一种采水型地裂缝物理模型试验装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种采水型地裂缝物理模型试验装置及试验方法，该试验装置包括模型箱、模拟材料、抽水和供水系统以及量测系统；模拟材料包括模拟含水层和/或弱透水层的填土以及模拟基岩的石膏；抽水和供水系统包括井管、与井管相连的水泵、储水槽、储水筒和与储水槽相连通用于控制储水槽内水位高度的水位调节槽；量测系统包括垂向位移标、水平位移标、位移传感器、孔隙水压力传感器、薄膜压力传感器以及数码相机，用于监测井管抽水或灌水过程中填土内不同位置的孔隙水压力和应力的变化、填土的位移以及裂缝的形成和演化。采用本发明专利技术可以揭示采水型地裂缝的演变机理，为地裂缝数值模拟方法的构建提供科学基础，为地裂缝防治提供科学依据。

A Physical Model Testing Device and Method for Ground Fissure of Water Extraction Type

The invention discloses a physical model test device and a test method for water extraction type ground fissures, which includes model box, simulation material, pumping and water supply system and measurement system; simulation material includes filling of simulated aquifer and/or weak permeable layer and gypsum of simulated bedrock; pumping and water supply system includes well pipe, pump connected with well pipe, water storage tank and water storage tank. The measuring system includes vertical displacement indicator, horizontal displacement indicator, displacement sensor, pore water pressure sensor, film pressure sensor and digital camera, which are used to monitor the changes of pore water pressure and stress in different positions of filling soil during well pipe pumping or irrigation, displacement of filling soil and cracking of filling soil. Formation and evolution of fractures. The invention can reveal the evolution mechanism of water extraction type ground fissures, provide a scientific basis for the construction of numerical simulation method of ground fissures, and provide a scientific basis for the prevention and control of ground fissures.

【技术实现步骤摘要】
一种采水型地裂缝物理模型试验装置及试验方法
本专利技术涉及一种地下水开采引起地裂缝的物理模型试验装置及试验方法，属于地质工程地裂缝测试领域。
技术介绍
开采地下水改变了含水系统的孔隙水压力和有效应力。当土层中一点的应力状态满足一定条件时，该点可达到强度破坏(拉裂破坏或剪切破坏)。当破坏点越来越多、连成一片，并使地表岩土体开裂时，就形成了地裂缝，地裂缝形成后还可能进一步扩展。地裂缝是地下水开采引起的地质灾害之一，其形成和发展给地表建(构)筑物、地下管线等造成极大的破坏作用。但目前对地下水开采引起地裂缝的机理研究还较少，对地裂缝形成和发展的数值模拟还缺乏有效的方法。由于现场水文地质和工程地质条件复杂，且地裂缝的形成过程难以在现场观测和再现，因此，要深入研究抽水引起地裂缝的机理以及刻画地裂缝从无到有、从小到大的演变过程的数值方法，进行室内物理模型试验是十分必要的。目前，用于地裂缝的物理模型试验装置较少，主要有两类：一类不涉及到地下水的开采，主要模拟断层上下盘运动造成的地裂缝，如西安理工大学的“地裂缝土质隧道物理模型试验装置及模型试验方法”(中国专利文献号CN101900642B，公开日2012-01-11)；另一类模拟地下水位变化引起的地裂缝，如江苏省地质调查研究院的“一种大型地裂缝模拟实验系统”(中国专利文献号205879940U,公开日2017-01-11)，该实验装置包括装卸系统、给排水控制装置、监测系统和数据处理系统，其中给排水控制装置由置于填土中的竖向排水花管和置于模型箱两端的进水口组成，进出水量由阀门控制、由水量量测仪表量测。该实验系统可以模拟潜水含水层下部自然重力排水引起的地裂缝，但不能严格控制排水量和水位边界条件，不能模拟承压含水层抽水引起的地裂缝，也不能模拟不同的地下水开采方式。而实际地下水开采中大多开采承压含水层中的地下水，且开采方式复杂多样，如多井开采、开采量的季节性变化、地下水的回灌等。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有地裂缝物理模型试验的不足，本专利技术提供一种采水型地裂缝物理模型试验装置及方法，能够模拟开采井从潜水或承压含水层中的抽水过程，控制抽水量和抽水方式，控制边界条件，量测抽水过程中土层内不同位置的孔隙水压力、应力和位移以及裂缝的形成和演化。技术方案：为了实现上述目标，本专利技术的一种采水型地裂缝物理模型试验装置，包括模型箱、模拟材料、抽水和供水系统、以及量测系统；所述模拟材料设于模型箱内，包括模拟含水层和/或弱透水层的填土，以及模拟基岩的石膏；所述抽水和供水系统包括模拟抽水井的井管、与井管相连的水泵、储水槽、储水筒和与储水槽相连通用于控制储水槽内水位高度的水位调节槽，所述井管的底部固定于模型箱底板上，在井管滤水段的管壁上均匀设置孔洞，滤水段外面用反滤土工布包裹；所述储水槽位于模型箱至少一侧，由硬质钢丝网与模型箱内的填土相隔，钢丝网与填土接触一侧粘贴反滤土工布；所述储水筒经水管与抽水泵连接，并由抽水泵将水送至水位调节槽内，水位调节槽内设有限高管，将超过限高管顶的水送回至储水筒内；所述量测系统包括垂向位移标、水平位移标、位移传感器、孔隙水压力传感器、薄膜压力传感器以及数码相机；所述垂向位移标随着填土的填筑设置于土层的不同深度处；所述的水平位移标设置于填土表面；所述位移传感器设于模型箱横梁的磁性表座上，其探头与垂向位移标顶部接触，用于监测土层不同位置的垂向位移；所述孔隙水压力传感器和薄膜压力传感器设置于土中不同位置，用于监测不同深度的孔隙水压力和应力的变化；所述数码相机设在模型箱上方，用于监测土层表面的水平位移以及裂缝的形成和演化。在具体实施方案中，所述试验装置的模型箱可由有机玻璃板、钢板和固定模型箱的角钢和槽钢组成。在具体实施方案中，所述试验装置的储水槽位于模型箱的两侧，槽内放置方钢固定。在具体实施方案中，所述填土包括模拟含水层的砂土和模拟弱透水层的黏性土，填土的填筑顺序从下到上依次为黏性土、砂土、黏性土。在具体实施方案中，所述石膏可根据模拟情况制作成不同形状和尺寸。在具体实施方案中，所述试验装置的模型箱内可设置有多个井管，用于多井抽水或灌水。另一方面，采用所述试验装置的一种采水型地裂缝物理模型试验方法，包括如下步骤：(1)将石膏模型置于模型箱内，用防水胶密封石膏模型与模型箱的接缝处；(2)安装井管于模型箱的底部，将井管与模型箱底部的接缝用防水胶密封；(3)将待填筑的黏土先进行饱和，然后自下而上按顺序填筑土层，每填筑15～20cm厚的土层后静置24小时以上，待土层充分饱和后再继续填土；填土过程中始终保持储水槽内的水位略低于填土层的顶面；在填土过程中，当填至需要量测垂向位移、孔隙水压力、土压力的位置时，放置相应的垂向位移标、孔隙水压力传感器、薄膜压力传感器，并检查传感器是否正常工作，待传感器显示正常后再继续填土，在填土表面设置水平位移标；(4)将位移传感器安装于模型箱横梁的磁性表座上，位移传感器的探头与垂向位移标顶部相接触；土层填筑完成后再静置一段时间，直至各个传感器完全稳定；(5)通过与储水筒相连的抽水泵保持水位调节槽内的水位略低于填土面高度，开启与井管相连的水泵从井中抽水；采集各传感器和相机数据，得到抽水过程中土层不同位置的垂向位移、孔隙水压力、土压力，以及填土表面的水平位移和地裂缝的形成和发展。上述试验方法，步骤(2)中可在模型箱的底部安装多个井管，步骤(5)中进行多井抽水或灌水试验。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术真实地模拟了潜水或承压含水层抽水情况下土层中应力、位移和孔隙水压力的变化。2、本专利技术结合水平位移标，采用高像素数码相机连续拍摄，可以有效量测填土表面的水平位移以及地裂缝从无到有、从小到大的演变过程。3、本专利技术采用储水槽和水位调节槽，能够准确控制水位边界条件，采用水泵和水井可以严格控制抽水量或灌水量。4、采用本专利技术易于实现对不同情况下地裂缝形成的模拟。通过增加井管数量，可以模拟多井抽水或灌水情况下地裂缝的形成和演化；通过改变石膏的形状和尺寸，可以模拟不同形态和尺寸的基岩对地裂缝形成的影响；通过变化填土层的厚度及其在水平方向上的分布，可以模拟土层结构对地裂缝形成的影响。因此，采用本专利技术可以揭示采水型地裂缝的演变机理，为地裂缝的数值模拟方法的构建提供科学基础，为地裂缝防治提供科学依据。附图说明图1为本专利技术实施例试验系统装置的剖面示意图；图2为本专利技术实施例试验系统装置的平面示意图；图3为本专利技术实施例试验装置的垂向位移标示意图；图4为本专利技术实施例试验装置的井管示意图；图5为抽水试验的孔隙水压力变化曲线图；图6为抽水试验的垂向位移变化曲线图；图7为填土表面水平位移标位移示意图；图8为填土表面裂缝示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作更进一步说明。如图1和图2所示，本专利技术实施例公开的一种采水型地裂缝物理模型试验装置包括模型箱、模拟材料、抽水和供水系统、量测和数据采集系统。模型箱1的尺寸为140cm(长)×100cm(宽)×120cm(高)，侧面为10mm厚的有机玻璃板，底部为钢板。模型箱两侧各有10cm宽的储水槽9，有机玻璃箱体由304不锈钢角钢(规格为40mm*40mm*4mm)固定，底部加装五号槽钢(规格为35mm*35mm*50m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采水型地裂缝物理模型试验装置，其特征在于，包括模型箱、模拟材料、抽水和供水系统、以及量测系统；所述模拟材料设于模型箱内，包括模拟含水层和/或弱透水层的填土，以及模拟基岩的石膏；所述抽水和供水系统包括模拟抽水井的井管、与井管相连的水泵、储水槽、储水筒和与储水槽相连通用于控制储水槽内水位高度的水位调节槽，所述井管的底部固定于模型箱底板上，在井管滤水段的管壁上均匀设置孔洞，滤水段外面用反滤土工布包裹；所述储水槽位于模型箱至少一侧，由硬质钢丝网与模型箱内的填土相隔，钢丝网与填土接触一侧粘贴反滤土工布；所述储水筒经水管与抽水泵连接，并由抽水泵将水送至水位调节槽内，水位调节槽内设有限高管，将超过限高管顶的水送回至储水筒内；所述量测系统包括垂向位移标、水平位移标、位移传感器、孔隙水压力传感器、薄膜压力传感器以及数码相机；所述垂向位移标随着填土的填筑设置于土层的不同深度处，垂向位移标包括标头和固定于标头上的标杆；所述的水平位移标设置于填土表面；所述位移传感器设于垂向位移标顶部，用于监测垂向位移标标头所在位置土层的垂向位移；所述孔隙水压力传感器和薄膜压力传感器设置于土中不同位置，用于监测土中不同位置的孔隙水压力和应力的变化；所述数码相机设在模型箱上方，用于监测土层表面的水平位移以及裂缝的形成和演化。...

【技术特征摘要】
1.一种采水型地裂缝物理模型试验装置，其特征在于，包括模型箱、模拟材料、抽水和供水系统、以及量测系统；所述模拟材料设于模型箱内，包括模拟含水层和/或弱透水层的填土，以及模拟基岩的石膏；所述抽水和供水系统包括模拟抽水井的井管、与井管相连的水泵、储水槽、储水筒和与储水槽相连通用于控制储水槽内水位高度的水位调节槽，所述井管的底部固定于模型箱底板上，在井管滤水段的管壁上均匀设置孔洞，滤水段外面用反滤土工布包裹；所述储水槽位于模型箱至少一侧，由硬质钢丝网与模型箱内的填土相隔，钢丝网与填土接触一侧粘贴反滤土工布；所述储水筒经水管与抽水泵连接，并由抽水泵将水送至水位调节槽内，水位调节槽内设有限高管，将超过限高管顶的水送回至储水筒内；所述量测系统包括垂向位移标、水平位移标、位移传感器、孔隙水压力传感器、薄膜压力传感器以及数码相机；所述垂向位移标随着填土的填筑设置于土层的不同深度处，垂向位移标包括标头和固定于标头上的标杆；所述的水平位移标设置于填土表面；所述位移传感器设于垂向位移标顶部，用于监测垂向位移标标头所在位置土层的垂向位移；所述孔隙水压力传感器和薄膜压力传感器设置于土中不同位置，用于监测土中不同位置的孔隙水压力和应力的变化；所述数码相机设在模型箱上方，用于监测土层表面的水平位移以及裂缝的形成和演化。2.根据权利要求1所述的采水型地裂缝物理模型试验装置，其特征在于，所述模型箱由有机玻璃板、钢板和固定模型箱的角钢和槽钢组成。3.根据权利要求2所述的采水型地裂缝物理模型试验装置，其特征在于，所述储水槽位于模型箱的两侧，槽内放置方钢固定。4.根据权利要求1所述的采水型地裂缝物理模型试验装置，其特征在于，所述填土包括模拟含水层的砂土和模拟弱透水层...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云，何国峰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32