CN113533155A - 一种适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置及试验方法 - Google Patents
一种适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置及试验方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置及试验方法，所述试验装置包括侧向约束***、地应力加载***、水压力加载***以及数据采集***；所述侧向约束***、地应力加载***和地面所围成的空间内浇筑有模型，所述模型内设有高压富水岩溶空腔和洞室；所述地应力加载***包括垂直应力加载***和水平应力加载***以用于分别给模型施加垂直应力和水平应力，所述水压加载***用于向模型内的高压富水岩溶空腔内提供恒压水压。本发明所提供的试验装置构造简单，操作方便，经济性较好，可以实现不同地应力状态、不同水压力情况下岩体渗流场真实演化规律和突水机理研究，为高压富水岩溶区大型地下洞室突水灾害防治提供依据。
Description
技术领域
本发明属于地下工程突水灾害研究技术领域，尤其是涉及一种适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置及试验方法。
背景技术
在高压富水岩溶地区，涌水突水是地下工程施工中所面临的最主要地质灾害之一，一方面岩溶地区地质勘查难度大、施工风险高，另一方面，涌水突水带来的生态环境保护问题日益突出，已逐渐成为制约我国经济建设和清洁能源发展的瓶颈问题。
目前，针对高压富水岩溶区突水问题，主要的研究方法仍是经验分析法和工程类比法，但是该类分析方法一般受研究人员主观因素影响较大，分析结果存在准确性和适用性较差的缺陷，一般仅适合做定性分析。近年来，随着室内模型试验方法和技术的发展，在揭示高压富水岩溶地区突水灾变机理研究中取得了大量成果，但受技术条件限制，现有模型试验装置一般存在试验步骤复杂、经济性差、水压不可控、无法模拟不同应力状态、无法获得岩体渗流场真实演化规律等问题。
因此，针对高压富水岩溶区大型洞室突水灾变问题，有必要开发一种操作方便、经济性好，同时可开展不同地应力状态、不同水压力情况下岩体渗流场真实演化规律和突水机理研究的模型试验平台。
发明内容
本发明的第一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置。
为此，本发明采用如下技术方案：
一种适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置，其特征在于：所述适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置包括侧向约束***、地应力加载***、水压力加载***以及数据采集***；
所述侧向约束***、地应力加载***和地面所围成的空间内浇筑有模型，所述模型内设有高压富水岩溶空腔和洞室；
所述地应力加载***包括垂直应力加载***和水平应力加载***以用于分别给模型施加垂直应力和水平应力，所述水压加载***用于向模型内的高压富水岩溶空腔内提供恒压水压，所述数据采集***包括渗压计和数据采集装置，所述渗压计布置在高压富水岩溶空腔和洞室之间，所述渗压计与数据采集装置相连接。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述侧向约束***由实心刚板和有机玻璃板组成，左右两侧为U型钢板，后面为平面钢板，前面为有机玻璃板，所述有机玻璃板上开有空洞，方便进行洞室开挖施工；左右两侧U型钢板通过地锚和螺母固定在地面，U型钢板的翼缘设有螺栓孔，平面钢板及有机玻璃板相对应位置同样设有螺栓孔，通过螺栓和螺母将各部分固定为一个整体。
作为本发明的优选技术方案：所述有机玻璃板外侧设有两块加劲肋板，以提高有机玻璃板约束刚度。
作为本发明的优选技术方案：所述垂直应力加载***由反力桁架、液压千斤顶、上部垫板和伺服加载控制***组成，所述伺服加载控制***与液压千斤顶连接，用于调节施加的垂直应力大小，并保证实验过程中垂直应力大小恒定；所述反力桁架安装在试验装置顶部，通过螺栓和螺母与两侧U型钢板固定，模型上设有上部垫板，上部垫板上与反力桁架之间的空间内布置多台液压千斤顶，上部垫板起到分散压力的作用，所述上部垫板上设有圆孔，圆孔直径大于导水钢管直径，导水钢管可穿过圆孔。
作为本发明的优选技术方案：所述水平应力加载***由液压千斤顶、两侧垫板和伺服加载控制***组成，所述伺服加载控制***与液压千斤顶连接，用于调节施加的水平应力大小，并保证实验过程中水平应力大小恒定；所述液压千斤顶一端与两侧U型钢板焊接，一端与两侧垫板焊接，液压千斤顶通过两侧垫板与模型接触，两侧垫板起到分散压力的作用。
作为本发明的优选技术方案：所述水压力加载***由高压氮气罐和恒压水箱组成，所述恒压水箱中储存有水源，所述恒压水箱上设有进气口和出水口，所述恒压水箱的进气口与高压氮气罐连接以给恒压水箱提供恒定压力，所述恒压水箱的出水口通过导水钢管与模型中的高压富水岩溶空腔连接，所述高压氮气罐上安装有伺服压力控制阀以调节压力大小，并保证实验过程中水压力恒定。
作为本发明的优选技术方案：所述渗压计采用微型渗压计。
本发明还有一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种突水灾害模拟的试验方法。
为此，本发明采用如下技术方案：
一种突水灾害模拟的试验方法，其特征在于：所述突水灾害模拟的试验方法基于前文所述的适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置，并包括如下步骤：
步骤一：模型试验装置安装
按照模型试验装置设计尺寸，通过地锚和螺母将左右两侧U型钢板固定在地面，在左右两侧U型钢板上分别设置3台液压千斤顶，通过焊接方式与U型钢板固定，液压千斤顶在垂直方向上均匀分布，液压千斤顶另一端设置有垫板，通过焊接方式与液压千斤顶固定；
将试验装置后面的平面钢板上设置的螺栓孔与左右两侧U型钢板上的螺栓孔对齐，通过螺栓和螺母进行固定；
将试验装置前面的有机玻璃板上设置的螺栓孔与左右两侧U型钢板上的螺栓孔对齐，通过螺栓和螺母进行固定，其中需安装加劲肋板部位的螺栓先不安装；
将试验装置前面的两块加劲肋板，通过螺栓和螺母固定到试验装置上；
步骤二：模型试样制作与水压力监测仪器埋设
根据相似准则选择模型的相似材料及确定材料配比：
变形相似关系：
式中，Cl为几何相似比，Cr为容重相似比，Cε为应变相似比，Cu为位移相似比，
为内摩擦角相似比，Cc为粘聚力相似比，Cσ为应力相似比，CE为弹性模量相似比；
流固耦合相似关系：
式中：Ck为渗透系数相似比；
可以采用河沙、黏土、水泥和水配制模型岩体相似材料；
模型浇筑前需对试验装置内部接缝处进行防水处理，可以在接缝处设置吸水膨胀橡胶；
将配制好的相似材料倒入模型试验装置，自下而上分层浇筑，每层浇筑厚度以10～20cm 为宜，并在分层浇筑面进行拉毛处理；
当模型浇筑到岩溶空腔和地下洞室所在位置时，开始进行岩溶空腔的埋设，岩溶空腔采用高密度吸水海绵预制，可以根据实际情况预制不同大小、不同形状的岩溶空腔；预埋导水钢管，导水钢管一端与岩溶空腔连接，另一端位于模型外部；在岩溶空腔和地下洞室之间埋设微型渗压计，微型渗压计通过数据线与数据采集***连接，数据线沿模型外边界铺设，降低对试验结果的影响；
继续浇筑模型直至设计高度，然后对模型进行养护7天；
步骤三：初始地应力场施加
将反力桁架安装到试验装置顶部，通过螺栓和螺母将反力桁架固定到两侧的U型钢板上，在模型顶部放置上部垫板，导水钢管穿过上部垫板的圆孔，在上部垫板与反力桁架之间均匀放置3台液压千斤顶；
将模型上部液压千斤顶和左右两侧液压千斤顶分别与伺服加载控制***连接，分别逐级施加垂直应力和水平应力至设计值，稳压24小时，使模型受力均匀；
步骤四：进行突水模拟试验
在预留部位进行开挖，形成地下洞室；
将水压力加载***与导水钢管连接，并对连接处进行密封处理；
根据试验设计，通过高压氮气罐进行水压力施加，通过伺服压力控制阀调节水压力大小；水压力采取逐级施加方式，每次增加2kPa，每级荷载施加过程中，通过数据采集***实时采集岩体中的孔隙水压力，待各测点孔隙水压力稳定后，再进行下一级荷载施加，直至发生突水灾害，试验结束。
本发明提供一种适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置及试验方法，试验装置构造简单，操作方便，经济性较好，可以实现不同地应力状态、不同水压力情况下岩体渗流场真实演化规律和突水机理研究，为高压富水岩溶区大型地下洞室突水灾害防治提供依据。
附图说明
图1为本发明所提供的适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置的整体结构图示。
图2为本发明所提供的适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置的俯视图。
图3为本发明所提供的适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置的侧视图。
图4为侧向约束***和地应力加载***的结构图。
图5为侧向约束***内U型钢板的结构图。
图6为侧向约束***内平面钢板的结构图。
图7为侧向约束***内有机玻璃板的结构图。
图8为侧向约束***内加劲肋板的结构图。
图9为地应力加载***内上部垫板的结构图。
具体实施方式
参照附图和具体实施例，对本发明作进一步详细地描述。
一种适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置，包括侧向约束***、地应力加载***、水压力加载***、渗压计及数据采集***。侧向约束***由左右两侧U型钢板1、后部平面钢板2，前部有机玻璃板3，有机玻璃板上开有空洞，方便进行洞室24开挖施工，有机玻璃板外侧设有两块加劲肋板4，以提高有机玻璃板约束刚度。
左右两侧U型钢板1通过地锚7和螺母6固定在地面，U型钢板的翼缘设有螺栓孔21，平面钢板及有机玻璃板相对应位置同样设有螺栓孔21，通过螺栓5和螺母6将各部分固定为一个整体。
地应力加载***包括垂直应力加载***和水平应力加载***，垂直应力加载***由反力桁架8、液压千斤顶9、上部垫板10和伺服加载控制***12组成，反力桁架安装在试验装置顶部，通过螺栓和螺母与两侧U型钢板固定，模型25与反力桁架8之间放置多台液压千斤顶9，液压千斤顶通过上部垫板与模型接触，上部垫板起到分散压力的作用，上部垫板上设有圆孔22，圆孔直径大于导水钢管18直径，导水钢管可穿过圆孔。
水平应力加载***由液压千斤顶9、两侧垫板11和伺服加载控制***12组成，液压千斤顶一端与两侧U型钢板焊接，一端与两侧垫板焊接，液压千斤顶通过两侧垫板与模型接触，两侧垫板起到分散压力的作用。
伺服加载控制***与液压千斤顶连接，可以分别调节施加的垂直应力和水平应力的大小，并保证实验过程中地应力大小恒定。
水压力加载***由高压氮气罐13和恒压水箱15组成，恒压水箱中储存有水源，恒压水箱上设有进气口16和出水口17，进气口与高压氮气罐连接，给恒压水箱提供恒定压力，出水口通过导水钢管18与模型中的高压富水岩溶空腔23连接，高压氮气罐上安装有伺服压力控制阀14，可以调节水压力大小，并保证实验过程中水压力恒定。
渗压计19采用微型渗压计，试验过程中通过数据采集***20实时采集岩体中水压力变化情况。
上述高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置进行突水灾害模拟的试验方法，包括以下步骤：
步骤一：模型试验装置安装
按照模型试验装置设计尺寸，通过地锚和螺母将左右两侧U型钢板固定在地面，在左右两侧U型钢板上分别设置3台液压千斤顶，通过焊接方式与U型钢板固定，液压千斤顶在垂直方向上均匀分布，液压千斤顶另一端设置有垫板，通过焊接方式与液压千斤顶固定。
将试验装置后面的平面钢板上设置的螺栓孔与左右两侧U型钢板上的螺栓孔对齐，通过螺栓和螺母进行固定。
将试验装置前面的有机玻璃板上设置的螺栓孔与左右两侧U型钢板上的螺栓孔对齐，通过螺栓和螺母进行固定，其中需安装加劲肋板部位的螺栓先不安装。
将试验装置前面的两块加劲肋板，通过螺栓和螺母固定到试验装置上。
步骤二：模型试样制作与水压力监测仪器埋设
根据相似准则选择相似材料及确定材料配比：
变形相似关系：
式中，Cl为几何相似比，Cr为容重相似比，Cε为应变相似比，Cu为位移相似比，
为内摩擦角相似比，Cc为粘聚力相似比，Cσ为应力相似比，CE为弹性模量相似比。
流固耦合相似关系：
式中，Ck为渗透系数相似比。
优选的，可以采用河沙、黏土、水泥和水配制岩体相似材料。
模型浇筑前需对试验装置内部接缝处进行防水处理，优选的，可以在接缝处设置吸水膨胀橡胶。
将配制好的相似材料倒入模型试验装置，自下而上分层浇筑，每层浇筑厚度以10～20cm 为宜，并在分层浇筑面进行拉毛处理。
当模型浇筑到岩溶空腔和地下洞室所在位置时，开始进行岩溶空腔的埋设，岩溶空腔采用高密度吸水海绵预制，可以根据实际情况预制不同大小、不同形状的岩溶空腔。预埋导水钢管，导水钢管一端与岩溶空腔连接，另一端位于模型外部。在岩溶空腔和地下洞室之间埋设微型渗压计，微型渗压计通过数据线与数据采集***连接，数据线沿模型外边界铺设，降低对试验结果的影响。
继续浇筑模型直至设计高度，然后对模型进行养护7天。
步骤三：初始地应力场施加
将反力桁架安装到试验装置顶部，通过螺栓和螺母将反力桁架固定到两侧的U型钢板上，在模型顶部放置上部垫板，导水钢管穿过上部垫板的圆孔，在上部垫板与反力桁架之间均匀放置3台液压千斤顶。
将模型上部液压千斤顶和左右两侧液压千斤顶分别与伺服加载控制***连接，分别逐级施加垂直应力和水平应力至设计值，稳压24小时，使模型受力均匀。
步骤四：进行突水模拟试验
在预留部位进行开挖，形成地下洞室。
将水压力加载***与导水钢管连接，并对连接处进行密封处理。
根据试验设计，通过高压氮气罐进行水压力施加，通过伺服压力控制阀调节水压力大小。水压力采取逐级施加方式，每次增加2kPa，每级荷载施加过程中，通过数据采集***实时采集岩体中的孔隙水压力，待各测点孔隙水压力稳定后，再进行下一级荷载施加，直至发生突水灾害，试验结束。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置，其特征在于：所述适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置包括侧向约束***、地应力加载***、水压力加载***以及数据采集***；
所述侧向约束***、地应力加载***和地面所围成的空间内浇筑有模型，所述模型内设有高压富水岩溶空腔和洞室；
所述地应力加载***包括垂直应力加载***和水平应力加载***以用于分别给模型施加垂直应力和水平应力，所述水压加载***用于向模型内的高压富水岩溶空腔内提供恒压水压，所述数据采集***包括渗压计和数据采集装置，所述渗压计布置在高压富水岩溶空腔和洞室之间，所述渗压计与数据采集装置相连接。
2.根据权利要求1所述的适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置，其特征在于：所述侧向约束***由实心刚板和有机玻璃板组成，左右两侧为U型钢板，后面为平面钢板，前面为有机玻璃板，所述有机玻璃板上开有空洞，方便进行洞室开挖施工；左右两侧U型钢板通过地锚和螺母固定在地面，U型钢板的翼缘设有螺栓孔，平面钢板及有机玻璃板相对应位置同样设有螺栓孔，通过螺栓和螺母将各部分固定为一个整体。
3.根据权利要求2所述的适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置，其特征在于：所述有机玻璃板外侧设有两块加劲肋板，以提高有机玻璃板约束刚度。
4.根据权利要求1所述的适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置，其特征在于：所述垂直应力加载***由反力桁架、液压千斤顶、上部垫板和伺服加载控制***组成，所述伺服加载控制***与液压千斤顶连接，用于调节施加的垂直应力大小，并保证实验过程中垂直应力大小恒定；所述反力桁架安装在试验装置顶部，通过螺栓和螺母与两侧U型钢板固定，模型上设有上部垫板，上部垫板上与反力桁架之间的空间内布置多台液压千斤顶，上部垫板起到分散压力的作用，所述上部垫板上设有圆孔，圆孔直径大于导水钢管直径，导水钢管可穿过圆孔。
5.根据权利要求1所述的适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置，其特征在于：所述水平应力加载***由液压千斤顶、两侧垫板和伺服加载控制***组成，所述伺服加载控制***与液压千斤顶连接，用于调节施加的水平应力大小，并保证实验过程中水平应力大小恒定；所述液压千斤顶一端与两侧U型钢板焊接，一端与两侧垫板焊接，液压千斤顶通过两侧垫板与模型接触，两侧垫板起到分散压力的作用。
6.根据权利要求1所述的适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置，其特征在于：所述水压力加载***由高压氮气罐和恒压水箱组成，所述恒压水箱中储存有水源，所述恒压水箱上设有进气口和出水口，所述恒压水箱的进气口与高压氮气罐连接以给恒压水箱提供恒定压力，所述恒压水箱的出水口通过导水钢管与模型中的高压富水岩溶空腔连接，所述高压氮气罐上安装有伺服压力控制阀以调节压力大小，并保证实验过程中水压力恒定。
7.根据权利要求1所述的适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置，其特征在于：所述渗压计采用微型渗压计。
8.一种突水灾害模拟的试验方法，其特征在于：所述突水灾害模拟的试验方法基于权利要求1-7中任意一项所述的适用于高压富水岩溶区大型洞室突水模拟试验装置，并包括如下步骤：
步骤一：模型试验装置安装
按照模型试验装置设计尺寸，通过地锚和螺母将左右两侧U型钢板固定在地面，在左右两侧U型钢板上分别设置3台液压千斤顶，通过焊接方式与U型钢板固定，液压千斤顶在垂直方向上均匀分布，液压千斤顶另一端设置有垫板，通过焊接方式与液压千斤顶固定；
将试验装置后面的平面钢板上设置的螺栓孔与左右两侧U型钢板上的螺栓孔对齐，通过螺栓和螺母进行固定；
将试验装置前面的有机玻璃板上设置的螺栓孔与左右两侧U型钢板上的螺栓孔对齐，通过螺栓和螺母进行固定，其中需安装加劲肋板部位的螺栓先不安装；
将试验装置前面的两块加劲肋板，通过螺栓和螺母固定到试验装置上；
步骤二：模型试样制作与水压力监测仪器埋设
根据相似准则选择模型的相似材料及确定材料配比：
变形相似关系：
式中，Cl为几何相似比，Cr为容重相似比，Cε为应变相似比，Cu为位移相似比，
为内摩擦角相似比，Cc为粘聚力相似比，Cσ为应力相似比，CE为弹性模量相似比；
流固耦合相似关系：
式中：Ck为渗透系数相似比；
可以采用河沙、黏土、水泥和水配制模型岩体相似材料；
模型浇筑前需对试验装置内部接缝处进行防水处理，可以在接缝处设置吸水膨胀橡胶；
将配制好的相似材料倒入模型试验装置，自下而上分层浇筑，每层浇筑厚度以10～20cm为宜，并在分层浇筑面进行拉毛处理；
当模型浇筑到岩溶空腔和地下洞室所在位置时，开始进行岩溶空腔的埋设，岩溶空腔采用高密度吸水海绵预制，可以根据实际情况预制不同大小、不同形状的岩溶空腔；预埋导水钢管，导水钢管一端与岩溶空腔连接，另一端位于模型外部；在岩溶空腔和地下洞室之间埋设微型渗压计，微型渗压计通过数据线与数据采集***连接，数据线沿模型外边界铺设，降低对试验结果的影响；
继续浇筑模型直至设计高度，然后对模型进行养护7天；
步骤三：初始地应力场施加
将反力桁架安装到试验装置顶部，通过螺栓和螺母将反力桁架固定到两侧的U型钢板上，在模型顶部放置上部垫板，导水钢管穿过上部垫板的圆孔，在上部垫板与反力桁架之间均匀放置3台液压千斤顶；
将模型上部液压千斤顶和左右两侧液压千斤顶分别与伺服加载控制***连接，分别逐级施加垂直应力和水平应力至设计值，稳压24小时，使模型受力均匀；
步骤四：进行突水模拟试验
在预留部位进行开挖，形成地下洞室；
将水压力加载***与导水钢管连接，并对连接处进行密封处理；
根据试验设计，通过高压氮气罐进行水压力施加，通过伺服压力控制阀调节水压力大小；水压力采取逐级施加方式，每次增加2kPa，每级荷载施加过程中，通过数据采集***实时采集岩体中的孔隙水压力，待各测点孔隙水压力稳定后，再进行下一级荷载施加，直至发生突水灾害，试验结束。
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