[发明专利]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

权利要求书

1.一种模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验装置，包括含水量量测系统（11）、数字照相非接触量测系统，其特征在于：还包括方形的模型箱（1），模型箱（1）的四个角上设有带玻璃插槽的立柱（12），模型箱（1）的四个面均为钢化玻璃，正面的钢化玻璃可拆卸，模型箱（1）周边经螺栓固定，并设有保证不渗水、不漏水的橡胶密封条；模型箱（1）顶部设有人工降雨模拟系统（8），模型箱（1）上间隔设有多路用于模拟不同地下水渗流路径的渗流水管（4），多路渗流水管（4）入水口处均设有控制阀（5），模型箱（1）的一侧设有专门向模型箱（1）提供地下水供给系统；所述的模型箱（1）内充填有模拟隧道围岩的流固耦合相似材料（19），在模拟隧道的围岩层内及构建模拟的隧道截面（3）周围布设多个传感器（10）和光纤光栅位移计；所述的含水量量测系统（11）经支架（9）对称设在模型箱（1）上部中心位置，所述的数字照相非接触量测系统设在模型箱（1）的正前方。

2.如权利要求1所述的一种模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验装置，其特征在于：所述的地下水供给系统包括带有刻度的玻璃水箱（18）、与玻璃水箱（18）相连的加压泵（17），加压泵（17）经管路与模型箱（1）入水口相连，进入模型箱（1）的管路上依次设有控制总流量的流量计（14）、调控流动速度的流速计（15）以及地下给水控制阀（13）。

3.如权利要求1所述的一种模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验装置，其特征在于：所述的人工降雨模拟系统（8）包括模拟降雨大小的多排输水管（6），输水管（6）上布有若干降雨喷头（7），输水管（6）上设有控制喷头水量的开关阀，并设有流量调节阀和水压表。

4.一种如权利要求1、2或3所述装置的模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验装置，其特征在于，包括如下步骤：

a．根据要模拟的隧道工况，基于相似理论，计算相似比，确定模型箱正面钢化玻璃上隧道断面孔的形状以及预留孔洞的尺寸；

b．将带有预制的隧道断面孔洞的正面钢化玻璃安设在模型箱（1）上，并密封好；

c．按照预设的配比，配置流固耦合相似材料（19），并将其填充于模型箱体（1）内，在填充的过程中，在隧道截面（3）周边及上部不同的位置间隔埋设多个压力传感器（10）和光纤光栅位移计；

模拟降雨条件下的隧道围岩塌方情况时，将人工降雨模拟系统（8）安装在模型箱顶部钢架上，并安装含水量测量系统（11）；

模拟地下水渗流条件下的隧道围岩塌方情况时，向水箱注水，并将水箱、加压泵、流量计、流速计连接至模型箱两侧的进水管，模拟地下水的渗流；

d．调节人工降雨系统（8）模拟不同雨型、雨量；或通过调节流量计，并选择模型箱两侧渗流水管（4）进出水的方式来模拟不同地下水渗流路径；利用数字照相非接触量测系统捕捉降雨或地下水渗流条件下隧道围岩的失稳破坏过程，通过高分辨率数码相机定时连续采集试验照片，然后运用图像处理软件进行图片分析，实现降雨及地下水渗流条件下围岩由无水到饱和过程中位移场的全场监测与分析；

e、通过在模型箱中预埋的压力传感器、光纤光栅位移计和含水量量测系统（11），测定降雨或地下水渗流过程中隧道围岩应力、位移和含水量的变化情况，获取隧道围岩的应力场、位移场和渗流场的时空演化规律。

5.一种如权利要求4所述的模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验装置，其特征在于：通过控制模型箱（1）上两侧间隔设置的多路地下水渗流路径渗流水管（4）不同位置的进水阀门和出水阀门，可实现不同地下水渗流路径的模拟。