一種模擬隧道突水的可視化模型試驗裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于隧道工程地質災害模型試驗領域，具體涉及一種模擬隧道突水的可視化模型試驗裝置。
【背景技術】
[0002]隨著交通和水利水電重大基礎設施工程的建設，我國已成為世界上隧道修建規模與難度最大的國家。特別是隨著重大工程建設重心向地形地質極端復雜的西部山區與巖溶地區轉移，正在或即將修建大量的高風險深長隧道工程，建設過程中極易遭遇突水重大災害，嚴重影響了隧道工程建設安全。
[0003]隧道是一個長條形地下建筑物，沿線工程地質條件復雜，施工過程中經常會遇到巖溶或斷層破碎帶等富水構造，在控水構造和高水壓力作用下，隧道開挖擾動易誘發突水災害。目前國內外對突水機理的研宄側重于災變的發生條件和影響因素，并逐步認識到隧道掌子面與致災構造之間防突巖體結構的重要性。但由于突水災變過程的非線性和強復雜性特征，災變演化規律不清楚，其災害發生機理難以突破。因此，亟待研宄強富水條件下隧道突水災變演化機理與圍巖破裂行為，揭示防突巖體結構破壞突水效應與漸進演化過程。目前關于研宄水壓、防突巖體物理力學特性及結構特征等與防突厚度關系的研宄鮮見報道，特別是定量研宄隧道突水的模型試驗尚不多見，對于隧道突水災害臨突判據和最小安全厚度分析方法的研宄，缺乏專業的試驗裝置。
【發明內容】
[0004]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種模擬隧道突水的可視化模型試驗裝置，通過進水管和透明的模型箱以及監控裝置，一邊模擬滲水一邊檢測突水通道的形成狀況，并了解相關信息，解決現有技術中缺乏實驗裝置的問題。
[0005]技術方案:為實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0006]一種模擬隧道突水的可視化模型試驗裝置，其特征在于，包括透明的模型箱、水箱、收集裝置和監控裝置；長方體的模型箱箱體密封，箱體內填充有流固耦合相似材料；模型箱通過進水管與水箱連接；
[0007]模型箱包括箱體和可拆卸的箱體上蓋，該箱體上蓋與箱體之間密封；進水管從箱體一側的中心伸入；箱體另一側位于收集裝置上方；箱體內側均勻設置有一組U型的玻璃隔擋，所述玻璃隔擋上布置有若干透水孔，該透水孔的開孔方向與進水管進水方向相同；
[0008]進水管由水箱接出，依次連接控制閥和高壓水泵，最后伸入模型箱箱體；
[0009]收集裝置包括水量和充填物流失收集容器以及數顯電子秤，所述水量和充填物流失收集容器置于數顯電子秤上；
[0010]監控裝置包括設置在模型箱內腔的滲壓傳感器、微型土壓力傳感器、光纖光柵位移傳感器和位于箱體外的數字照相非接觸量測系統。
[0011]進一步的，本發明包括一個流量計；高壓水泵提供的高壓水通過流量計后進入模型箱中。流量計能夠直觀的掌握進入水箱的水量，達到測量進水量的目的。
[0012]進一步的，模型箱采用鋼化玻璃制作而成，模型箱箱體與上蓋之間通過橡膠密封墊密封，并通過螺栓固定。通過鋼化玻璃可以更加直觀地觀察突水過程中防突巖體的漸進性破壞過程。玻璃箱體上蓋可以拆卸，便于材料的填充，同時采用橡膠密封墊保證了密封效果，防止實驗過程滲水。
[0013]進一步的，進水管伸入箱體的進水管末端，包括一個花灑狀出水口，該出水口端面均勻布置有出水小孔。花灑結構保證了高壓水出水均勻，使水能夠均勻的滲流。
[0014]進一步的，模型箱通過一個鋼架支座支撐。鋼架支座使得整個模型箱固定。其下方采用水量和充填物流失收集容器進行實時收集，且收集容器直接放在數顯電子秤上，每1s讀取一次數據，可對試驗過程中水和流失顆粒的重量進行實時稱量。
[0015]進一步的，一組玻璃隔擋為均勻布置的五道隔擋，所述隔擋橫截面是邊長為20mm的正方形；隔擋上分布若干透水孔，其孔徑為2mm。箱體內的玻璃隔擋，可模擬一定水壓下不同防突巖體厚度的突水情況。另外，玻璃隔擋起到兩方面作用:一方面可防止高壓水作用下流固耦合材料和玻璃箱體間摩擦力過小而發生整體滑動，有利于突水通道的形成；另一方面通過在隔擋上設計若干透水孔，可實現高壓水的順暢滲流。
[0016]有益效果:
[0017](I)模型箱主體采用透明的鋼化玻璃，可以更加直觀地觀察突水過程中防突巖體的漸進性破壞過程。玻璃箱體上蓋可以拆卸，便于材料的填充，同時采用橡膠密封墊保證了密封效果。
[0018](2)箱體內的玻璃隔擋，可模擬一定水壓下不同防突巖體厚度的突水情況。另外，玻璃隔擋起到兩方面作用:一方面可防止高壓水作用下流固耦合材料和玻璃箱體間摩擦力過小而發生整體滑動，有利于突水通道的形成；另一方面通過在隔擋上設計若干透水孔，可實現高壓水的順暢滲流。
[0019](3)該模型可以定量研宄水壓、防突巖體物理力學特性及結構特征與防突厚度的相關關系，通過多種工況的模擬試驗，可建立隧道突水災害臨突判據和最小安全厚度分析方法。
[0020](4)模型中采用非接觸數字照相量測系統，并采用相應的后處理分析軟件，實現隧道突水過程中位移場的全場監控。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明的結構示意圖；
[0022]圖2為本發明整體俯視示意圖；
[0023]圖3為進水管構造示意圖
[0024]圖4為玻璃隔擋構造示意圖；
[0025]圖5為整個裝置的三維構造示意圖；
[0026]圖中，1-模型箱；2_水量和充填物流失收集容器；3_高壓水泵；4_進水管；5_流量計；6_玻璃隔擋；7_流固耦合相似材料；8_控制閥；9_滲壓傳感器；10-微型土壓力傳感器；11-光纖光柵位移計；12_出水口 ； 13-透水孔；14-橡膠密封墊；15_螺栓；16_水箱；17-數顯電子秤；18-鋼架支座。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0028]如圖1、圖2、圖3和圖4所示，一種模擬隧道突水的可視化模型試驗裝置，其特征在于，包括透明的模型箱1、水箱16、收集裝置和監控裝置；長方體的模型箱I箱體密封，箱體內填充有流固耦合相似材料7 ;模型箱I通過進水管4與水箱16連接；
[0029]模型箱I包括箱體和可拆卸的箱體上蓋，該箱體上蓋與箱體之間密封；進水管從箱體一側的中心伸入；箱體另一側位于收集裝置上方；如圖4所示，箱體內側均勻設置有一組U型的玻璃隔擋6，所述玻璃隔擋6上布置有若干透水孔13，該透水孔13的開孔方向與進水管4進水方向相同；
[0030]所述進水管4由水箱16接出，依次連接控制閥8和高壓水泵3，最后伸入模型箱I箱體；
[0031]所述收集裝置包括水量和充填物流失收集容器2以及數顯電子秤17，所述水量和充填物流失收集容器2置于數顯電子稱17上；
[0032]所述監控裝置包括設置在模型箱I內腔的滲壓傳感器9、微型土壓力傳感器10、光纖光柵位移傳感器11和位于箱體外的數字照相非接觸量測系統。
[0033]進一步的，一個流量計5 ;高壓水泵3提供的高壓水通過流量計5后進入模型箱I中。高壓水泵提供的高壓水通過流量計后進入模型箱中。流量計能夠直觀的掌握進入水箱的水量，達到檢測水量的目的。
[0034]進一步的，模型箱I采用鋼化玻璃制作而成，模型箱I箱體與上蓋之間通過橡膠密封墊14密封，并通過螺栓15固定。通過鋼化玻璃可以更加直觀地觀察突水過程中防突巖體的漸進性破壞過程。玻璃箱體上蓋可以拆卸，便于材料的填充，同時采用橡膠密封墊保證了密封效果，防止實驗過程滲水。
[0035]如圖3所示，進水管4伸入箱體的進水管4末端，包括一個花灑狀出水口 12，該出水口 12端面均勻布置有出水小孔。花灑結構保證了高壓水出水均勻，使水能夠均勻的滲流。
[0036]進一步的，模型箱I通過一個鋼架支座18支撐。鋼架支座使得整個模型箱固定。其下方采用水量和充填物流失收集容器進行實時收集，且收集容器直接放在數顯電子秤上，每1s讀取一次數據，可對試驗過程中水和流失顆粒的重量進行實時稱量。
[0037]進一步的，一組玻璃隔擋6為均勻布置的五道隔擋，所述隔擋橫截面是邊長為20mm的正方形；所述透水孔13孔徑為2mm。箱體內的玻璃隔擋，可模擬一定水壓下不同防突巖體厚度的突水情況。另外，玻璃隔擋起到兩方面作用:一方面可防止高壓水作用下流固耦合材料和玻璃箱體間摩擦力過小而發生整體滑動，有利于突水通道的形成；另一方面通過在隔擋上設計若干透水孔，可實現高壓水的順暢滲流。
[0038]一種模擬隧道突水的可視化實驗方法，如圖5所示，定義該箱體上蓋一側為頂側，與頂側相對一側為底側，進水一側為左側