[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

说明书

本发明涉及隧道渗流模型试验领域，公开了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、位于试验模型箱装置上方，用于模拟降雨的降雨器装置、用于拍摄试验模型箱装置，记录渗流路径的非接触式全位移场量测装置，试验模型箱装置上部连接模拟地形，模拟地形位于降雨器装置的下方，模拟地形边界与试验模型箱装置上方边界匹配。本装置有利于提高了模型试验的精确性。本发明还包括上述装置的试验方法，具体包括以下步骤：地形数据提取；试验参数确定；试验模型制作；试验装置安装；地层、隧道及地形模拟；染色剂投放；水位模拟；降雨模拟；试验数据动态采集。本方法可获得渗流场的渗流路径。

技术领域

本发明涉及隧道渗流模型试验领域，尤其涉及模拟降水对岩溶区隧道渗流场动态影响的试验装置及方法。

背景技术

随着我国交通建设的发展，隧道工程逐渐向地质条件复杂的地区建设，其中岩溶富水区便占据着一定比例。在水文地质条件复杂、裂隙和管道甚为发育的岩溶区，隧道周身地下水的来源将不仅于含水层，由于竖向岩溶管道的大量存在，大气降雨对地下水的补给作用也不容忽视。更为重要的是，在岩溶区隧道中大气降雨的补给速度快、耗时短，极易引发隧道排水能力相对不足，致使短时间内隧道外水压力过大，导致仰拱变形超限、结构裂损破坏等隧道运营问题的出现。同时，上述问题已多见于国内运营隧道中，严重影响了隧道运营安全，亟需开展相关研究与探讨。

目前，针对降水引发的隧道病害，已从工程实例、数值分析出发，对降水引发的隧道水害问题进行了反演分析。但是，值得注意的是，从工程实例出发，由于受限于现场实施条件，往往很难获得系统化的病害演变规律；从数值分析出发，难以保证计算模型、边界条件与现场情况相匹配。近年来相似模型试验，由于其操作方便、模拟相似性较好，较为真实的还原隧道水害的发生，常被用于降雨条件下隧道病害的反演研究。目前，对于模拟降雨下隧道病害反演的装置已有部分创新：

如中国专利公告号CN 104330533 B公开了一种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，装置包括模型试验箱、雨量可调的降雨模拟系统、地下水渗流模拟系统、地下水供给系统、含水量测试系统、应力监测系统、数字照相非接触量测系统和光纤光栅位移监测系统。通过模拟地表水和地下水渗流作用下隧道软弱破碎围岩的渐进性破坏过程，定量研究不同的降雨条件和不同的地下水渗流路径条件下破碎围岩的力学行为。通过获得隧道围岩塌方过程中的多物理场信息，分析塌方不同演化阶段的多元信息特征及各场信息的内在联系，确定不同因素下隧道软弱破碎围岩的渐进性破坏过程和破坏形态、范围。

再如中国专利公告号CN206340266U公开了全方位模拟隧道开挖过程的模型，从上到下依次包括降雨模拟箱、模拟箱、储水箱；模拟箱两端分别连接水头控制箱，所述的模拟箱内部，两端分别为缓冲稳定区，中间模拟区内还安装有模拟隧道；模拟隧道模拟隧道的施工过程，模拟箱模拟施工过程中的外部环境。

又如中国专利公告号CN 110275008 A公开了一种可模拟降雨的非接触式隧道开挖物理模型及试验方法，模型包括隧道分段开挖模拟装置、可控式降雨模拟装置及试块全表面位移场观测装置；试验方法包括：制备蜡块层并修剪排列得到蜡块；填土并将蜡块置于土体中部；搭建试块全表面位移场观测装置及可控式降雨模拟装置；采用长杆挖掘机构模拟隧道开挖；利用试块全表面位移场观测装置观测土体位移变化。

但是，以上专利成果一方面未考虑地形因素与地层岩溶特征，无法模拟地表汇水效应、岩溶管道水流特性，致使试验结果难以实现对实际案例的真实反映；另一方面，以上专利成果均侧重于隧道施工期间大气降雨的试验模拟，而病害统计表明隧道建成后降雨引发的病害案例也同样占据着较大比例，故针对建成后隧道开展试验模拟是必要的。

发明内容