基于平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，其通过地应力加载组件可全面模拟实际岩(土)体的受力状态，通过水压加载组件，可最大程度还原隧道围岩(土)体的地下渗流环境，能用于模拟隧道突水、真实反映灾变过程，可以节省大量资金和人力物力，具有试验成本低、周期短、操作方便的特点。

【技术实现步骤摘要】
基于平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统
本技术属于岩土工程技术领，尤其涉及一种基于平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统。
技术介绍
随着我国经济的高速发展，水电工程和交通运输等重大基础设施越来越受到人们的重视，岩土工程的研究重点日益转向地下，交通隧道、水利水电工程中的引水隧洞等地下工程越来越多，如锦屏二级水电站引水隧洞、武汉长江隧道、青岛胶州湾隧道等。受高水压力和复杂地质条件的影响，隧道在施工过程中极易诱发突水、涌泥、塌方等地质灾害，为隧道工程安全建设和工程防灾减灾带来严峻挑战。室内物理模拟试验是一种在满足一定相似定律的前提下，对岩土体进行缩尺寸模拟的物理模型试验方法，是研究地下工程问题常用的一种手段。相比于传统的物理模型试验，由于水下隧道涉及水对工程结构的影响，流固耦合作用下的复杂性使得以往的模型试验研究无法满足隧道突水物理模拟试验的需要。在实现本技术的过程中，申请人发现现有技术中至少存在以下不足：现有技术中的模型试验研究并不能很好地反映水环境下隧道突水灾变过程，还存在许多不足之处，如地应力加载、水压控制、试验系统密封性等，为研制一套实用、可靠，可用于模拟隧道突水，真实反映灾变过程的物理模型试验系统及试验方法是当前亟待解决的科学问题。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本技术提供一种基于平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统及试验方法，以很好地反映水环境下隧道突水灾变过程。本技术通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，所述试验系统包括试验结构架、密封箱、地应力加载组件、水压加载组件、数据采集监测组件，所述密封箱为六块钢化玻璃板组成的立方体状，所述密封箱位于安装框架内，所述密封箱安装在所述试验结构架上，所述密封箱内填充有试验层，所述试验层为流固耦合相似材料铺设而成，所述密封箱的内壁和所述试验层之间铺设有密实隔水材料层，位于上方的所述密实隔水材料层和所述试验层之间铺设有透水材料层；所述地应力加载组件包括多个竖向动力加载单元和多个水平动力加载单元，多个所述竖向动力加载单元的固定端安装在所述试验结构架上，多个所述竖向动力加载单元的伸缩端沿竖向伸缩，多个所述竖向动力加载单元的伸缩端等间距作用在所述密封箱的上侧，多个所述水平动力加载单元沿竖向对称设置有两组，每组所述水平动力加载单元的固定端安装在所述试验结构架上，每组所述水平动力加载单元的伸缩端均沿水平横向伸缩，每组所述水平动力加载单元的伸缩端分别对应等间距作用在所述密封箱的水平横向两侧；所述水压加载组件包括水箱、水压加载泵和进水管，所述进水管的一端和所述水箱连通，所述水压加载泵安装在所述进水管上，所述进水管的另一端穿过上方的所述密实隔水材料层中；所述数据采集监测组件包括位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器、高速摄像机以及计算机，所述位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器埋设在所述试验层中，所述位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器均和所述计算机相连接，所述高速摄像机安装在所述试验结构架外侧，用于全程记录围岩渗透失稳全过程。进一步地，位于水平纵向两侧的两个所述钢化玻璃板的中部设置有安装孔，所述安装孔内设置有圆形钢化玻璃板。更进一步地，所述圆形钢化玻璃板和所述安装孔之间设置有密封圈，以保证密封效果。进一步地，所述进水管的另一端设置有多个支路，每个支路均对应和渗流管道连通，所述渗流管道设置在上方的所述密实隔水材料层中。更进一步地，所述水压加载组件还包括稳压器，所述稳压器和所述水压加载泵并联在所述进水管上，以保证水源输送的稳定性。进一步地，所述试验结构架包括底基座和安装在所述底基座上的试验框架，所述试验框架包括两个支撑板和一个连接板，两个所述支撑板沿水平横向相对安装在所述底基座上，两个所述支撑板的顶部通过所述连接板连接。更进一步地，所述试验框架还包括位于所述试验框架内的加强框架，所述加强框架包括两个竖向加强板和一个横向加强板，两个所述竖向加强板均和所述支撑板平行，两个所述竖向加强板安装在所述底基座上，所述竖向加强板和与所述竖向加强板位于同一侧的所述支撑板之间通过多个等间距的侧肋板连接，两个所述竖向加强板的顶端通过所述横向加强板连接，所述横向加强板和所述连接板之间通过多个等间距的上肋板连接，以保证试验框架的整体强度。进一步地，所述侧肋板上可转动地与定位板的一端连接，所述定位板的另一端与所述安装框架位于水平横向同侧的侧边可拆卸连接，这样可以方便密封箱的装配。进一步地，多个所述竖向动力加载单元的固定端安装在所述横向加强板上，多个所述竖向动力加载单元的伸缩端均作用在一个第一加压板上，所述第一加压板作用在所述密封箱的上侧，这样可以提高加压的作用面积，由于设置了第一加压板，这样可以提高动力加载单元加压的作用面积，使试验层受力更加均匀，更好地进行地应力加载。进一步地，每组所述水平动力加载单元的固定端均安装在同侧的所述竖向加强板上，每组所述水平动力加载单元的伸缩端均作用在一个第二加压板上，所述第二加压板作用在同侧的所述密封箱的水平横向侧部，这样可以提高加压的作用面积，更好地进行地应力加载，由于设置了第二加压板，这样可以提高动力加载单元加压的作用面积，使试验层受力更加均匀，更好地进行地应力加载。一种利用上述的试验系统进行平面应力模型的隧道突水物理模拟试验方法，所述试验方法包括：组装所述试验系统；地应力加载组件中的水平动力加载单元和水平动力加载单元将预设的地应力值加载到所述试验层上，其中，所述水平动力加载单元的地应力值可以从上之下依次增大；水压加载组件作用，其中的水压加载泵通过进水管将水箱内的水注入到透水材料层中，然后渗入到所述试验层的内部，实现向试验层施加水压力；去除密封箱位于水平纵向两侧的两个钢化玻璃板上的圆形钢化玻璃板，并在去除的圆形钢化玻璃板的部位上，通过人工钻凿的方式开挖隧道；隧道开挖完成后，高速摄像机全程记录围岩渗透失稳全过程，数据采集监测组件中的位移变形传感器、渗压传感器以及压力传感器采集到的数据传输到计算机中，以对数据进行分析处理。进一步地，所述组装所述试验系统包括：组装密封箱：将底部和水平横向两侧的钢化玻璃板置于安装框架内，同时将预制有圆形钢化玻璃板的水平纵向一侧的钢化玻璃板安装在安装框架内，通过柔性粘胶密封钢化玻璃板之间的连接处；根据相似定律计算模拟隧道围岩(土)体的试验层的体积尺寸，首先在底部钢化玻璃板上铺设密实隔水材料层，之后分层铺设试验层，在分层铺设过程中在水平横向两侧铺设等厚度的密实隔水材料，同时埋设位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器，然后在试验层上依次铺设透水材料层和密实隔水材料层，并在试验层上的密实隔水材料层内预埋渗流管道；铺设位于上方的钢化玻璃板，在位于上方的钢化玻璃板中预留供进水管穿过的通孔；安装预制圆形玻璃管的水平纵向另一侧的钢化玻璃板；安装地应力加载组件、水压加载组件、数据采集监测组件。本技术的有益效果是：本技术的一种基于平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统及试验方法，通过地应力加载组件可全面模拟实际岩(土)体的受力状态，通过水压加载组件，可最大程度还原隧道围岩(土)体的地下渗流环境，能用于模拟隧道突水、真实反映灾变过程，可以节省大量资金和人力物力，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，其特征在于，所述试验系统包括试验结构架、密封箱、地应力加载组件、水压加载组件、数据采集监测组件，所述密封箱为六块钢化玻璃板组成的立方体状，所述密封箱位于安装框架内，所述密封箱安装在所述试验结构架上，所述密封箱内填充有试验层，所述试验层为流固耦合相似材料铺设而成，所述密封箱的内壁和所述试验层之间铺设有密实隔水材料层，位于上方的所述密实隔水材料层和所述试验层之间铺设有透水材料层；所述地应力加载组件包括多个竖向动力加载单元和多个水平动力加载单元，多个所述竖向动力加载单元的固定端安装在所述试验结构架上，多个所述竖向动力加载单元的伸缩端沿竖向伸缩，多个所述竖向动力加载单元的伸缩端等间距作用在所述密封箱的上侧，多个所述水平动力加载单元沿竖向对称设置有两组，每组所述水平动力加载单元的固定端安装在所述试验结构架上，每组所述水平动力加载单元的伸缩端均沿水平横向伸缩，每组所述水平动力加载单元的伸缩端分别对应等间距作用在所述密封箱的水平横向两侧；所述水压加载组件包括水箱、水压加载泵和进水管，所述进水管的一端和所述水箱连通，所述水压加载泵安装在所述进水管上，所述进水管的另一端穿过上方的所述密实隔水材料层中；所述数据采集监测组件包括位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器、高速摄像机以及计算机，所述位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器埋设在所述试验层中，所述位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器均和所述计算机相连接，所述高速摄像机安装在所述试验结构架外侧，用于全程记录围岩渗透失稳全过程。...

【技术特征摘要】
1.一种基于平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，其特征在于，所述试验系统包括试验结构架、密封箱、地应力加载组件、水压加载组件、数据采集监测组件，所述密封箱为六块钢化玻璃板组成的立方体状，所述密封箱位于安装框架内，所述密封箱安装在所述试验结构架上，所述密封箱内填充有试验层，所述试验层为流固耦合相似材料铺设而成，所述密封箱的内壁和所述试验层之间铺设有密实隔水材料层，位于上方的所述密实隔水材料层和所述试验层之间铺设有透水材料层；所述地应力加载组件包括多个竖向动力加载单元和多个水平动力加载单元，多个所述竖向动力加载单元的固定端安装在所述试验结构架上，多个所述竖向动力加载单元的伸缩端沿竖向伸缩，多个所述竖向动力加载单元的伸缩端等间距作用在所述密封箱的上侧，多个所述水平动力加载单元沿竖向对称设置有两组，每组所述水平动力加载单元的固定端安装在所述试验结构架上，每组所述水平动力加载单元的伸缩端均沿水平横向伸缩，每组所述水平动力加载单元的伸缩端分别对应等间距作用在所述密封箱的水平横向两侧；所述水压加载组件包括水箱、水压加载泵和进水管，所述进水管的一端和所述水箱连通，所述水压加载泵安装在所述进水管上，所述进水管的另一端穿过上方的所述密实隔水材料层中；所述数据采集监测组件包括位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器、高速摄像机以及计算机，所述位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器埋设在所述试验层中，所述位移变形传感器、渗压传感器、压力传感器均和所述计算机相连接，所述高速摄像机安装在所述试验结构架外侧，用于全程记录围岩渗透失稳全过程。2.根据权利要求1所述的基于平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，其特征在于，位于水平纵向两侧的两个所述钢化玻璃板的中部设置有安装孔，所述安装孔内设置有圆形钢化玻璃板。3.根据权利要求2所述的基于平面应力模型的隧道突水物理模拟试验系统，其特征在于，所述圆形钢化玻璃板和所述安装孔之间设置有密封圈。4.根据权利要求1所述的基于平面应力模型的隧道突...

【专利技术属性】
技术研发人员：周辉，史林肯，王媛，卢景景，高阳，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，北京科技大学，
类型：新型
国别省市：湖北,42