一種水力誘導(dǎo)覆蓋型巖溶塌陷模擬試驗(yàn)裝置及使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域，具體地涉及一種水力誘導(dǎo)覆蓋型巖溶塌陷模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，適用于復(fù)雜水力條件誘導(dǎo)下覆蓋型巖溶塌陷模擬室內(nèi)試驗(yàn)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟(jì)的增長，人類活動對覆蓋型巖溶區(qū)的影響不斷增強(qiáng)，覆蓋型巖溶塌陷問題日趨頻繁、嚴(yán)重。塌陷過程非常突然而且迅速，不僅會造成人員傷亡，還會對道路交通工程、水利水電工程、巖土工程造成破壞，并造成巖溶區(qū)域水土流失，影響環(huán)境，對社會穩(wěn)定造成嚴(yán)重的影響。因此開展覆蓋型巖溶塌陷的形成機(jī)理試驗(yàn)研究具有很重大的意義。對于覆蓋型巖溶塌陷機(jī)理的探索，需要頻繁改變實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)有的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境一旦建成，改變條件困難且周期長、花費(fèi)大，無法完全滿足生產(chǎn)和科研需求，此外室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究的支撐技術(shù)是微型高靈敏度傳感器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)自動采集分析系統(tǒng)，目前試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭兴矐B(tài)狀態(tài)信息比較難以捕獲，實(shí)驗(yàn)可操作性不高，實(shí)驗(yàn)過程的可視化存在難題，制約了覆蓋型巖溶塌陷室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:針對現(xiàn)有的覆蓋型巖溶塌陷試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟蛔阒?，本發(fā)明開發(fā)了一種水力誘導(dǎo)覆蓋型巖溶塌陷模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，可以適用于復(fù)雜水流邊界條件下覆蓋型巖溶塌陷的試驗(yàn)研究，捕獲巖溶塌陷過程中的水流、位移、顆粒運(yùn)移等瞬態(tài)信息。
[0004]本發(fā)明還要解決的技術(shù)問題在于提供利用上述試驗(yàn)裝置模擬水力誘導(dǎo)覆蓋型巖溶塌陷的方法。
[0005]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種水力條件影響下的覆蓋型巖溶塌陷過程機(jī)理研究的試驗(yàn)裝置，包括水位控制單元、人工降雨模擬單元、試驗(yàn)單元和智能監(jiān)測單元組成，其中:
[0006]所述水位控制單元用于控制試驗(yàn)過程中試驗(yàn)單元的承壓水位和潛水位；
[0007]所述的人工降雨模擬單元與所述水位控制單元連接，由所述水位控制單元提供用于模擬人工降雨的供水；
[0008]所述試驗(yàn)單元包括潛水層模擬箱和設(shè)置于所述潛水層模擬箱下方的承壓層水箱，用于覆蓋型巖溶塌陷試驗(yàn)，所述潛水層模擬箱的左右兩側(cè)分別設(shè)置有不銹鋼網(wǎng)，兩個(gè)不銹鋼網(wǎng)在潛水層模擬箱的左右兩側(cè)分隔成所述分別與所述不銹鋼網(wǎng)構(gòu)成左右水箱用于為潛水層土體均勻供水；
[0009]所述智能監(jiān)測單元包括水壓力傳感器、土壓力傳感器、光學(xué)傳感器、激光位移傳感器、土壤水分傳感器和數(shù)碼相機(jī)，所述水壓力傳感器與設(shè)置于潛水層模擬箱的后面板上的測孔相連，所述測孔采取中間下部密集，其余部位分散，且沿中心線左右兩側(cè)錯位布置;所述土壓力傳感器設(shè)置于所述潛水層模擬箱的底板表面;所述光學(xué)傳感器布置于承壓層水箱上端前后兩側(cè)中心處，用來監(jiān)測覆蓋層中細(xì)顆粒受水力因素影響啟動流入承壓層水箱的量，為覆蓋型巖溶塌陷土洞形成過程提供依據(jù);所述激光位移傳感器設(shè)置于所述試驗(yàn)單元的上方，用于監(jiān)測地表沉降；所述土壤水分傳感器布置于待測土壤模型的潛水層非飽和帶，用于監(jiān)測土壤含水量，為覆蓋型巖溶塌陷最終的土拱失穩(wěn)提供依據(jù);所述數(shù)碼相機(jī)設(shè)置在所述試驗(yàn)單元的正前方，用于拍攝試驗(yàn)過程和結(jié)果。
[0010]具體地，所述水位控制單元包括水位控制箱、水位升降系統(tǒng)和循環(huán)水箱，其中，所述的水位控制箱包括承壓層水位控制箱、左側(cè)潛水層水位控制箱、右側(cè)潛水層水位控制箱，每個(gè)水位控制箱設(shè)置有進(jìn)水管、出水管和回水管，所述承壓層水位控制箱的出水管與所述承壓層水箱的底部相連通，其進(jìn)水管和回水管分別與所述循環(huán)水箱相連通;所述左側(cè)潛水層水位控制箱和右側(cè)潛水層水位控制箱分別設(shè)置于所述潛水層模擬箱的左側(cè)和右側(cè)，兩個(gè)水位控制箱的出水管分別與所述潛水層模擬箱底端的左右兩側(cè)，兩個(gè)水位控制箱的進(jìn)水管和回水管分別與所述循環(huán)水箱相連;每個(gè)水位控制箱分別設(shè)置于所述水位升降系統(tǒng)的升降平臺上，并通過所述水位升降系統(tǒng)改變水位控制箱的位置。
[0011]優(yōu)選地，每個(gè)水位升降系統(tǒng)的升降平臺設(shè)有均勻升降機(jī)構(gòu)和正弦機(jī)構(gòu)，并由帶自鎖功能的變頻電機(jī)驅(qū)動，通過變速齒輪再次調(diào)速。
[0012]進(jìn)一步優(yōu)選地，每個(gè)水位控制箱內(nèi)設(shè)置有溢流板和消能板，其中，所述溢流板垂直設(shè)置于水位控制箱內(nèi)將水位控制箱分隔為蓄水倉和回水倉，所述消能板水平設(shè)置于所述水位控制箱內(nèi)，其位置高于進(jìn)水口低于出水口，以利于穩(wěn)定水頭。
[0013]所述的潛水層模擬箱和承壓層水箱由有機(jī)透明玻璃制成，所述承壓層水箱的頂部設(shè)有承壓層水箱頂板，與潛水層模擬箱的底板連接，兩部分之間通過止水橡膠墊止水;所述潛水層模擬箱的左右兩側(cè)分別設(shè)置有不銹鋼網(wǎng)并分別與所述不銹鋼網(wǎng)構(gòu)成左右水箱用于為潛水層土體均勻供水;在不銹鋼網(wǎng)的底部分別設(shè)置有有機(jī)玻璃板用于為進(jìn)入的水頭消能，防止進(jìn)水口水流直接與土體接觸;在潛水層模擬箱的底板中間位置開有一空洞，并配有四個(gè)滑動槽，所述滑動槽用于設(shè)置巖溶裂隙模擬板，通過設(shè)置于裂隙巖溶模擬板側(cè)邊的左右裂隙隙寬控制片調(diào)整巖溶裂隙的隙寬。
[0014]所述的人工降雨模擬單元包括依次連接的蠕動栗和人工降雨水箱，所述蠕動栗與人工降雨水箱進(jìn)水口相連，所述人工降雨水箱的底部設(shè)置有若干輸液針用于出水，所述人工降雨模擬單元利用蠕動栗控制降雨強(qiáng)度。
[0015]所述試驗(yàn)單元設(shè)置在光線封閉的空間中，還包括照明燈和白色背景帷幕;所述照明燈設(shè)置在所述光線封閉的空間中用于提供光源所述白色背景帷幕設(shè)置在所述試驗(yàn)單元的正后方，用于減少數(shù)碼相機(jī)的拍照色差。
[0016]所述水壓力傳感器采用輸出4?20mA制式傳感器，與250歐姆精密電阻以及24V直流電源串聯(lián)，高頻記錄儀與250歐姆精密電阻并聯(lián)，采集壓力信號。
[0017]本發(fā)明同時(shí)提出了利用上述試驗(yàn)裝置模擬水力誘導(dǎo)覆蓋型巖溶塌陷的方法，包括如下步驟:
[0018](I)在潛水層模擬箱內(nèi)內(nèi)底板上平鋪土壓力傳感器，根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)整裂隙隙寬控制片，并將裂隙巖溶模擬板固定；
[0019](2)將承壓層水箱與潛水層模擬箱對接，并用螺絲固定，將承壓層水箱中充水至潛水層模擬箱底板位置，同時(shí)在承壓層水箱上部固定光學(xué)傳感器；
[0020](3)制備土樣，并用噴霧器噴霧，使得土質(zhì)含有一定水分；
[0021](4)用泥團(tuán)蓋住底板中間位置處開設(shè)的空洞，泥團(tuán)不可堵塞中間裂隙，以免增加水力滲透路徑實(shí)驗(yàn)效果，將制備的土樣平鋪于潛水層模擬箱內(nèi)，壓實(shí)，并在土層上靠前側(cè)有機(jī)玻璃邊緣處設(shè)置彩色細(xì)砂，作為數(shù)字成像系統(tǒng)的標(biāo)記線；
[0022](5)重復(fù)步驟(4)直至形成土層結(jié)構(gòu)，在土層壓實(shí)過程中，埋入土壤水分傳感器；
[0023](6)打開承壓水位控制箱，并通過閥門調(diào)整，使得水管中的水流緩慢流入承壓層水箱，以防止土層中出現(xiàn)氣爆現(xiàn)象，采用“熱水飽和法”進(jìn)行飽和，即在供水箱內(nèi)貯存熱水，使承壓水位控制箱中水位略高于試樣底面位置，再緩慢的提升水箱，每次提升I?2cm，待水箱中水位與試樣中水位相等，稍等若干分鐘后再次提升水箱，隨著供水水箱上升，試樣緩慢飽和，并排除試樣中的空氣，與此同時(shí)，當(dāng)測孔有水析出時(shí)，接通連接水壓力傳感器的軟管，要求軟管接通前內(nèi)部充滿水排除氣泡，軟管兩端略高于導(dǎo)管口，降低一端接通導(dǎo)管，確保導(dǎo)管與軟管間無氣泡，在另一端用注射器注水，排除空氣，連接水壓力傳感器，注意排除傳感器部分的空氣；
[0024](7)靜置，調(diào)整左右潛水層水位控制箱以及承壓水位控制箱至初始位置，待所有傳感器中的數(shù)值穩(wěn)定，形成初始狀態(tài)滲流場；
[0025](8)將激光位移傳感器儀置于試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛦卧戏?，打開所有監(jiān)控設(shè)備，按照試驗(yàn)要求改變水力條件進(jìn)行試驗(yàn)。
[0026]其中，步驟(4)中，通過如下步驟制備土樣: