模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置及方法，装置包括模型试验箱、断层致灾构造系统、地下水渗流模拟系统、水力加载系统、顶部荷载控制系统、数据采集监测系统、突水混合物回收系统和视图录制系统；数据采集监测系统预埋设置在断层致灾构造系统内部，断层致灾构造系统设置在模型试验箱内部，顶部荷载控制系统与模型试验箱顶部加载设置，地下水渗流模拟系统与模型试验箱内部连通，水力加载系统与地下水渗流模拟系统连接，突水混合物回收系统与模型试验箱排水出口连接，视图录制系统录制整个突水致灾试验过程。本发明专利技术装置实现的方法可以模拟不同断层破碎带、不同水力条件以及不同隧道埋深等多因素控制下的隧道断层突水。

System and method for simulating fault water inrush of deep buried tunnel under complex conditions

Test device and system of the invention discloses a method for simulating the complex conditions of deep buried tunnel water inrush, including device model test box, the fault caused by groundwater seepage disaster tectonic system, simulation system, hydraulic loading system, the top load control system, data acquisition and monitoring system, water inrush mixture recovery system and recording system view; the data collecting and monitoring system of embedded system in the internal structure of the disaster caused by setting fault, fault disaster caused by structural system are arranged inside the box at the top of model test, load control system and model test box set top loading, seepage simulation system and model test box connected inside water, hydraulic loading system and connection system simulation of groundwater seepage, water mixture recovery system and model test of box water outlet connection and view the recording system to record the entire test process of water inrush disaster. The method of the invention can simulate the tunnel water inrush under different factors such as fault fracture zone, different hydraulic conditions and different tunnel depth.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于隧道工程地质灾害模型试验领域，具体涉及一种适用于模拟不同断层致灾构造、不同水力条件、不同埋深情况下的隧道断层突水的多功能试验装置及方法。
技术介绍
近几十年来，我国交通运输等重大基础设施蓬勃发展。到2020年，我国高速公路和铁路均将超过12万公里，铁路隧道将达到1万公里。一大批高风险深长隧道即将修建，这些隧道具有“埋深大、洞线长、高应力、高水压和地质构造复杂”的显著特点。突水是深长隧道建设过程中经常遇到的重大地质灾害，据不完全统计，约占各类灾害的40％。隧道突水可以分为2大类：一是完整岩体裂隙演化导致的突水，即水力劈裂型。另一种是地质缺陷型突水，断层破碎带是这类突水模式的典型致灾构造。断层带岩体往往具有破碎、散体结构，且多数富水性良好。在富水断层破碎带地区修建隧道，施工时极易发生突水、突泥，对隧道建设安全影响极大，轻则造成工期延误、机具损坏，重则危及施工人员的生命和财产安全。隧道断层突水是多物理场耦合作用下的结果，其影响因素众多、发生机理复杂。因此，研究隧道在多因素条件下的渗流突水过程具有重要意义，也有助于揭示复杂条件下的隧道突水灾变演化机理。目前，对于隧道断层突水的研究主要还是以数值模拟为主，由于缺乏相应的试验装置，模型试验研究相对滞后。要实现断层突水的试验模拟，急需研发能综合实现断层参数精确设定、复杂水力条件和工程地质条件模拟的试验装置。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置及方法，可以模拟不同断层破碎带、不同水力条件以及不同隧道埋深等多因素控制下的隧道断层突水，结构简单，试验结果精确。技术方案：为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，包括模型试验箱、断层致灾构造系统、地下水渗流模拟系统、水力加载系统、顶部荷载控制系统、数据采集监测系统、突水混合物回收系统和视图录制系统；所述数据采集监测系统预埋设置在断层致灾构造系统内部，所述断层致灾构造系统设置在模型试验箱内部，所述顶部荷载控制系统与模型试验箱顶部加载设置，所述地下水渗流模拟系统与模型试验箱内部连通，所述水力加载系统与地下水渗流模拟系统连接，所述突水混合物回收系统与模型试验箱的允许排水出口连接，所述视图录制系统架设在模型试验箱前，录制整个突水致灾试验过程。进一步的，所述模型试验箱包括模型箱槽、钢化玻璃板、螺栓和密封条，所述模型箱槽为立方体结构，所述钢化玻璃板面上预制隧道截面，通过密封条和螺栓与模型箱槽密封连接。进一步的，所述断层致灾构造系统包括滑动式断层带支架、滑动板、断层破碎带相似材料和断层周围岩土相似材料，所述滑动式断层带支架的两侧分别滑动设置有一个滑动板，两个滑动板将模型试验箱内部分隔为三个部分，其中中间部分填充断层破碎带相似材料，两边部分均填充断层周围岩土相似材料。所述断层破碎带相似材料由滑石粉、石子配制而成，其中H:Z＝9:1；断层周围岩土相似材料以黄砂、滑石粉和水泥为主料，液压油和水为调节剂配制而成，其中，S:H:N＝10:1:0.6。进一步的，所述滑动式断层带支架包括带刻度滑轨角钢、带刻度滑轨钢板、带滑轨角钢、下部特制角钢、上部特制角钢和带螺母孔角度仪；两个所述带刻度滑轨角钢相互平行设置在底部平面，并与两个相互平行设置的下部特制角钢垂直连接在同一底部平面内，构成断层带支架下底面；四个所述带滑轨角钢的底端分别与两根带刻度滑轨角钢通过带螺母孔角度仪在竖直方向上可旋转调节角度连接，两个所述带滑轨角钢的底端分别可沿所述带刻度滑轨角钢上的滑轨水平方向移动，两块所述滑动板分别与两个带滑轨角钢上下滑动设置；四个所述带滑轨角钢的顶端分别与所述带刻度滑轨角钢平行设置的两个带刻度滑轨钢板连接，所述带滑轨角钢的顶端可沿所述带刻度滑轨钢板上的滑轨水平方向移动，且两根所述带刻度滑轨钢板的两端分别与相互平行的上部特制角钢垂直连接，构成断层带支架上底面；两个所述滑动板之间的距离，两个滑动板的倾角，以及带刻度滑轨角钢与带刻度滑轨钢板之间的相对高度均可精确调节。进一步的，所述地下水渗流模拟系统包括渗流水管、控制阀和透水板，所述模型试验箱底部敷设有透水板，所述渗流水管通过控制阀分别与透水板以及模型试验箱的侧面连接。进一步的，所述水力加载系统包括带刻度水箱、高压水泵和连接水管，所述带刻度水箱内通过红墨水控制系统泵入一定量的红墨水并搅匀，所述带刻度水箱与高压水泵连接，所述高压水泵与连接水管连接，所述连接水管连接有压力表和流量计，分别与各渗流水管连接。进一步的，所述顶部荷载控制系统包括均布梁、油压千斤顶、自动控制柜和反力架，通过自动控制柜、油压千斤顶和反力架对设置在模型箱槽顶部的均布梁加载。进一步的，所述数据采集监测系统包括应力计、位移计和孔隙水压力计，所述应力计、位移计和孔隙水压力计预埋在断层致灾构造系统的断层破碎带相似材料和和断层周围岩土相似材料中；所述视图录制系统包括摄像机；所述应力计、位移计、孔隙水压力计以及摄像机的信号输出端分别与计算机的信号输入端传输连接。进一步的，所述突水混合物回收系统包括废液桶、振动筛滤网、烘箱以及电子秤，所述废液桶为旋转式倒锥形桶体结构，所述废液桶内部由上至下设置有三层振动筛滤网，上层振动筛滤网的滤网孔径大于下层振动筛滤网的孔径，对突水混合物依次进行收集、分离、过滤，再分别通过烘箱以及电子秤烘干和称重，进行突水突泥量的对比分析。一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验方法：1)试验前，先在钢化玻璃板面上预制隧道截面，并通过密封条及螺栓与模型箱槽连接、密封，防止钢化玻璃板边缘渗漏水；2)调节滑动式断层带支架，根据试验需要精确设置断层宽度、倾角、高度参数，调节好相应参数后，将滑动式断层带支架置入模型试验箱中预设位置；3)根据相似原理配置断层破碎带相似材料和断层周围岩土相似材料；具体为：在滑动式断层带支架两侧面各滑动设置一个滑动板，此时模型试验箱内侧被分割成三个区域；分层向三个区域填埋断层破碎带相似材料和断层周围岩土相似材料至低于隧道截面一定高度时，取出滑动板，分层分别埋设应力计、位移计，埋设完成后，放入滑动板，继续向三个区域填埋断层破碎带相似材料和断层周围岩土相似材料至隧道截面时，再次取出滑动板，在隧道截面轮廓线处的隧道底谷、两底角、两帮以及拱顶处分别埋设应力计、位移计和孔隙水压力计，布设的应力计、位移计和孔隙水压力计的位置按与钢化玻璃板的距离由近及远布置；后继续放入滑动板，重复操作，直至填满模型试验箱；具体的：在距离隧道拱顶和底谷分别为a、2a、2.5a时，分层埋设应力计，应力计埋于装置的各层中轴线处，各层应力计间的水平间距分别为a、2a、2.5a；在距离隧道拱顶和底谷分别为0.5a、a、2a、2.5a时，分层埋设位移计,位移计埋于装置的各层中轴线处，各层位移计间的水平间距分别为2/3a、a、2a、2.5a；在隧道截面左右两侧布设应力计和位移计，该层布设的应力计和位移计的位置按与钢化玻璃板的距离由近及远布置；孔隙水压力计的布设沿隧道轮廓线呈放射状分层间隔布设，取隧道截面两底角距离的一半为b,以0.5b的增量沿隧道截面轮廓线向外延展；在隧道截面轮廓线处的隧道底谷、两底角、两帮以及拱顶处分别埋设应力计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，其特征在于：包括模型试验箱、断层致灾构造系统、地下水渗流模拟系统、水力加载系统、顶部荷载控制系统、数据采集监测系统、突水混合物回收系统和视图录制系统；所述数据采集监测系统预埋设置在断层致灾构造系统内部，所述断层致灾构造系统设置在模型试验箱内部，所述顶部荷载控制系统与模型试验箱顶部加载设置，所述地下水渗流模拟系统与模型试验箱内部连通，所述水力加载系统与地下水渗流模拟系统连接，所述突水混合物回收系统与模型试验箱的允许排水出口连接，所述视图录制系统架设在模型试验箱前，录制整个突水致灾试验过程。

【技术特征摘要】
1.一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，其特征在于：包括模型试验箱、断层致灾构造系统、地下水渗流模拟系统、水力加载系统、顶部荷载控制系统、数据采集监测系统、突水混合物回收系统和视图录制系统；所述数据采集监测系统预埋设置在断层致灾构造系统内部，所述断层致灾构造系统设置在模型试验箱内部，所述顶部荷载控制系统与模型试验箱顶部加载设置，所述地下水渗流模拟系统与模型试验箱内部连通，所述水力加载系统与地下水渗流模拟系统连接，所述突水混合物回收系统与模型试验箱的允许排水出口连接，所述视图录制系统架设在模型试验箱前，录制整个突水致灾试验过程。2.根据权利要求1所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，其特征在于：所述模型试验箱包括模型箱槽(1)、钢化玻璃板(2)、螺栓(3)和密封条(5)，所述模型箱槽(1)为立方体结构，所述钢化玻璃板(2)面上预制隧道截面，通过密封条(5)和螺栓(3)与模型箱槽(1)密封连接。3.根据权利要求1所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，其特征在于：所述断层致灾构造系统包括滑动式断层带支架(7)、滑动板(8)、断层破碎带相似材料(26)和断层周围岩土相似材料(25)，所述滑动式断层带支架(7)的两侧分别滑动设置有一个滑动板(8)，两个滑动板(8)将模型试验箱内部分隔为三个部分，其中中间部分填充断层破碎带相似材料(26)，两边部分均填充断层周围岩土相似材料(25)；所述断层破碎带相似材料(26)由滑石粉、石子配制而成，其中H:Z＝9:1；断层周围岩土相似材料(25)以黄砂、滑石粉和水泥为主料，液压油和水为调节剂配制而成，其中，S:H:N＝10:1:0.6。4.根据权利要求3所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，其特征在于：所述滑动式断层带支架(7)包括带刻度滑轨角钢(71)、带刻度滑轨钢板(72)、带滑轨角钢(73)、下部特制角钢(74)、上部特制角钢(75)和带螺母孔角度仪(76)；两个所述带刻度滑轨角钢(71)相互平行设置在底部平面，并与两个相互平行设置的下部特制角钢(74)垂直连接在同一底部平面内，构成断层带支架下底面；四个所述带滑轨角钢(73)的底端分别与两根带刻度滑轨角钢(71)通过带螺母孔角度仪(76)在竖直方向上可旋转调节角度连接，两个所述带滑轨角钢(73)的底端分别可沿所述带刻度滑轨角钢(71)上的滑轨水平方向移动，两块所述滑动板(8)分别与两个带滑轨角钢(73)上下滑动设置；四个所述带滑轨角钢(73)的顶端分别与所述带刻度滑轨角钢(71)平行设置的两个带刻度滑轨钢板(72)连接，所述带滑轨角钢(73)的顶端可沿所述带刻度滑轨钢板(72)上的滑轨水平方向移动，且两根所述带刻度滑轨钢板(72)的两端分别与相互平行的上部特制角钢(75)垂直连接，构成断层带支架上底面；两个所述滑动板(8)之间的距离，两个滑动板(8)的倾角，以及带刻度滑轨角钢(71)与带刻度滑轨钢板(72)之间的相对高度均可精确调节。5.根据权利要求1所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，其特征在于：所述地下水渗流模拟系统包括渗流水管(10)、控制阀(11)和透水板(12)，所述模型试验箱底部敷设有透水板(12)，所述渗流水管(10)通过控制阀(11)分别与透水板(12)以及模型试验箱的侧面连接。6.根据权利要求1或5所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，其特征在于：所述水力加载系统包括带刻度水箱(13)、高压水泵(14)和连接水管(18)，所述带刻度水箱(13)通过红墨水控制系统(16)泵入红墨水并搅匀，所述带刻度水箱(13)与高压水泵(14)连接，所述高压水泵(14)与连接水管(18)连接，所述连接水管(18)连接有压力表(15)和流量计(17)，分别与各渗流水管(10)连接。7.根据权利要求1所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，其特征在于：所述顶部荷载控制系统包括均布梁(20)、油压千斤顶(21)、自动控制柜(22)和反力架(23)，通过自动控制柜(22)、油压千斤顶(21)和反力架(23)对设置在模型箱槽顶部(1)的均布梁(20)加载。8.根据权利要求1或3所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置，其特征在于：所述数据采集监测系统包括应力计(241)、位移计(242)和孔隙水压力计...

【专利技术属性】
技术研发人员：王迎超，尹鑫，靖洪文，耿凡，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32