多空隙组合介质隧洞渗流植被生长用水测试方法技术

本发明专利技术涉及生态环境岩土工程模拟测试技术领域，并公开了一种多空隙组合介质隧洞渗流植被生长用水测试方法，包括设计制作植物种植模型、降雨模拟装置、隧洞渗流模型，隧洞渗流模型包括模型边界和填充在其中的模拟渗流地质材料，模拟渗流地质材料采用与天然岩体具有等效渗流特征的多空隙组合介质，模拟渗流地质材料内设有隧洞模拟装置，植物种植模型为与隧洞渗流模型尺寸匹配的设置于隧洞渗流模型上的斜坡模型，在斜坡模型上进行植被种植，模拟降雨，在对应斜坡模型低端的集水槽收集斜坡模型的坡面径流，隧洞渗流模型的渗水收集装置收集隧洞渗流模型渗水，据此测试植被生长用水量以研究降雨、地表径流和隧洞渗流与植物生态生长需水量之间的关系。

【技术实现步骤摘要】
多空隙组合介质隧洞渗流植被生长用水测试方法
本专利技术涉及隧洞开挖影响区的地下水渗透环境模拟和地表植被生长用水的测试方法，尤其是一种用于实验研究隧洞影响区降雨产生地表径流、地下水渗流和植被生态生长需水之间水力联系的方法。
技术介绍
水在生态系统中扮演着举足轻重的角色，贯穿于大气－植被－土壤－岩石系统，是物质传承和能量输运的介质。流域地下水平衡是维持区内植被生态功能的基础，深埋长隧洞等地下洞室的修建，面临一系列的科学技术问题：流域水文地质单元内的降水、植被、土壤、岩石和洞室之间水力联系的内在关系问题，涌突水和地下水疏干的机理问题，生态环境保护中植被生态功能需水的定量评价问题。当前评价隧洞影响区地下水渗流对植被生态功能需水的影响，所采用的水循环模型、分布式水文过程模拟和地下水渗流平衡理论，彼此独立。现有的隧洞渗流平衡理论和模型边界，未反映天然复杂地质体多空隙组合特征、渗透特性空间递变及降雨时空动态的影响。目前用单一的孔隙流、裂隙流或溶孔流描述岩土体渗流特性，没能反映天然地质体复杂的空隙组合特征。现有的植被生长需水量计算方法，依据的是农作物田间试验成果所建立的经验关系，有其局限性；现有的植物生长物理模型试验测试技术未考虑地下洞室渗流对植物生态功能的影响，必然与实际情况有着一定的差距。现有隧洞工程生态影响评价中，大都忽略了地下洞室渗流对植物生长的影响，且没有对二者之间关系进行定量研究的先例。
技术实现思路
为了使得室内物理实验模型更接近于隧洞影响区的真实环境，从而为实际施工和运行作出更可行可靠的指导，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种多空隙组合介质隧洞渗流植被生长用水测试方法，模拟隧洞影响区范围内地下水渗流对植被生态需水的影响而测定植被生态生长用水量。本专利技术的测试方法是基于以下假设：忽略植被蒸腾作用、大气湿度、温度等因素的影响，则隧洞影响区降雨量为该区地表径流量、隧洞影响区渗流量和植被生长用水量三者之和。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：多空隙组合介质隧洞渗流植被生长用水测试方法，包括设计制作植物种植模型和降雨模拟装置，还包括根据相似原理制作的隧洞渗流模型，隧洞渗流模型包括模型边界和填充在模型边界内的模拟渗流地质材料，模拟渗流地质材料采用与天然岩体具有等效渗流特征的多空隙组合地质单元渗透模拟材料，模拟渗流地质材料内设有隧洞模拟装置，所述植物种植模型为与隧洞渗流模型尺寸匹配的斜坡模型，斜坡模型设置于隧洞渗流模型上，在对应斜坡模型低端的模型边界顶面上设有集水槽，隧洞渗流模型的底部设有渗水底部收集装置，在斜坡模型上进行植被种植，模拟降雨，集水槽收集斜坡模型的坡面径流，隧洞模拟装置和渗水底部收集装置收集隧洞渗流模型渗水，据此测试植被生长需水量。所述隧洞模拟装置包括隧洞模拟管、一步模拟管和二步模拟管，隧洞模拟管预设于模拟渗流地质材料中，其位于模型边界内的那段管壁上随机分布有渗水孔，其一端管口露于模型边界以外，为出水端口，一步模拟管的外径与隧洞模拟管的内径相匹配，其与隧洞模拟管的开孔管段对应的管壁上随机布置有少量漏水孔，二步模拟管的管壁无孔，其外径与隧洞模拟管的内径相匹配；首先利用隧洞模拟管和一步模拟管模拟隧洞开挖过程进行测试，然后利用隧洞模拟管和二步模拟管模拟隧洞衬砌过程进行测试。所述隧洞模拟管露于模型边界以外的管段内壁加工有内螺纹，一步模拟管和二步模拟管的全部管壁上均加工有与所述内螺纹匹配的外螺纹。所述斜坡模型由底层的斜坡碎石层和其上的覆土层组成。在隧洞渗流模型上分别布置具有不同坡度、覆土层厚度及选定植物的植物种植模型，进行对比测试。所述与天然岩体具有等效渗流特征的多空隙组合地质单元渗透模拟材料包括根据天然岩体的优势裂隙方向或优势溶孔方向依次平铺并逐层堆垒的、经渗透等效处理的基块，所述基块为可单独密铺的、形状规则的各向同性材料块，填充多空隙组合地质单元渗透模拟材料时，根据天然岩体的优势裂隙方向或优势溶孔方向，平铺基块并逐层堆垒，相邻基块之间设置间隙并在所述间隙内填充渗水介质，并在上下两层基块之间设置滤层。以普通烧结粘土砖作为基块。所述渗透等效处理方式为：表面刷浆处理形成面浆层以封闭部分的基块孔隙。所述渗透等效处理方式为：根据天然岩体的优势溶孔方向对基块进行钻通孔处理，通孔内填充砂。所述渗透等效处理方式为：相邻基块之间设置间隙并在所述间隙内填充砂。本专利技术的有益效果是：考虑了天然降雨、隧道周围地质环境、隧道开挖衬砌等对地表植被需水的影响，可以模拟不同裂隙倾角条件下的隧洞模型，可以研究不同斜坡坡度、不同覆土厚度等组合情况下的降雨、地表径流和隧洞渗流与植物生长需水量之间的关系。附图说明图1是本专利技术方法的原理示意图。图2是本专利技术方法所用模型在未填充任何地质模拟材料时的示意图。图3是隧洞模拟管的示意图。图4是一步模拟管的示意图。图5是二步模拟管的示意图。图6是本专利技术可以应用的降雨模拟装置的示意图。图7是对基块进行渗透等效处理的过程示意图。图8是表面刷浆的等效处理方式示意图。图9是钻通孔加工的等效处理方式示意图。图10是图9的俯视图。图11是相邻基块之间设置间隙并在间隙内填充砂的等效处理方式示意图。图12是渗透试验装置的示意图。图13是多空隙组合地质单元渗透模拟材料应用于本专利技术的物理模型试验的堆垒示意图。图中标记为：1-斜坡模型，2-集水槽，3-隧洞渗流模型，4-隧洞模拟装置，5-降雨模拟装置，8-隧洞模拟管，9-一步模拟管，10-二步模拟管，11-碎石层，12-覆土层，13-渗水孔，14-漏水孔，31-模型边界，32-模拟渗流地质材料，33-排水管，51-水表，52-控制阀，53-水压表，54-喷头，55-支管，101-出水口，102-出水管，103-烧杯，104-进出水口界面，105-进水管，106-储水容器，107-排气阀，321-基块，322-第一等效介质，323-垫块，324-滤层，325-通孔，326-面浆层，327-第二等效介质。h-覆土层厚度，α-坡度，L1-隧洞模拟管的开孔管段长度，L2-隧洞模拟管的露出段长度，H-水头，β-夹角。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。如图1～图13所示，本专利技术的多空隙组合介质隧洞渗流植被生长用水测试方法，所应用的测试装置是：植物种植模型、降雨模拟装置和根据相似原理制作的隧洞渗流模型3，隧洞渗流模型3包括模型边界31和填充在模型边界31内的模拟渗流地质材料32，通常依据隧洞直径的6倍以上来确定隧洞影响区的范围，而模型边界31可在此基础上扩大并为建模方便进行调整，模拟渗流地质材料32根据与现场地质环境具有相似性的原则确定采用与天然岩体具有等效渗流特征的多空隙组合地质单元渗透模拟材料，多空隙组合地质单元渗透模拟材料，属于一种多空隙组合介质，它作为一种模拟用的填充介质，填充在模型边界31内，模拟渗流地质材料32内设有隧洞模拟装置4，根据通常的植被恢复措施，所述植物种植模型为与隧洞渗流模型3尺寸匹配的斜坡模型1，为较准确的模拟现场地质状况，斜坡模型1由底层的斜坡碎石层11和其上的覆土层12组成，斜坡模型1设置于隧洞渗流模型3上，在对应斜坡模型1低端的模型边界31的顶面上设有集水槽2，集水槽2的位置不高于覆土层12的低端位置，确保用集水槽2能够全面地收集坡面径流，本文档来自技高网...

【技术保护点】
多空隙组合介质隧洞渗流植被生长用水测试方法，包括设计制作植物种植模型和降雨模拟装置，其特征是：还包括根据相似原理制作的隧洞渗流模型(3)，隧洞渗流模型(3)包括模型边界(31)和填充在模型边界(31)内的模拟渗流地质材料(32)，模拟渗流地质材料(32)采用与天然岩体具有等效渗流特征的多空隙组合地质单元渗透模拟材料，模拟渗流地质材料(32)内设有隧洞模拟装置(4)，所述植物种植模型为与隧洞渗流模型(3)尺寸匹配的斜坡模型(1)，斜坡模型(1)设置于隧洞渗流模型(3)上，在对应斜坡模型(1)低端的模型边界(31)顶面上设有集水槽(2)，隧洞渗流模型(3)的底部设有渗水底部收集装置，在斜坡模型(1)上进行植被种植，模拟降雨，集水槽(2)收集斜坡模型(1)的坡面径流，隧洞模拟装置(4)和渗水底部收集装置收集隧洞渗流模型(3)渗水，据此测试植被生长用水量。

【技术特征摘要】
1.多空隙组合介质隧洞渗流植被生长用水测试方法，包括设计制作植物种植模型和降雨模拟装置，其特征是：还包括根据相似原理制作的隧洞渗流模型(3)，隧洞渗流模型(3)包括模型边界(31)和填充在模型边界(31)内的模拟渗流地质材料(32)，模拟渗流地质材料(32)采用与天然岩体具有等效渗流特征的多空隙组合地质单元渗透模拟材料，模拟渗流地质材料(32)内设有隧洞模拟装置(4)，所述植物种植模型为与隧洞渗流模型(3)尺寸匹配的斜坡模型(1)，斜坡模型(1)设置于隧洞渗流模型(3)上，在对应斜坡模型(1)低端的模型边界(31)顶面上设有集水槽(2)，隧洞渗流模型(3)的底部设有渗水底部收集装置，在斜坡模型(1)上进行植被种植，模拟降雨，集水槽(2)收集斜坡模型(1)的坡面径流，隧洞模拟装置(4)和渗水底部收集装置收集隧洞渗流模型(3)渗水，据此测试植被生长用水量。2.如权利要求1所述的多空隙组合介质隧洞渗流的植被生长用水测试方法，其特征是：所述隧洞模拟装置(4)包括隧洞模拟管(8)、一步模拟管(9)和二步模拟管(10)，隧洞模拟管(8)预设于模拟渗流地质材料(32)中，其位于模型边界(31)内的那段管壁上随机分布有渗水孔(13)，其一端管口露于模型边界(31)以外，为出水端口，一步模拟管(9)的外径与隧洞模拟管(8)的内径相匹配，其与隧洞模拟管(8)的开孔管段对应的管壁上随机布置有少量漏水孔(14)，二步模拟管(10)的管壁无孔，其外径与隧洞模拟管(8)的内径相匹配；首先利用隧洞模拟管(8)和一步模拟管(9)模拟隧洞开挖过程进行测试，然后利用隧洞模拟管(8)和二步模拟管(10)模拟隧洞衬砌过程进行测试。3.如权利要求2所述的多空隙组合介质隧洞渗流植被生长用水测试方法，其特征是：所述隧洞模拟管(8)露于模型边界(31)以...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷孝章，符文熹，赵敏，王蕾，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51