CN114839126A - 一种用于模拟测试岩溶隧道背后水压力的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于模拟测试岩溶隧道背后水压力的试验装置,包括箱体、带孔隔板、隧道模型和升降水箱;带孔隔板将箱体分割为隧道空间和注水空间;注水空间的下部设置有进水口,通过管道连接到升降水箱的出水口;隧道模型设置有多个排水孔,外壁包裹土工布;隧道模型的外壁还环向设置孔隙水压力计和应变计;隧道模型的两端分别固定在箱体的隧道空间的两个对立面,且位于箱体的中下部;隧道模型的两端封闭,至少一端设置出水口;箱体的隧道空间中,隧道模型的外部还填埋土体。相对于现有技术,本发明能精确控制衬砌排水***的堵塞程度与堵塞位置,可以测量出各种堵塞情况下的水压力分布与衬砌应力;岩溶通道结构更接近真实溶腔。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域,特别是一种用于模拟测试岩溶隧道背后水压力的试验装置。
背景技术
在拥有许多典型的喀斯特地貌的区域,正是岩溶发育十分发达的区域,工程建设必然会遭遇许多岩溶地质带来的问题,其中就包括岩溶水结晶析出造成的排水堵塞问题。排水***堵塞后诱发病害不仅影响结构的正常使用功能,使排水不畅造成路面积水之类的隐患,更将带来附加水压力从而引起结构承载力问题。现有的关于岩溶结晶堵管的技术,更多着眼于防范结晶、清理结晶和结晶机理成因分析这三个方面。目前关于结晶堵塞带来的附加水压力监测,以及模拟探究水压力分布规律的实验装置和方法,难以精确控制排水***的堵塞程度,也难以模拟真实溶腔对隧道衬砌的影响。
论文《岩溶隧道衬砌水压及变形监测模型试验研究》(2020)中公开了一种岩溶隧道衬砌水压变形监测模型实验***。但是,该试验***不能体现排水***堵塞工况下的水压力变化,并且未模拟出实际工程中水压与土压共同作用在衬砌上的情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于模拟测试岩溶隧道背后水压力的试验装置,该试验装置应用于模拟岩溶区隧道排水***堵塞的情况,可精确控制排水***的堵塞程度与堵塞位置,并在此条件下,测量衬砌背后不同位置的孔隙水压和衬砌结构不同位置的应力,用以分析不同排水堵塞程度下的水压力分布规律率和结构受力特征,建立排水管堵塞与衬砌结构安全性之间的关联性。
实现本发明目的的技术方案如下:
一种用于模拟测试岩溶隧道背后水压力的试验装置,包括箱体、带孔隔板、隧道模型和升降水箱;带孔隔板将箱体分割为隧道空间和注水空间;注水空间的下部设置有进水口,通过管道连接到升降水箱的出水口;隧道模型设置有多个排水孔,外壁包裹土工布;隧道模型的外壁还环向设置孔隙水压力计和应变计;隧道模型的两端分别固定在箱体的隧道空间的两个对立面,且位于箱体的中下部;隧道模型的两端封闭,至少一端设置出水口;箱体的隧道空间中,隧道模型的外部还填埋土体。
进一步的技术方案,所述隧道模型包括二次衬砌和钢筋笼;二次衬砌的外壁与钢筋笼内壁形状相同,二次衬砌可嵌入到钢筋笼内壁;二次衬砌设置有多个排水孔,两端以止水密封盖封闭,至少一个止水密封盖设置出水口;钢筋笼的两端分别固定到箱体的隧道空间的两个对立面,其对应处还设置有用于嵌入或抽出二次衬砌的通孔;所述孔隙水压力计和应变计环向设置在二次衬砌的外壁,土工布包裹在钢筋笼外壁。
进一步的技术方案,还包括橡胶塞;所述橡胶塞用于封闭隧道模型的排水孔。
进一步的技术方案,还包括岩溶通道;所述岩溶通道设置有多个水孔,一端连接到隧道模型具有一个以上排水孔的位置,另一端连接到带孔隔板具有一个以上孔的位置。
进一步的技术方案,还包括第二带孔隔板;所述带孔隔板和第二带孔隔板将箱体分割为注水空间、隧道空间和第二注水空间;所述第二注水空间的下部设置有进水口,通过管道连接到升降水箱的出水口。
进一步的技术方案,所述箱体的注水空间还设置有可通过水泵供水的水泵进水口。
相对于现有技术,本发明的有益效果在于,
1.能精确控制衬砌排水***的堵塞程度与堵塞位置,可以测量出各种堵塞情况下的水压力分布与衬砌应力。
2.岩溶通道结构更接近真实溶腔:低水位时地下水能渗流进入岩溶通道,高水位时水直接通过岩溶通道落水口快速流动到衬砌背后。
3.箱体两侧的注水空间,可以快速提升箱内两侧的水位,大大提高渗流效率,也更接近真实的地下水渗流状态。
附图说明
图1为试验装置结构示意图。
图2为钢筋笼结构示意图。
图3为二次衬砌结构示意图。
图4为具体实施例中使用试验装置进行试验的流程图。
图中标识:1-箱体,2-带孔隔板,3-隧道模型,4-升降水箱,5-进水口,6-岩溶通道,7-孔隙水压力计,8-应变计。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
如图1,试验装置主要由箱体、升降水箱、隧道模型三个部分组成。
箱体尺寸为4m×2m×3m(长*宽*高),采用钢材制作,箱内两侧距箱边0.2m处分别焊有两块带孔的钢隔板,将实验土体隔绝在中间部分,方便在两侧观测箱内实际水位高度。
升降式水箱由立柱,固定在立柱上的可升降托板和水箱箱体组成,通过水管接入箱体施加边界水头高度H0,水箱可上下移动,从而实现不同的水头高度。同时水箱设置有溢水管,从而实现水头恒定。
本实施例的隧道模型,根据浙江临建高速石柱山隧道浅埋段隧道尺寸确定,几何相似比为1:70,左右两侧满足5倍洞径。隧道模型为双层,模拟复合式衬砌结构。当然,试验装置的隧道模型也可以根据试验要求,采用单层的衬砌结构。
1、隧道初期支护的模拟:采用马蹄形环状钢筋网笼(如图2),外侧包裹土工布。采用钢筋网笼的优点在于可以保证水自由通过。普通无纺布(100g/m2-600g/m2)渗透系数为1~9.9cm/s,即大于100m/d,透水性能远远大于本实验中土体(100倍以上),故本实施例使用普通无纺布,可以起到包裹土体,不让土体外漏,而水可以自由通过,不影响渗流试验效果。
2、隧道二次衬砌的模拟(如图3):全封闭马蹄形断面,采用双组份高渗透改性环氧树脂灌浆液一次性浇筑成型,长2m、宽18cm、高15cm,厚度为1cm。孔隙水压力计和应变计环向设置在二次衬砌的外壁。将环氧树脂隧道模型嵌入图2中的钢筋笼内壁。
3、二衬排水***的模拟:
方案1:排水***的模拟将采用“以孔代管”的方法,排水***不同堵塞程度采用不同密度的环向排水孔进行模拟。环氧树脂隧道模型两侧按间距开有排水孔(顶部不开孔),每隔5cm一环,每环10个排水孔对称布置。排水孔在试验前用橡胶塞先行封闭,模拟排水***完全堵塞的情况,然后再依次打开不同数量的排水孔,以实现排水***不同堵塞。堵塞程度通过收集测量隧道内涌水量加以量化。
二衬模型与箱体之间衔接处用防水胶密封,外盖止水密封盖,密封盖下端开小口连接橡胶管,收集隧道内通过排水孔渗出的水,通过测量固定时间内涌水量进一步量化模拟堵塞的程度。
方案2:预制多个不同排水孔数量和分布的隧道二衬模型,完成一个堵塞工况后直接抽出二衬模型,***新模型替换,以实现不同堵塞工况的模拟。
方案3:使用传动连杆连接排水孔的橡胶塞,无需打开密封盖即可控制排水孔的开闭,实现不同堵塞工况之间的快速切换。
4、流量相似模拟:根据流动相似性原理,模型尺寸确定了长度比例尺Cl=70,模型流动使用流体为原型流流体(复原现场岩溶水离子配比的水溶液)则流体密度比尺Cρ=1,黏性比尺Cν=1。结合本实验为地下渗流模型试验,故选用雷诺相似准则推算出模型流的流量等相关参数,具体相似比计算见下表:
表1模型试验相似常数
根据流量相似比例,可将隧道排水***的理论最大排水能力换算为模型排水孔全开时的预计涌水量。以浙江某高速公路隧道为例,其排水***理论最大泄水能力为8270m3/d,则理想状态下本隧道模型排水孔全开涌水量为1.68m3/d,即1.17L/min。故在实验中模拟堵塞工况,最高水头下若测得模型实际涌水量为0.819L/min和0.585L/min时,可近似视为排水***堵塞程度为70%和50%,以此类推。
5、岩溶通道(溶腔)的模拟:本实施例中,岩溶通道以上方密集钻孔的PVC管道模拟,从隧道模型拱肩位置连接至带孔隔板,在水位上升后——低水位工况或非强降雨工况下水流通过土体渗流进入岩溶通道,并在通道内汇聚直接作用至衬砌背后;强降雨工况下,箱体两侧水泵与箱底进水口同时供水,水位快速上升,水流从岩溶通道右侧直接灌入充满通道,可以模拟强降雨时雨水从落水口直接通过贯穿山体的溶腔,快速渗流至隧道衬砌背后,还原强降雨条件下地下水位骤升的情况。
试验装置的操作方法如图4所示:
试验装置安装完毕后,具体操作流程以一次完整的多堵塞工况下多个水位的模拟为例:
(1)试验开始,开始选取全堵塞工况(通常从堵塞最严重的工况开始),关闭所有排水孔(即所有孔内均有橡胶塞);
(2)关上隧道模型末端箱体上的密封盖;
(3)移动升降水箱,使水位处于工况的最低初始水头H0,多个水头工况时从最低水头开始逐步升高水位;
(4)非强降雨工况,只打开试验箱体下方进水口阀门;强降雨工况,同时打开箱体下进水口与两侧水泵;开始注水抬升箱体内水位,期间控制升降水箱水头H0恒定;
(5)试验箱内两侧水位达到H0后,开始读数,记录水压力计和应变计的读数;
(6)收集测量固定时间(如10min)隧道模型内流出的涌水量;
(7)抬升升降水箱,至下一水头工况H1、H2、H3…,待箱内两侧水位达到H1、H2、H3…后再次记录水压与应变读数,并测量10min内涌水量;
(8)完成全堵塞工况下的所有水位工况。关闭进水阀门,打开箱体排水口,排空箱内所有水,打开密封盖,调整开放的排水孔数量,依次模拟20%、40%、60%…堵塞工况,完成循环;
(9)完成所有堵塞工况与水位工况的模拟,提取整理所有水压力计、应变计和涌水量数据。
综上所述,
1.使用钢筋笼加土工布(或无纺布)模拟初支,环氧树脂浇筑隧道模型模拟二衬的双层衬砌模型结构;
2.根据“以孔代管”的原理,使用二衬上众多细小的排水孔模拟排水***;
3.用橡胶塞提前封闭排水孔,根据不同堵塞工况开放不同数量和分布的排水孔,达到单个二衬模型模拟多种堵塞工况;
4.二衬模型一体浇筑成型,可以同时测量衬砌背后水压力与结构应力(应变)。
本实施例能精确控制衬砌排水***的堵塞程度,可以实现工况的快速切换,并且能模拟强降雨条件下水位快速上升的复杂工况。
Claims (10)
1.一种用于模拟测试岩溶隧道背后水压力的试验装置,其特征在于,包括箱体、带孔隔板、隧道模型和升降水箱;带孔隔板将箱体分割为隧道空间和注水空间;注水空间的下部设置有进水口,通过管道连接到升降水箱的出水口;隧道模型设置有多个排水孔,外壁包裹土工布;隧道模型的外壁还环向设置孔隙水压力计和应变计;隧道模型的两端分别固定在箱体的隧道空间的两个对立面,且位于箱体的中下部;隧道模型的两端封闭,至少一端设置出水口;箱体的隧道空间中,隧道模型的外部还填埋土体。
2.如权利要求1所述的一种用于模拟测试岩溶隧道背后水压力的实验装置,其特征在于,还包括橡胶塞;所述橡胶塞用于封闭隧道模型的排水孔。
3.如权利要求1所述的一种用于模拟测试岩溶隧道背后水压力的实验装置,其特征在于,所述隧道模型包括二次衬砌和钢筋笼;二次衬砌的外壁与钢筋笼内壁形状相同,二次衬砌可嵌入到钢筋笼内壁;二次衬砌设置有多个排水孔,两端以止水密封盖封闭,至少一个止水密封盖设置出水口;钢筋笼的两端分别固定到箱体的隧道空间的两个对立面,其对应处还设置有用于嵌入或抽出二次衬砌的通孔;所述孔隙水压力计和应变计环向设置在二次衬砌的外壁,土工布包裹在钢筋笼外壁。
4.如权利要求3所述的一种用于模拟测试岩溶隧道背后水压力的实验装置,其特征在于,还包括橡胶塞;所述橡胶塞用于封闭二次衬砌的排水孔。
5.如权利要求3所述的一种用于模拟测试岩溶隧道背后水压力的实验装置,其特征在于,所述二次衬砌采用环氧树脂一次浇筑成型。
6.如权利要求5所述的一种用于模拟测试岩溶隧道背后水压力的实验装置,其特征在于,所述二次衬砌为多个,分别具有代表不同堵塞工况的排水孔数量和分布。
7.如权利要求1所述的一种用于模拟测试岩溶隧道背后水压力的实验装置,其特征在于,还包括岩溶通道;所述岩溶通道设置有多个水孔,一端连接到隧道模型具有一个以上排水孔的位置,另一端连接到带孔隔板具有一个以上孔的位置。
8.如权利要求1所述的一种用于模拟测试岩溶隧道背后水压力的实验装置,其特征在于,所述箱体的注水空间还设置有可通过水泵供水的水泵进水口。
9.如权利要求1所述的一种用于模拟测试岩溶隧道背后水压力的实验装置,其特征在于,还包括第二带孔隔板;所述带孔隔板和第二带孔隔板将箱体分割为注水空间、隧道空间和第二注水空间;所述第二注水空间的下部设置有进水口,通过管道连接到升降水箱的出水口。
10.如权利要求9所述的一种用于模拟测试岩溶隧道背后水压力的实验装置,其特征在于,所述第二注水空间还设置有可通过水泵供水的水泵进水口。
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CN115839822A (zh) * | 2023-02-27 | 2023-03-24 | 交通运输部公路科学研究所 | 一种强降雨诱发山岭隧道淹没与抽排过程试验***及方法 |
-
2022
- 2022-04-08 CN CN202210364484.2A patent/CN114839126A/zh active Pending
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