一种岩溶洼地建库地下水气作用相似模拟试验装置及方法与流程

1.本发明涉及一种岩溶洼地建库地下水气作用相似模拟试验装置及方法，属于水利工程岩溶洼地建库室内相似模拟试验技术领域。


背景技术：

2.岩溶洼地是岩溶地貌发育的早、中期产物。典型岩溶洼地为近圆形封闭地貌，呈“锅底状”，利用岩溶洼地天然负地形建库所需开挖和回填工程量极少，是抽水蓄能上库、堆放灰渣、废渣的理想场所，在能源和矿业领域具有很大的需求。
3.利用岩溶洼地建设抽水蓄能库是实现“风光水火储一体化发展”的需求。传统能源工业的发展，特别是新能源（风能、太阳能等）的发展，对具有调蓄功能的抽水蓄能库具有极大需求。利用岩溶洼地建设抽水蓄能电站，可为进一步挖掘水力发电潜能，调储新能源提供有效解决方案。同时，岩溶洼地建库是解决矿业开发环境污染的关键途径。随着矿产资源大规模开采利用，已产生并将持续产生大量的一般工业固体废物（灰渣、尾矿和弃渣等），对岩溶区建渣库土地资源提出了更高的需求。
4.当前，岩溶洼地的开发利用工程实践较少，缺乏岩溶洼地建库理论和技术方法。利用岩溶洼地建设抽水蓄能水库、工业固体废物库的关键是确保防渗工程的可靠性及库体稳定性问题。然而，岩溶洼地底部一般发育落水洞、漏斗、溶隙等岩溶通道。为防止库体渗漏，必须对岩溶洼地水库、渣库建设的大尺度岩溶通道进行封堵及全面铺盖防渗。而作为主要地下水气排泄通道的洼地落水洞、漏斗等结构被封堵后，必将显著改变地下水气环境，在地下水位变动时，将产生不可忽视的水气压力作用（真空吸蚀、正压顶托效应等），对工程稳定性和防渗性能将产生重要影响。开展系统的岩溶洼地建库水气作用机理研究，发展洼地建库工程灾变控制技术，研究岩溶洼地建库成套理论和技术方法，具有重要科学价值及工程应用前景。
5.中国专利cn110954352a-一种能源地下结构模型实验测试系统，包括：模型单元，模型单元包括盛放有试验用土的模型箱和设置在所述试验用土中的能源地下结构模型；温度加载单元，包括通过管道依次连通的水箱、水泵、温度循环控制器以及换热管，所述换热管内置于所述能源地下结构模型中；空气加载单元，包括用于为所述能源地下结构模型施加不同温度和/或速度的空气流体；检测单元，包括布置在所述试验用土中的温度传感器阵列，布置在所述能源地下结构模型中的温度传感器和应变传感器，所述温度传感器和所述应变传感器分别与解调仪连接，所述解调仪与计算机连接。该专利技术针对能源地下结构，无法对岩溶洼地所研究的多种地址条件、工况进行模拟。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于，提供一种岩溶洼地建库地下水气作用相似模拟试验装置及方法。实现对多种地质条件、多种工况（地下水位升降、库体内加卸载等）引起地下水气作用（真空吸蚀和正压顶托等）的模拟，为研究多种工况下岩溶洼地建库防渗可靠性和库区稳定
性研究提供支撑。
7.本发明的技术方案：一种岩溶洼地建库地下水气作用相似模拟试验装置，包括箱体，箱体内设有岩溶管道结构模拟模块，岩溶管道结构模拟模块上设有地表结构模拟模块，在箱体内还设有水位演化及降雨工况模拟模块和水-气-力-变形监测模块。
8.上述的岩溶洼地建库地下水气作用相似模拟试验装置，所述岩溶管道结构模拟模块包括地层模拟模块，在地层模拟模块内设有地下岩溶管道系统，地下岩溶管道系统连接侧向补给管道以及岩溶暗河通道。
9.上述的岩溶洼地建库地下水气作用相似模拟试验装置，所述地表结构模拟模块包括库内物模块，库内物模块下发设有防渗膜和垫层，垫层下发为地表岩体结构。
10.上述的岩溶洼地建库地下水气作用相似模拟试验装置，所述水位演化及降雨工况模拟模块包括降雨模拟装置、供水箱，供水箱连接供水管，所述供水管上设有供水管阀门，供水管连接进出水管，进出水管上分别设有进水管阀门和出水管阀门，进出水管还连接有高压泵。
11.上述的岩溶洼地建库地下水气作用相似模拟试验装置，所述水-气-力-变形监测模块包括水气压力传感器、超声波水位监测器、膜变形计、水位监测仪、流量计、含水率传感器和三维激光扫描仪，所述水气压力传感器和超声波水位监测器设置在地表结构模拟模块内，膜变形计设置在防渗膜上，水位监测仪设置在库内物模块上，流量计设置在岩溶暗河通道上，含水率传感器设置在地下岩溶管道系统内，三维激光扫描仪设置在箱体内上部。
12.岩溶洼地建库地下水气作用相似模拟试验装置的试验方法，在箱体内根据工程实测或试验需求选择材料和结构形状设置岩溶管道结构模拟模块；根据地貌特征及工程措施，设计地表模拟结构，设置地表结构模拟模块；在地表结构模拟模块设置水位演化及降雨工况模拟模块，并连接水-气-力-变形监测模块；通过水位演化及降雨工况模拟模块控制地表结构模拟模块内及箱体内抽-排水速率，并实时记录抽排水流量，通过水-气-力-变形监测模块监测岩土材料中各物理量的演化，完成试验。
13.本发明的有益效果：本发明的试验装置通过各个模块组合可实现对多种地质条件（地层渗透系数、岩溶通道形态）、多种工况（地下水位升降、库体内加卸载、暴雨）引起地下水气作用（真空吸蚀和正压顶托等）的模拟。根据相似准则确定模拟地层材料渗透系数及地下岩溶空间形态，地层材料和岩溶空间为可更换模块，可实现对复杂地质条件的模拟。通过供水箱、高压泵和阀门系统，配合监测模块，可实现地下水位升-降过程中地下水气压力、渗透过程、地表变形等多种岩溶建库工程复杂工况模拟及力学响应监测。可为岩溶洼地建库可行性分析和安全评价提供有力支撑。
附图说明
14.图1为本发明的结构示意图。
15.附图标记：1—箱体；水位演化及降雨工况模拟模块，包含：11—降雨模拟装置；12—供水箱；13—供水管；141—供水管阀门；142—进水管阀门；143—出水管阀门；144—侧向补给管道阀门；15—
进出水管；16—高压泵；水-气-力-变形监测模块，包含：21—水气压力传感器；22—超声波水位监测器；23—膜变形计；24—水位监测仪；25—流量计；26—含水率传感器；27—三维激光扫描仪；地表结构模拟模块，包含：31—库内物（库水或堆渣）；32—防渗膜；33—垫层；34—地表岩体结构；岩溶管道结构模拟模块，包含：41—地层模拟材料；42—地下岩溶管道系统；43—侧向补给管道；44—岩溶暗河通道。
具体实施方式
16.为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出岩溶洼地建库地下水气作用模拟试验装置，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
17.本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，具体的理解为：可以同时包含有a与b，可以单独存在a，也可以单独存在b，能够具备上述三种任一种情况。
18.本发明的实施例：一种岩溶洼地建库地下水气作用相似模拟试验装置，包括箱体1，箱体1内设有岩溶管道结构模拟模块，岩溶管道结构模拟模块上设有地表结构模拟模块，在箱体1内还设有水位演化及降雨工况模拟模块和水-气-力-变形监测模块。
19.所述岩溶管道结构模拟模块包括地层模拟模块41，在地层模拟模块41内设有地下岩溶管道系统42，地下岩溶管道系统42连接侧向补给管道43以及岩溶暗河通道44。所述地层模拟模块41为根据相似准则确定的不同渗透性和力学性质的相似材料；所述地下岩溶管道系统42为柱形、变径型或实测概化模型。
20.所述地表结构模拟模块包括库内物模块31，库内物模块31下发设有防渗膜32和垫层33，垫层33下发为地表岩体结构34。所述地表岩体结构34根据模拟情况，可为裂隙型岩体结构、圆柱形落水洞、坍塌扩展型以及混合洼地岩溶结构。库内物31可为库水和堆渣2中介质，分别模拟水库和渣库两类工程。防渗膜32和垫层33为根据实际工程按照相似准则确定的材料和几何形态。
21.所述水位演化及降雨工况模拟模块包括降雨模拟装置11、供水箱12，供水箱12连接供水管13，所述供水管13上设有供水管阀门141，供水管13连接进出水管15，进出水管15上分别设有进水管阀门142和出水管阀门143，进出水管15还连接有高压泵16。水位演化及降雨工况模拟模块，为控制模拟工况的系统，通过供水箱12、高压泵16、出水管15配合阀门系统实现试验中的水气压力加载。通过降雨模拟装置11改变模拟材料含水率和孔内水量，模拟降雨工况。
22.所述水-气-力-变形监测模块包括水气压力传感器21、超声波水位监测器22、膜变形计23、水位监测仪24、流量计25、含水率传感器26和三维激光扫描仪27，所述水气压力传感器21和超声波水位监测器22设置在地表结构模拟模块内，膜变形计23设置在防渗膜32上，水位监测仪24设置在库内物模块31上，流量计25设置在岩溶暗河通道44上，含水率传感
器26设置在地下岩溶管道系统42内，三维激光扫描仪27设置在箱体1内上部。水-气-力-变形监测模块为实验过程检测模块，水气压力传感器21监测岩溶管道系统42、侧向补给通道43和地层模拟材料41内水气压力；超声波水位监测器监测岩溶管道系统42内水位；膜变形及监测试验过程中防渗膜发生的变形；流量计25安装于进出水管15上，监测进水量和出水量。含水率传感器26监测地层模拟材料41内含水率。
23.岩溶洼地建库地下水气作用相似模拟试验装置的试验方法，在箱体内根据工程实测或试验需求选择材料和结构形状设置岩溶管道结构模拟模块；根据地貌特征及工程措施，设计地表模拟结构，设置地表结构模拟模块；在地表结构模拟模块设置水位演化及降雨工况模拟模块，并连接水-气-力-变形监测模块；通过水位演化及降雨工况模拟模块控制地表结构模拟模块内及箱体内抽-排水速率，并实时记录抽排水流量，通过水-气-力-变形监测模块监测岩土材料中各物理量的演化，完成试验。
24.下面通过具体实施例来进一步阐述本发明的技术方案：实施例1：岩溶洼地库正压顶托效应模拟地下水位上升引起正压顶托效应和地下水位下降引起负压吸蚀效应使岩溶洼地建库可行性研究的重要内容。
25.按照工程地质参数和工程运营情况，依照相似准则配置地层模拟材料41，满足力学参数和渗透性相似；搭建地下岩溶管道系统42，侧向补给系统和岩溶暗河管道；按照工程地质参数和相似准则，铺设地表岩体结构34、垫层33和防渗膜32；根据实际工程设计库内堆渣或库水；根据工程实测或统计参数设计地下水上升速率，并转化为注水流量；打开全部监测模块。
26.针对地下水位上升引起正压顶托工况，在供水箱12加满水，关闭出水阀门143，打开供水管阀门141，侧向补给管道阀门144保持关闭，调节进水管阀门142，观察流量计25，以设计流量注入水，地下岩溶管道系统42中水位逐渐上升；试验过程中，岩溶管道系统42和地层模拟材料41中的水气压力传感器21实时监测系统中水气压力的改变；超声波水位监测器22实时监测岩溶管道系统42的水气压力；膜变形计23实时监测防渗膜的变形；含水率传感器26实时监测地层模拟材料内含水率的变化；三维激光扫描仪27实时监测库内位移。通过监测系统可获得地下水位上升全过程岩溶腔体内水气压力、地下水位的演化过程，岩体内水气压力及水气渗透过程，以及垫层、防渗膜、库内库的变形过程。
27.待试验中岩溶管道系统中水位达到设计高度或试验要求后，关闭全部测试系统，关闭供水管阀门141，为防止地下水下降对垫层、防渗膜造成冲击，打开侧向补给管道阀门144，打开出水管阀门143，试验系统中的水经由进出水管排出，完成正压吸蚀试验。
28.若需要模拟很高正压情况，供水装置需由供水箱12改为高压泵16。加压前关闭供水管阀门141，出水管阀门143，打开高压泵16供水，打开进水管阀门142，由高压泵16提供更高水压。
29.由于该设备为模块式，通过改变地表结构模拟模块、岩溶管道模拟模块按相同的
方式，可以研究不同地质条件下、不同地下水位下降速率条件下岩溶洼地库水-气-力-变形演化过程。
30.实施例2：岩溶洼地库负压吸蚀效应模拟按照工程地质参数和工程运营情况，依照相似准则配置地层模拟材料41，满足力学参数和渗透性相似；搭建地下岩溶管道系统42，侧向补给系统和岩溶暗河管道；按照工程地质参数和相似准则，铺设地表岩体结构34、垫层33和防渗膜32；根据实际工程设计库内堆渣或库水；根据工程实测或统计参数设计水位下降速率，并转化为排水流量；打开全部监测模块。
31.针对地下水位下降引起负压吸蚀的工况，首先在供水箱12加满水，关闭出水阀门143，打开侧向补给管道阀门144，打开供水管阀门141，打开进水管阀门142，观察超声波水位监测器22，当岩溶管道系统42中水位达到设计值后，关闭进水管阀门142，关闭供水管阀门141，打开出水管阀门143；结合流量计25调节进水管阀门142，使排水流量达到设计值。
32.试验过程中，岩溶管道系统42和地层模拟材料41中的水气压力传感器21实时监测系统中水气压力的改变；超声波水位监测器22实时监测岩溶管道系统42的水气压力；膜变形计23实时监测防渗膜的变形；含水率传感器26实时监测地层模拟材料内含水率的变化；三维激光扫描仪27实时监测库内位移。通过监测系统可获得岩溶管道系统内水位下降全过程岩溶腔体内水气压力、地下水位的演化过程，岩体内水气压力以及垫层、防渗膜、库内库的变形过程。
33.由于该设备为模块式，通过改变地表结构模拟模块、岩溶管道模拟模块按相同的方式，可以研究不同地质条件下、不同地下水位上升速率条件下岩溶洼地库水-气-力-变形演化过程。
34.实施例3：降雨工况岩溶洼地库地下水气压力模拟试验研究降雨条件下岩溶洼地库水气压力演化特征为实际岩溶洼地建库工程提供支撑。
35.按照实际工程的地质条件，依照相似准则配置地层模拟材料41，满足力学参数和渗透性相似；搭建地下岩溶管道系统42，侧向补给系统和岩溶暗河管道；按照工程地质参数和相似准则，铺设地表岩体结构34、垫层33和防渗膜32；根据实际工程设计库内堆渣或库水；根据降雨工况计算模拟降雨量；关闭出水阀门143，关闭供水管阀门141，关闭进水阀门142，打开侧向补给管道阀门144；打开全部监测系统，打开降雨模拟装置11，按设计降雨量调节模拟降雨量。
36.试验过程中，水位监测仪实时监测库内水位；岩溶管道系统42和地层模拟材料41中的水气压力传感器21实时监测系统中水气压力的改变；超声波水位监测器22实时监测岩溶管道系统42的水气压力；膜变形计23实时监测防渗膜的变形；含水率传感器26实时监测地层模拟材料内含水率的变化；三维激光扫描仪27实时监测库内位移。通过监测系统可获得岩溶管道系统内水位下降全过程岩溶腔体内水气压力、地下水位的演化过程，岩体内水
气压力以及垫层、防渗膜、库内库的变形过程。
37.地下水位上升至设计位置，达到试验结束条件后，关闭降雨模拟装置11，关闭全套监测系统；打开进水管阀门142，打开出水管阀门143，排空地下岩溶管道系统42内水；排出库内水。结束试验。