一种排水系统冻结过程可视化的隧道缩尺试验模型的制作方法

本技术涉及铁路隧道试验模型，更具体的说是涉及一种排水系统冻结过程可视化的隧道缩尺试验模型。

背景技术：

1、寒区铁路隧道产生隧道衬砌渗漏水、开裂、挂冰及排水系统冻结失效主要原因为：当环境温度由0℃以上(春季、夏季)转变为0℃以下(秋季、冬季)时，贮存于围岩和排水系统内部的地下水会发生由液态转变为固态。围岩内部地下水冻结会导致隧道衬砌结构受到额外的冻胀力，隧道排水系统中地下水的冻结会导致原有排水通道被封堵，引发排水系统的整体失效，进而引起各类冻害。

2、相比于改变寒区隧道洞内的环境温度，改变寒区隧道地下水路径所处环境的可行性较高。因此相关研究人员主要针对寒区隧道排水系统进行了诸多优化和改良，力求解决寒区隧道排水系统失效问题，如深埋中心水沟、保温侧沟、辅助供热等措施。

3、针对寒区隧道排水系统优化、改良措施虽然在一定程度上缓解了冻害的发生，但依然无法彻底解决隧道排水系统冻结失效问题。究其根源，主要是由于地下水在隧道衬砌排水系统内部流动的不可见性，导致目前寒区隧道排水系统冻结演变过程不明，无法获得寒区隧道排水系统冻结起冻的关键位置，导致隧道排水系统优化与改良的针对性较弱且效果不尽如人意。

4、目前传统隧道模型较为简化，忽略了排水系统等隧道细部结构，无法实现寒区隧道排水冻结过程的真实模拟。相关隧道模型试验，由于缩尺隧道尺寸较小，通常将隧道结构模型简化为简单的马蹄形或圆形，忽略了隧道背后环、纵向排水系统和隧道内部中央及两侧排水沟，从而导致已有的相关隧道结构模型仅能获得结构受力及破坏特征，无法得到准确的隧道排水系统排水过程。此外，相关隧道模型主要采用混凝土隧道模型(如cn107036955b-模拟隧道单层衬砌整体防排水系统性能的模型试验装置)以及采用石膏浇筑成型而混凝土和石膏隧道均存在隧道成型精度较低，且隧道不透明，导致隧道衬砌排水系统内部流动的具有不可见性，不利于试验人员观察寒区隧道排水系统冻结演变过程，不能为后续隧道排水系统的优化和改良提供技术支持。

5、因此，如何提供一种能够实时观测隧道排水系统在低温环境下的冻结响应过程，并能够获得寒区隧道排水系统冻结起冻的关键位置，为后续隧道排水系统的优化和改良提供技术支持的排水系统冻结过程可视化的隧道缩尺试验模型是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本实用新型提供了一种能够实时观测隧道排水系统在低温环境下的冻结响应过程，并能够获得寒区隧道排水系统冻结起冻的关键位置，为后续隧道排水系统的优化和改良提供技术支持的排水系统冻结过程可视化的隧道缩尺试验模型。

2、为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

3、一种排水系统冻结过程可视化的隧道缩尺试验模型，包括：

4、透明式隧道衬砌结构，所述透明式隧道衬砌结构的隧道内部的底端面上开设有中心排水沟和两个侧排水沟，所述中心排水沟位于两个所述侧排水沟之间，且两个所述侧排水沟分别通过内置在所述隧道内部的两个第一透明式横向导水管与所述中心排水沟均连通；

5、透明式环向排水管，所述透明式环向排水管设置在所述透明式隧道衬砌结构的拱顶外壁上，所述透明式环向排水管的两端管口分别沿所述透明式隧道衬砌结构的外壁面向下延伸；

6、透明式纵向排水管，所述透明式纵向排水管为两个，且分别设置在所述透明式隧道衬砌结构的底部两侧，且分别与所述透明式环向排水管的两端管口连接且连通，两个所述透明式纵向排水管分别通过内置在所述隧道内部的两个第二透明式横向导水管与对应的所述侧排水沟连通；

7、其中，所述第一透明式横向导水管、所述透明式环向排水管、所述透明式纵向排水管、所述第二透明式横向导水管构成隧道的排水系统。

8、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种排水系统冻结过程可视化的隧道缩尺试验模型，该模型中的透明式隧道衬砌结构、第一透明式横向导水管、透明式环向排水管、透明式纵向排水管、第二透明式横向导水管均为透明结构，即该模型为全透明结构，便于试验人员能够实时观测隧道排水系统在低温环境下的冻结响应过程，获得寒区隧道排水系统冻结起冻的关键位置，为隧道排水系统优化与改良提供有效的试验依据。

9、进一步的，所述第一透明式横向导水管、所述透明式环向排水管、所述透明式纵向排水管、所述第二透明式横向导水管的内壁面均为磨砂面。

10、采用上述技术方案产生的有益效果是，磨砂面遇液体后会填充磨砂颗粒间隙，使得折射率提高，进而使得第一透明式横向导水管、透明式环向排水管、透明式纵向排水管、第二透明式横向导水管整体呈现透明状态；而水结冰时无法再与微磨砂表面完全贴合，折射率大幅降低，进而使得第一透明式横向导水管、透明式环向排水管、透明式纵向排水管、第二透明式横向导水管呈现雾状；因此，排水系统中的管道内壁为磨砂面，可以使得管道内的水和冰呈现出不同的视觉效果，利用观察排水系统内部冰和水的冻结响应过程和状态，以及利于获得寒区隧道排水系统冻结起冻的关键位置。

11、进一步的，所述第一透明式横向导水管、所述透明式环向排水管、所述透明式纵向排水管、所述第二透明式横向导水管的外壁面均为剖光面。

12、采用上述技术方案产生的有益效果是，可提高观察效果。

13、进一步的，所述透明式隧道衬砌结构、所述第一透明式横向导水管、所述透明式环向排水管、所述透明式纵向排水管、所述第二透明式横向导水管的材质均为光敏树脂材料。

14、采用上述技术方案产生的有益效果是，光敏树脂材料是3d打印的材料，因此，透明式隧道衬砌结构、第一透明式横向导水管、透明式环向排水管、透明式纵向排水管、第二透明式横向导水管均可3d打印制作，打印精度为0.1mm，不仅可完全满足隧道细节部位结构的制作精度要求，从而实现寒区隧道排水冻结过程的真实模拟，而且3d打印制作可提高模型的快速建造效率，缩短试验周期。

15、进一步的，所述透明式环向排水管的表面开设有多个1.5mm直径的透水孔，其开孔率不小于20％。

16、采用上述技术方案产生的有益效果是，透水孔的作用是让围岩中的水进入排水管，便于观察水的冻结情况。

17、进一步的，还包括：

18、制冷设备，所述制冷设备设置在所述透明式隧道衬砌结构的外侧，用于给所述排水系统提供制冷环境；

19、摄像设备，所述摄像设备设置在所述透明式隧道衬砌结构的外侧，用于拍摄所述排水系统的图像；

20、图像处理终端，所述图像处理终端设置在所述透明式隧道衬砌结构的外侧，且与所述摄像设备电连接，用于对拍摄的图像进行水和冰图像识别处理，并获得不同冻结时间条件下排水系统内部冰和水分布云图，获得排水系统冻结起冻的关键位置。

21、采用上述技术方案产生的有益效果是，该试验模型能够实时观测隧道排水系统在低温环境下的冻结响应过程，并通过图像处理终端，获得寒区隧道排水系统冻结起冻的关键位置，为后续隧道排水系统的优化和改良提供技术支持。