[发明专利]一种模拟降水对岩溶隧道渗流动态影响的试验装置及方法

权利要求书

1.一种模拟降水对岩溶隧道渗流动态影响的试验装置，包括用于模拟岩溶区及其内部隧道的试验模型箱装置(1)、位于所述试验模型箱装置(1)上方，用于模拟降雨的降雨器装置(2)、用于拍摄所述试验模型箱装置(1)，记录渗流路径的非接触式全位移场量测装置(3)，其特征在于，所述试验模型箱装置(1)上部连接模拟地形，所述模拟地形由地形模具(4)制作，所述模拟地形位于所述降雨器装置(2)的下方，所述模拟地形边界与所述试验模型箱装置(1)上方边界匹配；

地形模具(4)为内部空腔、底部开口的薄层外壳，用于固定围岩相似材料(19)上表面形状轮廓，形成反映实际地貌的模拟地形，所述地形模具(4)可拆卸地连接在所述试验模型箱装置(1)的上部；

所述试验模型箱装置(1)包括模型箱(11)，所述模型箱(11)中设有隧道模型(15)，以及在所述模型箱(11)外表面上开设有与所述隧道模型(15)两端匹配的隧道轮廓孔(17)，所述模型箱(11)内部分层填充有针对不同地质情况的围岩相似材料(19)，并根据试验模拟需求在填充的所述围岩相似材料(19)中埋设至少一根岩溶管道模型(16)；

在所述模型箱(11)上，与所述隧道轮廓孔(17)所在面相接的内侧面上，位于中间位置处，设有竖向的卡槽(12)，用于插入卡槽板(18)；

所述试验模型箱装置(1)为长方体，所述试验模型箱装置(1)四个角分别设有支撑柱(13)，所述支撑柱(13)上方设有处于同一水平高度的四根托架杆(14)；

所述降雨器装置(2)包括降雨箱(21)、压力阀(22)、压力泵(23)、水泵(24)、储水箱(25)、连接于降雨箱(21)和储水箱(25)之间的输水管(26)；所述降雨箱(21)、压力阀(22)、压力泵(23)、水泵(24)和储水箱(25)由每节输水管(26)首尾依次相连，所述降雨器装置(2)所使用的水中投放有染色剂；

降雨箱(21)底部设有均匀间隔分布且与至少一种降雨喷头(212)相匹配的降雨孔(211)，所述降雨喷头(212)沿降雨孔(211)轴向插入；

隧道模型(15)、岩溶管道模型(16)、降雨喷头(212)、地形模具(4)均采用3D打印技术制作为整体结构；

非接触式全位移场量测装置(3)包括单反相机(31)和支撑单反相机(31) 的三脚架(32)，所述单反相机(31)固定于三脚架(32)上部。

2.基于权利要求1所述的模拟降水对岩溶隧道渗流动态影响的试验装置而使用的一种试验方法，其特征在于，具体包括以下步骤，

S1：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，对模拟区域进行现场勘察，布设测量控制点，利用无人机航拍采集地形影像，并利用专业软件对地形影像进行数据提取；

S2：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，确定需研究试验模型箱装置(1)及降雨器装置(2)尺寸、位置、形式及相关试验参数；

S3：根据S2中对应的试验参数及模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验所需的隧道埋设条件，确定模型箱(11)、卡槽(12)、支撑柱(13)、托架杆(14)、隧道轮廓孔(17)、卡槽板(18 )的形状、尺寸及位置，并完成制作；根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验所需的地质条件、隧道情况，确定隧道模型(15)、岩溶管道模型(16)的形状、尺寸，并采用3D打印技术逐一制作；根据S1中对应的地形数据及模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验所需的地形条件，建立地形三维模型，并采用3D打印技术制作地形模具(4)；

S4：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，将降雨器装置(2)依次连接，并将降雨箱(21)放置在试验模型箱装置(1)的托架杆(14)上，并固定安装降雨喷头(212)；将非接触式全位移场量测装置(3)固定安装于隧道轮廓孔(17)的轴向，并调整好试验模型箱装置(1)与非接触式全位移场量测装置(3)之间的距离；

S5：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，在模型箱(11)中分层填充针对不同地质条件下的围岩相似材料(19)，且沿隧道轮廓孔(17)轴向插入隧道模型(15)并安装好水压测试装置，同时将岩溶管道模型(16)安装至围岩相似材料(19)中；根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，在地形模具(4)内部空腔填充相应的围岩相似材料(19)，并水平放置在模型箱(11)上部，缓慢拿掉地形模具(4)，形成模拟地形；

S6：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，计算染色剂最佳浓度配比，并将染色剂投放至储水箱(25)中，调制染色剂溶液；

S7：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求，向模型箱(11)中缓慢注水至设计高度，模拟初始水位；

S8：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求及试验所需降雨参数，调节压力阀(22)、压力泵(23)，开启水泵(24)，模拟降雨；

S9：试验数据的动态采集：在降雨过程中，采用非接触式全位移场量测装置(3)进行隧道模型(15)全位移场照片的动态采集，并动态采集隧道排水量及隧道模型(15)水压力；

S10：降雨至试验要求的降雨时间后，停止降雨，关闭降雨器装置(2)；待试验模型箱装置(1)稳定后，从模型箱(11)的卡槽(12)位置，逐层挖除一侧围岩相似材料(19)，边挖边逐层竖向插入卡槽板(18)，待一侧围岩相似材料(19)完全挖除并插入卡槽板(18)后，采用单反相机拍摄挖除后暴露出的围岩相似材料(19)截面，并根据截面上染色剂的分布，绘制渗流路径；

S11：根据模拟大气降水对岩溶区隧道渗流场动态影响试验的要求及试验所需降雨参数，调整压力阀(22)、压力泵(23)，再根据试验参数的变化，更换降雨喷头(212)，重复S5、S6、S7、S8、S9、S10，即可开展新降雨参数试验。