为零时应变花和位移计读数的初始值，以便再加载后去除初始值；加载模拟地应力(渗透力保持为零，不对可充液体而膨胀的柔性管壁层加油)，先加载千斤顶组22即先加水平荷载，再加载千斤顶组21即再加垂直荷载，加载步长水平每次0.5mpa，垂直每次0.55mpa，最后水平达5mpa，垂直达8mpa，记录应变花和位移计读数的度数，所述5mpa和8mpa模拟现场实际地应力大小。

(2)卸载，再重复步骤(1)，至最大水平加载值和最大垂直加载值时与不加载模拟地应力时，前后两次实验的应变花和位移计读数的度数一致，通过加模拟地应力的方式，使得岩石模拟体自动调整形成更加真实的实验模拟体，消除后续实验的读数误差，一般加载次数为两次。

(3)在加载模拟现场实际地应力的条件下，在中心层岩石模拟体上开挖模拟隧洞100；

(4)在加载模拟现场实际地应力的条件下，加渗透梯度力，对各层的硅胶管分别灌注相应压力的液压油，首先施加最外层渗透梯度力5mpa，待施加梯度力稳定后，再施加中间层渗透梯度力3.75mpa，待施加梯度力稳定后，最后施加最内层渗透梯度力3mpa；

(5)测量各层的应变花和位移计读数的度数。

两层之间的渗透力之间的差值/两层之间距离＝渗透梯度，例如最外层和中间层之间的渗透梯度之差为5mpa-3.75mpa＝1.25mpa，两层之间距离＝20cm-15cm＝5cm＝0.05m，渗透梯度＝1.25/0.05＝25，此时两层之间布置的位移计和应变花读数，即代表此渗透梯度及地应力下，隧洞开挖导致的岩石开挖响应。

在步骤(1)和(2)中，也可施加步骤(4)中施加的渗透梯度力。或者将步骤(4)的加渗透梯度力移到步骤(3)开挖模拟隧洞100前，在加载模拟现场实际地应力和渗透梯度力的条件，测量各层的位移计和应变花读数，然后开挖模拟隧洞，将步骤(5)各层的位移计和应变花读数与该开挖隧洞前的各层位移计和应变花读数进行比较。

以上所述仅为发明的具体实施案例，本发明的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之中。