CN105572319B - 一种水力诱导覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水力条件影响下的覆盖型岩溶塌陷过程机理研究的试验装置，包括水位控制单元、人工降雨模拟单元、试验单元和智能监测单元。其中水位控制单元用于控制试验过程中试验单元的承压水位和潜水位；人工降雨模拟单元利用蠕动泵模拟降雨；试验单元用于覆盖型岩溶塌陷试验；智能监测***用于监测试验单元中覆盖层土体中的水压力、土压力、位移和地表的变形以及土层破坏时的颗粒粒径和浓度。本发明的实验装置适用于复杂地下水边界条件的覆盖型岩溶塌陷形成过程机理研究的试验，具有较好的稳定性，同时简化了实验设备，节约了试验成本。本发明装置能够直观看到覆盖型岩溶塌陷全过程，达到深入探索覆盖型岩溶塌陷机理的目的。

Description

一种水力诱导覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置及使用方法
技术领域
本发明属于地质灾害领域，具体地涉及一种水力诱导覆盖型岩溶塌陷模拟试验***，适用于复杂水力条件诱导下覆盖型岩溶塌陷模拟室内试验。
背景技术
随着经济的增长，人类活动对覆盖型岩溶区的影响不断增强，覆盖型岩溶塌陷问题日趋频繁、严重。塌陷过程非常突然而且迅速，不仅会造成人员伤亡，还会对道路交通工程、水利水电工程、岩土工程造成破坏，并造成岩溶区域水土流失，影响环境，对社会稳定造成严重的影响。因此开展覆盖型岩溶塌陷的形成机理试验研究具有很重大的意义。对于覆盖型岩溶塌陷机理的探索，需要频繁改变实验条件，进行多次重复实验，现有的室内实验环境一旦建成，改变条件困难且周期长、花费大，无法完全满足生产和科研需求，此外室内实验研究的支撑技术是微型高灵敏度传感器及相应的数据自动采集分析***，目前试验模型中瞬态状态信息比较难以捕获，实验可操作性不高，实验过程的可视化存在难题，制约了覆盖型岩溶塌陷室内实验研究工作。
发明内容
发明目的：针对现有的覆盖型岩溶塌陷试验模型的不足之处，本发明开发了一种水力诱导覆盖型岩溶塌陷模拟试验***，可以适用于复杂水流边界条件下覆盖型岩溶塌陷的试验研究，捕获岩溶塌陷过程中的水流、位移、颗粒运移等瞬态信息。
本发明还要解决的技术问题在于提供利用上述试验装置模拟水力诱导覆盖型岩溶塌陷的方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供了一种水力条件影响下的覆盖型岩溶塌陷过程机理研究的试验装置，包括水位控制单元、人工降雨模拟单元、试验单元和智能监测单元组成，其中：
所述水位控制单元用于控制试验过程中试验单元的承压水位和潜水位；
所述的人工降雨模拟单元与所述水位控制单元连接，由所述水位控制单元提供用于模拟人工降雨的供水；
所述试验单元包括潜水层模拟箱和设置于所述潜水层模拟箱下方的承压层水箱，用于覆盖型岩溶塌陷试验，所述潜水层模拟箱的左右两侧分别设置有不锈钢网，两个不锈钢网在潜水层模拟箱的左右两侧分隔成所述分别与所述不锈钢网构成左右水箱用于为潜水层土体均匀供水；
所述智能监测单元包括水压力传感器、土压力传感器、光学传感器、激光位移传感器、土壤水分传感器和数码相机，所述水压力传感器与设置于潜水层模拟箱的后面板上的测孔相连，所述测孔采取中间下部密集，其余部位分散，且沿中心线左右两侧错位布置；所述土压力传感器设置于所述潜水层模拟箱的底板表面；所述光学传感器布置于承压层水箱上端前后两侧中心处，用来监测覆盖层中细颗粒受水力因素影响启动流入承压层水箱的量，为覆盖型岩溶塌陷土洞形成过程提供依据；所述激光位移传感器设置于所述试验单元的上方，用于监测地表沉降；所述土壤水分传感器布置于待测土壤模型的潜水层非饱和带，用于监测土壤含水量，为覆盖型岩溶塌陷最终的土拱失稳提供依据；所述数码相机设置在所述试验单元的正前方，用于拍摄试验过程和结果。
具体地，所述水位控制单元包括水位控制箱、水位升降***和循环水箱，其中，所述的水位控制箱包括承压层水位控制箱、左侧潜水层水位控制箱、右侧潜水层水位控制箱，每个水位控制箱设置有进水管、出水管和回水管，所述承压层水位控制箱的出水管与所述承压层水箱的底部相连通，其进水管和回水管分别与所述循环水箱相连通；所述左侧潜水层水位控制箱和右侧潜水层水位控制箱分别设置于所述潜水层模拟箱的左侧和右侧，两个水位控制箱的出水管分别与所述潜水层模拟箱底端的左右两侧，两个水位控制箱的进水管和回水管分别与所述循环水箱相连；每个水位控制箱分别设置于所述水位升降***的升降平台上，并通过所述水位升降***改变水位控制箱的位置。
优选地，每个水位升降***的升降平台设有均匀升降机构和正弦机构，并由带自锁功能的变频电机驱动，通过变速齿轮再次调速。
进一步优选地，每个水位控制箱内设置有溢流板和消能板，其中，所述溢流板垂直设置于水位控制箱内将水位控制箱分隔为蓄水仓和回水仓，所述消能板水平设置于所述水位控制箱内，其位置高于进水口低于出水口，以利于稳定水头。
所述的潜水层模拟箱和承压层水箱由有机透明玻璃制成，所述承压层水箱的顶部设有承压层水箱顶板，与潜水层模拟箱的底板连接，两部分之间通过止水橡胶垫止水；所述潜水层模拟箱的左右两侧分别设置有不锈钢网并分别与所述不锈钢网构成左右水箱用于为潜水层土体均匀供水；在不锈钢网的底部分别设置有有机玻璃板用于为进入的水头消能，防止进水口水流直接与土体接触；在潜水层模拟箱的底板中间位置开有一空洞，并配有四个滑动槽，所述滑动槽用于设置岩溶裂隙模拟板，通过设置于裂隙岩溶模拟板侧边的左右裂隙隙宽控制片调整岩溶裂隙的隙宽。
所述的人工降雨模拟单元包括依次连接的蠕动泵和人工降雨水箱，所述蠕动泵与人工降雨水箱进水口相连，所述人工降雨水箱的底部设置有若干输液针用于出水，所述人工降雨模拟单元利用蠕动泵控制降雨强度。
所述试验单元设置在光线封闭的空间中，还包括照明灯和白色背景帷幕；所述照明灯设置在所述光线封闭的空间中用于提供光源所述白色背景帷幕设置在所述试验单元的正后方，用于减少数码相机的拍照色差。
所述水压力传感器采用输出4～20mA制式传感器，与250欧姆精密电阻以及24V直流电源串联，高频记录仪与250欧姆精密电阻并联，采集压力信号。
本发明同时提出了利用上述试验装置模拟水力诱导覆盖型岩溶塌陷的方法，包括如下步骤：
(1)在潜水层模拟箱内内底板上平铺土压力传感器，根据试验要求调整裂隙隙宽控制片，并将裂隙岩溶模拟板固定；
(2)将承压层水箱与潜水层模拟箱对接，并用螺丝固定，将承压层水箱中充水至潜水层模拟箱底板位置，同时在承压层水箱上部固定光学传感器；
(3)制备土样，并用喷雾器喷雾，使得土质含有一定水分；
(4)用泥团盖住底板中间位置处开设的空洞，泥团不可堵塞中间裂隙，以免增加水力渗透路径实验效果，将制备的土样平铺于潜水层模拟箱内，压实，并在土层上靠前侧有机玻璃边缘处设置彩色细砂，作为数字成像***的标记线；
(5)重复步骤(4)直至形成土层结构，在土层压实过程中，埋入土壤水分传感器；
(6)打开承压水位控制箱，并通过阀门调整，使得水管中的水流缓慢流入承压层水箱，以防止土层中出现气爆现象，采用“热水饱和法”进行饱和，即在供水箱内贮存热水，使承压水位控制箱中水位略高于试样底面位置，再缓慢的提升水箱，每次提升1～2cm，待水箱中水位与试样中水位相等，稍等若干分钟后再次提升水箱，随着供水水箱上升，试样缓慢饱和，并排除试样中的空气，与此同时，当测孔有水析出时，接通连接水压力传感器的软管，要求软管接通前内部充满水排除气泡，软管两端略高于导管口，降低一端接通导管，确保导管与软管间无气泡，在另一端用注射器注水，排除空气，连接水压力传感器，注意排除传感器部分的空气；
(7)静置，调整左右潜水层水位控制箱以及承压水位控制箱至初始位置，待所有传感器中的数值稳定，形成初始状态渗流场；
(8)将激光位移传感器仪置于试验模型单元上方，打开所有监控设备，按照试验要求改变水力条件进行试验。
其中，步骤(4)中，通过如下步骤制备土样：
(1)将土样烘干，并锤击成颗粒状；
(2)按照试验要求中土的干密度，计算孔隙率，计算特定土层厚度所需土量：
md＝ρdAΔh
其中md-土样质量，
ρd-土样干密度，
A-潜水层模拟箱内表面积，
Δh-土样厚度。
有益效果：与现有技术相比，本发明的试验***对覆盖型岩溶塌陷进行模拟，对破坏过程中的渗流场、位移场信息、颗粒运移信息进行全自动实时采集。本发明适用于复杂地下水边界条件的覆盖型岩溶塌陷形成过程机理研究的试验，具有较好的稳定性，同时简化了实验设备，节约了试验成本。同时，本发明装置能够直观看到覆盖型岩溶塌陷全过程，达到深入探索覆盖型岩溶塌陷机理的目的
附图说明
图1是根据覆盖型岩溶塌陷过程的模拟装置的整体结构示意图；
图2是根据本实施例的试验模型单元结构示意图；
图3是根据本实施例的试验模型单元连接部示意图；
图4是根据本实施例的试验模型单元岩溶裂隙模拟板块示意图；
图5是根据本发明实施例水位控制单元的水位控制箱的示意图；
图6是根据本发明实施例水位控制单元的的升降***示意图；
图7是根据本发明实施例升降***中正弦机构示意图；
图8是根据本实施例智能监测单元示意图；
图9是根据本实施例水压力监测支架俯视图；
图10是根据本实施例水压力监测支架前视图；
图11是根据本实施例水压力监测***连接示意图；
图12是根据本实施例数字成像***示意图；
图13是根据本实施例人工降雨模拟器示意图；
图14是根据本实施例水压力传感器、土壤水分传感器布置示意图。
附图标记说明：1-循环水箱，2-试验模型箱，3-1、3-2-抽水泵，4a承压层水位控制箱，4b-左侧潜水层水位控制箱，4c-右侧潜水层水位控制箱，5a-承压水位升降***，5b-左侧潜水层水位升降平台，5c-右侧潜水层水位升降平台，6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6-阀门，7-智能监测单元，8-人工降雨模拟器；2-1为承压层水箱，2-2为潜水层模拟箱，2-3-1为左侧潜水箱，2-3-2为右侧潜水箱，2-4-1为左侧不锈钢网，2-4-2为右侧不锈钢网，2-5为连接部止水橡胶垫，2-6为潜水层模拟箱底板，2-7为承压层水箱顶板，2-8为裂隙隙宽控制片，2-9为裂隙岩溶模拟板，2-10为裂隙岩溶模拟板固定螺丝，2-11为裂隙岩溶模拟板滑槽，2-12-1、2-12-2为消能有机玻璃；2-13为螺孔；4-1出水管，4-2进水管，4-3回水管，4-4回水仓，4-5蓄水仓，4-6溢流板，4-7消能板；5-1槽钢支架，5-2正弦机构，5-3变频电机，5-4变速箱，5-5齿轮，5-6匀速升降机构，5-7链条，5-8-1、5-8-2、5-8-3、5-8-4、5-8-5、5-8-6稳定滑轮，5-9-1、5-9-2钢绳，5-10-1、5-10-2正弦机构稳固圈，5-11动滑轮，5-12升降平台，5-13带轴承钢架；5-2-1驱动齿轮，5-2-2连杆，5-2-3滑动块，5-2-4机架；7-1计算机，7-2高端单反数码相机，7-2-1聚光灯，7-2-2深色帷幕，7-2-3白色帷幕，7-3-1、7-3-2高频记录仪，7-4-1、7-4-2直流电源24V，7-5土壤水分传感器，7-6水压力传感器，7-6-1支架，7-6-2水平仪，7-6-3内丝宝塔嘴，7-6-4精密电阻250Ω，7-6-5调节脚，7-7薄膜压力传感器，7-8激光位移传感器，7-9光学传感器，7-10多点薄膜压力测试***，7-11激光位移传感器支架；8-1人工降雨水箱，8-2输液针，8-3人工降雨水箱进水口，8-4蠕动泵；9-1水压力测孔，9-2土壤水分传感器测孔。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做详细说明。
本发明提供了一种水力诱导覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置包括水位控制单元、人工降雨模拟单元、试验单元和智能监测单元。其中，水位控制单元用于控制试验过程中试验单元的承压水位和潜水位，如图1所示，水位控制单元包括承压层水位控制箱4a、左侧潜水层水位控制箱4b、右侧潜水层水位控制箱4c、承压水位升降***5a、左侧潜水层水位升降平台5b和右侧潜水层水位升降平台5c，每个水位控制箱设置有进水管4-2、出水管4-1和回水管4-3(如图5所示)。承压层水位控制箱4a的出水管与承压层水箱2-1的底部相连通，其进水管和回水管分别与循环水箱1相连通；左侧潜水层水位控制箱4b和右侧潜水层水位控制箱4c分别设置于潜水层模拟箱2-2的左侧和右侧，两个水位控制箱的出水管分别位于潜水层模拟箱2-2底端的左右两侧，两个水位控制箱的进水管和回水管分别所述循环水箱相连。每个水位控制箱分别设置于所述水位升降***的升降平台上，并通过该水位升降***改变水位控制箱的位置。
具体来讲，如图5所示，水位控制箱包括出水管4-1、进水管4-2、回水管4-3、回水仓4-4、蓄水仓4-5、溢流板4-6、消能板4-7；溢流板垂直设置于水位控制箱内将水位控制箱分隔为蓄水仓和回水仓，并控制稳定水位，当蓄水仓中的水位高于溢流板时，溢流进回水仓，并通过回水管4-3回流至循环水箱；进水管4-2通过软管连接抽水泵(图1中3-1和3-2)并连接循环水箱1为水箱供水，消能板4-7水平设置于水位控制箱内位置高于进水管口4-2，低于出水管口4-1，为水流消减能量，进水管4-2连接模型为其提供水源，***运行时，进水管流量需大于出水管流量并有溢流时才能提供所需水头。
水位升降***用于改变水位控制箱位置的装置，每个水位升降***的升降平台5-12设有均匀升降机构和正弦机构，并由带自锁功能的变频电机驱动，通过变速齿轮再次调速。具体如图6所示，水位升降***整体结构由槽钢支架5-1支撑，顶部安装有变频电机5-3、变速箱5-4、齿轮5-5、匀速升降机构5-6，其中变频电机带自锁功能，利用交流接触器实现正转和反转，匀速升降机构亦含齿轮构造，直接可由变速箱驱动。正弦机构5-2是含有两个移动副的平面四连杆机构。设置于槽钢支架上部，其驱动齿轮5-2-1固定于带轴承钢架5-13上，围绕轴承旋转，连杆5-2-2一端固定于齿轮上，另一端与滑动块5-2-3相连，随齿轮等角速度运动。机架5-2-4通过稳定滑轮5-8-1、5-8-2和正弦机构稳固圈5-10-1、5-10-2保持位置在槽钢支架平面内，滑动块5-2-3在机架5-2-4槽钢中自由滑动，从而驱动整个机架做正弦运动，其驱动方式是利用链条5-7链接齿轮5-5由变频电机驱动。连杆5-2-2的有效长度可调整。因此机架相对于齿轮圆心的位置为
h＝r cos wt
其中h-机架槽钢相对于齿轮圆心的位置，
w-齿轮角速度，
r-连杆有效长度
t-时间(假设初始时刻连杆位于最下方)
升降平台5-12通过稳定滑轮5-8-3、5-8-4、5-8-5、5-8-6在槽钢支架5-1内自由升降。正弦机构和匀速升降机构通过钢绳5-9-1和钢绳5-9-2连接升降平台上的动滑轮5-11使得平台上下移动。
如图2～3所示，试验单元包括潜水层模拟箱2-2和设置于潜水层模拟箱2-2下方的承压层水箱2-1，用于覆盖型岩溶塌陷试验，潜水层模拟箱2-2的左右两侧分别设置有不锈钢网2-4，两个不锈钢网2-4在潜水层模拟箱2-2的左右两侧分别与不锈钢网2-4构成左右潜水箱2-3-1和2-3-2用于为潜水层土体均匀供水。潜水层模拟箱2-2和设置于潜水层模拟箱2-2主要制成材料为3cm厚有机玻璃板，其主要构造如图2所示。承压层水箱2-1设有承压层水箱顶板2-7，与潜水层模拟箱底板2-6连接，两部分之间通过止水橡胶垫2-5止水。2-12-1和2-12-2为消能有机玻璃板，为进入的水头消能，防止进水口水流直接与土体接触。在潜水层模拟箱底板中间位置开有一孔，并配有四个裂隙岩溶模拟板滑槽2-11，岩溶裂隙模拟板2-9上装有固定螺丝，***裂隙岩溶模拟板滑槽2-11中，通过左右裂隙隙宽控制片2-8可以调整岩溶裂隙的隙宽。
本发明试验***的监测项目包括了水压监测、土压力监测、土壤含水量监测、位移监测和颗粒含量监测。如图8所示，智能监测单元包括水压力传感器、土压力传感器、光学传感器、激光位移传感器、土壤水分传感器和数码相机，其中，水压力传感器与设置于潜水层模拟箱的后面板上的测孔相连；如图14所示水压力测孔采取中间下部密集，其余部位分散，且沿中心线左右两侧错位布置；土压力传感器设置于潜水层模拟箱的底板表面；光学传感器布置于承压层水箱上端前后两侧中心处，用来监测覆盖层中细颗粒受水力因素影响启动流入承压层水箱的量，为覆盖型岩溶塌陷土洞形成过程提供依据；激光位移传感器设置于试验单元的上方，用于监测地表沉降；土壤水分传感器布置于待测土壤模型的潜水层非饱和带，用于监测土壤含水量，为覆盖型岩溶塌陷最终的土拱失稳提供依据；数码相机设置在所述试验单元的正前方，用于拍摄试验过程和结果。
具体地，水压监测是监测布置在潜水层模拟箱2-2后面板上测孔处水压力，如图11所示为水压力监测***连接示意图，水压力传感器7-6采用输出4-20mA制式传感器，采用24V直流电源供电，与250Ω精密电阻7-6-4串联，高频记录仪7-3与250Ω精密电阻并联，采集电阻的压力信号，其中高频记录仪自带内存，可储存大量监测数据，并可以通过RS485接口直接与计算机通信。
水压力传感器监测的是测孔处的压力，如图9～10所示，本发明试验***为了统一压力传感器的参考平面以及避免有机玻璃上钻孔过大造成大变形，将水压力传感器安置在传感器支架7-6-1内，水压力传感器7-6的头部加装内丝宝塔嘴7-6-3，通过橡胶软管与潜水层模拟箱2-2后面板测孔相连。在支架7-6-1中间位置设置水平仪7-6-2，通过调整支架调整脚7-6-5使得水平仪7-6-2保持中心位置。土压力传感器主要监测潜水层模拟箱2-2底板2-6上方潜水层土压力的变化，本发明试验***采用4测点/cm2薄膜压力传感器。薄膜压力传感器7-7平铺于潜水层模拟板底板2-6上与多点薄膜压力测试***7-10连接，计算机7-1通过运行采集控制软件读取信号。
土壤水分传感器布置于潜水层非饱和带，监测土壤含水量，为覆盖型岩溶塌陷最终的土拱失稳提供依据。本发明试验***采用4-20mA制式土壤水分传感器，其连接方式与水压力传感器相同。土壤水分传感器7-5直接***土体非饱和带中。
光学传感器7-9布置于承压层水箱上端前后两侧中心处，用来监测覆盖层中细颗粒受水力因素影响启动流入承压层水箱的量，为覆盖型岩溶塌陷土洞形成过程提供依据。
如图12所示，在本实验中，数字成像***使用高端单反数码相机7-2和两组聚光灯7-2-1，设置在所述试验模型单元2的正前方，并配多个节能灯(实验室配置)，用于拍摄试验过程中位移状态，调整光照明暗与角度，使所拍覆盖层区域光照均匀。并封闭实验室的门和窗户，在相机后侧安置深色帷幕7-2-2，在试验模型单元2的正后方设置白色背景帷幕7-2-3作为拍摄环境背景色，减少或避免外界环境变化引起的拍照色差的变化。采用高端单反数码相机每2s采集一次试验照片，确保全程岩溶塌陷过程。所捕获图片经过程序计算得到覆盖层土***移。
本发明试验***中还包含5只激光位移传感器仪7-8安装于激光位移传感器支架7-11上，并置于试验模型单元上方，用于监测地表沉降。
在岩溶区，暴雨亦会诱发岩溶塌陷，因此需要模拟人工降雨。如图13所示为本发明试验***人工降雨模拟***。人工降雨模拟单元包括依次连接的蠕动泵8-4和人工降雨水箱8-1，蠕动泵与人工降雨水箱进水口8-3相连，人工降雨水箱的底部设置有若干输液针8-2用于出水，模拟***由蠕动泵8-4供水，人工降雨模拟单元利用蠕动泵控制降雨强度。人工降雨模拟单元与水位控制单元连接，由水位控制单元提供用于模拟人工降雨的供水。
本发明试验***适用于复杂水力条件诱导下覆盖型岩溶塌陷模拟室内试验，其试验方法包括如下步骤：
(1)试验之前清理试验模型单元，保持有机玻璃内外表面的清洁；
(2)在潜水层模拟箱内内底板上平铺土压力传感器(即薄膜压力传感器)，根据试验要求调整裂隙隙宽控制片2-8，并用裂隙岩溶模拟板固定螺丝2-10将裂隙岩溶模拟板2-9固定(如图4所示)；
(3)将承压层水箱与潜水层模拟箱对接，并用螺丝固定。将承压层中充水至潜水层模拟箱底板位置，同时在承压层水箱上部固定光学传感器；
(4)将土样烘干，并锤击成颗粒状；
(5)按照试验要求中土的干密度，计算孔隙率，计算3cm土层厚度所需土量；
md＝ρd AΔh
其中md-土样质量，
ρd-土样干密度，
A-潜水层模拟箱内表面积，
Δh-土样厚度。
(6)按照计算，将土称重，并用喷雾器喷雾，使得土质含有一定水分
(7)用泥团盖住中间孔洞，泥团不可堵塞中间裂隙，以免增加水力渗透路径实验效果。将称重后的土平铺于试验模型单元内，压实至3cm厚度，并在土层上靠前侧有机玻璃边缘处设置一道0.5cm宽，0.2cm厚度的彩色细砂，作为数字成像***的标记线。
(8)重复(4)～(7)直至形成土层结构，在土层压实过程中，注意埋入土壤水分传感器。
(9)打开承压水位控制箱，并通过阀门调整，使得水管中的水流缓慢流入承压层水箱，以防止土层中出现气爆现象。采用“热水饱和法”进行饱和，即在供水箱内贮存热水，使承压水位控制箱中水位略高于试样底面位置，再缓慢的提升水箱，每次提升1-2cm，待水箱中水位与试样中水位相等，稍等几分钟再次提升水箱。随着供水水箱上升，试样缓慢饱和，并排除试样中的空气。与此同时，当测孔有水析出时，接通连接水压力传感器的软管。要求软管接通前内部充满水排除气泡，软管两端略高于导管口，降低一端接通导管，确保导管与软管间无气泡，在另一端用注射器注水，排除空气，连接水压力传感器，注意排除传感器部分的空气。
(10)静置，调整左右潜水层水位控制箱以及承压水位控制箱至初始位置，待所有传感器(水压力传感器、土压力传感器、光学传感器、激光位移传感器、土壤水分传感器)中的数值稳定，形成初始状态渗流场。
(11)打开所有监控设备。
(12)按照试验要求改变水力条件进行试验。

Claims (9)

1.一种水力诱导覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置，其特征在于，包括水位控制单元、人工降雨模拟单元、试验单元和智能监测单元，其中：
所述水位控制单元用于控制试验过程中试验单元的承压水位和潜水位；
所述的人工降雨模拟单元与所述水位控制单元连接，由所述水位控制单元提供用于模拟人工降雨的供水；
所述试验单元包括潜水层模拟箱和设置于所述潜水层模拟箱下方的承压层水箱，用于覆盖型岩溶塌陷试验，所述潜水层模拟箱的左右两侧分别设置有不锈钢网，每个不锈钢网与潜水层模拟箱的左右两侧分别构成左右水箱用于为潜水层土体均匀供水；
所述智能监测单元包括水压力传感器、土压力传感器、光学传感器、激光位移传感器、土壤水分传感器和数码相机，所述水压力传感器与设置于潜水层模拟箱的后面板上的测孔相连，所述测孔采取中间下部密集，其余部位分散，且沿中心线左右两侧错位布置；所述土压力传感器设置于所述潜水层模拟箱的底板表面；所述光学传感器布置于承压层水箱上端前后两侧中心处，用来监测覆盖层中细颗粒受水力因素影响启动流入承压层水箱的量，为覆盖型岩溶塌陷土洞形成过程提供依据；所述激光位移传感器设置于所述试验单元的上方，用于监测地表沉降；所述土壤水分传感器布置于待测土壤模型的潜水层非饱和带，用于监测土壤含水量，为覆盖型岩溶塌陷最终的土拱失稳提供依据；所述数码相机设置在所述试验单元的正前方，用于拍摄试验过程和结果；
其中，所述的潜水层模拟箱和承压层水箱由有机透明玻璃制成，所述承压层水箱的顶部设有承压层水箱顶板，与潜水层模拟箱的底板连接，两部分之间通过止水橡胶垫止水；所述潜水层模拟箱的左右两侧分别设置有不锈钢网并分别与所述不锈钢网构成左右水箱用于为潜水层土体均匀供水；在不锈钢网的底部分别设置有有机玻璃板用于为进入的水头消能，防止进水口水流直接与土体接触；在潜水层模拟箱的底板中间位置开有一空洞，并配有四个滑动槽，所述滑动槽用于设置岩溶裂隙模拟板，通过设置于裂隙岩溶模拟板侧边的左右裂隙隙宽控制片调整岩溶裂隙的隙宽。
2.根据权利要求1所述的水力诱导覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置，其特征在于，所述水位控制单元包括水位控制箱、水位升降***和循环水箱，其中，所述的水位控制箱包括承压层水位控制箱、左侧潜水层水位控制箱、右侧潜水层水 位控制箱，每个水位控制箱设置有进水管、出水管和回水管，所述承压层水位控制箱的出水管与所述承压层水箱的底部相连通，其进水管和回水管分别与所述循环水箱相连通；所述左侧潜水层水位控制箱和右侧潜水层水位控制箱分别设置于所述潜水层模拟箱的左侧和右侧，两个水位控制箱的出水管分别位于所述潜水层模拟箱底端的左右两侧，两个水位控制箱的进水管和回水管分别与所述循环水箱相连；每个水位控制箱分别设置于所述水位升降***的升降平台上，并通过所述水位升降***改变水位控制箱的位置。
3.根据权利要求2所述的水力诱导覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置，其特征在于，每个水位升降***的升降平台设有均匀升降机构和正弦机构，并由带自锁功能的变频电机驱动，通过变速齿轮再次调速。
4.根据权利要求2所述的水力诱导覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置，其特征在于，每个水位控制箱内设置有溢流板和消能板，其中，所述溢流板垂直设置于水位控制箱内将水位控制箱分隔为蓄水仓和回水仓，所述消能板水平设置于所述水位控制箱内，其位置高于进水口低于出水口，以利于稳定水头。
5.根据权利要求1所述的水力诱导覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置，其特征在于，所述的人工降雨模拟单元包括依次连接的蠕动泵和人工降雨水箱，所述蠕动泵与人工降雨水箱进水口相连，所述人工降雨水箱的底部设置有若干输液针用于出水，所述人工降雨模拟单元利用蠕动泵控制降雨强度。
6.根据权利要求1所述的水力诱导覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置，其特征在于，所述试验单元设置在光线封闭的空间中，还包括照明灯和白色背景帷幕；所述照明灯设置在所述光线封闭的空间中用于提供光源，所述白色背景帷幕设置在所述试验单元的正后方，用于减少数码相机的拍照色差。
7.根据权利要求1所述的水力诱导覆盖型岩溶塌陷模拟试验装置，其特征在于，所述水压力传感器采用输出4～20mA制式传感器，与250欧姆精密电阻以及24V直流电源串联，高频记录仪与250欧姆精密电阻并联，采集压力信号。
8.一种利用权利要求1～7任一项所述的试验装置模拟水力诱导覆盖型岩溶塌陷的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在潜水层模拟箱内底板上平铺土压力传感器，根据试验要求调整裂隙隙宽控制片，并将裂隙岩溶模拟板固定；
(2)将承压层水箱与潜水层模拟箱对接，并用螺丝固定，将承压层水箱中充水 至潜水层模拟箱底板位置，同时在承压层水箱上部固定光学传感器；
(3)制备土样，并用喷雾器喷雾，使得土质含有一定水分；
(4)用泥团盖住底板中间位置处开设的空洞，泥团不可堵塞中间裂隙，以免增加水力渗透路径实验效果，将制备的土样平铺于潜水层模拟箱内，压实，并在土层上靠前侧有机玻璃边缘处设置彩色细砂，作为数字成像***的标记线；
(5)重复步骤(4)直至形成土层结构，在土层压实过程中，埋入土壤水分传感器；
(6)打开承压水位控制箱，并通过阀门调整，使得水管中的水流缓慢流入承压层水箱，以防止土层中出现气爆现象，采用“热水饱和法”进行饱和，即在供水箱内贮存热水，使承压水位控制箱中水位略高于试样底面位置，再缓慢的提升水箱，每次提升1～2cm，待水箱中水位与试样中水位相等，稍等几分钟再次提升水箱，随着供水水箱上升，试样缓慢饱和，并排除试样中的空气，与此同时，当水压力测孔有水析出时，接通连接水压力传感器的软管，要求软管接通前内部充满水排除气泡，软管两端略高于导管口，降低一端接通导管，确保导管与软管间无气泡，在另一端用注射器注水，排除空气，连接水压力传感器，注意排除水压力传感器部分的空气；
(7)静置，调整左潜水层水位控制箱、右潜水层水位控制箱以及承压水位控制箱至初始位置，待所有传感器中的数值稳定，形成初始状态渗流场；
(8)将激光位移传感器仪置于试验模型单元上方，打开所有监控设备，按照试验要求改变水力条件进行试验。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，通过如下步骤制备土样：
(1)将土样烘干，并锤击成颗粒状；
(2)按照试验要求中土的干密度，计算孔隙率，计算特定土层厚度所需土量：
md＝ρdAΔh
其中md-土样质量，
ρd-土样干密度，
A-潜水层模拟箱内表面积，
Δh-土样厚度。
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