浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验装置及方法

本发明涉及岩土工程，特别涉及一种浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验装置及方法。

背景技术：

1、城市地面沉降是一个常见的问题，尤其在城市地区的建设和发展中。这种地面沉降可能是由多种因素引起的，包括土壤侵蚀、水土流失、地下水位变化、建筑物施工等。水土流失是指地表的土壤被水流冲刷走的过程，通常会导致土地的逐渐侵蚀和地面下降。这种现象对城市基础设施、建筑物和土地使用规划带来了一系列挑战和风险。

2、地热能是一种清洁低碳、分布广泛的优质可再生能源，目前已实现规模化开发利用的水热型地热资源在中深层和深层热储中均有广泛分布。但在地热井打井施工过程中如果触及了深层复杂地质构造，容易导致钻井周边地区浅层水土流失，进而引发地面沉降等现象。

3、在应对由此引发的城市地面沉降问题时，了解水土流失如何导致地面下沉是至关重要的。因此，需要开发一种水土流失引发城市地面沉降的模拟试验方案，以模拟地热井钻进过程中，形成导水通道造成粘土层的水土流失并最终发生地面沉降，确认地面沉降源头及地下水土流失部位，研究地热井钻进对地面沉降的影响作用及影响范围，以便采取相应的预防和控制措施。

4、目前为止，大部分关于地面沉降的模拟试验方案，是关于地热开发、地下水抽取、地下管道施工等引发的地面沉降，未见有关于地热开发钻井导致浅层水土流失引发地面沉降的模拟试验方案。现有地面沉降试验模拟方案多为简单的过程模拟，且存在以下现场问题：

5、(1)现有地下水加载装置无法完全模拟实现地下水的赋存及供给。

6、(2)地下水的加载无法同时精确的控制水压和水量。

7、(3)现有模拟装置无法实现水土流失及流失通道的模拟。

8、(4)无法模拟地下溶洞的存在及灵活调整溶洞蓄水空间问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验装置及方法，以获取随地热井钻进过程中，形成导水通道造成粘土层的水土流失及最终发生地面沉降情况，探究地面沉降源头、地下流失部位，研究地热井钻进对地面沉降的影响作用及影响范围。

2、本发明第一方面实施例提供一种浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验装置，包括：模型台架，所述模型台架包括台架底板、钢框架和四个可锁死重型万向轮，所述钢框架设置在所述台架底板的上方，所述四个可锁死重型万向轮设置在所述台架底板的底部四个顶角处，用于支撑和移动；箱体，所述箱体固定在所述模型台架的内部，且所述箱体的每个侧面设有至少一个预留注水孔，每个预留注水孔上布设有pvc管，用于铺设多种试验材料，以模拟预设地下地质；地下水加载设备，用于通过所述pvc管与所述箱体上的预设留注水孔连接，以对所述箱体进行供水，模拟地下水流；钻孔设备，用于钻进所述预设地下地质，以模拟水土流失和流失通道，形成导水通道造成粘土层的水土流失，发生地面沉降；数据采集设备，所述数据采集设备分别与所述箱体、所述地下水加载设备和所述钻孔设备对应设置，用于采集并分析钻进过程中所述预设地下地质的水土流失情况和各岩层的变形及应力变化数据，得到模拟试验结果。

3、可选地，所述箱体均采用亚克力板材质，包括四个侧面和一个底面，上部开口，其中，任一侧面上设有泄水孔，用于排水。

4、可选地，所述pvc管上设有预设数量的散水孔。

5、可选地，所述地下水加载设备包括蓄水池、水泵、控制阀、流量计、可调水头供水组件和联动控制开关，其中，

6、所述蓄水池、所述水泵、所述控制阀、所述流量计和所述可调水头供水组件的水头水箱通过水管连接形成供水通路，所述水头水箱通过所述联动控制开关和供水管连接到所述箱体，所述供水管通过一拖四的方式分别连接到所述箱体的4个预留注水孔。

7、可选地，所述可调水头供水组件包括电机、传动轴、导升轨、水头水箱和滑轨，其中，所述电机通过所述传动轴连接所述导升轨，其中，所述传动轴与所述导升轨的端部采用伞型传动齿轮进行传动，所述导升轨采用齿轮轴的形式与所述水头水箱两侧的螺纹连接，控制所述水头水箱的升降。

8、可选地，所述钻孔设备包括手电钻、预设钻头和套管。

9、可选地，所述数据采集设备包括传感器、沉降标、千分表、应变测试分析系统和数据采集软件，其中，所述传感器包括压力盒和孔隙水压力计，所述应变测试分析系统使用usb接口与所述数据采集软件联机。

10、本发明第二方面实施例提供一种浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验方法，包括以下步骤：

11、预先确定待模拟预设地下地质所需的多个试验材料以相应的铺设厚度；

12、将箱体固定在模型台架上，在所述箱体上逐层铺设所述多种试验材料，并在预定位置埋设数据采集设备的传感器，将所述传感器的电缆引出所述箱体外，与所述数据采集设备的应变测试分析系统相连；

13、在铺设第一层试验材料时，在该层内部布设充满气的气球，以留设空腔，模拟出所述待模拟预设地下地质；

14、判断是否满足预设试验条件，若满足，则通过地下水加载设备进行供水，供水量需达到预设值，以模拟地下水流；

15、通过钻孔设备进行钻孔，以模拟水土流失和流失通道，直至钻头钻破底部预留气球后，撤出钻头；

16、在钻孔开始后，利用所述数据采集设备记录钻进过程中水土流失情况、泄水孔出水量，读取各层的变形及应力变化数据，并对所述水土流失情况、所述泄水孔出水量、所述各层的变形及应力变化数据进行分析。

17、本发明第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验方法。

18、本发明第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验方法。

19、本发明实施例提出的浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验装置方法，具有以下

20、有益效果：

21、完全模拟实现地下水的赋存及供给，同时精确的控制供水压力和供水量；

22、通过钻孔设备的钻进，实现水土流失及流失通道的模拟，实现模拟地热井钻进过程中，形成导水通道造成粘土层的水土流失并最终发生地面沉降；

23、通过在最下层试验材料中布设一充满气的大型气球，当强度不够时采用融化蜡的方案代替，搭配泄水孔排水，拟地下溶洞的存在及灵活调整溶洞蓄水空间问题；

24、获取随地热井钻进过程中，形成导水通道造成粘土层的水土流失及最终发生地面沉降情况，可以探究地面沉降源头、地下流失部位，研究地热井钻进对地面沉降的影响作用及影响范围。

25、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验装置，其特征在于，所述箱体均采用亚克力板材质，包括四个侧面和一个底面，上部开口，其中，任一侧面上设有泄水孔，用于排水。

3.根据权利要求1所述的浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验装置，其特征在于，所述pvc管上设有预设数量的散水孔。

4.根据权利要求1所述的浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验装置，其特征在于，所述地下水加载设备包括蓄水池、水泵、控制阀、流量计、可调水头供水组件和联动控制开关，其中，

5.根据权利要求4所述的浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验装置，其特征在于，所述可调水头供水组件包括电机、传动轴、导升轨、水头水箱和滑轨，其中，所述电机通过所述传动轴连接所述导升轨，其中，所述传动轴与所述导升轨的端部采用伞型传动齿轮进行传动，所述导升轨采用齿轮轴的形式与所述水头水箱两侧的螺纹连接，控制所述水头水箱的升降。

6.根据权利要求1所述的浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验装置，其特征在于，所述钻孔设备包括手电钻、预设钻头和套管。

7.根据权利要求1所述的浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验装置，其特征在于，所述数据采集设备包括传感器、沉降标、千分表、应变测试分析系统和数据采集软件，其中，所述传感器包括压力盒和孔隙水压力计，所述应变测试分析系统使用usb接口与所述数据采集软件联机。

8.一种浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验方法，其特征在于，采用权利要求1-7中任一项所述的浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验装置，包括以下步骤：

9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如权利要求8所述的浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求8所述的浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验方法。

技术总结
本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种浅层水土流失引发城市地面沉降的模拟试验装置及方法，其中，装置包括：模型台架，用于支撑和移动；箱体，固定在模型台架的内部，用于模拟预设地下地质；地下水加载设备，用于与箱体上的预设留注水孔连接，以对箱体进行供水模拟地下水流；钻孔设备，用于钻进预设地下地质，以模拟水土流失和流失通道，形成导水通道造成粘土层的水土流失发生地面沉降；数据采集设备，设备分别与箱体、地下水加载设备和钻孔设备对应设置，用于采集并分析钻进过程中水土流失情况和各岩层的变形及应力变化数据。由此，解决了现有地面沉降试验模拟方案多为简单过程模拟，无法完全模拟实现地下水的赋存及供给等问题。

技术研发人员：薛翊国,王建宁,孔凡猛,公惠民,傅康
受保护的技术使用者：中国地质大学（北京）
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21