[实用新型]一种海底隧道流固耦合模型试验系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种结构模型试验技术，尤其是一种海底隧道流固耦合模型试验系统。 

背景技术

国内众多科研院所先后对大型水电、交通和矿山工程问题进行了模型试验研究，并取得了一大批研究成果。 

（1）《武汉水利电力大学学报》1992年第5期介绍了一种平面应力试验装置及加载系统，该试验装置是150cm×140cm封闭平面刚性加力架，由压力盒、气压泵、管路、压力表组成的加载系统进行加载，该系统为平面加载，无法实现三维加载。 

（2）《岩石力学与工程学报》2004年第22期介绍了总参工程兵科研三所一种YD—A型岩土工程多功能模拟试验装置。该装置尺寸为160cm×140cm×40cm，为平面模型试验台，无法改变模型尺寸和三维加载模拟。 

（3）申请人为山东大学，中国专利申请号201110039078.0介绍了一种大型自由组合榀式高地应力地下工程模型试验装置。带有模型升降平移拖车系统，可应用于高地应力条件下岩土工程的平面和三维地质力学模型试验。但是该系统中无法注水，不能进行流固耦合试验的模拟。 

（4）作者为蔚立元，2010年山东大学博士毕业论文《水下隧道围岩稳定性研究及其覆盖层厚度确定》中介绍了一种自重应力场流固耦合模型试验装置。该装置可控制上覆水体的高度，可应用于流固耦合模型试验。但是该装置只在后视面设置有机玻璃板，不能最大程度的实现可视化，而且无法进行三维加载。 

综合分析上述单位的模型试验台架装置系统，还存在以下不足之处： 

1.现有的模型试验装置均为传统的地质力学模型试验装置，不能模拟现场真实情况下流固耦合相似材料与水发生交互作用的流固耦合效应。模型试验装置均未考虑水封性；

2.上述的模型试验装置的尺寸一般不可调整，即使可调整，操作也比较繁琐，对实验的进行造成较大干扰；而且结构组装复杂，不方便拆分，不能进行多次重复试验；

3.上述模型试验装置只能模拟平面加载过程或只能模拟三维加载过程，功能单一，不能进行改装；

4.在可视化方面，上述的模型试验装置无法观察试验过程中流固耦合相似材料与水发生交互作用情况下的软化、渗水等现象，也无法观察围岩的破裂、突水等现象。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种结构组成简单、强度高、封水性能良好、能模拟现场真实情况下渗流场及应力场、可直观观察施工过程中海底隧道围岩渗流特征及加载过程中围岩破裂和突水过程的、可模拟平面及准三维流固耦合的模型试验系统。 

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案： 

一种海底隧道流固耦合模型试验系统，包括高强度刚性试验结构架，高强度钢化玻璃密封箱，实时监测显示系统，计算机控制平台，压力水箱，所述高强度钢化玻璃箱通过EVA泡棉双面胶黏贴于高强度刚性试验结构架内，高强度刚性试验结构架顶端架设有实时监测显示系统；高强度刚性试验结构架的顶盖上设有进水口，进水口中设有与压力水箱相连的橡胶输水管；所述高强度钢化玻璃箱中铺设有流固耦合相似材料，流固耦合相似材料中埋设有光纤位移应变测试传感器，光纤位移应变测试传感器通过线路与计算机控制平台相连，计算机控制平台通过线路与实时监测显示系统相连。

所述高强度刚性试验结构架由前后边墙、底板、两侧山墙和顶盖连接组成，所述前后边墙正中间部位分别设有洞。 

所述高强度钢化玻璃密封箱内侧附着有防爆膜，高强度钢化玻璃密封箱通过玻璃胶分别与高强度刚性试验结构架的底座、前后边墙、两侧山墙顶盖粘结，所述与前后边墙对应的高强度钢化玻璃密封箱上与洞吻合处设有开口。 

所述压力水箱内设有离心式抽水泵，离心式抽水泵与橡胶输水管相连，且压力水箱上自带有压力指示表。 

海底隧道流固耦合模型试验系统的试验方法，步骤如下：A.试验台架的组装，将高强度钢化玻璃密封箱通过EVA泡棉双面胶与高强度刚性试验结构架粘结；B.将流固耦合相似材料铺设入高强度钢化玻璃密封箱中，并夯实，并埋设相应的光纤位移应变测试传感器，连接到计算机控制平台；满足预先设计厚度之后，采用橡胶输水管通过压力水箱向铺设流固耦合相似材料的高强度钢化玻璃密封箱中注水，达到预先设定的水头高度，进行流固耦合试验；C.浸泡使流固耦合相似材料饱和，并使强度及渗流量达到稳定，然后经行洞口进行开挖；D.开挖完成后，通过光纤位移应变测试传感器采集数据，传输给计算机控制平台，通过计算机控制平台分析处理数据，同时将隧道内围岩变形破裂情况及关键数据反映在实时监测显示系统中。