CN105810075A - 抽水触发岩溶塌陷过程实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水文地质学领域，具体为抽水触发岩溶塌陷过程实验装置，岩溶塌陷模拟箱内有模拟灰岩，模拟灰岩中间有模拟岩溶洞隙，模拟岩溶洞隙中有U型测压管设置点，模拟灰岩上面覆盖有弱透水盖层；岩溶塌陷模拟箱上方设置有盖层变形监测装置；岩溶塌陷模拟箱的两侧还有定水头溢流箱，定水头溢流箱包括进水箱和排水箱，进水箱分别与储水箱内的水泵、岩溶塌陷模拟箱底部连接；排水箱分别与储水箱和量筒连接；岩溶塌陷模拟箱底部还通过排水阀与储水箱连接；定水头溢流箱安装在升降***上。该实验装置模拟野外岩溶塌陷，研究地下水位升降下，溶隙中水‑气压力变化触发岩溶塌陷的机理和过程，用于定量研究岩溶塌陷过程中水‑气压力致塌因素。

Description

抽水触发岩溶塌陷过程实验装置
技术领域
本发明涉及水文地质学领域，具体为抽水触发岩溶塌陷过程实验装置。
背景技术
岩溶塌陷是指在岩溶发育地区，岩溶洞隙上方的岩土体在自然或人为因素作用下引起变形破坏，并在地面形成塌陷坑(洞)的一种岩溶动力地质作用与现象。我国是世界上岩溶塌陷发育最广泛、受害严重的国家之一，岩溶塌陷区面积多达340多万平方公里，全国23个省(市、自治区)均有岩溶塌陷发育。岩溶塌陷给城市建设、交通运输、矿山开采、农田水利、生态环境及人民生活等都带来了严重的危害。
岩溶塌陷的形成必须满足以下三个条件：(1)具有开口向上的岩溶洞隙，为覆盖层的塌陷提供储存空间，并增强松散孔隙水与岩溶裂隙水之间的水力联系；(2)有一定厚度的覆盖层，覆盖层的物质结构和厚度对塌陷发生的时间和规模等具有一定影响；(3)具有强烈的水动力条件，包括水位的升降及流速、流量、水力梯度的变化等。三个条件缺一不可，因此，在进行岩溶塌陷的物理模拟时，必须同时满足以上三个条件。
对岩溶塌陷的致塌机理的研究，国内外已经开展了理论、数值分析及物理模型试验研究工作。主要对岩溶地区塌陷的影响因素、形成条件、盖层稳定性等进行了***研究，并提出了多种塌陷模式，其中以潜蚀、真空吸蚀、气爆等为主要的塌陷机理代表。岩溶塌陷与溶洞(土洞)中的地下水位变化、大气降雨及地表水体倒灌等密切相关，已有研究成果显示，岩溶裂隙管道***中水(气)压力的变化导致溶腔上覆岩土体垂直渗透效应的变化是抽水致塌的根本原因。对于上覆弱透水盖层来说，地下水位升降可导致包气带中的气压变化(出现真空负压或正压)，气压的变化对覆盖层产生一个作用力，改变其受力条件，同时气压的变化过程反作用于地下水位的升降过程，影响地下水位升降的速率及升降幅度，在这个过程中，水气相互作用强烈。因而，进一步研究溶蚀管道中水(气)压力的变化过程、水(气)压力的变化与覆盖层渗透变形破坏耦合致塌过程及机理具有重要的意义。
由于岩溶塌陷成因机制复杂，影响因素众多，其发生在空间上具隐蔽性，在时间上具突发性，给岩溶塌陷的现场预测预报工作带来了相当的困难。如果采用计算机模拟作为研究手段，不能较好的模拟溶隙中空气压力随时间演化的全过程，无法量测和捕捉重要的试验现象和水文地质信息，数值计算结果人为性较强，对于准确的模拟抽水触发岩溶塌陷的过程具有一定难度。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是为了提供一种结构合理，并能直观的研究抽水导致溶隙中水-气压力变化触发岩溶塌陷的过程规律，进行相关试验及参数测定的试样装置。
本发明的目的是这样来实现的：
抽水触发岩溶塌陷过程实验装置，包括岩溶塌陷模拟箱、储水箱，岩溶塌陷模拟箱内有模拟灰岩，模拟灰岩中间有模拟岩溶洞隙，模拟岩溶洞隙中有U型测压管设置点用于安装有机玻璃U型管，模拟灰岩上面覆盖有弱透水盖层；岩溶塌陷模拟箱上方设置有盖层变形监测装置；岩溶塌陷模拟箱的两侧还有定水头溢流箱，定水头溢流箱包括进水箱和排水箱，进水箱分别与储水箱内的水泵、岩溶塌陷模拟箱底部连接；排水箱分别与储水箱和量筒连接；岩溶塌陷模拟箱底部还通过排水阀与储水箱连接；定水头溢流箱安装在升降***上。
本发明提供的抽水触发岩溶塌陷过程实验装置，同时兼顾了空气流对注、排水过程的影响，将为岩溶塌陷物理试验模拟研究提供直接的实验数据。通过对试验数据深入分析，结合本学科相关理论，揭示岩溶塌陷过程中水-气压力变化的动力学规律，探究地下水变动过程对溶隙中空气压力的变化规律，水-气作用对岩溶塌陷过程机理等的影响。
本发明提供的抽水触发岩溶塌陷过程实验装置，根据相似模拟的原理，以野外岩溶塌陷实例作为模拟对象，研究地下水位升降下，溶隙中水-气压力变化触发岩溶塌陷的机理和过程，这对定量研究岩溶塌陷过程中水-气压力致塌因素的作用提供了一种有效的技术手段，对于岩溶塌陷学术研究的发展具有一定的推动作用。本发明可适用于岩溶塌陷的预测预报工作，对做好防灾减灾具有一定的现实意义。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，抽水触发岩溶塌陷过程实验装置，包括岩溶塌陷模拟箱、储水箱8，岩溶塌陷模拟箱内有模拟灰岩2，模拟灰岩2中间有模拟岩溶洞隙4，模拟岩溶洞隙4中有U型测压管设置点3用于安装有机玻璃U型管，模拟灰岩2上面覆盖有弱透水盖层1；岩溶塌陷模拟箱上方设置有盖层变形监测装置6；岩溶塌陷模拟箱的两侧还有定水头溢流箱5，定水头溢流箱5包括进水箱和排水箱，进水箱分别与储水箱8内的水泵9、岩溶塌陷模拟箱底部连接；排水箱分别与储水箱8和量筒11连接；岩溶塌陷模拟箱底部还通过排水阀10与储水箱8连接；定水头溢流箱5安装在升降***7上。
该抽水触发岩溶塌陷过程实验装置，根据相似原理，将自然界中的岩溶塌陷的实例按照一定比例缩小制作成岩溶塌陷物理试验模型，采用砂槽模拟技术来模拟岩溶塌陷过程中水-气相互驱动过程。为了使模型与原型各物理量成一定的比例关系，本实施例遵从以下4个条件：①几何相似；模型的长度因次物理量与原型应具备如下相似关系，设x*为相似常数，x*＝xp/xm，即为原型(p)与模型(m)的相似比n，本本实施例的长度(l)、宽度(w)、含水层厚度(H)、及水头值(hn)符合关系式：l*＝w*＝H*＝hn*＝n,②动力相似；在地下水位升降过程中，岩溶洞隙中的气压将发生变化(出现正负压)，应使地质原型的地下水升降幅度(Δh)与模型符合相似关系，即Δh*＝n，③运动相似，在地下水位升降过程中，应使地质原型的地下水升降速率(V)与模型符合相似关系，即④边界条件相似。
其中，在岩溶洞隙中，当地下水位下降或上升时，由于上覆弱透水盖层不能及时与外部大气保持连通，在溶隙中出现气压变化，即正压或负压出现，根据几何相似，岩溶塌陷模拟箱为矩形砂槽长1m，宽0.5m，高1m，矩形砂槽中设置有一块与槽底平行的有机玻璃板，板长1m，宽0.5m，厚15mm，板的中部有一直径为10cm的圆孔。矩形砂槽材料为厚10mm透明有机玻璃材料制作，为满足装置的刚度及强度，有机玻璃均用宽50mm的角钢包边。
为了便于观测试验现象，在岩溶塌陷模拟箱侧面设置有一排的有机玻璃U型管，U型管内盛有密度为0.9g/cm3的酒***混合物，并添加显色剂以便肉眼观测岩溶塌陷模拟箱内的气压变化。
岩溶塌陷模拟箱内的有机玻璃板用于模拟可溶岩即模拟灰岩2；有机玻璃板之间的空间用于模拟岩溶洞隙4，而平行于底板的有机玻璃板上的圆孔用以模拟开口向上的岩溶洞隙；弱透水盖层1的覆盖土层选用透水性较差的粘性土，以达到气压变化影响岩溶塌陷的目的。
岩溶塌陷模拟箱的一侧，同一断面上等间距设置5个测压管。测压管下端穿透岩溶塌陷模拟箱一侧的有机玻璃与模拟岩溶洞隙4接通，上端与大气相通。测压管用于观测地下水位升降过程中岩溶洞隙内的气压变化。
在模拟开口向上圆孔的正上方，设置一个多点激光位移计，用以观测弱透水盖层1即覆盖层的位移变形情况。该位移计灵敏度高，可以准确观测记录覆盖层的微小变形情况。
采用定水头溢流箱5来控制地表水体的水位，定水头溢流箱5中设置了有机玻璃板，将溢流箱分成进水箱和排水箱，进水箱下端其中一个开口与储水箱8内的水泵9通过软管相连，另外一个开口与模拟岩溶洞隙4的注水井通过软管相接。排水箱下端的开口通过软管直接进入储水箱8，定水头溢流箱5固定于带有螺纹和摇柄的升降***7。摇柄逆时针旋转时，定水头溢流箱5逐渐降低，从而实现地表水位下降。反之定水头溢流箱5逐渐升高，地表水位上升，从而实现注水使地下水位上升。
储水箱8位于岩溶塌陷模拟箱正下方，尺寸：1m×0.5m×0.3m。厚10mm的PVC材料制作，用宽50mm的角钢包边。储水箱8内有恒流量的水泵9，用于试验给水。
流量测定***包括量筒和秒表等组成，采用体积法测流。
该实验装置，通过改变可以观测到：注排水前U型管内液面相平，洞隙内气压与外界气压相同；注水后，地表水位上升，地下水位升高，模拟岩溶洞隙4内的气压不能及时与大气保持相通，气压瞬时增大。排水后，地下水位降低，模拟岩溶洞隙4内的气压不能及时与大气保持相通，气压瞬时减少，出现真空。根据稳定后的U型管水头差可测定模拟岩溶洞隙4内中的气压，并可确定其气压变化规律。
该实验装置工作时：
①下水位上升：先将岩溶塌陷模拟箱两端的定水头溢流箱5通过升降装置7降到最低位置，且使两侧定水头溢流箱5处于同一高程，接通电源水泵9抽水，待定水头溢流箱5开始溢水后，关闭水泵9电源，多余的水排出后，关闭定水头溢流箱5底部与水泵9连接的出水管上的进水阀，这时岩溶塌陷模拟箱一侧的测压管水头值都处于同一水平面上，所有U型测压管内液面相平，表示潜水面以上与大气保持良好的连通性。将两侧定水头溢流箱5升高至某一高程(该高程应小于任意U型测压管节点高程)，打开水泵9，打开定水头溢流箱5底部与水泵9连接的出水管上的进水阀，向岩溶塌陷模拟箱内注水，岩溶塌陷模拟箱内地表水位逐渐升高，而U型测压管在整个地下水位变化过程中持续出现液面差，从而求出模拟岩溶洞隙4内的气体压强。地下水位上升导致的压强变化对岩溶塌陷的作用可用如下公式描述：
FP＝(P0-P1)S＝ΔPS (1)
FP+f-G＝C(2)
上述式(1)中，P0为水位变化前岩溶洞隙内的压强(N/cm2)；P1为水位变化后U型测压管测得溶腔内压强(N/cm2)；S为压强改变时覆盖层的受力接触面积；式(2)中f为抵抗覆盖层变形的抗剪力(N)；G为受力覆盖层的自重(N)；C为常数，当C＞0时，覆盖层会发生塌陷，当C＝0时，覆盖层处于极限平衡状态，当C＜0时，覆盖层不会发生塌陷，处于稳定状态。
②地下水位下降：将岩溶塌陷模拟箱两端的定水头溢流箱5调至较高位置(该高程应小于任意U型测压管节点高程)，且使两侧定水头溢流箱5处于同一高程，接通电源水泵9抽水，待定水头溢流箱5开始溢水后，关闭水泵9电源，多余的水排出后，关闭定水头溢流箱5底部与水泵9连接的出水管上的进水阀，这时岩溶塌陷模拟箱一侧的测压管水头值都处于同一水平面上，所有U型测压管内液面相平，表示潜水面以上与大气保持良好的连通性。然后将两侧定水头溢流箱5降低至岩溶塌陷模拟箱底部，打开定水头溢流箱5底部与水泵9连接的出水管上的出水阀，岩溶塌陷模拟箱内地表水位逐渐下降，而U型测压管在整个地下水位变化过程中持续出现反向液面差。地下水位上升导致的压强变化对岩溶塌陷的作用可用如下公式描述：
FP+G-f＝C (3)
上式中，当C＞0时，覆盖层发生岩溶塌陷，当C＝0时，覆盖层处于极限平衡状态，当C＜0时，覆盖层不会发生塌陷，处于稳定状态。
利用本发明开展试验后，一方面可以测定自然界具有弱透水该层的岩溶空间中地下水位升降过程不同升降幅度、升降速率下的空气相对压强P随时间的演化过程，研究压强变化对岩溶塌陷的促进作用规律，同时可以测定不同结构、不同厚度覆盖层在相同条件下岩溶塌陷规模及时间的差异，找出易于诱发岩溶塌陷的覆盖层结构，为岩溶塌陷的预防预测工作提供一定的参考价值。同时，这为研究抽水触发岩溶塌陷中水-气相互作用提供了一种有效的技术手段，对水文地质学科的发展有一定的推动作用。
本发明根据相似模拟的原理，以自然界的岩溶塌陷案例为模拟对象，通过试验可清晰、直观展现水位升降导致岩溶洞隙内气压变化、覆盖层变形情况，可以有效模拟该类型岩溶塌陷开始-发展-结束的全过程。本发明虽然与原型相比有不尽相同的缺陷，但具有视野广、直观、周期短、可多次重复、数据多和规律性强等优点，可以用来模拟多种结构的岩溶塌陷过程。同时，本发明为岩溶塌陷领域研究人员定量研究真空吸蚀、气爆等致塌机理提供了方法，解决了岩溶塌陷研究领域中定量化、可视化研究其机理的难题，不仅可以推动水文地质、灾害地质学的学科发展，也为我国岩溶地区塌陷防治、预测预报工作提供依据。

Claims (1)

1.抽水触发岩溶塌陷过程实验装置，其特征在于，包括岩溶塌陷模拟箱、储水箱(8)，岩溶塌陷模拟箱内有模拟灰岩(2)，模拟灰岩(2)中间有模拟岩溶洞隙(4)，模拟岩溶洞隙(4)中有U型测压管设置点(3)用于安装有机玻璃U型管，模拟灰岩(2)上面覆盖有弱透水盖层(1)；岩溶塌陷模拟箱上方设置有盖层变形监测装置(6)；岩溶塌陷模拟箱的两侧还有定水头溢流箱(5)，定水头溢流箱(5)包括进水箱和排水箱，进水箱分别与储水箱(8)内的水泵(9)、岩溶塌陷模拟箱底部连接；排水箱分别与储水箱(8)和量筒(11)连接；岩溶塌陷模拟箱底部还通过排水阀(10)与储水箱(8)连接；定水头溢流箱(5)安装在升降***(7)上。
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