一种模拟降水对岩溶隧道渗流动态影响的试验装置及方法与流程

本发明涉及隧道渗流模型试验领域，尤其涉及模拟降水对岩溶区隧道渗流场动态影响的试验装置及方法。

背景技术：

随着我国交通建设的发展，隧道工程逐渐向地质条件复杂的地区建设，其中岩溶富水区便占据着一定比例。在水文地质条件复杂、裂隙和管道甚为发育的岩溶区，隧道周身地下水的来源将不仅于含水层，由于竖向岩溶管道的大量存在，大气降雨对地下水的补给作用也不容忽视。更为重要的是，在岩溶区隧道中大气降雨的补给速度快、耗时短，极易引发隧道排水能力相对不足，致使短时间内隧道外水压力过大，导致仰拱变形超限、结构裂损破坏等隧道运营问题的出现。同时，上述问题已多见于国内运营隧道中，严重影响了隧道运营安全，亟需开展相关研究与探讨。

目前，针对降水引发的隧道病害，已从工程实例、数值分析出发，对降水引发的隧道水害问题进行了反演分析。但是，值得注意的是，从工程实例出发，由于受限于现场实施条件，往往很难获得系统化的病害演变规律；从数值分析出发，难以保证计算模型、边界条件与现场情况相匹配。近年来相似模型试验，由于其操作方便、模拟相似性较好，较为真实的还原隧道水害的发生，常被用于降雨条件下隧道病害的反演研究。目前，对于模拟降雨下隧道病害反演的装置已有部分创新：

如中国专利公告号cn104330533b公开了一种模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验装置及方法，装置包括模型试验箱、雨量可调的降雨模拟系统、地下水渗流模拟系统、地下水供给系统、含水量测试系统、应力监测系统、数字照相非接触量测系统和光纤光栅位移监测系统。通过模拟地表水和地下水渗流作用下隧道软弱破碎围岩的渐进性破坏过程，定量研究不同的降雨条件和不同的地下水渗流路径条件下破碎围岩的力学行为。通过获得隧道围岩塌方过程中的多物理场信息，分析塌方不同演化阶段的多元信息特征及各场信息的内在联系，确定不同因素下隧道软弱破碎围岩的渐进性破坏过程和破坏形态、范围。

再如中国专利公告号cn206340266u公开了全方位模拟隧道开挖过程的模型，从上到下依次包括降雨模拟箱、模拟箱、储水箱；模拟箱两端分别连接水头控制箱，所述的模拟箱内部，两端分别为缓冲稳定区，中间模拟区内还安装有模拟隧道；模拟隧道模拟隧道的施工过程，模拟箱模拟施工过程中的外部环境。

又如中国专利公告号cn110275008a公开了一种可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型及试验方法，模型包括隧道分段开挖模拟装置、可控式降雨模拟装置及试块全表面位移场观测装置；试验方法包括：制备蜡块层并修剪排列得到蜡块；填土并将蜡块置于土体中部；搭建试块全表面位移场观测装置及可控式降雨模拟装置；采用长杆挖掘机构模拟隧道开挖；利用试块全表面位移场观测装置观测土体位移变化。

但是，以上专利成果一方面未考虑地形因素与地层岩溶特征，无法模拟地表汇水效应、岩溶管道水流特性，致使试验结果难以实现对实际案例的真实反映；另一方面，以上专利成果均侧重于隧道施工期间大气降雨的试验模拟，而病害统计表明隧道建成后降雨引发的病害案例也同样占据着较大比例，故针对建成后隧道开展试验模拟是必要的。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是，针对现有技术存在的问题，提供一种可精确模拟岩溶区、反映渗流场动态变化过程、获得准确的渗流路径、使用方便、结构简单的用于模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响的试验装置，还相应提供了利用该模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响的试验装置进行大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种模拟降水对岩溶隧道渗流动态影响的试验装置，包括用于模拟岩溶区及其内部隧道的试验模型箱装置、位于试验模型箱装置上方，用于模拟降雨的降雨器装置、用于拍摄试验模型箱装置，记录渗流路径的非接触式全位移场量测装置，试验模型箱装置上部连接模拟地形，模拟地形由地形模具制作，模拟地形位于降雨器装置的下方，模拟地形边界与试验模型箱装置上方边界匹配。

进一步地，为在模具方面改进，地形模具为内部空腔、底部开口的薄层外壳，用于固定围岩相似材料上表面形状轮廓，形成反映实际地貌的模拟地形，地形模具可拆卸地连接在试验模型箱装置的上部。

进一步地，为在试验模型箱装置方面改进，试验模型箱装置包括模型箱，模型箱中设有隧道模型，以及在模型箱外表面上开设有与隧道模型两端匹配的隧道轮廓孔，模型箱内部分层填充有针对不同地质情况的围岩相似材料，并根据试验模拟需求在填充的围岩相似材料中埋设至少一根岩溶管道模型。

进一步地，为了剖切试验模型箱，在制作渗流路径截面方面改进，在模型箱上，与隧道轮廓孔所在面相接的内侧面上，位于中间位置处，设有竖向的卡槽，用于插入卡槽板。

进一步地，为在便于承接降雨器装置方面改进，试验模型箱装置为长方体，试验模型箱装置四个角分别设有支撑柱，支撑柱上方设有处于同一水平高度的四根托架杆。

进一步地，为在调节模拟降雨功能方面改进，降雨器装置包括降雨箱、压力阀、压力泵、水泵、储水箱、连接于降雨箱和储水箱之间的输水管；降雨箱、压力阀、压力泵、水泵和储水箱由每节输水管首尾依次连接，降雨器装置（2）所使用的水中投放有染色剂。

进一步地，为在模拟不同降雨情形方面改进，降雨箱底部设有均匀间隔分布且与至少一种降雨喷头相匹配的降雨孔，降雨喷头沿降雨孔轴向插入。

进一步地，为在制作试验用具方面改进，隧道模型、岩溶管道模型、降雨喷头、地形模具均采用3d打印技术制作为整体结构。

进一步地，为在拍摄渗流路径方面改进，非接触式全位移场量测装置包括单反相机和支撑单反相机的三脚架，单反相机固定于三脚架上部。

上述模拟降水对岩溶区隧道渗流动态影响的试验装置所使用的一种试验方法，具体包括以下步骤，

s1：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，对模拟区域进行现场勘察，布设测量控制点，利用无人机航拍采集地形影像，并利用专业软件对地形影像进行数据提取；

s2：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，确定需研究试验模型箱装置及降雨器装置尺寸、位置、形式及相关试验参数；

s3：根据s2中对应的试验参数及模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验所需的隧道埋设条件，确定模型箱、卡槽、支撑柱、托架杆、隧道轮廓孔、卡槽板的形状、尺寸及位置，并完成制作；根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验所需的地质条件、隧道情况，确定隧道模型、岩溶管道模型的形状、尺寸，并采用3d打印技术逐一制作；根据s1中对应的地形数据及模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验所需的地形条件，建立地形三维模型，并采用3d打印技术制作地形模具；

s4：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，将降雨器装置依次连接，并将降雨箱放置在试验模型箱装置的托架杆上，并固定安装降雨喷头；将非接触式全位移场量测装置固定安装于隧道轮廓孔的轴向，并调整好试验模型箱装置与非接触式全位移场量测装置之间的距离；

s5：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，在模型箱中分层填充针对不同地质条件下的围岩相似材料，且沿隧道轮廓孔轴向插入隧道模型并安装好水压测试装置，同时将岩溶管道模型安装至围岩相似材料中；根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，在地形模具内部空腔填充相应的围岩相似材料，并水平放置在模型箱上部，缓慢拿掉地形模具，形成模拟地形；

s6：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，计算染色剂最佳浓度配比，并将染色剂投放至储水箱中，调制染色剂溶液；

s7：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，向模型箱中缓慢注水至设计高度，模拟初始水位；

s8：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求及试验所需降雨参数，调节压力阀、压力泵，开启水泵，模拟降雨；

s9：试验数据的动态采集：在降雨过程中，采用非接触式全位移场量测装置进行隧道模型全位移场照片的动态采集，并动态采集隧道排水量及隧道模型水压力；

s10：降雨至试验要求的降雨时间后，停止降雨，关闭降雨器装置；待试验模型箱装置稳定后，从模型箱的卡槽位置，逐层挖除一侧围岩相似材料，边挖边逐层竖向插入卡槽板，待一侧围岩相似材料完全挖除并插入卡槽板后，采用单反相机拍摄挖除后暴露出的围岩相似材料截面，并根据截面上染色剂的分布，绘制渗流路径。

s11：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求及试验所需降雨参数，调整压力阀、压力泵，再根据试验参数的变化，更换降雨喷头，重复s5、s6、s7、s8、s9、s10，即可开展新降雨参数试验。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

为了能够模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场的动态影响，本发明提供了一种包括试验模型箱装置、固定于试验模型箱装置上方的用于模拟降雨的降雨器装置、固定于试验模型箱装置前方的非接触式全位移场量测装置、水平放置于试验模型箱装置与降雨器装置之间且底部与试验模型箱装置上边界密贴的地形模具。在使用时，根据所需模拟区域的降水情况、地质条件、地形情况确定试验模型箱装置、降雨器装置、非接触式全位移场量测装置、地形模具的试验参数，相比以往模拟降水条件下仅考虑单一地层条件且未考虑地形因素的渗流模型试验来说，本装置大大提高了模型试验的精确性，不仅实现了岩溶区地质情况的准确模拟，还准确的还原了模拟区域的地形；此外本装置可获得渗流场的动态变化过程、准确的渗流路径。

附图说明

图1是模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响的试验装置示意图。

图2是本发明的试验模拟箱及降雨器装置正面示意图。

图3是本发明的降雨器装置正面示意图。

图4是本发明的试验模拟箱俯视图。

图5是本发明的卡槽板示意图。

图6是本发明的降雨喷头的示意图。

图7是本发明的降雨喷头正视图。

图8是本发明的降雨喷头俯视图。

附图标记：1、试验模型箱装置；11、模型箱；12、卡槽；13、支撑柱；14、托架杆；15、隧道模型；16、岩溶管道模型；17、隧道轮廓孔；18、卡槽板；19、围岩相似材料；2、降雨器装置；21、降雨箱；211、降雨孔；212、降雨喷头；22、压力阀；23、压力泵；24、水泵；25、储水箱；26、输水管；3、非接触式全位移场量测装置；31、单反相机；32、三脚架；4、地形模具。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本实施例的用于模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响的试验装置，包括试验模型箱装置1、固定于试验模型箱装置1上方的用于模拟降雨的降雨器装置2、固定于试验模型箱装置1前方的非接触式全位移场量测装置3、水平放置于试验模型箱装置1与降雨器装置2之间且底部与试验模型箱装置1上边界密贴的地形模具4，地形模具4还可卡接在试验模型箱装置1上方，方便携带和拆卸，地形模具4用于固定围岩相似材料19上表面形状轮廓，形成反映实际地貌的模拟地形，模拟地形的底部边界与试验模型箱装置1上部边界密贴，便于降雨完全通过模拟地形落入试验模型箱装置1内，提高试验的模拟效果。本装置大大提高了模型试验的精确性，不仅实现了岩溶区地质情况的准确模拟，还准确的还原了模拟区域的地形；此外本装置可获得渗流场的动态变化的结果、准确的渗流路径。

为了获得渗流路径，试验模型箱装置1的模型箱11两内侧中间位置设有竖向的卡槽12，渗流试验结束后，边挖除一侧土体，边插入卡槽板18，使得一侧土体保持稳定，该土体为围岩相似材料19。试验模型箱装置1四个角分别设有支撑柱13，支撑柱13上方距离模型箱11上边界50cm处，设有处于同一水平高度的四根托架杆14，托架杆14与支撑柱13通过焊接连接，使得降雨箱21固定安装于验模型箱装置1上方，保证模拟降水的稳定性。模型箱11上还设有与隧道模型15相匹配的隧道轮廓孔17，用于安装隧道模型。

为了模拟地质情况，试验模型箱装置1内部分层填充有针对不同地质情况的围岩相似材料19，围岩相似材料19中埋设有岩溶管道模型16，保证模拟岩溶区地质情况的精确性。

本实施例中，降雨器装置2包括降雨箱21、压力阀22、压力泵23、水泵24、储水箱25、连接于降雨箱21和储水箱25之间的输水管26。降雨箱21、压力阀22、压力泵23、水泵24和储水箱25由每节输水管26首尾依次连接，使得模拟降水能更加精细地被控制，保证降水的稳定性、均匀性。降雨箱21底部设有均匀分布且与降雨喷头212相匹配的降雨孔211，降雨喷头212沿降雨孔211轴向插入，保证降水的均匀性，降雨喷头212可更换，便于提高试验装置的利用率，降雨喷头也可更换成其他种类，有利于提高模拟效果。

本实施例中，非接触式全位移场量测装置3由单反相机31、固定支撑单反相机31的三脚架32组成，实现隧道位移的动态监测，保证数据采集的全面性、及时性、准确性。单反相机31固定于三脚架32上部，通过调节三脚架32的高度以及距离，使得非接触式全位移场量测装置3的量测具有可调节性。

为了模拟实际地形，地形模具4为内部空腔、底部开口的薄层外壳，厚度为4mm，便于填充围岩相似材料19，形成模拟区域真实地形，保证模拟地形的精确性、可操作性。

隧道模型15、岩溶管道模型16、降雨喷头212、地形模具4的制作均采用3d打印技术，优选使用c-uv9400光敏树脂打印材料。采用该技术，能够提高制作效率、制作精度、装置的尺寸稳定性，可加工性高，且制作简单、易于操作。

在利用本装置进行模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验时，其步骤如下：

s1：地形数据提取：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，对模拟区域进行现场勘察，布设测量控制点，利用无人机航拍采集地形影像，并利用专业软件对地形影像进行数据提取。

s2：试验参数确定：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，确定需研究试验模型箱装置1及降雨器装置2尺寸、位置、形式等试验参数。

s3：试验模型箱装置1及地形模具4的制作：根据s2中对应的试验参数及模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验所需的隧道埋设条件，确定模型箱11、卡槽12、支撑柱13、托架杆14、隧道轮廓孔17、卡槽板18的形状、尺寸及位置，并完成制作；根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验所需的地质条件、隧道情况，确定隧道模型15、岩溶管道模型16的形状、尺寸，并采用3d打印技术逐一制作；根据s1中对应的地形数据及模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验所需的地形条件，建立地形三维模型，并采用3d打印技术制作地形模具4。

s4：试验装置的安装：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，将降雨器装置2依次连接，并将降雨箱21放置在试验模型箱装置1的托架杆14上，并固定安装降雨喷头212；将非接触式全位移场量测装置3固定安装于隧道轮廓孔17的轴向，并调整好试验模型箱装置1与非接触式全位移场量测装置3之间的距离。

s5：地层、隧道及地形模拟：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，在模型箱11中分层填充不同地质条件下的围岩相似材料19，且沿隧道轮廓孔17轴向插入隧道模型15并安装好水压测试装置，同时将岩溶管道模型16安装至围岩相似材料19中；根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，在地形模具4内部空腔填充围岩相似材料19，并水平放置在模型箱11上部，缓慢拿掉地形模具4，形成地形模型。

s6：染色剂的投放：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，选用亮蓝染色剂，计算该染色剂最佳浓度配比，并将该染色剂投放至储水箱25中，调制亮蓝染色剂溶液。

s7：初始水位模拟：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，向模型箱11中缓慢注水至设计高度，模拟初始水位。

s8：降雨模拟：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求及试验所需降雨参数，调节压力阀22、压力泵23，开启水泵24，模拟降雨。

s9：试验数据的动态采集：在降雨过程中，采用非接触式全位移场量测装置3进行隧道模型15全位移场照片的动态采集，并动态采集隧道排水量及隧道模型15水压力。

s10：渗流路径的获取：降雨至试验要求的降雨时间后，停止降雨，关闭降雨器装置2；待试验模型箱装置1稳定后，从模型箱11的卡槽12位置，逐层挖除一侧围岩相似材料19，边挖边逐层竖向插入卡槽板18。待一侧围岩相似材料19挖除并插入卡槽板18后，采用单反相机拍摄挖除后暴露出的围岩相似材料19截面，并根据截面上染色剂的分布，绘制渗流路径。

s11：试验参数的调整：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求及试验所需降雨参数，调整压力阀22、压力泵23，再根据试验参数的变化，更换降雨喷头212，重复s5、s6、s7、s8、s9、s10，即可开展新降雨参数试验。

本发明根据所需模拟区域的降水情况、地质条件、地形情况确定试验模型箱装置、降雨器装置、非接触式全位移场量测装置、地形模具的试验参数，相比以往模拟降水条件下仅考虑单一地层条件且未考虑地形因素的渗流模型试验来说，大大提高了模型试验的精确性，不仅实现了岩溶区地质情况的准确模拟，还准确的还原了模拟区域的地形；此外还可获得渗流场的动态变化过程、准确的渗流路径。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围之内。