一種充填型巖溶管道系統、其制作方法及再填充方法
【專利摘要】一種充填型巖溶管道系統、其制作方法及再填充方法，包括密閉試驗臺架，所述密閉試驗臺架上部設有水壓加載空間，試驗臺架下部鋪設巖體相似材料，在所述巖體相似材料中開挖模擬隧道，并在所述巖體相似材料中埋設連接水壓加載空間和模擬隧道的充填型巖溶管道，所述巖溶管道內鋪設充填物模擬材料，所述密閉試驗臺架外依次連接壓力變送器、水泵和控制裝置。本發明對充填物模擬材料的性質做出了明確界定，并考慮了其與巖體相似材料的相互作用關系，保證試驗的準確性，實現了不同性質的充填物模擬材料在巖溶管道系統中的再填充，研究了不同性質充填物的失穩突水機理，大大節約了試驗成本。
【專利說明】一種充填型巖溶管道系統、其制作方法及再填充方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種地質力學試驗技術，尤其是一種突水涌泥相似模型試驗中充填型 巖溶管道系統、其制作方法及再填充方法。
【背景技術】
[0002] 我國巖溶地區分布廣泛，可溶巖層分布面積約占國土總面積的1/3。隨著我國經濟 的騰飛，西部大開發建設蓬勃發展，基礎設施建設規模不斷擴大，在巖溶地區修建地下工程 或開挖隧（巷）道，施工中極易誘導大規模、突發性的突水涌泥災害。
[0003] 隨著上述問題的日益突出，對地下工程突水涌泥災害的研究已經成為本領域的熱 點之一。我國學者開展了大量的研究工作，其中試驗研究是最有效的手段之一，但也存在明 顯的缺陷。實際工程中，受地質構造和溶蝕作用影響，巖體中往往存在很多不良地質體，如 充填型的巖溶管道或斷層，在開展突水涌泥地質力學相似模型試驗時，一般采用均一材料 模擬巖體，如何在其中設制充填型巖溶管道系統是一項技術難題；同時相似試驗的模型體 制作成本較高，如何能避免模型體的一次性使用，實現巖溶管道系統的重復利用，研究不同 性質充填物的失穩形態和突水涌泥過程，從而大大節約試驗成本，也是一項技術難題。
【發明內容】
[0004] 本發明為了解決上述問題，提出了一種突水涌泥相似模型試驗中充填型巖溶管道 系統、其制作方法及再填充方法。該系統及方法操作方便、模擬準確，節約成本，利于研究 充填型巖溶管道突水涌泥的前兆信息、不同性質充填物的失穩特征以及模擬突水涌泥的過 程。
[0005] 為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0006] -種充填型巖溶管道系統，包括密閉試驗臺架，所述密閉試驗臺架上部設有水壓 加載空間，試驗臺架下部鋪設巖體相似材料，在所述巖體相似材料中開挖模擬燧道，并在所 述巖體相似材料中埋設連接水壓加載空間和模擬隧道的充填型巖溶管道，所述巖溶管道內 鋪設充填物模擬材料，所述密閉試驗臺架外依次連接壓力變送器、水泵和控制裝置。
[0007]所述充填型巖溶管道內埋設位移監測和滲壓監測傳感器，用于監測充填物失穩突 水的災變演化信息。
[0008]所述充填型巖溶管道能夠模擬不同斷面形狀和走向，在巖體相似材料分層填筑過 程中逐步形成。
[0009]所述充填型巖溶管道的等效直徑不小于5cm。
[0010]所述充填物模擬材料具有遇水軟化特性，軟化系數范圍為0-3,充填物模擬材料的 彈性模量與巖體相似材料的彈性模量之比不大于1/3。
[0011] -種充填型巖溶管道系統的制作方法，包括以下步驟：
[0012] ⑴巖體相似材料填鋪，依據工程背景和模型試驗相似理論，配制耐水性巖體相似 材料，在模型架中分層填鋪并夯實，構造實際地層產狀；
[0013] (2)埋入巖溶管道，當巖體相似材料鋪設到巖溶管道所在高度時，在預定位置鋪設 充填物模擬材料，控制好斷面形狀和走向，并在設計高度埋設位移、滲壓監測傳感器，巖體 相似材料分層夯實過程中，巖溶管道系統下層截面會發生自然的擠壓變形，使最終形成的 巖溶管道的管壁有一定的不平整度,更接近工程中的自然形態；
[0014] (3)模型體密封，在巖體相似材料頂部，用密封材料對巖體相似材料與密閉試驗臺 架內壁接觸部位進行密封，并進行試驗臺架頂部的密封；
[0015] (4)巖體相似材料上部注水，并在預定部位進行隧（巷）道開挖；
[0016] (5)對巖溶管道中的充填物模擬材料進行浸潤，通過控制裝置和水泵按照一定的 水頭梯度逐步提升水壓，觀測充填物失穩過程和突水涌泥現象。
[0017] -種充填型巖溶管道系統的再填充方法，包括以下步驟：
[0018] A?沖洗已形成的巖溶管道，去除原有充填物模擬材料，并檢測管道內監測傳感器 的工作狀態是否正常；
[0019] B.在管道壁上涂抹密封材料，防止填筑新的充填物模擬材料后，水沿巖體相似材 料和充填物模擬材料間的縫隙流下，造成充填物模擬材料的整體失穩；
[0020] C.用堅硬物體封堵巖溶管道下端管口，分層填筑新的充填物模擬材料，并夯實到 試驗設計的密實度；
[0021] D.對巖溶管道中新的充填物模擬材料進行浸潤，通過控制裝置和水泵按照一定的 水頭梯度逐步提升水壓，觀測充填物失穩過程和突水涌泥現象。
[0022] 本發明有益效果：
[0023] 1)能全面模擬巖溶管道充填物的性質，本發明對充填物模擬材料的性質做出了明 確界定，并考慮了其與巖體相似材料的相互作用關系，保證試驗的準確性；
[0024] 2)能在各項同性的均一相似材料中，制作巖溶管道模擬系統，實現了充填物失穩 和突水涌泥過程的模擬；
[0025] 3)能在巖溶管道系統中再次填充不同性質的充填物模擬材料，實現對不同性質充 填物失穩突水機理的研究；
[0026] 4)避免了模型體的重復制作，大大節約試驗成本。
【專利附圖】
【附圖說明】：
[0027] 圖1是本發明結構示意圖。
[0028]其中，1、密封試驗臺架，2、巖體相似材料，3、巖溶管道，4、充填物模擬材料，5、隧 (巷）道輪廓，6、水壓加載空間，7、凡士林，8、高強玻璃膠，9、壓力變送器，10、水栗，11、控制 裝置。
【具體實施方式】：
[0029]下面結合附圖與實施例對本發明進行進一步的說明。
[0030]圖1中，一種充填型巖溶管道系統，包括密閉試驗臺架1，所述密閉試驗臺架上部 設有水壓加載空間6,試驗臺架下部鋪設巖體相似材料2,是開展試驗的主要場所，在所述 巖體相似材料中開挖模擬隧道5,并在所述巖體相似材料2中埋設連接水壓加載空間6和模 擬隧道5的充填型巖溶管道3,所述巖溶管道內鋪設充填物模擬材料 4,所述密閉試驗臺架 外依次連接壓力變送器9、水泵10和控制裝置11，主要用于進行精確的水壓加載。
[0031]所述充填型巖溶管道3內埋設位移監測和滲壓監測傳感器，用于監測充填物失穩 突水的災變演化信息。
[0032]所述充填型巖溶管道3能夠模擬不同斷面形狀和走向，在巖體相似材料2分層填 筑過程中逐步形成。
[0033]所述充填型巖溶管道3的等效直徑不小于5cm。
[0034]所述充填物模擬材料4具有遇水軟化特性，軟化系數不大于〇· 3，且可趨于〇 (松散 材料），充填物模擬材料的彈性模量與巖體相似材料的彈性模量之比不大于1/3。
[0035]突水涌泥相似充填型巖溶管道系統的制作方法，包括以下步驟：
[0036] (1)相似材料填鋪，依據工程背景和相似理論配制耐水性圍巖相似材料2,在模型 架中分層填鋪并夯實，可構造實際地層產狀；
[0037] (2)埋入巖溶管道系統3,當相似材料2鋪設到巖溶管道系統3所在高度時，在預 定位置鋪設充填物模擬材料4,控制好斷面形狀和走向，并在設計高度埋設位移、滲壓等監 測傳感器，相似材料2分層夯實過程中，巖溶管道系統3下層截面會發生自然的擠壓變形， 使最終形成的巖溶管道的管壁有一定的不平整度，更接近工程中的自然形態；
[0038]_ (3)模型體密封，在相似材料2頂部，用凡士林7對材料與試驗臺架i內壁接觸部 位進行密封，用高強玻璃膠8進行試驗臺架頂部的密封；
[0039] ⑷模型體上部6注水，在預定部位進行隧（巷）道開挖5 ;
[0040] ⑶梯度施加水壓，對巖溶管道3中的充填物模擬材料4進行浸潤，通過控制裝置 11和水泵10按照一定的水頭梯度逐步提升水壓，壓力變送器9和數顯儀實時顯示模型體內 的水壓，利用監測傳感器和攝像儀器，觀測充填物 4失穩過程和突水涌泥現象。
[0041] 一種充填型巖溶管道系統的再填充方法，包括以下步驟：
[0042] A.沖洗已形成的巖溶管道3,去除原有充填物模擬材料4,并檢測管道內監測傳感 器的工作狀態是否正常； C〇〇43] B.在管道壁上涂抹2mm厚的凡士林，避免填筑新的充填物模擬材料4后，水沿巖體 相似材料2和充填物模擬材料4間的縫隙流下，造成充填物模擬材料4的整體失穩，影響正 常的突水涌泥現象；
[0044] C·用堅硬物體封堵巖溶管道下端管口，分層填筑新的充填物模擬材料4,并夯實 到試驗設計的密實度；
[0045] D·對巖溶管道3中新的充填物模擬材料4進行浸潤，通過控制裝置η和水泵1〇 按照廠定的水頭梯度逐步提升水壓，壓力變送器9和數顯儀實時顯示模型體內的水壓，利 用監測傳感器和攝像儀器，觀測充填物 4失穩過程和突水涌泥現象。
[0046]上述雖然結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發明保護范 圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不 需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。
【權利要求】
1. 一種充填型巖溶管道系統，其特征是，包括密閉試驗臺架，所述密閉試驗臺架上部設 有水壓加載空間，試驗臺架下部鋪設巖體相似材料，在所述巖體相似材料中開挖模擬隧道， 并在所述巖體相似材料中埋設連接水壓加載空間和模擬隧道的充填型巖溶管道，所述巖溶 管道內鋪設充填物模擬材料，所述密閉試驗臺架外依次連接壓力變送器、水泵和控制裝置。 、2.如權利要求1所述的一種充填型巖溶管道系統，其特征是，所述充填型巖溶管道內 埋設位移監測和滲壓監測傳感器，用于監測充填物失穩突水的災變演化信息。
3. 如權利要求1所述的一種充填型巖溶管道系統，其特征是，所述充填型巖溶管道能 夠模擬不同斷面形狀和走向，在巖體相似材料分層填筑過程中逐步形成。
4. 如權利要求1所述的一種充填型巖溶管道系統，其特征是，所述充填型巖溶管道的 等效直徑不小于5cm。
5. 如權利要求1所述的一種充填型巖溶管道系統，其特征是，所述充填物模擬材料具 有遇水軟化特性，軟化系數范圍為0-3,充填物模擬材料的彈性模量與巖體相似材料的彈性 模量之比不大于1/3。
6· -種如權利要求1所述的充填型巖溶管道系統的制作方法，其特征是，包括以下步 驟： (1)巖體相似材料填鋪，依據工程背景和模型試驗相似理論，配制耐水性巖體相似材 料，在模型架中分層填鋪并夯實，構造實際地層產狀； #(2)埋入巖溶管道，當巖體相似材料鋪設到巖溶管道所在高度時，在預定位置鋪設充填 物模擬材料，控制好斷面形狀和走向，并在設計高度埋設位移、滲壓監測傳感器，巖體相似 材料分層夯實過程中，巖溶管道系統下層截面會發生自然的擠壓變形，使最終形成的巖溶 管道的管壁有一定的不平整度，更接近工程中的自然形態； (3) 模型體密封，在巖體相似材料頂部，用密封材料對巖體相似材料與密閉試驗臺架內 壁接觸部位進行密封，并進行試驗臺架頂部的密封； (4) 巖體相似材料上部注水,并在預定部位進行隧（巷）道開挖； (5) 對巖溶管道中的充填物模擬材料進行浸潤，通過控制裝置和水泵按照一定的水頭 梯度逐步提升水壓，觀測充填物失穩過程和突水涌泥現象。
7. -種如權利要求1所述的充填型巖溶管道系統的再填充方法，其特征是，包括以下 步驟： A.沖洗已形成的巖溶管道，去除原有充填物模擬材料，并檢測管道內監測傳感器的工 作狀態是否正常； B·在管道壁上涂抹密封材料，防止填筑新的充填物模擬材料后，水沿巖體相似材料和 充填物模擬材料間的縫隙流下，造成充填物模擬材料的整體失穩； C.用堅硬物體封堵巖溶管道下端管口，分層填筑新的充填物模擬材料，并夯實到試驗 設計的密實度； 、D.對巖溶管道中新的充填物模擬材料進行浸潤，通過控制裝置和水泵按照一定的水頭 梯度逐步提升水壓，觀測充填物失穩過程和突水涌泥現象。
【文檔編號】G01M10/00GK104215425SQ201410416198
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月22日 優先權日:2014年8月22日
【發明者】周毅, 石少帥, 李術才, 李利平, 陳迪楊, 孫尚渠, 許振浩, 張乾青 申請人:山東大學
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