[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧道模型试验装置及方法，尤其是一种适用于模拟地表水和地下水渗流作用下的多功能隧道模型试验装置及方法，属于隧道工程地质灾害模型试验领域。

背景技术

随着我国交通建设的蓬勃发展，隧道的增长速度越来越快，建设规模越来越大。隧道的建设中有“十隧九漏”之说，在长期的地下水作用下，隧道围岩易发生较大变形甚至失稳破坏。由于隧道的开挖本身可能形成一个集水走廊，同时会引起围岩应力重分布，导致围岩渗透系数增大，从而增大了地层中地下水对隧道围岩稳定性的影响。

隧道是一个长条形地下建筑物，沿线工程地质条件复杂，经常要在富水地段或雨季修建隧道，而水对隧道围岩稳定性具有不利影响，因此，开展降雨和地下水渗流作用下隧道围岩变形破坏机理的研究是很有必要的。目前关于定量研究地表水或地下水对破碎围岩力学行为的研究鲜见报道，特别是开展降雨和地下水渗流的隧道模型试验尚不多见，对于不同降雨型式、不同地下水渗流路径等条件下的隧道变形破坏研究，缺乏合理的解释和分析的模型试验装置。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种结构及方法简单、能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。

技术方案：本发明的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、数字照相非接触量测系统，还包括方形的模型箱，模型箱的四个角上设有带玻璃插槽的立柱，模型箱的四个面均为钢化玻璃，正面的钢化玻璃可拆卸，模型箱周边经螺栓固定，并设有保证不渗水、不漏水的橡胶密封条；模型箱顶部设有人工降雨模拟系统，模型箱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，多路渗流水管入水口处均设有控制阀，模型箱的一侧设有专门向模型箱下部提供地下水供给系统；所述的模型箱内充填有模拟隧道围岩、构建模拟隧道的流固耦合相似材料，在模拟隧道的围岩层内及构建模拟的隧道截面周围布设多个传感器和光纤光栅位移计；所述的含水量量测系统经支架对称设在模型箱上部中心位置，所述的数字照相非接触量测系统设在模型箱的正前方。

所述的地下水供给系统包括带有刻度的玻璃水箱、与玻璃水箱相连的加压泵，加压泵经管路与模型箱下部入水口相连，进入模型箱的管路上依次设有控制总流量流量计、调控流动速度的流速计以及地下给水控制阀。

所述的人工降雨模拟系统包括模拟降雨大小的多排输水管，输水管上布有若干降雨喷头，输水管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。

使用上述装置的模拟降雨及地下水渗流下隧道围岩塌方的试验方法，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上，并密封好；

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

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安装在模型箱顶部钢架上，并安装含水量测量系统；

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，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。

本发明通过控制模型箱上两侧间隔设置的多路地下水渗流路径渗流水管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。