CN110531051A - 一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置，包括岩溶塌陷实验***、水位控制***、智能监测***。岩溶塌陷实验***用于实现岩溶塌陷模拟实验；水位控制***，包括供水装置和排水装置，用于存在侧向补给，模拟地下水渗流；智能监测***，包括土压力传感器、激光位移传感器、CCD相机、LED灯，用于监测土体压力变化和地表位移、变形。本发明还公开了一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验方法。本发明实验装置能够实现不同地下水位、不同地层弱化程度以及不同岩溶裂隙宽度情况下岩溶塌陷的模拟，并且实验科学有效，装置简单，操作便利。

Description

一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩溶塌陷物理模型试验的技术领域，具体地说涉及一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置及方法。

背景技术

岩溶塌陷是指隐伏在覆盖层下的可溶岩中存在岩溶空洞，在自然或人为因素作用下，覆盖层土体沿岩溶通道进入岩溶空洞，引起覆盖层出现塌陷的自然现象。我国碳酸盐岩等可溶岩分布广，岩溶发育面积较大，可溶性地层分布面积约为345万km²，约为国土面积的30％以上。近年来，我国地铁建设迅速发展，大量地铁线路会经过岩溶地区，隧道开挖的施工过程必定会产生地层扰动，造成地层弱化，导致岩溶塌陷发生频率更加频繁，破坏日益严重，引发的危害也随之变大。因此开展岩溶塌陷研究具有重大意义。

实际中，在遇到复杂的地质条件时，主要使用现场测量监测和数值模拟等手段，然而由于受到地下水位突降、地质构造、地表覆盖层的厚度等众多因素的影响，实际监测过程中往往会发生地质条件的不确定性问题，以及数值模拟精度受到“参数不准”或者“模型简化”等问题，由此导致难以准确的描述地质现象及其规律性，但是应用相似理论建立的物理模型，可便于把握地质灾害现象的本质特征和规律。

目前岩溶塌陷的模拟装置无法针对隧道开挖致使地层弱化导致的岩溶塌陷以及不同工况下岩溶塌陷展开有效研究。基于此，现研究一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置及方法，通过物理模型试验，改变土体的水力条件、溶洞大小、位置等条件，可以有效模拟上述塌陷现象。

发明内容

为了克服现有的岩溶塌陷的模拟装置无法有效模拟复杂工况下隧道开挖致使地层弱化导致的岩溶塌陷，本发明提供了一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置及方法，通过物理模型试验，改变土体的水力条件、溶洞大小、位置等条件，可以有效模拟上述塌陷现象。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置，包括岩溶塌陷实验***、水位控制***、智能监测***；

所述岩溶塌陷实验***包括实验箱、溶洞模拟装置以及地层弱化装置；

其中，实验箱包括土箱、打孔隔板、金属架，土箱整体为透明的立方体模型，上部开口；土箱的中部由两块均匀的打孔隔板相隔；土箱四周采用不锈钢金属架保护；土箱的下部开设有一连通口；

所述溶洞模拟装置包括连接板、闭合板、滑槽、溶洞模拟箱以及出泥管道，溶洞模拟箱的上部还固定有连接板，连接板中间设有滑槽，滑槽中间设有通孔，通孔下部通入溶洞模拟箱内部，通孔的上部正好通过连接板与土箱的连通口接通，溶洞模拟箱的上部与连通口连接处还设有闭合板，将闭合板缓慢在所述滑槽上滑动用于改变通孔的大小并且可以固定开口的大小，溶洞模拟箱的下部设有出泥管道；

所述地层弱化装置包括多个长方形PVC软板，多个长方形PVC软板设置于土箱的下部，每层长方形PVC软板之间平铺有土层，将PVC软板渐渐抽离，每抽离一层即实现一层的土体弱化；

所述水位控制***包括供水装置和排水装置，用于侧向补给及模拟地下水渗流，所述供水装置包括水箱、供水管道、阀门、阻水板，所述水箱通过供水管道连接土箱，所述供水管道上设有阀门，所述阻水板固定在打孔隔板的外侧并可上下抽动，上下抽动阻水板以及调整阀门控制是否有水渗流以及水位的高低；

所述排水装置包括设置于实验箱侧表面的止水塞以及溶洞模拟箱下方的出泥管道；

所述智能监测***包括土压力传感器、激光位移传感器，用于监测土体压力变化和地表位移、变形；

所述土压力传感器包括多个应变式微型土压力盒，埋设于实验箱的下表面，上面均匀填埋土体用于监测土压力变化；

所述激光位移传感器设置于实验箱上方，用于监测地表沉降。

作为本发明的优选方式之一，所述连通口为长方形，所述土箱前后两端不同高度均设有多个供PVC软板抽出的预留缝，当需要抽出多个PVC软板来模拟弱化地层弱化时，具体为前后错开抽出PVC软板。

作为本发明的优选方式之一，所述闭合板的外端还设有滑杆。

作为本发明的优选方式之一，所述滑槽的两端设有密封条，所述PVC软板的厚度很薄，表面较光滑。

作为本发明的优选方式之一，所述闭合板具体为两块分别位于滑槽内并紧密配合。

作为本发明的优选方式之一，所述PVC软板具体为12块，分成两边对称分层设置，每边设置6块依次叠加。

作为本发明的优选方式之一，所述地层弱化装置还包括环扣、拉杆，每个PVC软板的一端均依次连接有环扣、拉杆。

作为本发明的优选方式之一，所述智能监测***还包括CCD相机、LED照明灯，所述CCD相机和LED灯形成数字成像***并设置于实验箱的正前方，LED灯用于提供光线补偿，CCD相机用于记录塌陷形成的全过程。

作为本发明的优选方式之一，所述水箱具体为两个位于实验箱两侧。

本发明还公开了一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验方法，包括以下步骤：

S1、在实验箱底部均匀铺设土压力传感器，固定溶洞模拟箱并保持闭合板闭合；

S2、制备土样，保持实验要求的含水率；

S3、将制备的土样平铺在实验箱底面，压实，待达到设定高度后在上方铺设两块PVC软板，对称放置，保证软板可从预留缝中抽出；

S4、重复S3步骤，至软板铺设结束后继续根据实验要求将土层填至需要高度；

S5、在实验箱上方安置激光位移传感器，在实验箱前方安置CCD相机及LED灯；

S6、打开阀门，根据实验要求，用阻水板的上下滑动控制水位高低，形成初始渗流场；

S7、打开所有监控设备，查看测量仪器是否正常使用，注意空间亮度必要时提供光线补偿；

S8、缓慢移动闭合板，达到要求溶洞裂隙宽度时固定闭合板板，可开设不同宽度的裂隙进行分组实验；

S9、分层抽离软板，实现地层分层弱化，观察实验现象；可根据要求选择抽离几层软板，进行对比试验；

S10、通过实验数据及图像，分析地层弱化导致的岩溶塌陷模拟实验结果。

本发明的有益效果体现在：（1）本发明通过抽离PVC软板实现地层分层弱化，可控制其弱化程度且操作简便，材料环保可回收；（2）本发明通过闭合板滑移可控制裂隙宽度大小，实现研究不同宽度不同弱化程度等复杂工况下岩溶塌陷情况；（3）本发明采用透明有机玻璃箱，并全程相机录像且可监测位移沉降，实现塌陷全过程可视化，塌陷数据可记录分析，达到深入研究岩溶塌陷机理的目的。

附图说明

图1是本实施例的基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置的整体示意图；

图2是本实施例的实验箱结构俯视图；

图3是本实施例的实验箱结构侧视图；

图4是本实施例中的数字成像***示意图；

图5是本实施例中的连接板与闭合板示意图；

图6是本实施例的土箱的均匀打孔隔板示意图；

图7是本实施例的土压力传感器结构示意图；

图8是本实施例的溶洞模拟装置立体结构示意图；

图9是本实施例的实验箱立体示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，不在本发明要求的保护范围之内。

为了解决上述技术问题，参见图1-9:本实施例一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置，包括岩溶塌陷实验***、水位控制***、智能监测***；

所述岩溶塌陷实验***包括实验箱、溶洞模拟装置以及地层弱化装置；

其中，实验箱包括土箱101、打孔隔板102、金属架103，土箱101整体为透明的立方体模型，上部开口；土箱101的中部由两块均匀的打孔隔板102相隔；土箱101四周采用不锈钢金属架103保护；土箱101的下部开设有一连通口；

需要说明的是，打孔隔板能够在调节水位时，起到很好的缓冲作用，减少水流对土层的冲刷效果。

参见图5、8：所述溶洞模拟装置包括连接板201、闭合板202、滑槽205、溶洞模拟箱203以及出泥管道204，可控制溶洞裂隙口打开或闭合以及裂隙的大小。溶洞模拟箱203的上部还固定有连接板201，连接板201中间设有滑槽205，滑槽205中间设有通孔，通孔下部通入溶洞模拟箱203内部，通孔的上部正好通过连接板202与土箱101的连通口接通，溶洞模拟箱203的上部与连通口连接处还设有闭合板202，将闭合板202缓慢在所述滑槽205上滑动用于改变通孔的大小并且可以固定开口的大小，通孔的大小即模拟为溶洞裂隙的大小，溶洞模拟箱203的下部设有出泥管道204，塌落下来的泥水落入溶洞模拟箱203中，通过出泥管道204排出；

所述地层弱化装置包括多个长方形PVC软板301，多个长方形PVC软板301设置于土箱101的下部，每层长方形PVC软板之间平铺有土层，将PVC软板301渐渐抽离，每抽离一层即实现一层的土体弱化；

需要说明的是，土箱前后两端不同高度均设有多个供PVC软板抽出的预留缝，如果是需要抽出多个PVC软板，具体可以为前后错开抽出PVC软板，减少抽出PVC软板对土层的影响。

在具体实现中，本实施例中的PVC软板厚度很薄，表面较光滑，从而减少了抽出PVC软板的摩擦力，进一步降低对土层的影响。

所述水位控制***包括供水装置和排水装置，用于侧向补给及模拟地下水渗流，所述供水装置包括水箱401水箱为两个位于实验箱两侧、供水管道402、阀门403、阻水板405，所述水箱401通过供水管道402连接土箱101，所述供水管道402上设有阀门403，所述阻水板405固定在打孔隔板102的外侧并可上下抽动，上下抽动阻水板405以及调整阀门403控制是否有水渗流以及水位的高低；

需要说明的是，本实施例的阻水板可以是上、下滑动抽出，具体可以在水箱内前后端设置滑槽，通过滑槽进行抽取。

所述排水装置包括设置于实验箱侧表面的止水塞404以及溶洞模拟箱203下方的出泥管道204；通过止水塞404以及出泥管道204均可进行排水操作。

所述智能监测***包括土压力传感器502、激光位移传感器501，用于监测土体压力变化和地表位移、变形；

所述土压力传感器502包括多个应变式微型土压力盒，埋设于实验箱1的下表面，上面均匀填埋土体用于监测土压力变化；

所述激光位移传感器501设置于实验箱1上方，用于监测地表沉降，需要说的是，激光位移传感器可以为若干个分布于实验箱1上方。

进一步地，所述连通口为长方形，所述闭合板202的外端还设有滑杆206，通过滑杆206方便移动闭合板202从而改变溶洞裂隙的大小，所述滑槽205的两端设有密封条207，防止闭合板202在滑动的过程中产生液体泄漏，所述闭合板202具体为两块分别位于滑槽205内并紧密配合，更加方便闭合板的调节，所述PVC软板301具体为12块，分成两边对称分层设置，每边设置6块依次叠加。

优选的，所述地层弱化装置还包括环扣302、拉杆303，每个PVC软板301的一端均依次连接有环扣302、拉杆303，更加方便抽取软板。

优选的，所述智能监测***还包括CCD相机503、LED照明灯504，所述CCD相机503和LED灯504形成数字成像***并设置于实验箱的正前方，LED灯504用于提供光线补偿，CCD相机503用于记录塌陷形成的全过程。

进一步地，所述水箱401具体为两个位于实验箱两侧。

本实施例的实验装置能够实现不同地下水位、不同地层弱化程度以及不同岩溶裂隙宽度情况下岩溶塌陷的模拟，并且实验科学有效，装置简单，操作便利。

实施例2

本实施例还公开了一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验方法，包括以下步骤：

S1、在实验箱底部均匀铺设土压力传感器，固定溶洞模拟箱并保持闭合板闭合；

S2、制备土样，保持实验要求的含水率；

S3、将制备的土样平铺在实验箱底面，压实，待达到设定高度后在上方铺设两块PVC软板，对称放置，保证软板可从预留缝中抽出；

S4、重复S3步骤，至软板铺设结束后继续根据实验要求将土层填至需要高度；

S5、在实验箱上方安置激光位移传感器，在实验箱前方安置CCD相机及LED灯；

S6、打开阀门，根据实验要求，用阻水板的上下滑动控制水位高低，形成初始渗流场；

S7、打开所有监控设备，查看测量仪器是否正常使用，注意空间亮度必要时提供光线补偿；

S8、缓慢移动闭合板，达到要求溶洞裂隙宽度时固定闭合板板，可开设不同宽度的裂隙进行分组实验；

S9、分层抽离软板，实现地层分层弱化，观察实验现象；可根据要求选择抽离几层软板，进行对比试验；

S10、通过实验数据及图像，分析地层弱化导致的岩溶塌陷模拟实验结果。

本发明以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置，其特征在于：包括岩溶塌陷实验***、水位控制***、智能监测***；

所述岩溶塌陷实验***包括实验箱、溶洞模拟装置以及地层弱化装置；

其中，实验箱包括土箱（101）、打孔隔板（102）、金属架（103），土箱（101）整体为透明的立方体模型，上部开口；土箱（101）的中部由两块均匀的打孔隔板（102）相隔；土箱（101）四周采用不锈钢金属架（103）保护；土箱（101）的下部开设有一连通口；

所述溶洞模拟装置包括连接板（201）、闭合板（202）、滑槽（205）、溶洞模拟箱（203）以及出泥管道（204），溶洞模拟箱（203）的上部还固定有连接板（201），连接板（201）中间设有滑槽（205），滑槽（205）中间设有通孔，通孔下部通入溶洞模拟箱（203）内部，通孔的上部正好通过连接板（202）与土箱（101）的连通口接通，溶洞模拟箱（203）的上部与连通口连接处还设有闭合板（202），将闭合板（202）缓慢在所述滑槽205上滑动用于改变通孔的大小并且可以固定开口的大小，通孔的大小即模拟为溶洞裂隙的大小，溶洞模拟箱（203）的下部设有出泥管道（204），塌落下来的泥水落入溶洞模拟箱203中，通过出泥管道204排出；

所述地层弱化装置包括多个长方形PVC软板（301），多个长方形PVC软板（301）设置于土箱（101）的下部，每层长方形PVC软板（301）之间平铺有土层，将PVC软板（301）渐渐抽离，每抽离一层即实现一层的土体弱化；

所述水位控制***包括供水装置和排水装置，用于侧向补给及模拟地下水渗流；

所述供水装置包括水箱（401）、供水管道（402）、阀门（403）、阻水板（405），所述水箱（401）通过供水管道（402）连接土箱（101），所述供水管道（402）上设有阀门（403），所述阻水板（405）固定在打孔隔板（102）的外侧并可上下抽动，上下抽动阻水板（405）以及调整阀门（403）控制是否有水渗流以及水位的高低；

所述排水装置包括设置于实验箱侧表面的止水塞（404）以及溶洞模拟箱（203）下方的出泥管道（204）；

所述智能监测***包括土压力传感器（502）、激光位移传感器（501），用于监测土体压力变化和地表位移、变形；

所述土压力传感器（502）包括多个应变式微型土压力盒，埋设于实验箱的下表面，上面均匀填埋土体用于监测土压力变化；

所述激光位移传感器（501）设置于实验箱上方，用于监测地表沉降。

2.根据权利要求1所述的基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置，其特征在于：所述连通口为长方形，所述土箱（101）前后两端不同高度均设有多个供PVC软板（301）抽出的预留缝，当需要抽出多个PVC软板（301）来模拟弱化地层弱化时，具体为前后错开抽出PVC软板。

3.根据权利要求1所述的基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置，其特征在于：所述闭合板（202）的外端还设有滑杆（206）。

4.根据权利要求1所述的基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置，其特征在于：所述滑槽（205）的两端设有密封条（207），所述PVC软板（301）的厚度很薄，表面较光滑。

5.根据权利要求1所述的基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置，其特征在于：所述闭合板（202）具体为两块分别位于滑槽（205）内并紧密配合。

6.根据权利要求1所述的基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置，其特征在于：所述PVC软板（301）具体为12块，分成两边对称分层设置，每边设置6块依次叠加。

7.根据权利要求1所述的基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置，其特征在于：所述地层弱化装置还包括环扣（302）、拉杆（303），每个PVC软板（301）的一端均依次连接有环扣（302）、拉杆（303）。

8.根据权利要求1所述的基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置，其特征在于：所述智能监测***还包括CCD相机（503）、LED照明灯（504），所述CCD相机（503）和LED灯（504）形成数字成像***并设置于实验箱的正前方，LED灯（504）用于提供光线补偿，CCD相机（503）用于记录塌陷形成的全过程。

9.根据权利要求1所述的基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置，其特征在于：所述水箱（401）具体为两个位于实验箱两侧。

10.一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、在实验箱底部均匀铺设土压力传感器，固定溶洞模拟箱并保持闭合板闭合；

S2、制备土样，保持实验要求的含水率；

S3、将制备的土样平铺在实验箱底面，压实，待达到设定高度后在上方铺设两块PVC软板，对称放置，保证软板可从预留缝中抽出；

S4、重复S3步骤，至软板铺设结束后继续根据实验要求将土层填至需要高度；

S5、在实验箱上方安置激光位移传感器，在实验箱前方安置CCD相机及LED灯；

S6、打开阀门，根据实验要求，用阻水板的上下滑动控制水位高低，形成初始渗流场；

S7、打开所有监控设备，查看测量仪器是否正常使用，注意空间亮度必要时提供光线补偿；

S8、缓慢移动闭合板，达到要求溶洞裂隙宽度时固定闭合板板，可开设不同宽度的裂隙进行分组实验；

S9、分层抽离软板，实现地层分层弱化，观察实验现象；可根据要求选择抽离几层软板，进行对比试验；

S10、通过实验数据及图像，分析地层弱化导致的岩溶塌陷模拟实验结果。