本發(fā)明涉及一種用于隧道及地下工程中突水突泥災(zāi)害綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置與操作方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)階段，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，大批水利水電工程、鐵路公路交通工程等重大基礎(chǔ)工程加快了建設(shè)步伐，這大大促進(jìn)了隧洞工程的建設(shè)。隨著水利水電和交通工程建設(shè)重心向地形地質(zhì)條件極端復(fù)雜的西部山區(qū)和巖溶地區(qū)轉(zhuǎn)移。在修建地下隧道工程或開(kāi)挖巷道時(shí)，施工中復(fù)雜的隧洞賦存環(huán)境極易誘導(dǎo)大規(guī)模、突發(fā)性的突水涌泥災(zāi)害，造成人員傷亡、工期延誤、機(jī)械設(shè)備損壞、投資費(fèi)用增加等諸多問(wèn)題。在實(shí)際工程中，突水涌泥對(duì)工程建設(shè)往往是不可忽略的。

地下工程模型試驗(yàn)是對(duì)地下工程進(jìn)行仿真模擬，指導(dǎo)地下工程設(shè)計(jì)和施工的一種有效的方法和手段。地下工程模型試驗(yàn)是按照相似比和相似理論將實(shí)際工程按照一定的比例縮小成一個(gè)模型，并對(duì)模型體進(jìn)行相應(yīng)的操作以模擬實(shí)際工程。我國(guó)學(xué)者開(kāi)展了大量的地下水滲流和突水涌泥災(zāi)害研究工作，但也存在明顯的弱點(diǎn)，不能對(duì)突水涌泥災(zāi)害發(fā)生過(guò)程進(jìn)行全方位的綜合監(jiān)測(cè)，對(duì)突水涌泥量發(fā)記錄也不夠及時(shí)準(zhǔn)確?，F(xiàn)階段，專(zhuān)家學(xué)者對(duì)于富水隧道災(zāi)變演變機(jī)制尚不太清楚，缺乏相關(guān)突水動(dòng)力災(zāi)變演化過(guò)程的分析方法和相關(guān)設(shè)備，尚未能提出對(duì)于突水涌泥災(zāi)害源隧道監(jiān)測(cè)的切實(shí)可行的技術(shù)手段。因此，有必要開(kāi)發(fā)一種更高效更優(yōu)性能的隧道及地下工程中突水突泥災(zāi)害綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置，以解決以上問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服上述技術(shù)的不足，提供一種操作簡(jiǎn)便、方便監(jiān)測(cè)的隧道及地下工程中突水突泥災(zāi)害綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置與操作方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種用于隧道及地下工程中突水突泥災(zāi)害綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置，包括：

模型箱，用于盛裝含水體相似材料來(lái)模擬巖體；

地應(yīng)力模擬系統(tǒng)，用于對(duì)模型箱系統(tǒng)內(nèi)的含水體相似材料實(shí)施一定的壓力，用于模擬地應(yīng)力；

注水裝置，用于向含水體相似材料內(nèi)注入一定量的水；所述注水裝置上裝有壓力控制器和流量控制閥，與伺服控制器相連，隨時(shí)對(duì)模擬的滲壓進(jìn)行控制；

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括設(shè)置在模型箱內(nèi)的傳感器和與模型箱內(nèi)部連通的泥水量收集裝置；對(duì)突水災(zāi)害發(fā)生前后的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與采集；

控制系統(tǒng)，用于對(duì)注水裝置進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

進(jìn)一步的，所述的地應(yīng)力模擬系統(tǒng)包括一個(gè)龍門(mén)式框架、外側(cè)滑軌和內(nèi)側(cè)滑軌，所述的龍門(mén)式框架的底部安裝在外側(cè)滑軌上能沿著外側(cè)滑軌移動(dòng)，模型箱安裝在內(nèi)側(cè)滑軌上能沿著內(nèi)側(cè)滑軌移動(dòng)，且在所述的龍門(mén)式框架上安裝有對(duì)所述模型箱實(shí)施壓力以模擬地應(yīng)力的液壓千斤頂。

進(jìn)一步的，在所述的龍門(mén)式框架的兩側(cè)壁和頂板上均固定液壓千斤頂，且液壓千斤頂與框架通過(guò)螺栓固定連接，為模型箱系統(tǒng)施加壓力，以模擬地應(yīng)力。

進(jìn)一步的，所述的含水體相似材料包括模擬巖體的相似材料，在所述的相似材料內(nèi)開(kāi)挖有多個(gè)洞室，且在材料內(nèi)布設(shè)若干含水體空腔，所述的含水體空腔通過(guò)裝滿(mǎn)可融鹽的氣球?qū)崿F(xiàn)，所述含水體空腔與供水裝置相連。

進(jìn)一步的，所述含水體相似材料系統(tǒng)的洞口形狀可依據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行預(yù)制，采用相似材料模擬巖體，按照洞口情況利用預(yù)先對(duì)相似材料進(jìn)行洞室開(kāi)挖，

進(jìn)一步的，所述模型箱為裝配式結(jié)構(gòu)，包括剛性鋼板以及底座，剛性鋼板以及底座由螺栓連接成一個(gè)矩形結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，在所述前側(cè)鋼板設(shè)置有玻璃視窗，玻璃視窗四周設(shè)置肋板，與鋼板連接牢固。

進(jìn)一步的，所述模型箱的前、后兩側(cè)鋼板預(yù)留開(kāi)挖洞口，用于與泥水收集裝置相連；

進(jìn)一步的，所述注水裝置上裝有壓力控制器和流量控制閥，與伺服控制器相連，隨時(shí)對(duì)模擬的滲壓進(jìn)行控制；

進(jìn)一步的，所述的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置還包括一個(gè)實(shí)時(shí)攝像系統(tǒng)：采用高清攝像儀記錄隧道突水突泥災(zāi)害發(fā)生過(guò)程，與計(jì)算機(jī)相連，結(jié)合收集到的數(shù)據(jù)，用于后期分析災(zāi)害演變規(guī)律以及預(yù)測(cè)預(yù)警提供依據(jù)。

進(jìn)一步的，所述泥水量收集裝置包括泥水收集管、過(guò)濾網(wǎng)、泥水收集箱，泥水收集管稍小于洞口斷面，嵌套在洞口內(nèi)，收集管端部與前后兩側(cè)鋼板由螺栓連接，兩層過(guò)濾網(wǎng)分別位于收集管兩側(cè)，對(duì)涌出的水、泥進(jìn)行分離，泥水收集管與泥水收集箱相連，收集箱內(nèi)裝有水量監(jiān)測(cè)器，與控制器相連。

應(yīng)用上述裝置實(shí)現(xiàn)隧道及地下工程中突水突泥災(zāi)害綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括以下步驟：

1)利用剛性高強(qiáng)鋼板、底座對(duì)模型箱進(jìn)行組裝，隨后將預(yù)制好的含水體相似材料放置在模型箱內(nèi)，固定上蓋，且將模型箱安裝在內(nèi)側(cè)滑軌上；將龍門(mén)式框架安裝在外側(cè)滑軌上，在外側(cè)滑軌上安裝液壓千斤頂，連接剩余各部件，完成準(zhǔn)備工作；

2)通過(guò)注水管向模型箱的含水體相似材料中注水，控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)壓力控制器和流量控制閥使水壓和流量達(dá)到設(shè)定要求，地應(yīng)力模擬系統(tǒng)通過(guò)逐級(jí)加載的方式控制液壓千斤頂達(dá)到設(shè)定的地應(yīng)力條件；

3)在加載和注水過(guò)程中，觀測(cè)并記錄滲壓、土壓力、位移、應(yīng)變、突水量和涌泥量，結(jié)合攝像系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析；

4)根據(jù)所需工況，重復(fù)(1)～(3)操作過(guò)程。

本發(fā)明研究了一種用于隧道及地下工程中突水突泥災(zāi)害綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置與操作方法，解決了以往實(shí)踐中不能對(duì)突水涌泥災(zāi)害發(fā)生過(guò)程進(jìn)行全方位的綜合監(jiān)測(cè)，對(duì)突水涌泥量發(fā)記錄也不夠及時(shí)準(zhǔn)確的技術(shù)難題。與前人研究相比，

本發(fā)明裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)模型箱前側(cè)鋼板設(shè)置有玻璃視窗，可實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目梢暬O(jiān)測(cè)，鋼框架、鋼臺(tái)架、臺(tái)架底板由高強(qiáng)度鋼構(gòu)件通過(guò)螺栓拼接組成，具有可拆裝性，并能滿(mǎn)足強(qiáng)度的要求，牢固可靠；

2)采用相似材料模擬巖體，可以循環(huán)使用、經(jīng)濟(jì)方便；

3)模型箱和龍門(mén)式框架與內(nèi)外層滑軌相連，避免了每次試驗(yàn)需要起吊千斤頂、移動(dòng)模型箱的繁重操作，方便快捷；

4)地應(yīng)力模擬系統(tǒng)的液壓千斤頂、供水裝置上的壓力控制器和流量控制閥與控制系統(tǒng)相連，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)控、全自動(dòng)操作控制；

5)采用綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)突水突泥災(zāi)害過(guò)程中的應(yīng)力、位移、應(yīng)變、壓力等信息進(jìn)行收集，能及時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量突水涌泥量，實(shí)現(xiàn)對(duì)突水突泥災(zāi)害過(guò)程的全面監(jiān)測(cè)，綜合性強(qiáng)，提高了試驗(yàn)效率；

6)通過(guò)數(shù)字照相系統(tǒng)實(shí)時(shí)圖像采集，隧道圍巖的位移場(chǎng)變化監(jiān)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書(shū)附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)三維視圖；

圖2為泥水收集裝置示意圖；

圖3為上側(cè)鋼板示意圖；

其中，1.模型箱系統(tǒng)；2.玻璃視窗；3.龍門(mén)式框架；4.液壓千斤頂；5.外層滑軌；6.內(nèi)層滑軌；7.開(kāi)挖洞口；8.外部供水裝置；9.壓力控制器；10.流量控制閥；11.伺服控制器；12.泥水收集管；13.過(guò)濾網(wǎng)；14.泥水收集箱；15.傳輸線(xiàn)；16.水量監(jiān)測(cè)器；17.計(jì)算機(jī)；18.高清攝像儀；19.水管；20.上側(cè)鋼板；21.預(yù)留小孔；22.螺栓。

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中使用術(shù)語(yǔ)“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術(shù)所介紹的，現(xiàn)階段，專(zhuān)家學(xué)者對(duì)于富水隧道災(zāi)變演變機(jī)制尚不太清楚，缺乏相關(guān)突水動(dòng)力災(zāi)變演化過(guò)程的分析方法和相關(guān)設(shè)備，尚未能提出對(duì)于突水涌泥災(zāi)害源隧道監(jiān)測(cè)的切實(shí)可行的技術(shù)手段。因此，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種更高效更優(yōu)性能的隧道及地下工程中突水突泥災(zāi)害綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置，以解決以上問(wèn)題。

本申請(qǐng)的一種典型的實(shí)施方式中，如圖1所示，提供了一種用于隧道及地下工程中突水突泥災(zāi)害綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置，具體包括：模型箱系統(tǒng)、地應(yīng)力模擬系統(tǒng)、含水體相似材料系統(tǒng)

模型箱系統(tǒng)1包括一個(gè)模型箱，該模型箱為一個(gè)裝配式結(jié)構(gòu)，包括剛性高強(qiáng)度鋼板以及底座由高強(qiáng)螺栓連接成的矩形結(jié)構(gòu)，其中前側(cè)鋼板設(shè)置有玻璃視窗2，在玻璃視窗的四周設(shè)置肋板，與前側(cè)鋼板連接牢固，在模型箱前、后兩側(cè)鋼板預(yù)留開(kāi)挖洞口7，且上側(cè)鋼板20設(shè)有預(yù)留小孔21，內(nèi)部放置試驗(yàn)所需的巖石相似材料。

地應(yīng)力模擬系統(tǒng)：由龍門(mén)式框架3、液壓千斤頂4、滑軌組成，滑軌分為內(nèi)外兩層，外部鋼架通過(guò)安裝在外層滑軌5上，模型箱的底座安裝在內(nèi)層滑軌6上，外部鋼架和模型箱可以沿著滑軌移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的移動(dòng)；滑軌上的滑輪與驅(qū)動(dòng)裝置以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接，外部鋼架和模型箱均可實(shí)現(xiàn)受控制的滑動(dòng)；

鋼架兩側(cè)壁和頂板上均固定液壓千斤頂4，且液壓千斤頂4與框架3通過(guò)螺栓固定連接，為模型箱系統(tǒng)施加壓力，以模擬地應(yīng)力。

含水體相似材料系統(tǒng)：含水體相似材料系統(tǒng)的洞口7形狀可依據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行預(yù)制，采用相似材料模擬巖體，按照洞口情況利用預(yù)先對(duì)相似材料進(jìn)行洞室開(kāi)挖，材料內(nèi)布設(shè)若干含水體空腔，通過(guò)裝滿(mǎn)可融鹽的氣球?qū)崿F(xiàn)，空腔與外部供水裝置8經(jīng)過(guò)鋼板上預(yù)留的小孔相連，供水裝置上裝有壓力控制器9和流量控制閥10，與伺服控制器11相連，隨時(shí)對(duì)模擬的滲壓進(jìn)行控制。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：在試驗(yàn)體內(nèi)部預(yù)先埋設(shè)相似材料內(nèi)的滲壓傳感器、微型土壓力傳感器、光纖光柵位移計(jì)、應(yīng)變磚、泥水收集管12、過(guò)濾網(wǎng)13、泥水收集箱14，多種傳感器通過(guò)傳輸線(xiàn)15與伺服控制器11相連，對(duì)突水災(zāi)害發(fā)生前后的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與采集。

泥水收集管12小于洞口7斷面，嵌套在隧道洞口內(nèi)，收集管端部與前后兩側(cè)鋼板由螺栓連接，兩層過(guò)濾網(wǎng)13分別位于收集管兩側(cè)，對(duì)涌出的水、泥進(jìn)行分離，泥水收集管12通過(guò)水管19與泥水收集箱14相連，收集箱內(nèi)裝有水量監(jiān)測(cè)器16，與控制器11相連。

數(shù)據(jù)分析反饋系統(tǒng)：包括傳輸線(xiàn)15、伺服控制器11以及計(jì)算機(jī)17，完成數(shù)據(jù)分析和反饋處理。

實(shí)時(shí)攝像系統(tǒng)：采用高清攝像儀18記錄隧道突水突泥災(zāi)害發(fā)生過(guò)程，其安裝在玻璃窗的一側(cè)，與計(jì)算機(jī)相連，結(jié)合收集到的數(shù)據(jù)，用于后期分析災(zāi)害演變規(guī)律以及預(yù)測(cè)預(yù)警提供依據(jù)。

本發(fā)明研究了一種用于隧道及地下工程中突水突泥災(zāi)害綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置與操作方法，解決了以往實(shí)踐中不能對(duì)突水涌泥災(zāi)害發(fā)生過(guò)程進(jìn)行全方位的綜合監(jiān)測(cè)，對(duì)突水涌泥量發(fā)記錄也不夠及時(shí)準(zhǔn)確的技術(shù)難題。

應(yīng)用上述裝置實(shí)現(xiàn)隧道及地下工程中突水突泥災(zāi)害綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括以下步驟：

1)利用剛性高強(qiáng)鋼板、底座對(duì)模型箱進(jìn)行組裝，隨后將預(yù)制好的含水體相似材料放置在模型箱內(nèi)，固定上蓋，且將模型箱安裝在內(nèi)側(cè)滑軌上；將龍門(mén)式框架安裝在外側(cè)滑軌上，在外側(cè)滑軌上安裝液壓千斤頂，連接剩余各部件，完成準(zhǔn)備工作；

2)通過(guò)注水管向模型箱的含水體相似材料中注水，控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)壓力控制器和流量控制閥使水壓和流量達(dá)到設(shè)定要求，地應(yīng)力模擬系統(tǒng)通過(guò)逐級(jí)加載的方式控制液壓千斤頂達(dá)到設(shè)定的地應(yīng)力條件；

3)在加載和注水過(guò)程中，觀測(cè)并記錄滲壓、土壓力、位移、應(yīng)變、突水量和涌泥量，結(jié)合攝像系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析；

4)根據(jù)所需工況，重復(fù)(1)～(3)操作過(guò)程。

本發(fā)明裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)模型箱前側(cè)鋼板設(shè)置有玻璃視窗，可實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目梢暬O(jiān)測(cè)，鋼框架、鋼臺(tái)架、臺(tái)架底板由高強(qiáng)度鋼構(gòu)件通過(guò)螺栓拼接組成，具有可拆裝性，并能滿(mǎn)足強(qiáng)度的要求，牢固可靠；

2)采用相似材料模擬巖體，可以循環(huán)使用、經(jīng)濟(jì)方便；

3)模型箱和龍門(mén)式框架與內(nèi)外層滑軌相連，避免了每次試驗(yàn)需要起吊千斤頂、移動(dòng)模型箱的繁重操作，方便快捷；

4)地應(yīng)力模擬系統(tǒng)的液壓千斤頂、供水裝置上的壓力控制器和流量控制閥與控制系統(tǒng)相連，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)控、全自動(dòng)操作控制；

5)采用綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)突水突泥災(zāi)害過(guò)程中的應(yīng)力、位移、應(yīng)變、壓力等信息進(jìn)行收集，能及時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量突水涌泥量，實(shí)現(xiàn)對(duì)突水突泥災(zāi)害過(guò)程的全面監(jiān)測(cè)，綜合性強(qiáng)，提高了試驗(yàn)效率；

6)通過(guò)數(shù)字照相系統(tǒng)實(shí)時(shí)圖像采集，隧道圍巖的位移場(chǎng)變化監(jiān)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以?xún)?nèi)。