一種覆蓋型巖溶區水動力致塌災變演化模擬試驗裝置的製作方法
2023-06-17 08:18:41
本發明涉及地質災害防治領域，尤其涉及一種覆蓋型巖溶區水動力致塌災變演化模擬試驗裝置。
背景技術：
巖溶塌陷是覆蓋型巖溶區最為普遍的地質災害問題之一。由於覆蓋型巖溶塌陷具有突發性、空間隱蔽性、影響因素多樣性以及致塌機制複雜性等顯著特點，使得複雜環境條件下的巖溶塌陷機理研究問題一直是地球科學領域的前沿。
目前國內外針對巖溶塌陷機理問題的研究還處於定性或半定量評價階段，定量化計算如數值模擬模型也是在很多假設前提下的研究，普遍缺乏可以在室內完整呈現野外地質結構特徵的高仿真度物理模型，且對於致塌機理的探究，試驗過程中需嚴格堅持控制變量原則，在頻繁改變單一影響因素的試驗條件下，進行多組重複性試驗，當前的室內模型試驗平臺一旦建成，改變試驗條件困難且試驗周期長、花費也大，這些因素都或多或少制約了物理模型試驗研究的進一步發展。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的實施例提供了一種適用於複雜水動力條件下覆蓋型巖溶塌陷形成過程的室內模擬試驗研究，直觀地研究覆蓋型巖溶水動力致塌過程規律的覆蓋型巖溶區水動力致塌災變演化模擬試驗裝置。
本發明的實施例提供一種覆蓋型巖溶區水動力致塌災變演化模擬試驗裝置，所述覆蓋型巖溶區水動力致塌災變演化模擬試驗裝置包括主體試驗系統、水位及降雨控制系統和監測監視系統，所述主體試驗系統包括主體土箱和設置於所述主體土箱下方的巖溶漏鬥空箱，所述主體土箱裝入土體樣本以模擬潛水含水層地質結構，所述巖溶漏鬥空箱裝入土體樣本模擬承壓含水層地質結構，所述水位及降雨控制系統通過對主體土箱供水、變換水位、降雨等手段模擬潛水含水層水位變化，所述水位及降雨控制系統通過對巖溶漏鬥空箱供水和控制水位的手段模擬承壓含水層水位變化，所述監測監視系統讀取和保存所述主體土箱中的土體樣本和所述巖溶漏鬥空箱中的土體樣本在不同水位和不同降雨條件下孔隙水壓力、應力、應變等的變化情況。
進一步地，所述主體土箱包括角鋼、底板、側壁、左部、右部和中部，所述角鋼設在主體土箱四角，所述底板是鋼板，所述側壁是鋼化玻璃，所述角鋼與底板焊接，所述側壁被固定在角鋼與底板之間，所述底板上固定有左隔擋和右隔擋，所述左隔擋和右隔擋分割主體土箱的內部空間，所述左隔擋和右隔擋之間是中部，所述左隔檔和左側壁之間左部，所述右隔擋和右側壁之間是右部，所述左隔擋和右隔擋是帶有細孔的有機玻璃，所述中部中裝入土體樣本以模擬潛水含水層地質結構，所述左隔擋和右隔擋將土體樣本限制在中部中，所述水位及降雨控制系統向左部和右部供水，所述左部和右部向中部供水。
進一步地，所述底板中間位置設有開口，所述開口是固定尺寸方形開口，所述開口下焊接有第一法蘭盤，所述第一法蘭盤形狀大小於與所述開口相適配，所述第一法蘭盤是鋼板製成的方形法蘭盤，所述巖溶漏鬥空箱包括設在頂部的第二法蘭盤、設在底部的第三法蘭盤和底板，所述第二法蘭盤與第一法蘭盤相適配，所述巖溶漏鬥空箱上端通過第二法蘭盤與第一法蘭盤連接，所述第二法蘭盤和第一法蘭盤之間通過止水橡膠墊止水，所述底板與與第三法蘭盤尺寸相適配，所述第三法蘭盤連接底板和巖溶漏鬥空箱下端，所述底板和巖溶漏鬥空箱之間通過止水橡膠墊止水，所述巖溶漏鬥空箱中裝入土體樣本用於模擬承壓含水層地質結構，所述巖溶漏鬥空箱左右兩側分別設置有左有機玻璃水箱和右有機玻璃水箱，所述左有機玻璃水箱和右有機玻璃水箱用於向巖溶漏鬥空箱均勻供水。
進一步地，所述巖溶漏鬥空箱採用透明的有機玻璃製成。
進一步地，所述水位及降雨控制系統包括左水位控制箱、右控制箱、左水位升降平臺和右水位升降平臺，所述左水位升降平臺和右水位升降平臺分別固定在主體土箱左右兩側的地面上，所述左水位控制箱可移動地固定在左水位升降平臺上，所述左水位控制箱可沿左水位升降平臺上下移動，所述右控制箱固定在右水位升降平臺，所述右控制箱可沿右水位升降平臺上下移動。
進一步地，所述左水位控制箱設有左進水管、左出水管和左溢水管，所述左進水管將水從水源輸送到左水位控制箱，所述左出水管連接左部底部和左水位控制箱，所述左出水管將左水位控制箱中的水輸送至左部，直至達到預設水位，所述左水位控制箱中多餘的水由左溢水管輸出，所述右水位控制箱設有右進水管、右出水管和右溢水管，所述右進水管水從水源輸送到右水位控制箱，所述右出水管連接右部底部和右水位控制箱，所述右出水管將右水位控制箱的水送至右部，所述右溢水管將右水位控制箱中多餘的水輸出，所述左水位升降系統通過改變左水位控制箱的上下位置，使主體土箱中水位降低或上升，所述右水位升降系統通過改變右水位控制箱的上下位置，使主體土箱中水位降低或上升，從而模擬潛水含水層水位的變化。
進一步地，所述水位及降雨控制系統還包括水槽、恆壓變頻水泵、自來水管、下進水管、下出水管、第一分水管和第二分水管，所述自來水管向水槽輸送水，所述恆壓變頻水泵通過下進水管將水槽中的水向下出水管輸出，所述下出水管一端連接恆壓變頻水泵，另一端同時與第一分水管、第二分水管連接，所述第一分水管一端連接下出水管，另一端連接左水箱，所述第一分水管與下進水管連接的一端設有第一閥門，所述第一閥門用於控制第一分水管裡的水流量，所述第一分水管與左水箱連接的另一端設有第一顯示液位變送器，所述第一顯示液位變送器用於左水箱中水位的測量和控制，所述第二分水管一端連接下出水管，另一端連接右水箱，所述第二分水管與連接的一端設有第二閥門，所述第二閥門用於控制第二分水管裡的水流量，所述第二分水管與右水箱連接的另一端設有第二顯示液位變送器，所述第二顯示液位變送器用於右水箱中水位的測量和控制，所述第一分水管向左有機玻璃水箱供水，所述第一閥門和左顯示液位變送器一起控制左有機玻璃水箱的水位，所述第二分水管向右有機玻璃水箱供水，所述第二閥門和右顯示液位變送器一起控制控制右有機玻璃水箱的水位，所述左有機玻璃水箱和右有機玻璃水箱向巖溶漏鬥空箱供水並控制巖溶漏鬥空箱的水位變化，從而模擬承壓含水層水位的變化。
進一步地，所述水位及降雨控制系統還包括第三分水管，所述第三分水管一端連接下出水管，另一端固定在主體土箱正上方，所述第三分水管固定在主體土箱正上方的一端設有多個噴霧器，多個所述噴霧器用於模擬人工降雨，所述第三分水管與下出水管連接的一端設有流量閥，所述流量閥通過控制第三分水管內的水流量的控制噴霧器的降雨強度，所述流量閥上的讀數用於記錄降雨量，所述第三分水管向噴霧器供水，所述流量閥調節第三分水管向噴霧器的供水量，以模擬不同程度的降雨情況。
進一步地，所述監測監視系統包括攝像頭和電腦，所述攝像頭設置於所述主體試驗系統的正前方，所述攝像頭與電腦連接，所述攝像頭透過所述側壁觀察並記錄所述主體土箱和巖溶漏鬥空箱裡的土體樣本在不同水位以及不同降雨情況下的位移情況，所述電腦讀取和保存所述攝像頭記錄的情況。
進一步地，所述監測監視系統還包括孔隙水壓力傳感器、土壓力傳感器和數採裝置，所述孔隙水壓力傳感器用於孔隙水壓監測，所述土壓力傳感器用於土壓力監測，所述數採裝置有多個，多個所述數採裝置一端連接孔隙水壓力傳感器或土壓力傳感器，另一端連接電腦，所述數採裝置採集孔隙水壓力傳感器或土壓力傳感器的數據，並將採集的數據發送給電腦，電腦讀取和保存數採裝置採集的數據。
本發明是一種蓋型巖溶區水動力致塌演化模擬試驗裝置，完整呈現了覆蓋型巖溶區野外地質結構特徵以及致塌影響因素加載效應，更改水位變化、降雨變化等實驗條件時操作簡單，可進行多組重複性試驗，實驗裝置結構直觀，適用於複雜水動力條件下覆蓋型巖溶塌陷演化全過程的模擬及其災變機理研究。
附圖說明
圖1是本發明一種覆蓋型巖溶區水動力致塌災變演化模擬試驗裝置的一示意圖。
圖2是本發明一種覆蓋型巖溶區水動力致塌災變演化模擬試驗裝置的另一示意圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地描述。
請參考圖1和圖2，本發明提供的一種覆蓋型巖溶區水動力致塌災變演化模擬試驗裝置的實施例示意圖，所述一種覆蓋型巖溶區水動力致塌災變演化模擬試驗裝置包括主體試驗系統1、水位及降雨控制系統2和監測監視系統4。
所述主體試驗系統1包括主體土箱1-1和設置於所述主體土箱1-1下方的巖溶漏鬥空箱1-2，所述主體土箱1-1包括角鋼1-5、底板1-6、側壁(圖未示)、左部1-1a、右部1-1b和中部1-1c，所述角鋼1-5設在主體土箱1-1四角，所述底板1-6是鋼板，所述側壁是透明鋼化玻璃，所述角鋼1-5與底板1-6焊接，所述側壁被固定在角鋼1-5與底板1-6之間，所述底板1-6上固定有左隔擋1-3a和右隔擋1-3b，所述左隔擋1-3a和右隔擋1-3b分割主體土箱1-1的內部空間，所述左隔擋1-3a和右隔擋1-3b之間是中部1-1c，所述左隔檔1-3a和左側壁之間是左部1-1a，所述右隔擋1-3b和右側壁之間是右部1-1b，所述左隔擋1-3a和右隔擋1-3b是帶有細孔的有機玻璃，所述中部1-1c中裝入土體樣本以模擬潛水含水層地質結構，所述左隔擋1-3a和右隔擋1-3b將土體樣本限制在中部1-1c中，所述左部1-1a和右部1-1b成為空腔，用於裝水而向中部1-1c供水。
所述底板1-6中間位置設有開口1-7，所述開口1-7是固定尺寸的方形開口，所述開口1-7下焊接有第一法蘭盤1-8，所述第一法蘭盤1-8形狀大小於與所述開口1-7相適配，所述第一法蘭盤1-8是鋼板製成的方形法蘭盤。
所述巖溶漏鬥空箱1-2包括設在頂部的第二法蘭盤1-10a、設在底部的第三法蘭盤1-10b和底板1-11，所述第二法蘭盤1-10a與第一法蘭盤1-8相適配，所述巖溶漏鬥空箱1-2上端通過第二法蘭盤1-10a與第一法蘭盤1-8連接，所述第二法蘭盤1-10a和第一法蘭盤1-8之間通過止水橡膠墊止水，所述底板1-11與與第三法蘭盤1-10b尺寸相適配，所述第三法蘭盤1-10b連接底板1-11和巖溶漏鬥空箱1-2下端，所述底板1-11和巖溶漏鬥空箱1-2之間通過止水橡膠墊止水。
所述巖溶漏鬥空箱1-2的側壁、第二法蘭盤1-10a、底板1-11和第三法蘭盤1-10b均是透明有機玻璃板製成。
所述巖溶漏鬥空箱1-2中裝入土體樣本用於模擬承壓含水層地質結構，所述巖溶漏鬥空箱1-2左右兩側分別設置有左有機玻璃水箱1-9a和右有機玻璃水箱1-9b，所述左有機玻璃水箱1-9a和右有機玻璃水箱1-9b用於向巖溶漏鬥空箱1-2均勻供水，以模擬承壓含水層水位變化情況。
所述主體土箱1-1和所述巖溶漏鬥空箱1-2的側壁均採用的玻璃都是透明玻璃，便於所述監測監視系統4觀察主體土箱1-1和巖溶漏鬥空箱1-2內模擬情況。
所述水位及降雨控制系統2包括水槽2-2b、恆壓變頻水泵2-2a、自來水管2-10、下進水管2-9、下出水管2-11、左水位控制箱2-1a、右控制箱2-1b、左水位升降平臺2-5a、右水位升降平臺2-5b、第一分水管3-3a、第二分水管3-3b和第三分水管3-3c，所述左水位升降平臺2-5a和右水位升降平臺2-5b分別固定在主體土箱1-1左右兩側的地面上，所述左水位控制箱2-1a可移動地固定在左水位升降平臺2-5a上，所述左水位控制箱2-1a可沿左水位升降平臺2-5a上下移動，所述左水位控制箱2-1a設有左進水管2-6a、左出水管2-7a和左溢水管2-8a，所述左進水管2-6a將水從水源(圖未示)輸送到左水位控制箱2-1a，所述左出水管2-7a連接左部1-1a底部和左水位控制箱2-1a，所述左出水管2-7a將左水位控制箱2-1a中的水輸送至左部1-1a，直至達到預設水位，所述左水位控制箱2-1a中多餘的水由左溢水管2-8a輸出。
所述右控制箱2-1b固定在右水位升降平臺2-5b，所述右控制箱2-1b可沿右水位升降平臺2-5b上下移動，所述右水位控制箱2-1b設有右進水管2-6b、右出水管2-7b和右溢水管2-8b，所述右進水管2-6b水從水源(圖未示)輸送到右水位控制箱2-1b，所述右出水管2-7b連接右部1-1b底部和右水位控制箱2-1b，所述右出水管2-7b將右水位控制箱2-1b的水送至右部1-1b，所述右溢水管2-8b將右水位控制箱2-1b中多餘的水輸出。
當設置所述左部1-1a的水位高於所述右部1-1b的水位時，所述左部1-1a的水通過左隔擋1-3a進入到中部1-1c，再通過右隔擋1-3b進入右部1-1b，所述右出水管2-7b將右部1-1b多餘的水輸送至右水位控制箱2-1b；當設置所述左部1-1a的水位與所述右部1-1b的水位齊平時，所述左部1-1a和右部1-1b的水分別通過左隔擋1-3a和右隔擋1-3b進入到中部1-1c後，再通過開口1-7進入巖溶漏鬥空箱1-2。
所述左水位升降系統2-5a通過改變左水位控制箱2-1a的上下位置，使主體土箱中水位降低或上升，所述右水位升降系統2-5b通過改變右水位控制箱2-1b的上下位置，使主體土箱1-1中水位降低或上升，從而模擬潛水含水層水位的變化。
所述自來水管2-10向水槽2-2b輸送水，所述恆壓變頻水泵2-2a通過下進水管2-9將水槽2-2b中的水向下出水管2-11輸出，所述下出水管2-11一端連接恆壓變頻水泵2-2a，另一端同時與第一分水管3-3a、第二分水管3-3b和第三分水管3-3c連接。
所述第一分水管3-3a一端連接下出水管2-11，另一端連接左水箱1-9a，所述第一分水管3-3a與下進水管2-11連接的一端設有第一閥門3-1a，所述第一閥門3-1a用於控制第一分水管3-3a裡的水流量，所述第一分水管3-3a與左水箱1-9a連接的另一端設有第一顯示液位變送器2-3a，所述第一顯示液位變送器2-3a對左水箱1-9a中水位進行測量和控制。
所述第二分水管3-3b一端連接下出水管2-11，另一端連接右水箱1-9b，所述第二分水管3-3b與2-11連接的一端設有第二閥門3-1b，所述第二閥門3-1b用於控制第二分水管3-3b裡的水流量，所述第二分水管3-3b與右水箱1-9b連接的另一端設有第二顯示液位變送器2-3b，所述第二顯示液位變送器2-3b對右水箱1-9b中水位進行測量和控制。
所述第一分水管3-3a向左有機玻璃水箱1-9a供水，所述第一閥門3-1a和左顯示液位變送器2-3a一起控制左有機玻璃水箱1-9a的水位，所述第二分水管3-3b向右有機玻璃水箱1-9a供水，所述第二閥門3-1b和右顯示液位變送器2-3b一起控制控制右有機玻璃水箱1-9a的水位。所述左有機玻璃水箱1-9a和右有機玻璃水箱1-9a向巖溶漏鬥空箱1-2供水並控制巖溶漏鬥空箱1-2的水位變化，從而模擬承壓含水層水位的變化。
所述第三分水管3-3c一端連接下出水管2-11，另一端固定在主體土箱1-1正上方，所述第三分水管3-3c固定在主體土箱1-1正上方的一端設有多個噴霧器3-2，多個所述噴霧器3-2用於模擬人工降雨，所述第三分水管3-3c與下出水管2-11連接的一端設有流量閥3-1c，所述流量閥3-1c通過控制第三分水管3-3c內的水流量的控制噴霧器3-2的降雨強度，所述流量閥3-1c上的讀數用於記錄降雨量。
所述第三分水管3-3c向噴霧器3-2供水，所述流量閥3-1c調節第三分水管3-3c向噴霧器3-2的供水量，以模擬不同程度的降雨情況。
本發明試驗過程的監測監視系統4包括孔隙水壓力傳感器4-1a、土壓力傳感器4-1b、攝像頭4-2、數採裝置(圖未示)和電腦(圖未示)，所述孔隙水壓力傳感器4-1a用於孔隙水壓監測，所述土壓力傳感器4-1b用於土壓力監測，所述攝像頭4-2設置於所述主體試驗系統1的正前方，所述孔隙水壓力傳感器4-1a沿中心線a-a左右對稱布置的埋設於主體土箱1-1內，上部和左右兩側相對稀疏，中間和下部相對密集。所述土壓力傳感器4-1b沿中心線a-a埋設於主體土箱1-1內，位置在方形開口1-7以上，對應地表以下。
所述攝像頭4-2透過所述主體試驗系統1的透明玻璃側壁觀察並記錄所述主體土箱1-1和巖溶漏鬥空箱1-2裡的土體樣本，在不同水位以及不同降雨情況下的位移情況，所述攝像頭4-2與電腦連接，所述電腦讀取和保存所述攝像頭4-2採集到的影像。
所述數採裝置有多個，所述數採裝置一端連接孔隙水壓力傳感器4-1a或土壓力傳感器4-1b，另一端連接電腦，所述數採裝置採集孔隙水壓力傳感器4-1a或土壓力傳感器4-1b的數據，並將採集的數據發送給電腦，電腦讀取和保存數採裝置採集的數據。
試驗裝置運行時，所述第三法蘭盤1-10b將底板1-11安裝到巖溶漏鬥空箱1-2下端，選擇適合的土體樣本，然後將土體樣本烘乾、壓碎後裝入巖溶漏鬥空箱1-2，模擬地下承壓含水層結構特徵，在巖溶漏鬥空箱1-2中將土體樣本壓實填滿，然後通過左右水箱1-9a、b使土體樣本飽水後固結一段時間，以最大程度模擬野外原始地質結構。
再將有機玻璃格網隔擋1-3a和機玻璃格網隔擋b之間的主體土箱1-1中填入烘乾、壓碎後的土體樣本，以模擬地下潛水層結構特徵，放入土體樣本的同時放入隙水壓力傳感器4-1a和土壓力傳感器4-1b，將土體樣本壓實後，所述水位及降雨控制系統2通過左部1-1a和右1-1b向中部1-1c供水，使中部1-1c中的土體樣本飽水後，依據實驗方案，打開底板1-11，調整左部1-1a和右1-1b的水位，並模擬降雨。
所述孔隙水壓力傳感器4-1a監測孔隙水壓，所述土壓力傳感器4-1b監測土壓力，所述數採裝置採集和傳遞所述孔隙水壓力傳感器4-1a和土壓力傳感器4-1b採集到的信息，所述攝像頭4-2記錄所述主體試驗系統1中的土體樣本位移情況，所述電腦讀取和保存所述數採裝置和所述攝像頭4-2採集到的數據。
在本文中，所涉及的前、後、上、下等方位詞是以附圖中零部件位於圖中以及零部件相互之間的位置來定義的，只是為了表達技術方案的清楚及方便。應當理解，所述方位詞的使用不應限制本申請請求保護的範圍。
在不衝突的情況下，本文中上述實施例及實施例中的特徵可以相互結合。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。