CN113358544B - 用于隧道稳态渗流场模型试验的浸润线准确测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于隧道稳态渗流场模型试验的浸润线准确测量方法，包括当围岩装填至隧道上方一定距离处，等间距布置被薄膜材料包裹的带孔钢管，然后继续装填围岩并压实至设计位置；将孔隙水压力计传感器从钢管未密封的一端放入，且放入钢管的底部，并记录孔隙水压力计传感器的编号；在隧道开挖发生渗流后，经过一定时间则会达到稳定的渗流状态，此时，通过孔隙水压力计传感器获取的水压，将此水压除以水的容重即为浸润线到钢管底部的距离；将不同钢管中获取的浸润线位置在图中用曲线描绘出来即可获得沿隧道横截面准确的浸润线分布；本发明可显著提高隧道附近的浸润线位置的测量精度，且适用于所有潜水含水层隧道稳态渗流场的模型试验。

Description

用于隧道稳态渗流场模型试验的浸润线准确测量方法

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，尤其涉及一种用于隧道稳态渗流场模型试 验的浸润线准确测量方法。

背景技术

通常，隧道位于潜水含水层中。因此，在潜水含水层中开挖隧道会降低地 下水位，还可能会破坏隧道附近的生态环境。此外，隧道开挖对生态环境的影 响也被广泛报道，例如，中国沪昆高铁茅坪山隧道在施工中的涌排水就导致了 农田地表失水。

为研究隧道开挖后的渗流场，了解隧道开挖对生态环境的影响，大量学者 开展了隧道渗流场的模型试验。然而，在隧道渗流场的模型试验中，对于浸润 线位置的测量较少报道。在目前报道的文献中，常在模型箱的围岩中设置一排 水平的等间距测压管，如图1所示，通过读取测压管内的水位高度来反映隧道 模型箱内的实际水头高度(即浸润线位置)，然而，此类方法读取得到的浸润线 位置较实际浸润线位置偏低。

隧道开挖后在稳态渗流场中的等势线2如图1所示，由图1可知，离隧道 越远，等势线2越趋于垂直，因此，在图2中D点的测压管读取得到的水位高 度为F点的高度，与实际浸润线高度较为一致；但在图1中A点的测压管，读 取得到的水位高度为B点的高度，其实际浸润线高度为C点的高度，可见，在 隧道附近通过测压管读取得到的水位高度较实际浸润线高度偏低，且离隧道越 近，通过测压管读取得到的水位高度与实际浸润线高度的偏差越大。图1中还 示出了测压管位置1、等势线2、降落漏斗/浸润线/降低后的地下水位3、初始地下水位4、A点实际浸润线高度5、A点测压管的水位高度6、隧道7、潜水含 水层8、补给边界9、隔水层/不透水边界10。

而浸润线是影响地表植被生长的重要因素，因此，在隧道渗流场的模型试 验中，确定隧道开挖后准确的浸润线位置对于了解隧道开挖对生态环境的影响 至关重要。

故需要研发出一种用于隧道稳态渗流场模型试验的浸润线准确测量方法来 解决上述问题。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种用于隧道稳态渗流场模 型试验的浸润线准确测量方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

用于隧道稳态渗流场模型试验的浸润线准确测量方法，包括以下步骤：

S1、用薄膜材料包裹密封钢管的底端和侧壁，其中，薄膜材料为透水，但 由渗透系数比围岩渗透系数小的材料制成；其中钢管为侧壁上设置有多个孔洞 的管状结构；

S2、在隧道渗流场的模型试验中，当围岩装填至隧道上方一定距离处，则 等间距布置多个被薄膜材料包裹的钢管，被薄膜材料包裹的一端管口朝下，然 后继续装填围岩并压实至设计位置；

S3、将多个孔隙水压力计传感器分别对应从多个钢管的上端放入，且放入 钢管的底部，并记录孔隙水压力计传感器的编号；

S4、模拟隧道开挖，在发生渗流后，经过一定时间达到稳定的渗流状态时 候，测量孔隙水压力计传感器获取的水压，将此水压除以水的容重即得到浸润 线到钢管底部的距离；

S5、将不同钢管中获取的浸润线位置在图中用曲线描绘出来即可获得沿隧 道横截面准确的浸润线分布。

具体地，在步骤S1前设置有步骤S0，步骤S0包括：加工具有一定刚度的 带孔钢管。

优选地，带孔钢管的孔洞分布为梅花形分布。

优选地，薄膜材料为三色布。

本发明的有益效果在于：

在隧道渗流场的模型试验中，在达到稳定的渗流状态后，在钢管中通过孔 隙水压力计传感器可获取钢管底部的水压，再通过此水压除以水的容重即可获 得与实际较为一致的浸润线位置；与现有技术在围岩中埋置测压管来读取浸润 线位置相比，本发明可显著提高隧道附近的浸润线位置的测量精度，且适用于 所有潜水含水层隧道稳态渗流场的模型试验。

附图说明

图1是隧道开挖后在稳态渗流场中形成的等势线；

图2是本发明中钢管的结构示意图；

图3是本发明中薄膜材料的安装以及孔隙水压力计传感器的安装结构示意 图；

图4是本发明中方法流程图；

其中，1-测压管位置；2-等势线；3-降落漏斗/浸润线/降低后的地下水位； 4-初始地下水位；5-A点实际浸润线高度；6-A点测压管的水位高度；7-隧道； 8-潜水含水层；9-补给边界；10-隔水层/不透水边界；11-钢管；12-薄膜材料。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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， 所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附 图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要 求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某 一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解 释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、 “左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系， 或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员 惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指 示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或 暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设 置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可 以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是 直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于 本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具 体含义。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图4所示，一种用于隧道稳态渗流场模型试验的浸润线准确测量方法， 该方法包括：

S0、加工具有一定刚度的带孔钢管11，如图2所示。钢管11的数量通过“埋 置在围岩中钢管11的等间距距离”和“隧道模型箱横截面的长度”确定；带孔 钢管11的孔洞布置宜梅花形布置，即在钢管11任意位置处地下水都可以入渗； 钢管11的直径比孔隙水压力计传感器的直径稍大即可；钢管11的长度比隧道 至地表的距离稍长即可；钢管11具有一定刚度后，可使钢管11置于埋深较深 的围岩中而不会发生变形，从而不会影响孔隙水压力计传感器的放入；钢管11 带孔后，可使地下水渗透钢管11；

S1、把一种能透水但其渗透系数比围岩渗透系数小的薄膜材料12(例如三色 布)包裹密封好带孔钢管11的一端和侧壁，如图3所示。一种能透水但其渗透 系数比围岩渗透系数小的薄膜材料12在包裹密封带孔钢管11的一端和侧壁后， 且在埋置带孔钢管11到围岩后，与未埋置带孔钢管11相比，渗流场的改变是 较小的，若不用一种能透水但其渗透系数比围岩渗透系数小的薄膜材料12包裹 密封带孔钢管11，则会改变原渗流路径，与实际的(埋置带孔钢管11前的)渗流 场不符；薄膜材料12的渗透系数不宜过小，因为薄膜材料12的渗透系数越小， 达到稳定渗流状态的时间越长；包裹密封好带孔钢管11的一端和侧壁，即未被 包裹密封钢管11的一端可用于放入孔隙水压力计传感器；

S2、在隧道渗流场的模型试验中，当围岩装填至隧道上方一定距离处，等 间距布置被薄膜材料12包裹的带孔钢管11，被薄膜材料12包裹的一端钢管11 朝下，然后继续装填围岩并压实至设计位置，如图3所示。“一定距离”可先 通过数值模拟计算所有工况中浸润线的最低点，然后“一定距离”小于浸润线 的最低点到隧道的距离即可；等间距布置被薄膜材料12包裹的带孔钢管11，“等 间距”的距离可设置为钢管11直径的两到三倍；被薄膜材料12包裹的一端钢 管11朝下，若未对钢管11底部用渗透系数比围岩渗透系数小的薄膜材料12包 裹密封，则地下水会先向隧道上方的钢管11渗流，然后再从隧道上方的钢管11 底部渗流至隧道，即改变了原渗流场，因此，被薄膜材料12包裹的一端钢管11 朝下；

S3、将孔隙水压力计传感器从钢管11未密封的一端放入，且放入钢管11 的底部，并记录孔隙水压力计传感器的编号，将孔隙水压力计传感器放入钢管 11的底部后，才能获取钢管11底部的水压，而钢管11底部的标高可在埋置钢 管11时获取得到，“钢管11底部的标高”加“孔隙水压力计传感器获取的压 力水头”即为浸润线的标高；按顺序依次记录好孔隙水压力计传感器的编号， 则可获取得到每根钢管11对应的浸润线标高；

S4、在隧道开挖发生渗流后，经过一定时间则会达到稳定的渗流状态，此 时，通过静态应变测试分析***测量孔隙水压力计传感器获取的水压，将此水 压除以水的容重即为浸润线到钢管11底部的距离。由于在围岩中加入了“渗透 系数比围岩渗透系数小的薄膜材料12”，因此较未加入“渗透系数比围岩渗透 系数小的薄膜材料12”，达到稳定渗流状态的时间会更长；“稳定的渗流状态” 可通过孔隙水压力计传感器获取的水压确定，例如，在一分钟内孔隙水压力计 传感器获取的水压未发生变化，则可近似认为达到“稳定的渗流状态”；在达 到“稳定的渗流状态”后，得到的浸润线位置则是隧道稳态渗流场模型试验的 浸润线位置；

S5、将不同钢管11中获取的浸润线位置在图中用曲线描绘出来即可获得沿 隧道横截面准确的浸润线分布。因为在达到“稳定的渗流状态”后，在被薄膜 材料12包裹的带孔钢管11中，浸润线的位置与在围岩中放置被薄膜材料12包 裹的带孔钢管11前是一致的，且渗流路径也是一致的，因此，将不同钢管11 中获取的浸润线位置在图中用曲线描绘出来即可获得沿隧道横截面准确的浸润 线分布。而如果在带孔钢管11的位置被替换为测压管，将不同测压管中的水位 高度在图中用曲线描绘出来，则在隧道附近测压管中的水位高度是低于实际浸 润线位置的，仅在远离隧道附近，测压管中的水位高度与实际浸润线位置一致。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术 方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.用于隧道稳态渗流场模型试验的浸润线准确测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、用薄膜材料包裹密封钢管的底端和侧壁，其中，薄膜材料为透水，但由渗透系数比围岩渗透系数小的材料制成；其中钢管为侧壁上设置有多个孔洞的管状结构；

S2、在隧道渗流场的模型试验中，当围岩装填至隧道上方一定距离处，则等间距布置多个被薄膜材料包裹的钢管，被薄膜材料包裹的一端管口朝下，然后继续装填围岩并压实至设计位置；

S3、将多个孔隙水压力计传感器分别对应从多个钢管的上端放入，且放入钢管的底部，并记录孔隙水压力计传感器的编号；

S4、模拟隧道开挖，在发生渗流后，经过一定时间达到稳定的渗流状态时候，测量孔隙水压力计传感器获取的水压，将此水压除以水的容重即得到浸润线到钢管底部的距离；

S5、将不同钢管中获取的浸润线位置在图中用曲线描绘出来即可获得沿隧道横截面准确的浸润线分布。

2.根据权利要求1所述的用于隧道稳态渗流场模型试验的浸润线准确测量方法，其特征在于，在步骤S1前设置有步骤S0，步骤S0包括：加工具有一定刚度的带孔钢管。

3.根据权利要求2所述的用于隧道稳态渗流场模型试验的浸润线准确测量方法，其特征在于，带孔钢管的孔洞分布为梅花形分布。

4.根据权利要求1所述的用于隧道稳态渗流场模型试验的浸润线准确测量方法，其特征在于，薄膜材料为三色布。

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