CN104833775B - 模拟突水突泥地质灾害的三维模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟突水突泥地质灾害的三维模型试验装置，包括下支撑架、轴压加载装置、围压加载装置、模型试样部件，围压加载装置设置在下支撑架顶部，通过调压阀向围压室内充高压气体或水压，从而对模型试样施加围压。模型试样部件设置在围压加载装置内，通过向其下方活动压板中的环形积水槽内充水，经透水板对模型试样施加水压。轴压加载装置设置在下支撑架内，轴压加载装置穿过围压加载装置底部与模型试样部件连接，通过其下端油缸向模型试样施加轴压。本发明整机结构简单、稳定性好、试验方便简洁，可精确模拟模型所赋存初始环境并进行开挖卸荷试验，通过预先制作好的模型试样可大大缩短试验周期，提高试验效率。

Description

模拟突水突泥地质灾害的三维模型试验装置

技术领域

本发明属于岩土工程试验领域，具体涉及一种模拟突水突泥地质灾害的三维模型试验装置。

背景技术

近年来,我国矿山隧道、国防、水利水电及其它地下工程中的深长隧道建设呈现蓬勃发展的趋势。由于地质条件的多样性，灾害成因以及灾变过程极其复杂，施工前期很难掌握施工路线中不良地质情况，导致施工阶段发生突水突泥等重大灾害，严重威胁施工人员生命安全并造成巨大经济损失。比如宜万铁路线马鹿箐隧道2004年至2008年共发生19次大型突水突泥灾害，导致15人死亡，工期延误超过2年。2013年科技部首次针对深长隧道突水突泥重大灾害，立项973项目--“深长隧道突水突泥重大灾害致灾机理及预测预警与控制理论”。因此针对突水突泥灾害的致灾机理、预测预警理论以及风险评估等问题展开系统研究势在必行。

国内外许多学者针对岩溶等不良地质环境，开展了大量渗透失稳以及突水突泥模型试验。张建民，李深亮，王甘林等基于充填型致灾构造，各自在室内开展了大量渗透失稳试验。

李仲奎等针对锦屏二级水电站引水隧洞，对高渗透压环境下施工过程进行了物理模型试验，为防渗施工技术设计提供了理论依据。

莫阳春等对岩溶隧道开挖过程进行了相似模型试验研究，在隧道掌子面正前方、侧墙、拱顶和底板区域预设高压充水溶洞，分析不同工况下水压以及围岩类型变化对掌子面轴向位移的影响。

李术才等研制了新型流固耦合模型试验系统，并开展了胶州湾海底隧道流-固耦合模型试验，系统研究了施工过程中围岩位移场、洞壁压力及渗压场等的变化规律。

刘爱华等研制了深部开采承压突水机制相似物理模型试验系统，可实现复杂应力、水压力及开采扰动等多因素联合作用下围岩的受力、变形破坏过程以及水的渗流、突变等宏细观运移规律研究。

李利平等设计了防突层失稳非地质缺陷式突水模型试验，得出防突层失稳突水是开挖扰动作用下渗流诱发岩体持续损伤的结果。

可以看出，目前开展的模型试验主要针对渗透失稳、突水突泥成灾机理以及灾变过程等进行研究。这些研究对于突水突泥灾害发生机理、安全厚度确定取得了一定成果，但是由于模型大，试验周期长，其不利于开展大量试验。安全隔水岩层厚度作为表征隧道施工工程安全性的主要定量化指标，其对于施工具有重要指导性作用。而对于获取最小安全隔水岩层厚度研究，主要通过简化理论模型、数值模拟进行研究，而地质条件的复杂多样性以及岩土材料的不确定等使得现有方法技术对于获取不同围岩类型、不同地应力水平以及不同水压条件下最小安全隔水岩层厚度存在困难。尤其是对于获取最小安全隔水岩层厚度的大样本概率统计试验获取尚未开展研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟突水突泥地质灾害的三维模型试验装置，能对模型试验所处三维初始地应力场以及水压环境进行精确的模拟，可进行大尺寸岩体复杂环境下的三维加载开挖模拟试验。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种模拟突水突泥地质灾害的三维模型试验装置，包括下支撑架、围压加载装置、轴压加载装置、模型试样部件，围压加载装置设置在下支撑架顶部，模型试样部件设置在围压加载装置内，轴压加载装置设置在下支撑架内，轴压加载装置穿过围压加载装置底部与模型试样部件连接；

下支撑架包括底座和N根立柱，N≥2，N根立柱均匀分布在底座上；

轴压加载装置包括油缸、力传感器、位移传感器和活塞杆，油缸底部固定在底座上，活塞杆底部伸入油缸，顶端穿过围压加载装置底面，伸入模型试样部件，力传感器和位移传感器均设置在活塞杆上，且位于油缸上方。

上述围压加载装置包括底板、筒体和顶盖，筒体底面与底板连接，顶面与顶盖连接，底板设有第一圆孔、M个第一通孔，M≥1，第一圆孔位于底板中心，轴压加载装置的活塞杆的顶端穿过第一圆孔，第一圆孔与活塞杆之间设有第一密封圈，顶盖设有第二圆孔、P个第二通孔，P≥1，第一圆孔位于底板中心。

上述筒体与底板顶盖的连接处均设有第二密封圈。

上述模型试样部件包括活动压板、透水板、乳胶套、固定压板、压板、压紧螺套和进排水管；活动压板上设有一圈环形积水槽，环形积水槽底部设有Q个第三通孔，Q=M，第三通孔通过进排水管与第二通孔连接，轴压加载装置的活塞杆的顶端伸入活动压板底部中心；活动压板顶部设有透水板，固定压板包括上圆柱体和下圆柱体，上圆柱体直径小于下圆柱体直径，固定压板中心设有第四通孔，第四通孔贯穿上圆柱体和下圆柱体；乳胶套一端套在活动压板上，另一端套在固定压板上，乳胶套内填满模型试样，模型试样顶面与固定压板的第四通孔底面等高，压紧螺套设置在固定压板的第四通孔内，通过压紧螺套将压板固定在固定压板的第四通孔底部的模型试样上；固定压板的上圆柱体穿过围压加载装置顶盖中心的第二通孔，第二通孔与固定压板的上圆柱体之间设有第三密封圈。

上述固定压板的下圆柱体和活动压板直径均小于筒体的直径，第二通孔位于筒体内壁与固定压板下圆柱体的外壁之间，第二通孔上设有连接管。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）本发明可实现对深长隧道模型的三维加载、水压环境以及开挖卸荷等的模拟，更真实的还原了工程所赋存初始环境，对施工过程的精确模拟，保证了试验的科学性。

（2）通过本发明可获取突水突泥灾害发生时各类围岩及不同工程条件下最小安全隔水岩层厚度。

（3）整体稳定性好、荷载稳定、可精确模拟隧洞开挖、试验方便简洁、周期短。

（4）试验结果可为施工过程中最小安全隔水岩层厚度的制定，建立深长隧道突水突泥灾害风险评估定量化模型提供试验基础和数据支撑。

附图说明

图1为本发明一种模拟突水突泥地质灾害的三维模型试验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一种模拟突水突泥地质灾害的三维模型试验装置，用于获取不同围岩类型、不同地应力水平以及不同水压条件下的突水突泥灾害的最小安全隔水岩层厚度及其概率统计分布。其通过开展大样本模拟隧道开挖模型试验，可获取开挖卸荷条件下隧道突水时最小安全隔水岩层厚度概率统计函数，为施工过程中最小安全隔水岩层厚度的制定、建立深长隧道突水灾害风险评估模型等提供试验基础和数据支撑。

本发明所述的一种模拟突水突泥地质灾害的三维模型试验装置，包括下支撑架、围压加载装置、轴压加载装置、模型试样部件，围压加载装置设置在下支撑架顶部，模型试样部件设置在围压加载装置内，轴压加载装置设置在下支撑架内，轴压加载装置穿过围压加载装置底部与模型试样部件连接。

下支撑架包括底座1和N根立柱3，N≥2，N根立柱3均匀分布在底座1上。

轴压加载装置包括油缸2、力传感器4、位移传感器5和活塞杆6，油缸2底部固定在底座1上，活塞杆6底部伸入油缸2，顶端穿过围压加载装置底面，伸入模型试样部件。力传感器4和位移传感器5均设置在活塞杆6上，且位于油缸2上方。

围压加载装置包括底板7、筒体15和顶盖19，筒体15底面与底板7连接，顶面与顶盖19连接，底板7设有第一圆孔、M个第一通孔，M≥1，第一圆孔位于底板7中心，轴压加载装置的活塞杆6的顶端穿过第一圆孔，第一圆孔与活塞杆6之间设有第一密封圈9。顶盖19设有第二圆孔、P个第二通孔，P≥1，第一圆孔位于底板7中心。

上述筒体15与底板7顶盖19的连接处均设有第二密封圈12。

模型试样部件包括活动压板13、透水板14、乳胶套16、固定压板18、压板21、压紧螺套22和进排水管28；活动压板13上设有一圈环形积水槽，环形积水槽底部设有Q个第三通孔，Q=M，第三通孔通过进排水管28与第二通孔连接，轴压加载装置的活塞杆6的顶端伸入活动压板13底部中心。活动压板13顶部设有透水板14。固定压板18包括上圆柱体和下圆柱体，上圆柱体直径小于下圆柱体直径，固定压板18中心设有第四通孔，第四通孔贯穿上圆柱体和下圆柱体。乳胶套16一端套在活动压板13上，另一端套在固定压板18上。乳胶套16内填满模型试样27，模型试样27顶面与固定压板18的第四通孔底面等高，压紧螺套22设置在固定压板18的第四通孔内，通过压紧螺套22将压板21固定在固定压板18的第四通孔底部的模型试样27上。固定压板18的上圆柱体穿过围压加载装置顶盖19中心的第二通孔，第二通孔与固定压板18的上圆柱体之间设有第三密封圈20。

固定压板18的下圆柱体和活动压板13直径均小于筒体15的直径，第二通孔位于筒体15内壁与固定压板18下圆柱体的外壁之间。第二通孔上设有连接管29。

实施例一

一种模拟突水突泥地质灾害的三维模型试验装置，包括下支撑架、围压加载装置、轴压加载装置、模型试样部件，围压加载装置设置在下支撑架顶部，模型试样部件设置在围压加载装置内，轴压加载装置设置在下支撑架内，轴压加载装置穿过围压加载装置底部与模型试样部件连接。

下支撑架包括底座1和四根立柱3，四根立柱3均匀焊接在底座1上。

轴压加载装置包括油缸2、力传感器4、位移传感器5和活塞杆6，油缸2底部通过螺栓固定在底座1上，活塞杆6底端伸入油缸2，顶端穿过围压加载装置底面，伸入模型试样部件。力传感器4和位移传感器5均设置在活塞杆6上，且位于油缸2上方，用于测量实验过程中模型轴向载荷及轴向位移。

围压加载装置包括底板7、筒体15和顶盖19，筒体15底面与底板7连接，顶面与顶盖19连接，底板7设有第一圆孔、两个第一通孔，第一圆孔位于底板7中心，两个第一通孔对称分布在第一圆孔两侧，轴压加载装置的活塞杆6的顶端穿过第一圆孔，第一圆孔与活塞杆6之间通过第一密封圈9进行密封。顶盖19设有第二圆孔、两个第二通孔，第一圆孔位于底板7中心，两个第二通孔对称分布在第二圆孔两侧。

上述筒体15与底板7顶盖19的连接处均设有第二密封圈12。

模型试样部件包括活动压板13、透水板14、乳胶套16、固定压板18、压板21、压紧螺套22和进排水管28；活动压板13上设有一圈环形积水槽，环形积水槽底部设有两个第三通孔，第三通孔通过进排水管28与第二通孔连接，由进排水管28向环形积水槽储水，轴压加载装置的活塞杆6的顶端伸入活动压板13底部中心。活动压板13顶部设有透水板14，透水板14为钢板。固定压板18包括上圆柱体和下圆柱体，上圆柱体直径小于下圆柱体直径，固定压板18中心设有第四通孔，第四通孔贯穿上圆柱体和下圆柱体。乳胶套16一端套在活动压板13上，另一端套在固定压板18上，通过扎紧胶条17将乳胶套16与活动压板13和固定压板18扎紧，乳胶套16内填满模型试样27，模型试样27顶面与固定压板18的第四通孔底面等高，压紧螺套22设置在固定压板18的第四通孔内，通过压紧螺套22将压板21固定在固定压板18的第四通孔底部的模型试样27上。固定压板18的上圆柱体穿过围压加载装置顶盖19中心的第二通孔，第二通孔与固定压板18的上圆柱体之间通过第三密封圈20密封。

固定压板18的下圆柱体和活动压板13直径均小于筒体15的直径，第二通孔位于筒体15内壁与固定压板18下圆柱体的外壁之间。第二通孔上设有连接管29。

本发明的一种模拟突水突泥地质灾害的三维模型试验装置，工作过程如下：

首先通过轴压加载装置中的油缸2，经力传感器4、活塞杆6、活动压板13和透水板14将荷载传至模型试样27，以施加其所需的轴向压力，模型试样27轴向压力和轴向位移通过力传感器4和位移传感器5实时监测。通过气源或水源经连接管29向围压加载装置所围空腔内充气压或水压，以施加模型试样27所需的围压，压力调节由高精度调压阀控制。模型试样27水压通过水源（汽水交换罐）经进排水管28向活动压板13内的环形积水槽加水以施加模型试样27所需的水压，水压力由高精度调压阀调节控制，从而可精确模拟地下工程中模型初始赋存环境。然后将整个装置由图1所示竖直状态翻转至水平状态，拆卸压紧螺套22以及压板21，从而通过模型试验开挖卸荷装置，可进行模拟地下工程中开挖隧道过程因围岩卸荷诱发如突水突泥等地质灾害现象。

Claims (3)

1.一种模拟突水突泥地质灾害的三维模型试验装置，其特征在于：包括下支撑架、围压加载装置、轴压加载装置、模型试样部件，围压加载装置设置在下支撑架顶部，模型试样部件设置在围压加载装置内，轴压加载装置设置在下支撑架内，轴压加载装置穿过围压加载装置底部与模型试样部件连接；

下支撑架包括底座（1）和N根立柱（3），N≥2，N根立柱（3）均匀分布在底座（1）上；

轴压加载装置包括油缸（2）、力传感器（4）、位移传感器（5）和活塞杆（6），油缸（2）底部固定在底座（1）上，活塞杆（6）底部伸入油缸（2），顶端穿过围压加载装置底面，伸入模型试样部件，力传感器（4）和位移传感器（5）均设置在活塞杆（6）上，且位于油缸（2）上方；

上述围压加载装置包括底板（7）、筒体（15）和顶盖（19），筒体（15）底面与底板（7）连接，顶面与顶盖（19）连接，底板（7）设有第一圆孔、M个第一通孔，M≥1，第一圆孔位于底板（7）中心，轴压加载装置的活塞杆（6）的顶端穿过第一圆孔，第一圆孔与活塞杆（6）之间设有第一密封圈（9），顶盖（19）设有第二圆孔、P个第二通孔，P≥1，第一圆孔位于底板（7）中心；

上述模型试样部件包括活动压板（13）、透水板（14）、乳胶套（16）、固定压板（18）、压板（21）、压紧螺套（22）和进排水管（28）；活动压板（13）上设有一圈环形积水槽，环形积水槽底部设有Q个第三通孔，Q=M，第三通孔通过进排水管（28）与第一通孔连接，轴压加载装置的活塞杆（6）的顶端伸入活动压板（13）底部中心；活动压板（13）顶部设有透水板（14），固定压板（18）包括上圆柱体和下圆柱体，上圆柱体直径小于下圆柱体直径，固定压板（18）中心设有第四通孔，第四通孔贯穿上圆柱体和下圆柱体；乳胶套（16）一端套在活动压板（13）上，另一端套在固定压板（18）上，乳胶套（16）内填满模型试样（27），模型试样（27）顶面与固定压板（18）的第四通孔底面等高，压紧螺套（22）设置在固定压板（18）的第四通孔内，通过压紧螺套（22）将压板（21）固定在固定压板（18）的第四通孔底部的模型试样（27）上；固定压板（18）的上圆柱体穿过围压加载装置顶盖（19）中心的第二圆孔，第二圆孔与固定压板（18）的上圆柱体之间设有第三密封圈（20）。

2.根据权利要求1所述的模拟突水突泥地质灾害的三维模型试验装置，其特征在于：上述筒体（15）与底板（7）顶盖（19）的连接处均设有第二密封圈（12）。

3.根据权利要求1所述的模拟突水突泥地质灾害的三维模型试验装置，其特征在于：上述固定压板（18）的下圆柱体和活动压板（13）直径均小于筒体（15）的直径，第二通孔位于筒体（15）内壁与固定压板（18）下圆柱体的外壁之间，第二通孔上设有连接管（29）。