本發(fā)明屬于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種地下水漏失誘發(fā)地面塌陷的試驗(yàn)裝置及其使用方法。

背景技術(shù)：

地面塌陷(groundcollapse)是一種典型的地質(zhì)災(zāi)害，截至2012年底，我國(guó)24個(gè)省市區(qū)都有地面塌陷事件發(fā)生，主要分布在重慶、四川、貴州、云南、廣東、廣西、遼寧、河北、江西、湖北、湖南等省市區(qū)。迄今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖溶塌陷機(jī)理做了較多研究，提出了真空吸蝕論、潛蝕論、振動(dòng)論、液化論、氣爆論等巖溶塌陷預(yù)測(cè)理論；kyriakipapadopoulou-vryniotia等使用多元統(tǒng)計(jì)方法和地理信息系統(tǒng)研究了巖溶塌陷產(chǎn)生的各種因素，編制了研究區(qū)的巖溶塌陷易感性地圖；haibobai等采用變質(zhì)量力學(xué)和非線性動(dòng)力學(xué)建立了研究地下水侵入巖溶地層頂板破壞機(jī)制的力學(xué)模型，求解結(jié)果表明，地下水的滲流速度越大巖溶頂板地層穩(wěn)定性越??；hekeqiang等分析了地下水開采等因素對(duì)響棗莊十里全塌陷的影響，提出了一些預(yù)防巖溶塌陷和保護(hù)巖溶水資源和環(huán)境的對(duì)策措施；haijunzhao等分析了中國(guó)南方地區(qū)廣泛分布的巖溶坍塌問題，高強(qiáng)度的降雨加速了巖溶水動(dòng)力條件，改變了巖溶洞穴上覆地層的物理和力學(xué)性能，進(jìn)而引發(fā)或促進(jìn)洞穴的形成與塌陷；mingtanglei等通過大尺度模型試驗(yàn)，建立了一種基于地理信息系統(tǒng)的巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法；徐衛(wèi)國(guó)等認(rèn)為在相對(duì)密閉承壓巖溶網(wǎng)絡(luò)地下水中，抽(排)地下水，水位降低至蓋層底面以下，可在巖溶空隙中形成真空吸盤作用、真空腔吸蝕和漩吸漏斗吸蝕三種對(duì)土質(zhì)蓋層的破壞作用；賀可強(qiáng)等基于普氏理論和極限平衡理論建立了內(nèi)部塌陷階段臨界土洞高度及地表塌陷階段的滲壓效應(yīng)致塌力學(xué)模型?？梢?，前述研究主要針對(duì)巖溶塌陷問題進(jìn)行理論探討，缺乏可重復(fù)用于探索地面塌陷災(zāi)害發(fā)育全過程的專門試驗(yàn)裝置。近年來(lái)，隨著山區(qū)公路及城市淺埋隧道和地下空間的大量建設(shè)和開發(fā)利用，地面塌陷問題頻繁出現(xiàn)，主要為土質(zhì)蓋層塌陷，如重慶市主城區(qū)歌樂山金剛村的余家灣水庫(kù)在2010年10月至2013年4月輕軌一號(hào)線中梁山隧道施工期間發(fā)生六處地面塌陷并導(dǎo)致水庫(kù)干涸(參見圖2和圖3)，造成嚴(yán)重的社會(huì)問題。

公路鐵路隧道、城市地下洞室等地下工程建設(shè)過程中，極易切穿切斷地質(zhì)體內(nèi)的含水層，造成地下水漏失，地下水位快速降低，從而誘發(fā)地面塌陷災(zāi)害，這已經(jīng)在學(xué)術(shù)界和工程界形成共識(shí)，研發(fā)地面塌陷災(zāi)害的試驗(yàn)裝置，對(duì)于科學(xué)識(shí)別、有效防治地面塌陷災(zāi)害，具有必要性和緊迫性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種地下水漏失誘發(fā)地面塌陷的試驗(yàn)裝置及其使用方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種地下水漏失誘發(fā)地面塌陷的試驗(yàn)裝置，包括土箱、位于土箱下方的水箱、連接水箱與土箱的塌陷筒，所述塌陷筒的上端伸入土箱使塌陷筒的內(nèi)腔與土箱的內(nèi)腔連通，所述塌陷筒伸入土箱的一端設(shè)有土體過濾網(wǎng)，所述塌陷筒的下端伸入水箱使塌陷筒的內(nèi)腔與水箱的內(nèi)腔連通，所述塌陷筒伸入水箱的一端設(shè)有用于測(cè)試塌陷筒內(nèi)腔壓力的負(fù)壓測(cè)試傳感器，所述水箱的側(cè)壁上設(shè)有閥門并連接一水泵，用于測(cè)試水箱中的水壓力，所述土箱中安裝有用于監(jiān)測(cè)土體塌陷的地面塌陷監(jiān)測(cè)儀。

優(yōu)選地，所述土箱、水箱以及塌陷筒均由透明材料制成。

優(yōu)選地，所述土箱和水箱均呈圓柱狀。

優(yōu)選地，土箱的直徑為150cm，土箱的高度為100cm，土體厚度為30～80cm，塌陷筒的直徑為10～50cm，水箱的直徑為80cm，水箱的高為100cm。

上述的地下水漏失誘發(fā)地面塌陷的試驗(yàn)裝置的使用方法，包括以下步驟：

第一、擬定試驗(yàn)工況，擬定土體類型、土體重度、土體密實(shí)度、土體厚度、塌陷筒直徑、水箱水壓力；

第二、試驗(yàn)流程，首先在土箱的內(nèi)腔中填筑擬定的土體，然后向水箱中注滿水，啟動(dòng)地面塌陷監(jiān)測(cè)儀和負(fù)壓測(cè)試傳感器，然后通過水泵抽水至水箱水壓力達(dá)到擬定的水箱水壓力，通過地面塌陷監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)土體塌陷情況，通過負(fù)壓測(cè)試傳感器測(cè)試塌陷筒內(nèi)腔壓力，并透過土箱側(cè)壁觀察土體的變形跡象；

第三、分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照試驗(yàn)流程完成擬定試驗(yàn)工況下的試驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下有益效果：本發(fā)明由土箱、水箱、塌陷筒以及水泵、負(fù)壓測(cè)試傳感器和地面塌陷監(jiān)測(cè)儀等量測(cè)裝置組成，形成一個(gè)可用于探索地下水降落誘發(fā)地面塌陷災(zāi)害形成及演化規(guī)律的試驗(yàn)裝置。利用該試驗(yàn)裝置，可在實(shí)驗(yàn)條件下探索塌陷腔厚跨比(t/d)、土體類型、土體重度、土體密實(shí)度、地下水位降落速度和降落高度等參數(shù)組合條件下地面塌陷災(zāi)害的形成過程及演化規(guī)律，尤其是在塌陷筒上部由土體塌落造成塌陷腔連續(xù)增大直至地面塌陷災(zāi)害產(chǎn)生的精細(xì)演化方面具有原創(chuàng)性，為有效監(jiān)測(cè)預(yù)警地面塌陷災(zāi)害、優(yōu)化地下工程施工方案提供了科學(xué)依據(jù)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是地面塌陷現(xiàn)場(chǎng)圖；

圖3是地面塌陷現(xiàn)場(chǎng)圖。

附圖標(biāo)記

附圖中，1為土箱，2為水箱，3為水泵，4為負(fù)壓測(cè)試傳感器，5為土體過濾網(wǎng)，6為閥門，7為塌陷筒，8為支架，9為地面塌陷監(jiān)測(cè)儀，10為鋼架。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

參見圖1，地下水漏失誘發(fā)地面塌陷的試驗(yàn)裝置的一種實(shí)施例，包括土箱1、位于土箱1下方的水箱2、連接水箱2與土箱1的塌陷筒7，塌陷筒7的上端伸入土箱1使塌陷筒7的內(nèi)腔與土箱1的內(nèi)腔連通，塌陷筒7伸入土箱1的一端設(shè)有土體過濾網(wǎng)5，塌陷筒7的下端伸入水箱2使塌陷筒7的內(nèi)腔與水箱2的內(nèi)腔連通，塌陷筒7伸入水箱2的一端設(shè)有用于測(cè)試塌陷筒7內(nèi)腔壓力的負(fù)壓測(cè)試傳感器4，水箱2的側(cè)壁上設(shè)有閥門6并連接一水泵3，用于測(cè)試水箱2中的水壓力，土箱1中安裝有用于監(jiān)測(cè)土體塌陷的地面塌陷監(jiān)測(cè)儀9。地面塌陷監(jiān)測(cè)儀9可采用專利號(hào)為“zl201310541613.1”、名稱為“地面塌陷監(jiān)測(cè)裝置及監(jiān)測(cè)方法”中的地面塌陷監(jiān)測(cè)裝置，塌陷筒7的內(nèi)腔模擬地面塌陷初始空腔，塌陷筒7上端設(shè)置的土體過濾網(wǎng)5可以過濾粗土，僅讓細(xì)土經(jīng)塌陷筒7進(jìn)入水箱2而排走，水泵3測(cè)試水箱2中的水壓力，用于模擬地下水降落速度及降落高度。本實(shí)施例中，負(fù)壓測(cè)試傳感器4通過一鋼架10設(shè)置在塌陷筒7的下端，水箱2安裝在支架8上。

土箱1、水箱2以及塌陷筒7均由透明材料制成。土箱1和水箱2均呈圓柱狀。土箱1的直徑d為150cm，土箱1的高度h0為100cm，土體厚度t為30～80cm，塌陷筒7的直徑d為10～50cm，水箱2的直徑a為80cm，水箱2的高度b為100cm。

上述的地下水漏失誘發(fā)地面塌陷的試驗(yàn)裝置的使用方法，包括以下步驟：

第一、擬定試驗(yàn)工況，擬定土體類型、土體重度、土體密實(shí)度、土體厚度、塌陷筒7直徑、水箱2水壓力；

第二、試驗(yàn)流程，首先在土箱1的內(nèi)腔中填筑擬定的土體，然后向水箱2中注滿水，啟動(dòng)地面塌陷監(jiān)測(cè)儀9和負(fù)壓測(cè)試傳感器4，然后通過水泵3抽水至水箱2水壓力達(dá)到擬定的水箱2水壓力，通過地面塌陷監(jiān)測(cè)儀9監(jiān)測(cè)土體塌陷情況，通過負(fù)壓測(cè)試傳感器4測(cè)試塌陷筒7內(nèi)腔壓力，并透過土箱1側(cè)壁觀察土體的變形跡象；

第三、分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照試驗(yàn)流程完成擬定試驗(yàn)工況下的試驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，揭示試驗(yàn)工況下地下水降落誘發(fā)地面塌陷災(zāi)害的形成及演化規(guī)律。

最后說(shuō)明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。