隧道突水對地下水環境影響監測模型試驗裝置及試驗方法
【專利摘要】本發明公開了一種隧道突水對地下水環境影響監測模型試驗裝置及試驗方法，包括一個地下水試驗整體模型架，在地下水試驗整體模型架內設有一個地下水通道模型，地下水通道模型的入口端跟安裝在整體模型架頂部的水箱相接，出口端連接隧道模型，在地下水通道模型的上表面鋪設一層細石子；隧道模型架上安置一個地下水水位監測裝置；在地下水試驗整體模型架內設有一個與地下水通道垂直的CT探測裝置；所述的試驗整體模型架是防腐木材料，同時在其內側刷兩層絕緣漆，包裹防水布，組成防滲水組合；在隧道口外安置一個水槽，用來儲存因突水而流出的地下水，并通過水泵抽回水箱，循環使用。
【專利說明】隧道突水對地下水環境影響監測模型試驗裝置及試驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種地下水環境監測模型試驗裝置，具體涉及一種通過電阻率CT方法監測隧道突水對地下水環境影響的模型裝置，屬于模型試驗【技術領域】。
【背景技術】
[0002]近年來，在交通、水電等領域修建的隧道工程越來越多，面臨的地質條件也越發復雜，在隧道開挖施工過程中，容易出現無法預料的工程地質災害，如突水、突泥、坍塌等。我國是隧道等地下工程突水災害最嚴重的國家之一，突水突泥災害不僅會在各類隧道等地下工程中造成人員傷亡和經濟損失，還會帶來嚴重得環境破壞。當地下水流失后，水位下降，在隧道掌子面上方，地表往往會出現塌陷或小的塌坑，同時伴隨地表水的流失，出現小河斷流、水井干涸等等。如何在隧道等地下工程施工過程中，減少突水帶來的環境破壞和經濟損失，是隧道施工中必須面對的難題。目前，國內外在應對突水狀況的問題上，普遍將研究重點放在如何快速堵水，保證隧道內施工人員的安全及減小設備財產損失方面。而對突水造成的地下水環境惡化方面，沒有足夠的研究，更加沒有行之有效的監測方法，這仍然是國內外隧道等地下工程領域亟待解決的重大問題。事實證明，我們需要在整個施工過程中，對地下水環境進行監測。工程實際監測無疑是最客觀且直接的研究方法，但由于事先并不知道含水構造的位置和規模，且容易受到實際探測目標體多解性的干擾，難以獲得理想的試驗效果。數值模擬方法是一種從實際研究對象抽象出數值模型進行研究的方法，但其并不適用于監測試驗研究。模型試驗是指在實驗室條件下，用不同比例尺的模型對實際工況進行研究的重要科學方法，其優勢在于可再現原型的各種現象與過程，可人為控制試驗參量，試驗條件設定靈活。為了能夠更好的了解地下工程突水對地下水環境的影響，需要開展一系列的物理模型試驗，而一個好的物理模型實驗裝置往往能起到事半功倍的效果。物理模型實驗裝置是完成隧道突水對地下水環境影響監測試驗的關鍵，其設計搭建是試驗進行的核心內容，在前人沒有進行過類似試驗的前提下，開發一個可以實現地下水環境監測的物理模型，對隧道等地下工程的進步具有重要的價值。
【發明內容】
[0003]針對上述問題，提出了隧道突水對地下水環境影響的模型試驗，利用電阻率跨孔CT探測方法對隧道突水過程和封堵過程中地下水水位的變化進行監測成像，采用電阻率跨孔CT時間推移反演方法處理數據。針對監測試驗的技術指標，模擬實際的隧道開挖環境，本發明提出了一種模擬隧道開挖發生突水災害前中后期地下水環境變化的模型試驗裝置。
[0004]為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0005]隧道突水對地下水環境影響監測模型試驗裝置，包括一個地下水試驗整體模型架，在所述的地下水試驗整體模型架內設有一個地下水通道，所述的地下水通道的入口端連接安裝在整體模型架頂部的試驗水箱，出口端連接隧道模型，在所述的地下水通道的上平面上鋪設有一層細石子；所述的地下水試驗整體模型架的側壁上安裝有一個與地下水通道相連通的地下水位監測裝置；在所述的地下水試驗整體模型架內設有一個垂直穿過地下水通道的CT探測裝置；所述的試驗整體模型架是防腐木材料，同時在其內側刷兩層絕緣漆，包裹防水布，組成防滲水組合；在隧道口外安置一個水槽，用來蓄存因突水而流出的地下水，并通過水泵抽回水箱，循環使用。
[0006]所述的地下水通道包括一條長3.6m,直徑40cm，由三層土工布制作而成的單側開口的圓布筒，在所述圓布筒的筒內裝填大塊碎石，將整個通道支撐起來，進而在圓布筒內部形成地下水流通的管道，而土工布用來隔絕水和土層，避免大部分土顆粒進入導水通道發生堵塞。
[0007]所述開挖隧道模型，主要包括一段PVC管，在其一側充填灰漿進行封堵，并將封堵的一側跟導水通道相連接，通過在PVC管上刻凹槽來固定土工布。
[0008]所述防滲水組合，主要包括整體地下水環境模型的防腐木架子，在其內壁涂兩層絕緣漆，再將防水布貼于四壁，底部是一層灰漿，這套組合基本能夠有效阻止模型內水的流失，保證試驗效果。
[0009]所述CT探測裝置，即CT探測裝置，用于探測地下水通道的位置，以及地下水水位的高低；包括一根PVC套管，沿套管軸向打多(探測電極數目)個小孔，用來安裝銅電極，銅電極的一端帶有凹槽，每根銅棒上的凹槽均綁縛銅芯導線，引出并做好編號，另一端連接到探測電纜上。
[0010]所述地下水環境監測裝置，包括埋在土層中的PVC集水管，顯示地下水水位高度的玻璃量管和連接集水管與量管的閥門，PVC集水管較細長，在其管壁打滿小細孔，用透水性較好的防塵布包裹后埋在地下水環境模型的底部，利用其連通器原理便可以反映地下水的水位。
[0011]在試驗開展之前，先將整個地下水環境監測模型搭建好，具體的導水通道和隧道的數目及位置根據試驗需要進行排布。試驗進行前，先通過地面探測找出導水通道的位置，而后將地下水輸送到導水通道中。當地下水的水位到達一定高度，隨即在隧道掌子面的不同高度開鑿，模擬因突水而造成的地下水流失。最后進行掌子面的封堵，使地下水水位回升，監測整個地下水水位的變化過程，具體過程如下:
[0012]一種利用隧道突水對地下水環境影響的監測模型試驗方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0013]第一步，確定所研究地域的水文地質情況，地下水通道走向以及隧道跟地下水通道的相對位置，存在的含水構造；
[0014]第二步，確定模型材料、地下水通道及隧道模型的尺寸以及土和石子的用量；
[0015]第三步，模型試驗前期的準備，包括地下水通道和隧道模型的制作，準備CT探測裝置、準備水位測量管以及準備數據采集處理設備；
[0016]第四步，進行模型試驗。
[0017](4-1)在模型架內壁刷兩層絕緣漆，晾干后覆蓋一層防水布，同時在模型架底部覆蓋一層1cm厚的灰衆。
[0018](4-2)將試驗土每20cm—層均勻攤鋪在模型架內，并用小型夯機夯實；待試驗土充填至地下水通道、隧道模型或水位集水管底部所在位置后，放置這些裝置，同時埋設CT探測裝置；在地下水通道鋪設完畢后，在其上鋪一層1cm厚的細石子，方便CT探測地下水水位升降，同時在地下水通道兩側外壁涂一層灰漿，減少通道兩側滲水；最后再將試驗土覆蓋至模型架頂端。
[0019](4-3)將CT探測裝置的引出線與量測儀器主機連接；將水箱放置在地下水通道口，在水箱中注滿清水，將水泵的抽水端放置在隧道口的蓄水槽內，輸水端則放入水箱內。
[0020](4-4)利用CT探測裝置找出地下水通道的確切位置。
[0021](4-5)向地下水通道內不斷注水，直到地下水環境監測裝置反映地下水水位已經高于隧道模型頂部，并且達到CT探測剖面上部預定位置。
[0022](4-6)在隧道模型的灰漿封堵面，即掌子面自上而下三個不同高度的位置開孔，將地下水通道內的水位控制在不同的開孔高度，而后進行CT探測，獲得CT探測剖面的反演成像。
[0023](4-7)將隧道模型掌子面上的三個開孔自下而上依次進行封堵，從而使水位分三個階段回升至原位置，并在三個階段分別進行CT探測，獲得CT探測剖面的反演成像。
[0024]本發明的有益效果:
[0025]1.本發明針對地下水環境監測試驗，提出了一種地下水環境監測模型，其包括地下水通道模型，PVC及灰漿制作的開挖隧道模型，PVC管及銅電極制作的CT探測裝置，地下水環境監測裝置，以及由防水布、絕緣漆及防腐木組成的防滲水組合。這些設計基本能夠還原隧道開挖遇到突水災害后，地下水環境的變化過程，整個實驗設計簡單、可靠，試驗現象方便監測。
[0026]2.本發明提出了一種地下水通道模型，三層土工布可以有效阻隔大部分土顆粒，保證導水通道的暢通，同時在導水通道兩側的土工布上涂抹灰漿，在導水通道上方鋪設細小石子，可以更為真實的模擬地下水下降過程，不會因地下水位的降低而引起大面積的塌陷，而土工布碎石組成的導水通道可以很好的模擬巖石中的縫隙導水的情形，并且其支撐起的導水空間相對穩定，更為重要的是它的形狀不受限制，可以根據需要來設定導水通道的傾斜和彎曲程度。
[0027]3.本發明提出了一種開挖隧道模型，通過灰漿層封堵來模擬開挖掌子面，灰漿封堵的一側跟導水通道相連，模擬突水時在開挖掌子面的不同高度將灰漿封堵層鑿穿，需要將地下水水位回升時再用錐形塞子進行封堵。
[0028]4.本發明提出了一種PVC材料與布料的連接方法，通過在PVC管上刻一圈凹槽，將布料包裹在PVC管外壁，再用鐵絲將布料在凹槽處扎緊，這樣可以方便有效得將布料與PVC
管連接在一起。
[0029]5.本發明提出了一種CT探測裝置，即CT探測裝置，包括PVC套管，銅電極，以及銅芯導線，通過簡單的打孔、安裝、接線，便可制作完成，簡單、實用。
[0030]6.本發明提出了一種防腐木、絕緣漆、防水布的防滲水組合，在模型架底部鋪設一層灰漿，可以有效保持模型內水量，防止因滲水導致試驗結果不準確。
[0031]7.本發明提出了一種地下水環境監測裝置，通過集水管、閥門和量管的組合，形成連通器，從而反映地下水的水位，這種裝置制作簡便，安裝方便，水位顯示較為準確。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]圖1本發明的結構框圖；
[0033]圖2本發明整體的側視圖；
[0034]圖3本發明整體的俯視圖；
[0035]圖4本發明的開挖隧道模型圖；
[0036]圖5本發明CT探測裝置的結構圖。
[0037]圖中，1.地下水通道模型，2.開挖隧道模型，3.地下水試驗整體模型架，4.CT探測裝置，5.地下水水位測量管，6.細石子覆蓋層，7.水箱8.隧道模型PVC管，9.隧道內充填灰漿，10.隧道外壁凹槽，11.CT探測裝置PVC管，12.CT探測銅電極，13.匯總的電極連接線。
【具體實施方式】
[0038]下面通過具體實例和附圖對本發明進行進一步的闡述。
[0039]本發明所述的一種隧道突水地下水環境監測模型，如圖1，其包括地下水環境模型，地球物理探測模塊，即CT探測裝置4和地下水環境監測模塊，即水位監測裝置5。
[0040]所述地下水環境監測模型，主要包括地下水試驗整體模型架3，在地下水試驗整體模型架3內設有土工布碎石地下水通道I ;PVC及灰漿制作的隧道模型2 ;地下水水位測量管5 ；PVC套管及銅電極制作的CT探測裝置4 ；以及由防水布、絕緣漆及防腐木組成的防滲水組合；在所述的地下水通道的上平面上鋪設有一層細石子覆蓋層6，地下水通道的入口端連接安裝在整體模型架頂部的試驗水箱7，模型側壁安裝有水位測量管5和隧道模型2，水位測量管5跟地下水通道I連通；模型中圍巖材料為粘土，用包裹碎石子的土工布模擬地下水通道1，利用水箱7持續供水。在隧道口外安置一個水槽，用來儲存因突水而流出的地下水，并通過水泵抽回水箱7，循環使用。
[0041]如圖4所示，所述PVC灰漿隧道模型包括長60cm，直徑20cm的一段PVC管8，在其一側充填灰漿9進行封堵，并把封堵后的一端接入地下水通道，通過在PVC管上刻一圈凹槽10，將布料包裹在PVC管外壁，再用鐵絲將布料在凹槽處扎緊，這樣可以將布料與PVC管緊密連接在一起。
[0042]如圖5所示,所述CT探測裝置包括一根1.2m長,直徑5cm的PVC套管11,沿套管11軸向打14個直徑約7，8mm的孔，用來安裝銅電極12。銅電極12是長5cm，直徑8mm，一端帶有凹槽的銅棒，每根銅棒上的凹槽均綁縛銅芯導線13，做好編號并從一端引出，跟量測儀器主機相接。
[0043]所述地下水水位測量管，包括埋在土層中的PVC集水管，顯示地下水水位高度的玻璃量管和連接集水管跟玻璃量管的閥門，PVC集水管約有Im長，在其管壁打滿直徑約6，7mm的小孔，用透水性較好的防塵布包裹后埋在地下水環境模型的底部，利用其連通器原理，通過玻璃量管便可以反映地下水的水位，顯示整個模型中的地下水水位標高。
[0044]所述地下水通道模型包括一條長3.6m,直徑40cm，由三層土工布制作而成的單側開口的圓布筒，筒內裝填大塊碎石，將整個通道支撐起來，內部成為地下水流通的管道，而土工布用來隔絕水和土層，避免大部分土顆粒進入導水通道發生堵塞。
[0045]所述防滲水組合就是整個地下水環境模型的防腐木架子，在其內壁涂兩層絕緣漆，再將防水布貼于四壁，底部是一層1cm厚的灰漿，這套組合基本能夠防止模型大量滲水，保證試驗的效果。
[0046]所述的由隧道突水對地下水環境影響的監測模型試驗方法，包括以下步驟:
[0047]第一步，確定所研究地域的水文地質情況，地下水通道走向以及隧道跟地下水通道的相對位置，存在的含水構造或裂隙、斷層等不良地質情況；
[0048]第二步，確定模型的數量和材料，地下水通道及隧道模型的形狀和尺寸，土和石子的用量；
[0049]第三步，模型試驗前期的準備，包括地下水通道和隧道模型的制作，準備CT探測裝置、水位測量管以及數據采集處理設備；
[0050]第四步，進行模型試驗，包括以下幾個步驟:
[0051](4-1)在模型架內壁刷兩層絕緣漆，晾干后覆蓋一層防水布，同時在模型架底部鋪設一層1cm厚的灰衆。
[0052](4-2)將試驗土每20cm —層均勻攤鋪在模型架內，并用小型夯機夯實；待試驗土充填至地下水通道、隧道模型或水位集水管底部所在位置后，放置這些裝置，同時埋設CT探測裝置；在地下水通道鋪設完畢后，在其上鋪一層1cm厚的細石子，方便CT探測地下水水位升降，同時在地下水通道兩側外壁涂一層灰漿，減少通道兩側滲水；最后再將試驗土覆蓋至模型架頂端。
[0053](4-3)將CT探測裝置的引出線與量測主機連接；將水箱放置在地下水通道口，在水箱中注滿清水，將水泵的抽水端放置在隧道口的蓄水槽內，輸水端則放入水箱內。
[0054](4-4)利用CT探測裝置找出地下水通道的確切位置，作為試驗的背景場，方便比較后面反演得出的圖像。
[0055](4-5)向地下水通道內不斷注水，直到地下水環境監測裝置反映地下水水位已經高于隧道模型頂部，并且達到CT探測剖面上部預定位置。
[0056](4-6)在隧道模型的灰漿封堵面，即掌子面上三個不同高度的位置分三次開挖，順序為掌子面頂部挖通、掌子面中部挖通、掌子面底部挖通，將地下水通道內的水位控制在不同的開挖高度，而后進行CT探測，獲得CT探測剖面的反演成像。
[0057](4-7)將隧道模型掌子面上的三個開孔分三次進行封堵，順序為掌子面底部封堵、掌子面中部封堵、掌子面頂部封堵，從而使水位分三個階段回升至原位置，并在三個階段分別進行CT探測，獲得CT探測剖面的反演成像。
【權利要求】
1.隧道突水對地下水環境影響監測模型試驗裝置，其特征是，包括一個地下水試驗整體模型架，在所述的地下水試驗整體模型架內設有一個地下水通道，所述的地下水通道的入口端連接安裝在整體模型架頂部的試驗水箱，出口端連接隧道模型；所述的地下水試驗整體模型架的側壁上安裝有一個與地下水通道相連通的地下水位監測裝置；在所述的地下水試驗整體模型架內設有一個用于探測地下水通道的確切位置和地下水真實水位的探測裝置；在隧道口外安置一個用來蓄存因突水而流出的地下水的水槽，水槽內的水被抽回試驗水箱，循環使用。
2.如權利要求1所述的隧道突水對地下水環境影響監測模型試驗裝置，其特征是，所述的地下水通道由三層土工布制作而成的單側開口的圓布筒，在所述圓布筒的筒內裝填大塊碎石，將整個通道支撐起來，進而在圓布筒內部形成地下水流通的管道，所述的土工布用來隔絕水和土層，避免大部分土顆粒進入導水通道發生堵塞。
3.如權利要求1所述的隧道突水對地下水環境影響監測模型試驗裝置，其特征是，所述的隧道模型包括一個PVC管，在其一側充填灰漿，并沿直徑方向依次預留多個的孔洞，用暖瓶塞密封好，另一側刻一圈用來綁縛土工布的凹槽。
4.如權利要求3所述的隧道突水對地下水環境影響監測模型試驗裝置，其特征是，所述的隧道模型與地下水通道的連接通過將布料包裹在PVC管外壁上，在PVC管的凹槽處用鐵絲將布料扎緊，從而將布料與PVC管牢固連接在一起。
5.如權利要求3所述的隧道突水對地下水環境影響監測模型試驗裝置，其特征是，所述的地下水水位監測裝置包括埋在土層中的U形集水管、顯示地下水水位高度的玻璃量管和連接集水管與玻璃量管的閥門。
6.如權利要求5所述的隧道突水對地下水環境影響監測模型試驗裝置，其特征是，所述的集水管，在其管壁打滿小孔，用透水性較好的防塵布包裹后埋在地下水環境模型的底部。
7.如權利要求1所述的隧道突水對地下水環境影響監測模型試驗裝置，其特征是，所述的探測裝置為CT探測裝置，包括一根套管，沿套管軸向打多個用于安裝銅電極的孔，所述的銅電極一端為帶有凹槽的銅棒，每根銅棒上的凹槽均綁縛銅芯導線，引出并做好編號，另一端連接到探測電纜上。
8.如權利要求1所述的隧道突水對地下水環境影響監測模型試驗裝置，其特征是，所述的防滲水組合其主體是整個地下水環境模型的防腐木架子，在其內壁涂兩層絕緣漆，再將防水布貼于四壁，底部是一層灰衆。
9.一種利用權利要求1所述的由隧道突水對地下水環境影響的監測模型試驗方法，其特征在于:包括以下步驟: 第一步，確定所研究地域的水文地質情況，地下水通道走向以及隧道跟地下水通道的相對位置，存在的含水構造； 第二步，確定模型材料，地下水通道及隧道模型的尺寸，土和石子的用量； 第三步，模型試驗前期的準備，包括地下水通道和隧道模型的制作，準備CT探測裝置、準備水位測量管以及準備數據采集處理設備； 第四步，進行模型試驗；具體如下: (4-1)在模型架內壁刷兩層絕緣漆，晾干后覆蓋一層防水布，同時在模型架底部覆蓋一層灰漿； (4-2)將試驗土均勻攤鋪在模型架內，并用小型夯機夯實；待試驗土充填至地下水通道、隧道模型或水位集水管底部所在位置后，放置上述裝置，同時埋設CT探測裝置；在地下水通道鋪設完畢后，在其上鋪一層細石子，方便CT探測裝置探測地下水水位升降，同時在地下水通道兩側外壁涂一層灰漿，減少通道兩側滲水；最后再將試驗土覆蓋至模型架頂端; (4-3)將CT探測裝置的引出線與量測儀器主機連接；將水箱放置在地下水通道口，在水箱中注滿清水，將水泵的抽水端放置在隧道口的蓄水槽內，輸水端則放入水箱內； (4-4)利用CT探測裝置找出地下水通道的準確位置； (4-5)向地下水通道內不斷注水，直到地下水環境監測裝置反映地下水水位已經高于隧道模型頂部，并且達到CT探測剖面上部預定位置； (4-6)在隧道模型的灰漿封堵面，即掌子面自上而下三個不同高度的位置開孔，將地下水通道內的水位控制在不同的開孔高度，而后進行CT探測，獲得CT探測剖面的反演成像；(4-7)將隧道模型掌子面上的三個開孔自下而上依次進行封堵，從而使水位分三個階段回升至原位置，并在三個階段分別進行CT探測，獲得CT探測剖面的反演成像。
【文檔編號】G01F23/288GK104459069SQ201410698584
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月26日 優先權日:2014年11月26日
【發明者】李術才, 王世睿, 劉征宇, 劉斌, 林春金, 聶利超, 陳磊, 田明禛, 范克睿 申請人:山東大學