一種大型地裂縫物理模型的實驗系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例公開了一種大型地裂縫物理模型的實驗系統(tǒng)，涉及基于地質(zhì)學(xué)的實驗測量技術(shù)領(lǐng)域，實現(xiàn)了通過實驗?zāi)M，在開采地下水條件下，研究在基巖潛山部位地層差異壓縮導(dǎo)致地裂縫發(fā)育擴展的物理模型。本發(fā)明包括：模型箱由有機玻璃溶接制成；支撐框架系統(tǒng)包括框架、硬支撐和千斤頂，框架固定安裝在模型箱的外表面，硬支撐為金屬框架結(jié)構(gòu)，覆蓋安裝在模型箱的外表面，千斤頂用于調(diào)節(jié)模型箱底的水平程度；在每一端的每個進水口上安裝水量量測儀表和水閥；在每個排水口上安裝水量量測儀表和水閥；基底形態(tài)控制系統(tǒng)包括：監(jiān)測儀器由在各層中設(shè)置的分布式光纖、液位計、位移計、測壓管和溫度計組成。本發(fā)明適用于地裂縫物理研究。
【專利說明】
一種大型地裂縫物理模型的實驗系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及基于地質(zhì)學(xué)的實驗測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種大型地裂縫物理模型 的實驗系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在礦產(chǎn)開發(fā)、隧道挖掘等工程中，地質(zhì)裂縫會對工程本身造成很多不利因素，甚至 釀成事故。因此在需要在前期勘探中對可能出現(xiàn)的地質(zhì)裂縫進行充分測量以及研究評估， 以便能夠安全施工，保護作業(yè)人員，同時減小工程隱患。其中，地下水的變化又是造成地質(zhì) 裂縫的主要原因之一。
[0003] 在工程的施工過程中，很多時候都需要人為主動抽水，而在抽水后孔隙水壓力下 降顆粒間浮托力減小，但由于抽水過程中土層的總應(yīng)力基本保持不變，故導(dǎo)致有效應(yīng)力增 加，土層壓密，垂向位移隨著地下水位的降低而逐漸增大。又由于受基巖潛山影響，土層厚 度在潛山附近形成突變，土體差異壓縮，導(dǎo)致在地表形成裂縫。
[0004] 但是，目前對于基巖潛山環(huán)境中的地質(zhì)裂縫的評估方式，主要還是通過實地勘探。 同時，實際的地下水網(wǎng)較為復(fù)雜，在基巖潛山的環(huán)境中，很難準(zhǔn)確評估地下水的變化對于地 質(zhì)裂縫的影響情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的實施例提供一種大型地裂縫物理模型的實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了通過實驗?zāi)?擬，在開采地下水條件下，研究在基巖潛山部位地層差異壓縮導(dǎo)致地裂縫發(fā)育擴展的物理 模型。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明的實施例采用如下技術(shù)方案：
[0007] 第一方面，本發(fā)明的實施例提供的方法，包括:模型箱、支撐框架系統(tǒng)、進水系統(tǒng)、 排水系統(tǒng)和基底形態(tài)控制系統(tǒng)；
[0008] 所述模型箱由有機玻璃溶接制成；
[0009] 所述支撐框架系統(tǒng)包括框架、硬支撐和千斤頂，所述框架固定安裝在所述模型箱 的外表面，所述硬支撐為金屬框架結(jié)構(gòu)，覆蓋安裝在所述模型箱的外表面，所述千斤頂用于 調(diào)節(jié)所述模型箱底的水平程度，所述千斤頂?shù)牡鬃仓迷诘孛嫔?，且所述千斤頂?shù)呐e重桿 接觸所述金屬框架結(jié)構(gòu)的地盤；
[0010] 所述進水系統(tǒng)包括了設(shè)置在所述模型箱兩端的進水口，其中，在每一端的每個進 水口上安裝水量量測儀表和水閥；
[0011]所述排水系統(tǒng)包括了設(shè)置在所述模型箱底部的排水口，并在每個排水口上安裝水 量量測儀表和水閥；
[0012]所述基底形態(tài)控制系統(tǒng)包括:鋪設(shè)在所述模型箱中的土層，和設(shè)置在所述土層中 的監(jiān)測儀器;其中，自所述模型箱底至上，所述土層包括:粘土層、砂層、粉土層和粘土薄層， 且在所述土層之間設(shè)置用于標(biāo)識的云母片;所述監(jiān)測儀器由在各層中設(shè)置的分布式光纖、 液位計、位移計、測壓管和溫度計組成。
[0013] 本發(fā)明實施例提供的大型地裂縫物理模型的實驗系統(tǒng)，通過實驗?zāi)M裝置實現(xiàn)了 研究抽水條件下，不同厚度含水層及其頂板弱透水層的沉降差異實驗;和，研究弱透水層抽 水條件下土層固結(jié)沉降規(guī)律;和，研究并監(jiān)測地裂縫形成演化過程;和，研究起伏基底對地 裂縫產(chǎn)生的影響；和，研究弱透水層、含水層釋水形變參數(shù)的多監(jiān)測方式獲取。本實施例所 提供的實驗系統(tǒng)的運行原理在于:地下某深度處地層總應(yīng)力σ等于有效應(yīng)力(Τ'和孔隙水壓 力u之和，即：σ = ir - + u，抽水后孔隙水壓力下降顆粒間浮托力減小，但由于抽水過程中土 層的總應(yīng)力基本保持不變，故導(dǎo)致有效應(yīng)力增加，土層壓密，垂向位移隨著地下水位的降低 而逐漸增大。由于受基巖潛山影響，土層厚度在潛山附近形成突變，土體差異壓縮，導(dǎo)致在 地表形成裂縫。本實驗?zāi)M在開采地下水條件下在基巖潛山部位地層差異壓縮導(dǎo)致地裂縫 發(fā)育擴展的物理模型。從而實現(xiàn)了通過實驗?zāi)M，在開采地下水條件下，研究在基巖潛山部 位地層差異壓縮導(dǎo)致地裂縫發(fā)育擴展的物理模型。
【附圖說明】
[0014] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的 附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附 圖。
[0015] 圖1為本發(fā)明實施例提供的大型地裂縫物理模型的實驗系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2、3、4為本發(fā)明實施例提供的大型地裂縫物理模型的實驗系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0017] 圖5、6、7、8為本發(fā)明實施例提供的大型地裂縫物理模型的中，各土層中的傳感器 和光纖的布置方式不意圖。
【具體實施方式】
[0018] 為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實施方 式對本發(fā)明作進一步詳細描述。下文中將詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示 例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類 似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能 解釋為對本發(fā)明的限制。本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形 式"一"、"一個"、"所述"和"該"也可包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該進一步理解的是，本發(fā)明的說明書 中使用的措辭"包括"是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除 存在或添加一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應(yīng)該理解， 當(dāng)我們稱元件被"連接"或"耦接"到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者 也可以存在中間元件。此外，這里使用的"連接"或"耦接"可以包括無線連接或耦接。這里使 用的措辭"和/或"包括一個或更多個相關(guān)聯(lián)的列出項的任一單元和全部組合。本技術(shù)領(lǐng)域 技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有 與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用 字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且 除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0019] 本發(fā)明實施例提供一種大型地裂縫物理模型的實驗系統(tǒng)，如圖1所示，包括:模型 箱、支撐框架系統(tǒng)、進水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和基底形態(tài)控制系統(tǒng)。其中：
[0020] 所述模型箱由有機玻璃溶接制成。
[0021] 所述支撐框架系統(tǒng)包括框架、硬支撐和千斤頂，所述框架固定安裝在所述模型箱 的外表面，所述硬支撐為金屬框架結(jié)構(gòu)，覆蓋安裝在所述模型箱的外表面，所述千斤頂用于 調(diào)節(jié)所述模型箱底的水平程度，所述千斤頂?shù)牡鬃仓迷诘孛嫔希宜銮Ы镯數(shù)呐e重桿 接觸所述金屬框架結(jié)構(gòu)的地盤。
[0022] 所述進水系統(tǒng)包括了設(shè)置在所述模型箱兩端的進水口，其中，在每一端的每個進 水口上安裝水量量測儀表和水閥。
[0023] 所述排水系統(tǒng)包括了設(shè)置在所述模型箱底部的排水口，并在每個排水口上安裝水 量量測儀表和水閥。
[0024]所述基底形態(tài)控制系統(tǒng)包括:鋪設(shè)在所述模型箱中的土層，和設(shè)置在所述土層中 的監(jiān)測儀器。其中，自所述模型箱底至上，所述土層包括:粘土層、砂層、粉土層和粘土薄層， 且在所述土層之間設(shè)置用于標(biāo)識的云母片。所述監(jiān)測儀器由在各層中設(shè)置的分布式光纖、 液位計、位移計、測壓管和溫度計組成。
[0025] 其中，在所述進水系統(tǒng)中的每一個進水口上都安裝有水量量測儀表和水閥?；蛘?， 各端的進水口分別連接各自的進水總管，并在所述進水總管上安裝有水量量測儀表和水 閥。
[0026] 在本實施例的優(yōu)選方案中，如圖2所示的，組成所述模型箱的有機玻璃的厚度為 25mm。所述模型箱的長度4.8m，寬度為1.8m，高度為1.5m。
[0027] 在本實施例的優(yōu)選方案中，在所述模型箱的一端:包括12個呈均勻分布在矩形區(qū) 域內(nèi)的進水口。所述進水口距離所述模型箱的內(nèi)底面的最小距離為〇.17m，距離模型箱的內(nèi) 壁面的最小距離為0.3m。各進水口之間的最小間距為0.32m，最大間距為0.6m;所述排水系 統(tǒng)包括10個呈均勻分布在矩形區(qū)域內(nèi)的排水口。所述排水口距離所述模型箱的內(nèi)壁面的最 小距離為0.45m，最大距離為0.48m。各排水口之間的最小間距為0.9m，最大間距為0.96m。
[0028] 例如：可以按照圖2所示布置進出水口，由于模型的滲流區(qū)四周邊界為箱體、底部 邊界為粘土層，皆可作為隔水邊界。模型的進水口、排水口可以概化為注水井群和抽水井 群。井群互相干擾，對滲流場的影響可用"疊加原理"進行分析。在本實施例中，為平行隔水 邊界，可對井群進行平行邊界映射，保證了滲流區(qū)流線均勻，最大限度減小邊界對滲流場的 影響。
[0029]在本實施例的優(yōu)選方案中，所述粘土層的厚度為20cm，所述砂層的厚度為60cm，所 述粉土層的厚度為55cm，所述粉土層中的粉土由細砂與粘土按照2:1的比例混合制成。具體 的，在模型箱中的基底形態(tài)控制系統(tǒng)中，可以預(yù)設(shè)基底潛山，基底潛山長2.8m、寬1.8m、高 〇. 8m，內(nèi)用粘土填充，從而保證隔水。在模型箱中自下至上鋪設(shè)20cm的粘土層，60cm的砂層， 55cm的粉土層。砂層與粉土層間撒云母片做標(biāo)識區(qū)分。土體表層處鋪設(shè)粘土薄層。
[0030]在本實施例中，所述監(jiān)測儀器的分布式光纖分豎向、橫向鋪設(shè)，其中包括四層水平 分布式光纖和12條豎向分布式光纖。在本實施例中，可以采用聚氨酯應(yīng)變感測光纜，預(yù)估光 纜長度:200m。
[0031] 在所述粘土層與所述砂層的交界面，布設(shè)第一層水平分布式光纖，并安裝有與所 述第一層水平分布式光纖連接的液位計、位移計和測壓管。在本實施例中的粘土層與砂層， 采用預(yù)估土方量:粘土 7m3,細砂7.5m3。
[0032] 在所述砂層中部，布設(shè)第二層水平分布式光纖，并安裝有與所述第二層水平分布 式光纖連接的液位計、位移計、溫度計和至少5個PR2 土壤剖面水分傳感器。
[0033]在所述砂層與所述粉土層的交界面且用于標(biāo)識的云母片下方，布設(shè)第三層水平分 布式光纖，并安裝有與所述第三層水平分布式光纖連接的溫度計、位移計和至少5個PR2 土 壤剖面水分傳感器。在所述粉土層中部，布設(shè)第四層水平分布式光纖，并安裝有與所述第四 層水平分布式光纖連接的位移計和至少5個PR2土壤剖面水分傳感器。具體的，本實施例中 采用的傳感器具體包括:光纖光柵液位計、光纖光柵微型位移計、光纖光柵溫度計、PR2 土壤 剖面水分傳感器、測壓管等。其中，光纖光柵又稱光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating， FBG)〇
[0034]例如:本實施例中的監(jiān)測儀器的布設(shè)方式可以參照如圖3-4所示，其中分布式光纖 分豎向、橫向鋪設(shè)，共12條豎向分布式光纖，4層水平分布式光纖，采用后定點方式固定玻 片。后定點是指模型邊堆填邊進行點膠定點、加有機玻璃片。其中，如圖5所示的，在20cm處 (粘土層與砂層的交界面），布設(shè)第一層水平分布式光纖、液位計、位移計、測壓管;如圖6所 示的，在50cm處(砂層中部），布設(shè)第二層分布式光纖、液位計、位移計、溫度計；如圖7所示 的，在80cm處(砂層與粉土層的交界面，云母標(biāo)識層之下），布設(shè)第三層水平分布式光纖、溫 度計、位移計；如圖8所示的，在110cm處(粉土層中部），布設(shè)第四層光纖、位移計。設(shè)置5個 PR2 土壤剖面水分傳感器，測試20-140cm的土壤含水率。
[0035]其中，具體的實驗執(zhí)行流程包括：
[0036]實際測量模型箱規(guī)格，將各頂點、進出水口定點并記錄進計算機設(shè)備，其中，在模 型箱上標(biāo)注各位置線和紅外標(biāo)識，以便傳感設(shè)備掃描定位點；
[0037]在潛山內(nèi)部澆灌粘土充填并夯實，其中潛山外層用水泥混凝土成型，保證潛山表 層剛度。
[0038] 填土每堆填5~10cm需壓實。到達設(shè)計位置即布設(shè)相應(yīng)傳感器。每層填土結(jié)束后， 測試光纜傳感信號質(zhì)量。完成整個模型堆填后對所有光纖信號等進行質(zhì)量檢測。因粉土為 粘土與細砂混合而成，上層粉土為粉末狀填充，所以每堆填5~10cm壓實然后浸水；
[0039] 接通光纖并標(biāo)注光纖編號，并檢測各通路光損情況；
[0040] 在模型堆填結(jié)束后，可以靜置約一周，并在實驗前安裝千分表；
[0041 ]對模型表面重復(fù)灑水、蒸發(fā)的步驟，使表層形成硬殼層，讀取千分表讀數(shù)，計算機 設(shè)備記錄模型表面沉降量；
[0042]打開模型兩端進水閥門，記錄各水表流量。使各層土飽水，含水層達承壓狀態(tài)，關(guān) 閉進水閥門，需靜置數(shù)天。讀取千分表讀數(shù)，記錄模型表面沉降量，采集各傳感器數(shù)據(jù)，直至 變形穩(wěn)定。在這過程中，可以由實驗人員或者由計算機控制攝像頭對表面情況進行拍照;再 打開模型底部排水閥門，記錄各水表流量。使含水層緩慢釋水，直至監(jiān)測不到排水量的疏干 狀態(tài)，讀取千分表讀數(shù)，記錄模型表面沉降量，采集各傳感器數(shù)據(jù)，直至變形穩(wěn)定。對表面情 況進行拍照;并重復(fù)該過程，直至模型表面出現(xiàn)裂縫。
[0043]本發(fā)明實施例提供的大型地裂縫物理模型的實驗系統(tǒng)，通過實驗?zāi)M裝置實現(xiàn)了 研究抽水條件下，不同厚度含水層及其頂板弱透水層的沉降差異實驗;和，研究弱透水層抽 水條件下土層固結(jié)沉降規(guī)律;和，研究并監(jiān)測地裂縫形成演化過程;和，研究起伏基底對地 裂縫產(chǎn)生的影響；和，研究弱透水層、含水層釋水形變參數(shù)的多監(jiān)測方式獲取。本實施例所 提供的實驗系統(tǒng)的運行原理在于:地下某深度處地層總應(yīng)力σ等于有效應(yīng)力GT和孔隙水壓 力u之和，即: S = - +H，抽水后孔隙水壓力下降顆粒間浮托力減小，但由于抽水過程中土 層的總應(yīng)力基本保持不變，故導(dǎo)致有效應(yīng)力增加，土層壓密，垂向位移隨著地下水位的降低 而逐漸增大。由于受基巖潛山影響，土層厚度在潛山附近形成突變，土體差異壓縮，導(dǎo)致在 地表形成裂縫。本實驗?zāi)M在開采地下水條件下在基巖潛山部位差異地層壓縮導(dǎo)致地裂縫 發(fā)育擴展的物理模型。從而實現(xiàn)了通過實驗?zāi)M，在開采地下水條件下，研究在基巖潛山部 位地層差異壓縮導(dǎo)致地裂縫發(fā)育擴展的物理模型。
[0044]本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部 分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于設(shè)備實 施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述得比較簡單，相關(guān)之處參見方法實施例 的部分說明即可。以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于 此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替 換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范 圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1. 一種大型地裂縫物理模型的實驗系統(tǒng)，其特征在于，包括:模型箱、支撐框架系統(tǒng)、進 水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和基底形態(tài)控制系統(tǒng)； 所述模型箱由有機玻璃溶接制成； 所述支撐框架系統(tǒng)包括框架、硬支撐和千斤頂，所述框架固定安裝在所述模型箱的外 表面，所述硬支撐為金屬框架結(jié)構(gòu)，覆蓋安裝在所述模型箱的外表面，所述千斤頂用于調(diào)節(jié) 所述模型箱底的水平程度，所述千斤頂?shù)牡鬃仓迷诘孛嫔希宜銮Ы镯數(shù)呐e重桿接觸 所述金屬框架結(jié)構(gòu)的底盤； 所述進水系統(tǒng)包括了設(shè)置在所述模型箱兩端的進水口，其中，在每一端的至每個進水 口上安裝水量量測儀表和水閥； 所述排水系統(tǒng)包括了設(shè)置在所述模型箱底部的排水口，并在每個排水口上安裝水量量 測儀表和水閥； 所述基底形態(tài)控制系統(tǒng)包括:鋪設(shè)在所述模型箱中的土層，和設(shè)置在所述土層中的監(jiān) 測儀器;其中，自所述模型箱底至上，所述土層包括:粘土層、砂層、粉土層和粘土薄層，且在 所述土層之間設(shè)置用于標(biāo)識的云母片;所述監(jiān)測儀器由在各層中設(shè)置的分布式光纖、液位 計、位移計、測壓管和溫度計組成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實驗系統(tǒng)，其特征在于，組成所述模型箱的有機玻璃的厚度為 25mm； 所述模型箱的長度4.8m，寬度為1.8m，高度為1.5m。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實驗系統(tǒng)，其特征在于，在所述進水系統(tǒng)中的每個進水口上都 安裝有水量量測儀表和水閥； 或者，各端的進水口分別連接各自的進水總管，并在所述進水總管上安裝有水量量測 儀表和水閥。4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項所述的實驗系統(tǒng)，其特征在于，在所述模型箱的一端： 包括12個呈均勻分布在矩形區(qū)域內(nèi)的進水口； 所述進水口距離所述模型箱的內(nèi)底面的最小距離為〇.17m，距離模型箱的內(nèi)壁面的最 小距離為〇.3m; 各進水口之間的最小間距為0.32m，最大間距為0.6m。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述排水系統(tǒng)包括10個呈均勻分布在 矩形區(qū)域內(nèi)的排水口； 所述排水口距離所述模型箱的內(nèi)壁面的最小距離為〇.45m，最大距離為0.48m; 各排水口之間的最小間距為〇. 9m，最大間距為0.96m。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述粘土層的厚度為20cm，所述砂層 的厚度為60cm，所述粉土層的厚度為55cm，所述粉土層中的粉土由細砂與粘土按照2:1的比 例混合制成。7. 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)測儀器的分布式光纖分豎 向、橫向鋪設(shè)，其中包括四層水平分布式光纖和12條豎向分布式光纖； 在所述粘土層與所述砂層的交界面，布設(shè)第一層水平分布式光纖，并安裝有與所述第 一層水平分布式光纖連接的液位計、位移計和測壓管； 在所述砂層中部，布設(shè)第二層水平分布式光纖，并安裝有與所述第二層水平分布式光 纖連接的液位計、位移計、溫度計和至少5個PR2 土壤剖面水分傳感器； 在所述砂層與所述粉土層的交界面且用于標(biāo)識的云母片下方，布設(shè)第三層水平分布式 光纖，并安裝有與所述第三層水平分布式光纖連接的溫度計、位移計和至少5個PR2 土壤剖 面水分傳感器； 在所述粉土層中部，布設(shè)第四層水平分布式光纖，并安裝有與所述第四層水平分布式 光纖連接的位移計和至少5個PR2 土壤剖面水分傳感器。
【文檔編號】G01N33/24GK106018755SQ201610619488
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月29日
【發(fā)明人】王光亞, 朱錦旗, 于軍, 龔緒龍, 盧毅, 呂菲菲, 陳明珠
【申請人】江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院