充填型岩溶渗透破坏全过程模拟试验系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种充填型岩溶渗透破坏全过程模拟试验系统与方法，包括：可视化模型系统，其内装载试验试样，作为承载装置完成对充填型岩溶全过程渗透的模拟；可控支撑系统，其用于支撑可视化模型箱，通过改变可视化模型箱倾角对可视化模型箱内部流体的渗流方向进行控制；伺服加载系统，控制试验过程中的水压，为可视化模型箱提供了四种不同的加载模式；高速摄像系统，负责记录渗透破坏过程中透明渗透模型箱内部水流与颗粒运动情况；综合数据测量系统，监测记录渗透破坏过程中包括但不限于渗压、渗流量、涌砂量因素的变化规律；信息分析反馈系统，对渗透过程及渗透破坏全过程进行实时记录和分析，完成数据处理和反馈。

Simulation test system and method for filling karst seepage failure process

The invention discloses a simulation test system and method for full process of filling karst seepage failure, including a visual model system, which is loaded with test specimens, and is used as a bearing device to simulate the permeation of the full process of filling karst, and the controllable support system is used to support the visualization model box, by changing visualization. The dip angle of the model box controls the flow direction of the fluid in the visualized model box, and the servo loading system, which controls the water pressure in the test process, provides four different loading modes for the visualized model box, and the high-speed camera system is responsible for recording the flow and movement of the particles inside the transparent permeable model box during the seepage failure process. The comprehensive data measurement system monitors the changes of the seepage failure process including seepage pressure, seepage flow and sand flow, and the information analysis and feedback system records and analyzes the whole process of infiltration and seepage failure, and completes data processing and feedback.

【技术实现步骤摘要】
充填型岩溶渗透破坏全过程模拟试验系统与方法
本专利技术涉及一种充填型岩溶渗透破坏全过程模拟试验系统与方法。
技术介绍
岩溶地貌，又称喀斯特地貌，是水对可溶性岩石(碳酸盐岩、石膏、岩盐等)进行溶蚀、冲蚀、潜蚀和崩塌等地质作用形成的一种地貌。岩溶地貌在全球广泛分布，中国是世界上岩溶面积最大的国家，其中，西南地区岩溶面积高达总面积的三分之一以上。在喀斯特地貌区域，岩体中分布有许多裂隙、管道和溶腔，在修建隧道、基坑等地下工程时，极易因渗透破坏诱导大规模、突发性的突水涌泥灾害，造成人员伤亡、工期延误、机械设备损坏、投资费用增加等诸多问题。针对岩溶渗透过程的模拟，全球学者从理论分析、模型试验、数值模拟等方面开展了一系列的研究，但目前，尚未有针对不同产出状态的充填型岩溶进行渗透破坏的全方位监测的试验系统，且现有试验对渗透破坏全过程各项指标的监测也不够及时准确。因此，有必要开发一种充填型岩溶渗透破坏全过程模拟试验系统与方法。
技术实现思路
本专利技术为克服上述技术的不足，提供一种集可视与智能检测为一体的充填型岩溶渗透破坏全过程模拟试验系统与操作方法。为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种用于模拟充填型岩溶全过程渗透的大尺度可调角渗透破坏试验系统，可视化模型系统，其内装载试验试样，作为承载装置完成对充填型岩溶全过程渗透的模拟；可控支撑系统，其用于支撑可视化模型系统，可通过改变可视化模型系统倾角对可视化模型箱内部流体的渗流方向进行控制；伺服加载系统，控制试验过程中的水压，为可视化模型系统提供了定流量、变流量、定压力和变压力四种不同的加载模式；高速摄像系统，负责记录渗透破坏过程中可视化模型系统中渗透破坏发生的情况；综合数据测量系统，监测记录渗透破坏过程中包括但不限于渗压、渗流量、涌砂量因素的变化规律；信息分析反馈系统，接收伺服加载系统、高速摄像系统以及综合数据测量系统发射的无线信号，对渗透过程及渗透破坏全过程进行实时记录和分析，完成数据处理和反馈。通过充填型岩溶原状充填物的模拟试验，研究原状充填物渗透破坏发生时的渗透破坏特征，以及渗透破坏发生、发展、破坏过程中水力梯度、流速及涌水涌沙量随时间变化的规律。进一步的，所述的可视化模型系统包括渗透模型箱、进水管、多孔挡板、多层滤网、导水管和角度检测仪；所述的渗透模型箱，其进水端有开口，开口与进水管连接，且在进水侧沿渗透方向依次设置多孔挡板和多层滤网，多孔挡板对滤网起保护作用，减小高水压冲击，多层滤网可采用多层PP棉和不锈钢滤网间隔组成，多层滤网缓解了进水段水压分布不均，避免出现因较大压力产生的非均一冲蚀，渗透模型箱的出水端与导水管连接，导水管出口为倒置漏斗形状；所述的角度检测仪用于检测渗透模型箱的倾斜角度。进一步的，所述的可控支撑系统包括固定铰支座、液压伸缩杆和三角液压伸缩架；所述的固定铰支座包括入口固定铰、出口固定铰两种，分别固定在渗透模型箱的进水侧和出水侧，所述的入口固定铰与两组三角液压伸缩架相连，所述的出口固定铰通过液压伸缩杆与底座相连，通过控制三角液压伸缩架、伸缩杆实现对渗透模型箱的180°转动，进而模拟不同产出形态下充填介质的渗透破坏。所述的一组三角液压伸缩架由三个液压伸缩杆组成，通过固定铰支座与底座相连；进一步的，所述的伺服加载系统可提供定流量、变流量、定压力和变压力四种不同的加载模式，由水箱、加载装置组成。具体地，当使用定流量或变流量模式时，加载装置采用伺服水压加载器，伺服加载系统当使用定压力或变压力模式时，加载装置为气压加载装置及电器控制设备组成。加载装置带有显示屏，可根据需要编程手动输入加载方程，显示屏实时显示加载曲线。；进一步的，所述的高速摄像系统包括高速摄像仪、无线传输收发器、电动滑轨、自动升降杆和激光测距仪，电动滑轨设置在试验架上，高速摄像仪、无线传输收发器、激光测距仪集成在一个壳体内，通过自动升降杆悬挂在电动滑轨上，可沿杆滑动；所述的无线传输收发器分别与高速摄像仪、激光测距仪、中央处理器通信，一方面实时的将高速摄像仪拍摄的图片传输到中央处理器；另一方面将激光测距仪测得的摄像机与模型箱的距离传输至中央处理器，所述的中央处理器根据测得的距离调控电动滑轨和自动升降杆，使得摄像机与渗透模型箱的中心保持一定的距离，同时自动旋转调节高速摄像仪，可保持镜头与渗透容器表面平行。一般情况下，保持摄像仪与模型箱之间的距离约30-50cm左右。将通过摄像系统拍摄大量渗透破坏图像录入计算机，采集渗透破坏发生时的渗透特征图像数据，建立渗透破坏图像特征库。试验时，将实时拍摄的图像与特征库进行比对，当特征相似时，对重点渗透失稳部位进行自动对焦、定位，进行集中高清拍摄。进一步的，所述的综合数据测量系统包括渗压传感器、流量记录仪、压力记录仪、集水器、自动称量测量仪和筛分烘干装置；所述的渗压传感器埋设于原状填充物试样中，流量记录仪和压力记录仪固定在进水管上，减小由于伺服加载系统的加压不均所导致的测量误差，试验过程中的渗压、流量、水压变化可实时传输至中央处理器；所述的集水器负责收集渗透破坏带出的水和固体颗粒，多个集水器紧密排布在传送带上，集水器之间放置三角排水板，减少传送带移动过程中泥水沿集水器边缘的耗散；所述的自动称量测量仪记录泥水混合物的重量P1，可计算泥水渗透流量Q*；所述的筛分烘干装置对已完成泥水收集的集水器进行静置分离、筛分烘干及称重，获得固体重量P2，进一步获得修正后的纯水渗透流量Q；Q*＝P1/ρwtQ＝(P1-P2)/ρwt其中，ρw为水的密度，t为称量所用时间。具体的，试验开始前进行称重清零；实验过程中，泥水首先落入集水器I中，经规定时间传送带向前移动一个集水器的距离，手动在传送带后端补充集水器，使泥水依次落入集水器II、III、IV中，自动称量测量仪记录出水涌泥重量P1，随后将各个集水器中的泥水进行筛分烘干，数据可根据设置自动换算为流量数据Q*，通过无线传输在中央处理器显示屏实时显示；所述的试验实施过程中，每隔一定时间，将已完成泥水收集的集水器进行静置分离，对其进行筛分烘干、称重，获得固体重量P2，进一步获得修正后的渗透流量Q；所述的信息分析反馈系统包括中央处理器和显示器，中央处理器接收高速摄像仪、激光测距仪的信号，实时对数据进行处理分析，通过显示器对渗透破坏全过程进行展示观察。应用上述装置实现充填型岩溶渗透破坏全过程模拟的方法，包括以下步骤：1)提前预制好充填型岩溶原状充填物试样，并将渗压传感器埋设其中；2)将试样放进渗透模型箱，在进水端依次设置多层滤网和多孔挡板，将软管一段与模型箱进水端的开口连接，另一端与伺服加载系统连接，流量记录仪和压力记录仪固定在软管上，渗透模型箱出水端与导水管相连，安置好集水器、传送带和自动称量测量仪；3)根据所模拟的产出状态，通过液压伸缩架、伸缩杆调节好渗透模型箱的倾斜角度，并根据倾斜角度调节高速摄像仪的位置和角度，开启中央处理器和显示器；4)保持渗流方向不变，逐级增加水压，通过显示屏进行全程观察，测量记录渗透破坏发生的全过程；5)通过监测的渗压、流量、水压、渗流量和涌砂量，以及摄像系统记录的渗透特征，得到渗透破坏发过程中多种物理信息的变化情况，研究原状充填物在渗透破坏发生时的渗透率、渗透破坏特征，以及渗透破坏发生、发展、破坏过程中水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种充填型岩溶渗透破坏全过程模拟试验系统，其特征在于，包括：可视化模型系统，其内装载试验试样，作为承载装置完成对充填型岩溶全过程渗透的模拟；可控支撑系统，其用于支撑可视化模型系统，可通过改变可视化模型系统倾角对可视化模型箱内部流体的渗流方向进行控制；伺服加载系统，控制试验过程中的水压，为可视化模型系统提供了定流量、变流量、定压力和变压力四种不同的加载模式；高速摄像系统，负责记录渗透破坏过程中可视化模型系统中渗透破坏发生的情况；综合数据测量系统，监测记录渗透破坏过程中包括但不限于渗压、渗流量、涌砂量因素的变化规律；信息分析反馈系统，接收伺服加载系统、高速摄像系统以及综合数据测量系统发射的无线信号，对渗透过程及渗透破坏全过程进行实时记录和分析，完成数据处理和反馈。

【技术特征摘要】
1.一种充填型岩溶渗透破坏全过程模拟试验系统，其特征在于，包括：可视化模型系统，其内装载试验试样，作为承载装置完成对充填型岩溶全过程渗透的模拟；可控支撑系统，其用于支撑可视化模型系统，可通过改变可视化模型系统倾角对可视化模型箱内部流体的渗流方向进行控制；伺服加载系统，控制试验过程中的水压，为可视化模型系统提供了定流量、变流量、定压力和变压力四种不同的加载模式；高速摄像系统，负责记录渗透破坏过程中可视化模型系统中渗透破坏发生的情况；综合数据测量系统，监测记录渗透破坏过程中包括但不限于渗压、渗流量、涌砂量因素的变化规律；信息分析反馈系统，接收伺服加载系统、高速摄像系统以及综合数据测量系统发射的无线信号，对渗透过程及渗透破坏全过程进行实时记录和分析，完成数据处理和反馈。2.如权利要求1所述的充填型岩溶渗透破坏全过程模拟试验系统，其特征在于，所述的可视化模型系统包括渗透模型箱、进水管、多孔挡板、角度检测仪、多层滤网和导水管；所述的渗透模型箱，其进水端有开口，开口与进水管连接，且在透水模型箱的进水侧沿着水流渗透方向依次设置了多孔挡板和多层滤网，渗透模型箱的出水端与导水管连接；所述的角度检测仪用于检测渗透模型箱的倾斜角度。3.如权利要求2所述的充填型岩溶渗透破坏全过程模拟试验系统，其特征在于，所述的导水管出口为倒置漏斗形状。4.如权利要求1所述的充填型岩溶渗透破坏全过程模拟试验系统，其特征在于，所述的可控支撑系统包括固定铰支座、液压伸缩杆和三角液压伸缩架；所述的固定铰支座包括入口固定铰、出口固定铰两种，分别固定在渗透模型箱的进水侧和出水侧，所述的入口固定铰与两组三角液压伸缩架相连，所述的出口固定铰通过液压伸缩杆与底座相连，通过控制三角液压伸缩架、伸缩杆实现对渗透模型箱的180°转动，进而模拟不同产出形态下充填介质的渗透破坏。5.如权利要求1所述的充填型岩溶渗透破坏全过程模拟试验系统，其特征在于，所述的伺服加载系统由水箱、加载装置组成，可提供定流量、变流量、定压力和变压力四种不同的加载模式；具体地，当使用定流量或变流量模式时，加载装置采用伺服水压加载器；当使用定压力或变压力模式时，加载装置为气压加载装置及电器控制设备组成。加载装置带有显示屏，可根据需要编程手动输入加载方程，显示屏实时显示加载曲线。6.如权利要求1所述的充填型岩溶渗透破坏全过程模拟试验系统，其特征在于，所述的高速摄像系统包括高速摄像仪、无线传输收发器、电动滑轨、自动升降杆和激光测距仪；电动滑轨设置在试验架上，高速摄像仪、无线传输收发器、激光测距仪集成在一个壳体内，通过自动升降杆悬挂在电动滑轨上；所述的无线传输收发器分别与高速摄像仪、激光测距...

【专利技术属性】
技术研发人员：李术才，许振浩，王欣桐，林鹏，黄鑫，潘东东，王文扬，高斌，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37