模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法技术

本发明专利技术涉及水文地质研究领域，并公开了一种模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法，先制作模型边界和隧洞模拟装置，模型边界内以与隧洞周围天然岩土具有等效渗流特征的多空隙组合介质填充，填充过程中向多空隙组合介质内置入设有出水端口的隧洞模拟装置；模型边界的两侧各设置带溢水口的水槽，水槽和模型边界内部以进水管连通，并在模型内竖向、水平均布置有测压管，水槽和模型边界的底部分别设置第一、第二排水口，隧洞模拟装置模拟隧洞开挖和衬砌处理全过程，在此过程中记录对应时刻出水端口的出水量、第二排水口的排水量、水平及竖向布置的测压管的水位高程变化，从而研究隧洞开挖前后地下水动态运动规律和隧洞涌水随时间的变化关系。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及复杂水文地质条件隧洞渗流测试研究方法，主要涉及岩石隧洞开挖过 程中孔隙、裂隙、溶隙等多空隙地质单元的渗流特性及涌水随时间的变化关系规律的研究。
技术介绍
在岩土工程领域，隧洞开挖不仅会导致围岩应力的改变，还会引起涌水、突水、突 泥等渗流问题，从而改变地下水环境，甚至影响区域生态环境恶化。所以，研究隧洞渗流的 问题对实际工程具有重要的指导意义。目前，该类问题的研究方法主要有三个，一是现场监 测，二是计算机模拟与理论分析，三是室内物理模型试验。 若以物理模型测试方式完成前述的研究，在室内试验中需要大量的岩体材料，现 场取回受技术和交通等制约显得不便，因此，如何用一种具有类似渗流特性的、非天然岩体 的组合材料来模拟天然具有孔隙、裂隙和溶隙的复杂地质单元，反映天然地质体复杂空隙 组合及其空间递变特征，从而研究其整体渗流特性，则成为当前一个非常有现实意义的技 术问题。现有的室内物理模型试验，其模型边界内是用砂的分层夯填作为渗透介质，来进行 渗流测试，不能模拟存在各向异性渗透特征地质环境，且未考虑隧洞施工影响，隧洞模型为 固定模型，不能实现动态研究，因此，还不曾尝试研究隧洞开挖过程中涌水随时间变化规律 以及周围地下水动态变化规律，也没有考虑过隧洞开挖直至衬砌处理后的地下水动态变化 规律。
技术实现思路
为了使得室内物理实验模型更接近于真实环境，从而为实际施工作出更可行可靠 的指导，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种模拟复杂多空隙组合渗透特性地质环境下 隧洞渗流的测试方法，实现了对隧洞开挖过程中涌水随时间变化规律以及周围地下水动态 变化规律、隧洞开挖直至衬砌处理后的地下水动态变化规律的研究。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案之一是：模拟多空隙组合介质隧洞渗流 的测试方法，包括以下步骤： 根据相似原理，按比例确定并制作模型边界和隧洞模拟装置，模型边界内以多空 隙组合介质填充，填充过程中向多空隙组合介质内置入隧洞模拟装置；模型边界的两侧各 设置带溢水口的水槽，水槽和模型边界内部之间设置有连通二者且在整个测试高度范围间 隔分布的进水管；两侧水槽的进水管、溢水口对等布置，每一侧溢水口的个数在两根以上， 其中最低位置的溢水口的高度不低于隧洞模拟装置的高程；在与隧洞模拟装置同一高程的 位置，从隧洞模拟装置直至其两侧的模型边界壁，按预设的测量部位设置测压管，水槽和模 型边界的底部分别设置第一排水口和第二排水口；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，隧洞模拟管预设于多空隙组合介质中，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； 将一步模拟管完全置入隧洞模拟管内，水槽连接进水装置； 保持设定位置的溢水口通畅，低于该位置的其余溢水口保持在止水状态，向水槽 内逐渐注水到试验最高水位，也即最高位置的溢水口的高度； 开始向外取出一步模拟管，直到一步模拟管完全取出，在此过程中记录对应时刻 出水端口的出水量、第二排水口的排水量、水平布置的测压管的水位高程及竖向布置的测 压管的水位高程变化； 开始向内置入二步模拟管，直到二步模拟管完全置入隧洞模拟管内，在此过程中 记录对应时刻出水端口的出水量、第二排水口的排水量、水平布置的测压管的水位高程及 竖向布置的测压管的水位高程变化。 所述多空隙组合介质采用与隧洞周围天然岩土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和/或优势溶孔方向依次平铺 并逐层堆皇的、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，平铺基块 并逐层堆皇，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。 进一步的是，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。 模型边界的一个侧壁采用玻璃板制作，在该侧设置水位指示装置，测压管设置在 该侧并采用透明测压管。 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。 所述进水管伸入模型边界内的管口端设有滤罩或滤塞。 所述溢水口的个数在四个以上。 本专利技术的有益效果是：利用配制的与现场岩体单元渗透性等效的多空隙组合地质 单元渗透模拟材料模拟隧洞周围介质，在室内可以模拟隧洞现场地质单元渗流特性，研究 隧洞开挖前后地下水动态运动规律和隧洞涌水随时间的变化关系。【附图说明】 图1是本专利技术应用的测试装置的结构示意图。 图2是图1的左视图。 图3是图1的俯视图。 图4是图1中可应用的隧洞模拟管的示意图。 图5是图1中可应用的一步模拟管的示意图。 图6是图1中可应用的二步模拟管的示意图。 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所用测试装置时的堆皇 示意图。 图中标记为：1-模型边界，2-多空隙组合介质，3-水槽，4-进水口，5-溢水口， 6-进水管，7-第二排水口，8-隧洞模拟管，9- 一步模拟管，10-二步模拟管，11-水位指示 装置，12-测压管，13-渗水孔，14-漏水孔，15-隧洞模拟装置，17-第一排水口，21-基块， 22-第一等效介质，23-垫块，24-滤层，25-通孔，26-面浆层，27-第二等效介质，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。【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，本专利技术用于所用装 置包括测试模型，根据相似原理并按比例确定的模型边界1和隧洞模拟装置15,因通常依 据隧洞直径的6倍以上来确定隧洞影响区的范围，故模型边界1可在此基础上扩大并为建 模方便进行调整，模型边界1内以与隧洞周围天然岩土具有等效渗流特性的多空隙组合地 质单元渗透模拟材料填充，从而模拟隧洞所处的具有复杂渗透特征的地质环境，填充过程 中向填充介质内置入隧洞模拟装置15,模型边界1的两侧各设置带溢水口 5的水槽3,用于 模拟隧洞周围天然水环境并控制水位，为实现丰水季、枯水季等不同条件的当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
模拟多空隙组合介质隧洞渗流的测试方法，包括以下步骤：根据相似原理，按比例确定并制作模型边界(1)和隧洞模拟装置(15)，模型边界(1)内以多空隙组合介质(2)填充，填充过程中向多空隙组合介质(2)内置入隧洞模拟装置(15)；模型边界(1)的两侧各设置带溢水口(5)的水槽(3)，水槽(3)和模型边界(1)内部之间设置有连通二者且在整个测试高度范围间隔分布的进水管(6)；两侧水槽的进水管(6)、溢水口(5)对等布置，每一侧溢水口(5)的个数在两个以上，其中最低位置的溢水口(5)的高度不低于隧洞模拟装置(15)的高程；在与隧洞模拟装置(15)同一高程的位置，从隧洞模拟装置(15)直至其两侧模型边界壁，按预设的测量部位设置测压管(12)，水槽(3)和模型边界(1)的底部均分别设置第一排水口(17)和第二排水口(7)；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)预设于多空隙组合介质(2)中，其位于模型边界(1)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(1)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；将一步模拟管(10)完全置入隧洞模拟管(8)内，水槽(3)连接进水装置；保持设定位置的溢水口(5)通畅，低于该位置的其余溢水口(5)保持在止水状态，向水槽(3)内逐渐注水到试验设定水位，也即设定位置的溢水口(5)的高度；向外逐渐取出一步模拟管(9)，直到一步模拟管(9)完全取出，在此过程中记录对应时刻出水端口的出水量、第二排水口(7)的排水量、水平布置的测压管的水位高程及竖向布置的测压管的水位高程变化；向内逐渐置入二步模拟管(10)，直到二步模拟管(10)完全置入隧洞模拟管(8)内，在此过程中记录对应时刻出水端口的出水量、第二排水口(7)的排水量、水平布置的测压管的水位高程及竖向布置的测压管的水位高程变化。...

【技术特征摘要】

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