厚松散岩土层底部注水沉降变形模拟装置及沉降模拟方法

摘要

本发明公开了厚松散岩土层底部注水沉降变形模拟装置及沉降模拟方法。该装置的模型桶两端与法兰连接，模型桶两侧与排水法兰、测压管连接；恒压注水泵与水源连接、另一端与流量仪连接，流量仪另一端与注水管连接，注水管与模型桶内注水花管连接，内腔底部与穿孔板连接，光缆与光纤光栅传感器连接，光缆另一端与光纤光栅解调仪、计算机、远程传输设备连接。方法：恒压注水泵注水，厚松散岩土层沉降变形，解调仪内施加光源给传感器，传感器返回光信号由解调仪转换成波长值给计算机，计算波长漂移量，将波长值转换成松散岩土层内部应力值。监测完善、测试灵敏度高、无线数据传输、重复造作，广泛适用于煤矿、基坑、边坡公路、铁路沉降问题的研究。

说明书

技术领域

本发明涉及通过渗流参数控制仪器、光纤光栅应变监测及数据传输设备进行厚松散岩土层底部含水层渗流与变形规律，具体涉及厚松散岩土层底部注水沉降变形模拟装置及沉降模拟方法。

背景技术

地层沉降是一种常见地质现象。其缓慢、长期的演变发展，严重时成为地质灾害，威胁构筑物使用和人民生命财产安全，并形成社会危害。大量开采地下资源（包括地下水、石油、天然气和煤炭）和大规模工程建设是地面沉降的主要诱因，如矿山开采引起的覆岩和地表塌陷、过度地下水开采引起的地层沉陷、城市地下工程（如地铁）引起的基础沉降等。由于地下水开采导致松散岩土层固结压缩、地表沉陷已经在世界范围内普遍存在，是当今世界各国不容忽视的环境地质问题。美国全部州均出现由于开采地下矿物(水、油、气)产生不同程度的地表沉降，加利福利亚最大沉降量达9.0mm；日本有59个地区的地表沉降十分显著，地表沉降区的总面积已超过9520 km²，东京最大沉降量达4.6m。我国目前已经有17个省份的96个城市和地区发生了地面沉降，年沉降速度为10~56mm/a，北京市沉降量大于200mm的地区达350 km²，天津地表最大下沉量达3.9l6m，西安大雁塔塔身倾斜1002.7mm。

我国华东地区的淮北、淮南、大屯、徐州、兖州、枣庄、永夏、巨野等产煤矿区，开采以立井为主，立井井筒穿过深厚的第四系松散地层，在煤矿生产过程中立井井筒变形破坏是该地区煤矿安全生产的主要灾害之一（如兖矿13个、大屯5个、徐州9个、淮南4个、淮北14个井筒发生井壁变形破坏）。华东地区地层系统自上而下分别为第四系(Q)、侏罗系(J)、二叠系(P)、石炭系(C)和奥陶系(O)。第四系(Q)松散岩土层覆盖深厚，分布不均，一般200~400m，一些地方达600~800m，分为上、中、下三组，上、下组为含水层组，中组为隔水层组。目前，在井壁破坏治理和预防中，对破裂井壁结构形成了以卸压槽为主结合破壁注浆堵水和井圈加固的治理方法，对注浆法治理井壁破裂的机制、注浆参数和井壁应变监测进行相关的研究。然而注浆或注水的下组含水层埋藏深度超过90m，上覆地层压力较大，且深部注浆工程的隐蔽性较强，浆液的凝固和扩散范围较难控制。治理以井壁破坏后为主，难度大，影响生产、费用高且由于井壁整体性已遭到破坏，治理效果不理想。

第四系松散岩土层下组含水层的水位下降和补给不充分，是该地区造成众多井壁破坏的主要原因，通过补充含水层水位，可以控制由此引起的松散岩土层压缩和沉降，从而减少附加应力，防止立井井壁的破坏。

目前，地层变形模拟试验装置变形测试方法主要有百分表测量、位移传感器测量、全站仪测量和近景摄影测量，以上所有测试方法只能测量模型外部变形和整体变形，不能对模型内部变形和应变进行测量。传统的应变检测手段主要有电阻应变计式、差动电阻应变计式、钢弦式和液压枕式等几类传感器，同时国内外有学者采用声频应力波检测的方法和探地雷达，小波分析等方法。这些机电类敏感元器件已大量使用，并已有成熟的技术，尤其是电阻应变计的长期稳定性、温度漂移、零点稳定和长距离传输问题得到较好的解决。但这些传感器仍存在防潮、防水、抗干扰性能差，不能实现分布式测量等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种监测设备完善、测试灵敏度及精度高、易于操作、无线数据传输、重复造作、试验周期短，实现内部应变分布测量的厚松散岩土层底部注水沉降变形模拟装置。

本发明的另一目的在于提供厚松散岩土层底部含水层沉降模拟方法。

为了克服现有技术的不足，本发明的技术方案是这样解决的：该系统装置由模型桶、恒压注水泵、流量仪、注水管、测压管、百分表、顶部注水法兰、侧部排水法兰、底部排水法兰、第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器、第三光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、光缆、计算机和远程数据传输设备组成，本发明的特殊之处在于所述模型桶一端与顶部注水法兰连接、另一端与底部排水法兰连接，其中模型桶的一侧与侧部排水法兰连接、另一侧与测压管连接；所述恒压注水泵一端与水源连接、另一端与流量仪一端连接，流量仪另一端与注水管连接，注水管另一端通过顶部注水法兰与模型桶内腔的注水花管连接，模型桶内腔底部与穿孔板连接，所述光缆一端通过顶部注水法兰和模型桶内腔依次间隔分别与第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器、第三光纤光栅传感器连接，所述光缆另一端依次分别与光纤光栅解调仪、计算机、远程传输设备连接，所述百分表与顶部注水法兰连接。

所述模型桶内部间隔置有至少3个光纤光栅传感器。

所述光纤光传感器为光纤光栅传感器依次串联连接构成1根线性阵列，其每根线性阵列并联连接后至少构成三个阵列。

所述模型桶内部安装一个可拆卸的穿孔板，穿孔板上开有至少30个小孔。

一种所述的模拟系统装置的沉降模拟方法，按下述步骤进行：

（1）、恒压注水泵通过控制功率提供恒定的注水压力，水流通过流量仪、注水管由注水花管注入模型桶内模型材料，流量仪测量模拟过程中水流流量值及注水量值。

（2）、厚松散岩土层在失水过程中发生沉降变形，通过注水可以缓解松散岩土层失水沉降状态，达到治理松散岩土层沉降的效果，百分表在模拟厚松散岩土层底部含水层渗流与变形模拟试验过程中测量松散岩土层整体变形量。

（3）、光纤光栅解调仪内置的宽带光源通过光缆施加光源给光纤光栅传感器，光纤光栅传感器返回的光信号由光纤光栅解调仪转换成传感器的波长值输入给计算机，通过计算波长漂移量，将波长值转换成松散岩土层内部的应力值。

（4）、准分布的第一光纤光栅传感器（10）、第二光纤光栅传感器（11）、第三光纤光栅传感器（12）的光纤光栅，通过不同光纤光栅的反射光波长                                                、至与松散岩土层各测量点1、测量点2、测量点n相对应，分别感受松散岩土层不同层位各分布测点的应力，使其反射光的波长发生改变，改变的反射光经传输光纤从测量现场传出，由光纤光栅解调仪探测其波长的大小，通过计算波长漂移量，将波长值转换成松散岩土层不同层位的各个测点的应变大小及松散岩土层的应力分布状态。

本发明与现有技术相比，通过该装置能够实现地层失水状态下的沉降变形模拟，以及地层注水状态下沉降变形治理的模拟，可完成不同地质条件下地层失水沉降内部变形监测及用注水治理地层沉降观测，同时可实现试验数据的实时在线监测和远程无线传输。监测设备完善、测试灵敏度高、精度高、易于操作、无线数据传输、重复造作、试验周期短、真实反映地层渗流变形状态，广泛适用于城市、煤矿、基坑、边坡公路、铁路沉降问题的研究以及注水治理地层沉降评价方法的研究。

附图说明

图1 为本发明装置结构示意图； 

图2a 为图1的穿孔板俯视结构示意图；

图2b 为图2a的穿孔板Ⅰ-Ⅰ剖视结构示意图；

图3为图1的注水、排水法兰结构示意图；

图4为图1的注水过程松散岩土层注水量变化曲线图；

图5为图1的注水期间松散岩土层顶部位移变化曲线图；

图5a为图1的模型第1、第2微应变值曲线图；

图5b为图1的模型第3微应变值曲线图；

图6a为图1的第一阶段模拟松散岩土层底部含水层沉降的第1、第2微应变变化曲线图；

图6b为图1的第二阶段模拟松散岩土层底部含水层沉降的第3微应变变化曲线图；

图7为图1的流量仪随松散岩土层底部含水层注水过程注水量监测曲线图；

图8为图1的百分表随松散岩土层底部含水层注水过程顶部位移监测曲线图；

图8a为图1的模拟松散岩土层底部含水层注水的沉降第1、第2微应变变化曲线图；

图8b为图1的模拟松散岩土层底部含水层注水的沉降第3微应变变化曲线图。

具体实施方式

附图为本发明的实施例。

下面结合附图及实施例对发明内容作进一步说明：

参照图1、图2、图3所示，一种模拟厚松散岩土层底部含水层渗流与变形的模拟试验系统装置。该系统装置包括模型桶、恒压注水泵、流量仪、注水管、测压管、百分表、顶部注水法兰、侧部排水法兰、底部排水法兰、第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器、第三光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、光缆、计算机和远程数据传输设备组成，所述模型桶4一端与顶部注水法兰14连接、另一端与底部排水法兰9连接，其中模型桶4的一侧与侧部排水法兰7连接、另一侧与测压管13连接；所述恒压注水泵1一端与水源连接、另一端与流量仪2一端连接，流量仪2另一端与注水管3连接，注水管3另一端通过顶部注水法兰14与模型桶4内腔的注水花管6连接，模型桶4内腔底部与穿孔板8连接，所述光缆15一端通过顶部注水法兰14和模型桶4内腔依次间隔分别与第一光纤光栅传感器10、第二光纤光栅传感器11、第三光纤光栅传感器12连接，所述光缆15另一端依次分别与光纤光栅解调仪16、计算机17、远程传输设备18连接，所述百分表5与顶部注水法兰14连接。

所述模型桶4内部间隔置有至少3个光纤光栅传感器。

所述光纤光传感器为光纤光栅传感器依次串联连接构成1根线性阵列，其每根线性阵列并联连接后至少构成三个阵列。

所述模型桶4内部安装一个可拆卸的穿孔板8，穿孔板8上开有至少30个小孔。

图4所示，系统装置模拟松散岩土层注水过程中注水量变化曲线。

由图可知，注水量变化曲线图横坐标为注水时间，纵坐标为某一时间内总注水量。试验注水过程为连续注水，两个阶段注水分别持续69 min和63 min，总注水量分别为0.0097 m³和0.0079 m³，平均注水流量分别为为8.4×10^-3 m³/h和7.5×10^-3 m³/h。注水初期模型较易注水，注水量曲线上升较快，随着注水的继续，模型孔隙水压力增大，曲线趋于缓和至模型饱和；第一阶段注水模型孔隙中存在少量气体介质，注水排出孔隙中气体，注水量大于第二阶段注水。

图5、5a、5b所示，系统装置模拟松散岩土层注水过程中松散岩土层顶部位移变化曲线。

由图可知，注水期间，顶部位移随注水不断上升，两个阶段试验模型位移变化量分别为2.041 mm和1.11 mm，因此，注水可改善模型压缩状态。

图6a、6b所示，第一阶段模拟试验的注水及失水沉降过程中松散岩土层不同层位微应变变化曲线。

由图可知，对模拟松散岩土层底部含水层注水及失水沉降过程中模型内部变形进行监测，监测持续30 d。光纤光栅应变监测结果为正值时地层受拉应力作用，为负值时地层受压应力作用。注水期间模型应变持续增大，FBG1、FBG2和FBG3微应变变化量分别为16.55、6.79和197.51，所在层位均处于受拉状态，停止注水后应变趋于稳定状态，稳定时间分别持续5.0 d、5.0 d和18.0 d。随着模型水头下降，模型下部应变值持续降低，由受拉状态转为受压状态，FBG1和FBG2最大微应变值分别为-38.89和-100.51，模型上部失水较下部缓慢，沉降过程中微应变增大，处于持续受拉状态，FBG3最大微应变为451.57。

图7所示，松散岩土层底部含水层注水过程注水量监测曲线；

第二阶段模拟试验的注水及失水沉降过程中松散岩土层不同层位微应变变化曲线。

由图可知，对第二阶段模拟试验的注水及失水沉降过程中模型内部变形进行监测，监测持续19 d。注水期间模型应变值增大，FBG1、FBG2和FBG3微应变变化量分别为1.32、0.53和1.41，表明反复注水对模型恢复变形效果不大。停止注水后应变趋于稳定状态，稳定时间分别持续6.5 d、8.5 d和10.0 d。随着模型水头下降，模型下部应变值持续降低，处于持续受压状态，FBG1和FBG2最大微应变值分别为-253.90和-177.10，模型上部随着水位的下降，注水效果不断减弱，拉应力呈减下趋势，FBG3最大微应变值为597.77。结合两个阶段试验注水应变曲线，模型注水后稳定时间随深度增加而减小，模型失水沉降后再次注水的变形稳定时间为6.5~10.0 d，预测松散岩土层注水饱和后稳定时间为285.0~570.0 d，其值与松散岩土层失水条件有关。

一种所述的模拟系统装置的沉降模拟方法，按下述步骤进行：

（1）、恒压注水泵1通过控制功率提供恒定的注水压力，水流通过流量仪2、注水管3由注水花管注入模型桶4内模型材料，流量仪2测量模拟过程中水流流量值及注水量值。

（2）、厚松散岩土层在失水过程中发生沉降变形，通过注水可以缓解松散岩土层失水沉降状态，达到治理松散岩土层沉降的效果，百分表5在模拟厚松散岩土层底部含水层渗流与变形模拟试验过程中测量松散岩土层整体变形量。

（3）、光纤光栅解调仪16内置的宽带光源通过光缆15施加光源给光纤光栅传感器10、11、12，光纤光栅传感器10、11、12返回的光信号由光纤光栅解调仪16装换成传感器的波长值输入给计算机17，通过计算波长漂移量，将波长值转换成松散岩土层内部的应力值。

（4）、准分布的第一光纤光栅传感器（10）、第二光纤光栅传感器（11）、第三光纤光栅传感器（12）的光纤光栅，通过不同光纤光栅的反射光波长、至与松散岩土层各测量点1、测量点2、测量点n相对应，分别感受松散岩土层不同层位各分布测点的应力，使其反射光的波长发生改变，改变的反射光经传输光纤从测量现场传出，由光纤光栅解调仪探测其波长的大小，通过计算波长漂移量，将波长值转换成松散岩土层不同层位的各个测点的应变大小及松散岩土层的应力分布状态。

实施例1 

模拟某矿区埋深120~200 m松散岩土层，根据地质勘探所钻探井筒位置岩芯的剖面柱状图，按比例配置试验材料模拟某矿区厚松散岩土层，选用不同粒径砂粒配比模拟试验材料。对现场松散地层砂砾层颗粒级配实验，松散岩土层砂砾层D₂₀粒径为0.5 mm。选取建筑河砂合理配置粒径级配符合D₂₀等效粒径模型材料，模型材料颗粒级配为粒径0.1-0.25 mm、0.3-0.5 mm和1-2 mm砂粒含量配比为1:1:8。模型材料不均匀系数C_u为13.31＞10，模型材料级配良好。砂粒的应力小于3 MPa，忽略颗粒的破碎问题。

试验模型几何相似常数C为100；渗透系数相似常数C_k为1；有效孔隙率相似常数C_u为0.57；时间相似常数C_t为57。

模型材料装填到模型桶4内，装填高度为800 mm，模型材料底部装填砾石，砾石厚度为10 mm，粒径为5-10 mm，防止模型材料随水流流失。材料采用分层装填，每装填200 mm进行压实，并加入少些水，减少砂粒孔隙内气体。装填完成后在顶部放置37 kg铁砖进行压实。

模拟试验分两个阶段，分别进行了注水及失水条件下的渗流变形试验监测。第二阶段试验研究模型失水沉降后再次注水渗流变形特征。试验采用低压恒压注水，注水压力为0.14 MPa。

图8所示，图8为图1的百分表随松散岩土层底部含水层注水过程顶部位移监测曲线图；由图可知，注水期间，顶部位移随注水不断上升，两个阶段试验模型位移变化量分别为2.041 mm和1.11 mm，因此，注水可改善模型压缩状态。

由图可知，注水量变化曲线图横坐标为注水时间，纵坐标为某一时间内总注水量。试验注水过程为连续注水，两个阶段注水分别持续69 min和63 min，总注水量分别为0.0097 m³和0.0079 m³，平均注水流量分别为8.4×10^-3 m³/h和7.5×10^-3 m³/h。注水初期模型较易注水，注水量曲线上升较快，随着注水的继续，模型孔隙水压力增大，曲线趋于缓和至模型饱和；第一阶段注水模型孔隙中存在少量气体介质，注水排出孔隙中气体，注水量大于第二阶段注水。

图8a 、8b所示，模拟松散岩土层底部含水层注水及失水沉降过程中松散岩土层不同层位微应变变化曲线。

由图可知，对模拟松散岩土层底部含水层注水及失水沉降过程中模型内部变形进行监测，监测持续30 d。光纤光栅应变监测结果为正值时地层受拉应力作用，为负值时地层受压应力作用。注水期间模型应变持续增大，FBG1、FBG2和FBG3微应变变化量分别为16.55、6.79和197.51，所在层位均处于受拉状态，停止注水后应变趋于稳定状态，稳定时间分别持续5.0 d、5.0 d和18.0 d。随着模型水头下降，模型下部应变值持续降低，由受拉状态转为受压状态，FBG1和FBG2最大微应变值分别为-38.89和-100.51，模型上部失水较下部缓慢，沉降过程中微应变增大，处于持续受拉状态，FBG3最大微应变为451.57。