[发明专利]一种模拟深部洞室突涌水灾害的真三维物理模型试验系统

说明书

本发明公开了一种模拟深部洞室突涌水灾害的真三维物理模型试验系统，包括盒式密封加载反力装置、超高压真三维加载系统、伺服控制高渗透水压加载系统、倾斜地质构造制作系统、模型洞室自动开挖系统及模型综合测试分析系统。盒式密封加载反力装置作为模型试验加载反力装置并用于容纳模型体和高压水体，超高压真三维加载系统进行超高压真三维加载，伺服控制高渗透水压加载系统进行高渗透水压自动加载，倾斜地质构造制作系统用于制备内含倾斜地质构造的模型体；模型洞室自动开挖系统用于自动开挖模型洞室，模型综合测试分析系统自动采集模型试验数据并快速存储。本发明在模拟水电、交通、能源和矿山深部洞室突涌水地质灾害方面具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种在水电、交通、能源和矿山工程领域使用的模拟深部洞室突涌水灾害的真三维物理模型试验系统。

背景技术

随着社会和经济的快速发展，中国已发展成为世界上隧洞和地下工程建造数量最多、规模最大、地质条件最复杂、结构形式最多样的国家。近年来，中国水电引水隧洞、交通隧洞、矿山巷道等深部洞室建设蓬勃发展，建设重心向地质条件复杂的西部山区及岩溶地区转移，高地应力、高渗透压、强岩溶、复杂地质构造等导致深部洞室(交通隧洞、引水隧洞、矿山巷道等)施工过程中灾害频发，形成突水、涌泥、塌方等具有隐蔽性和突发性的大型地质灾害，灾害发生部位、规模和动力特征难以准确预测，往往给地下工程建设带来严重危害，轻则造成淹没洞室、冲毁机具等重大经济损失，重则造成重大人员伤亡事故。因此，针对高地应力与高渗透水压耦合作用下深部洞室突涌水地质灾害的致灾机理开展深入研究，对于有效预防灾害性事故发生，保证深部洞室的施工安全和运营稳定具有十分重大的理论意义和工程应用价值。面对深部洞室工程，传统理论方法难以胜任，数值模拟困难重重，现场原位试验条件受限且费用昂贵，相比之下，物理模型试验以其形象、直观、真实的特性成为研究深部工程的重要手段。与MTS研究岩芯力学特性不同，物理模型试验是根据相似原理采用缩尺模型研究洞室施工开挖过程与变形破坏特征的物理模拟方法，对于发现新现象，探索新规律、揭示新机理和验证新理论具有理论分析和数值模拟不可替代的重要作用。因此，物理模型试验也成为研究深部洞室突涌水灾害发生机理与产生条件的重要手段，要开展高地应力与高渗透压耦合作用下深部洞室突水灾害物理模型试验，就必须具备相应的物理物理模型试验系统。目前有关物理模型试验系统的研究现状如下：

(1)《Water》2018年第9期介绍了一种模型试验系统，该系统可模拟空腔突水过程，但无法实现真三维高地应力与高渗透压力耦合加载，也无法模拟倾斜地质构造的影响以及模型洞室自动开挖过程。

(2)《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》2017年第94卷介绍了一种可模拟深部层状盐岩地层中储气库群长期运营稳定的模型试验系统，但该系统无法模拟高地应力场与高渗流场的耦合作用，无法制备倾斜地质构造，且无法模拟模型洞室自动开挖过程。

(3)《Energies》2017年第6期介绍了一种智能数控制超高压加载模型试验系统，可模拟深埋洞室的垮塌破坏过程，但该系统无法模拟高地应力场与高渗流场的耦合作用，无法制备倾斜地质构造，且无法模拟模型洞室自动开挖过程。

(4)《Tunnelling and Underground Space Technology》2017年第62卷介绍了一种可模拟流固效应的三轴模型试验系统，该系统以室内三轴试验机为模板开发，实现流固耦合加载，但该装置所能容纳的模型尺寸较小，且无法制作倾斜地质构造，也无法模拟模型洞室自动开挖过程。

(5)《Procedia Engineering》2016年第166卷介绍了一种隧道衬砌受力模拟模型试验系统，以气压模拟水压对衬砌作用，但该系统无法进行真三维高地应力与高渗透压力的耦合加载，无法制备倾斜地质构造，且无法模拟模型洞室自动开挖过程。