一种充填型岩溶管道系统、其制作方法及再填充方法

摘要

一种充填型岩溶管道系统、其制作方法及再填充方法，包括密闭试验台架，所述密闭试验台架上部设有水压加载空间，试验台架下部铺设岩体相似材料，在所述岩体相似材料中开挖模拟隧道，并在所述岩体相似材料中埋设连接水压加载空间和模拟隧道的充填型岩溶管道，所述岩溶管道内铺设充填物模拟材料，所述密闭试验台架外依次连接压力变送器、水泵和控制装置。本发明对充填物模拟材料的性质做出了明确界定，并考虑了其与岩体相似材料的相互作用关系，保证试验的准确性，实现了不同性质的充填物模拟材料在岩溶管道系统中的再填充，研究了不同性质充填物的失稳突水机理，大大节约了试验成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地质力学试验技术，尤其是一种突水涌泥相似模型试验中充 填型岩溶管道系统、其制作方法及再填充方法。

背景技术

我国岩溶地区分布广泛，可溶岩层分布面积约占国土总面积的1/3。随着我 国经济的腾飞，西部大开发建设蓬勃发展，基础设施建设规模不断扩大，在岩溶 地区修建地下工程或开挖隧(巷)道，施工中极易诱导大规模、突发性的突水涌 泥灾害。

随着上述问题的日益突出，对地下工程突水涌泥灾害的研究已经成为本领域 的热点之一。我国学者开展了大量的研究工作，其中试验研究是最有效的手段之 一，但也存在明显的缺陷。实际工程中，受地质构造和溶蚀作用影响，岩体中往 往存在很多不良地质体，如充填型的岩溶管道或断层，在开展突水涌泥地质力学 相似模型试验时，一般采用均一材料模拟岩体，如何在其中设制充填型岩溶管道 系统是一项技术难题；同时相似试验的模型体制作成本较高，如何能避免模型体 的一次性使用，实现岩溶管道系统的重复利用，研究不同性质充填物的失稳形态 和突水涌泥过程，从而大大节约试验成本，也是一项技术难题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种突水涌泥相似模型试验中充填型岩溶 管道系统、其制作方法及再填充方法。该系统及方法操作方便、模拟准确，节约 成本，利于研究充填型岩溶管道突水涌泥的前兆信息、不同性质充填物的失稳特 征以及模拟突水涌泥的过程。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种充填型岩溶管道系统，包括密闭试验台架，所述密闭试验台架上部设有 水压加载空间，试验台架下部铺设岩体相似材料，在所述岩体相似材料中开挖模 拟隧道，并在所述岩体相似材料中埋设连接水压加载空间和模拟隧道的充填型岩 溶管道，所述岩溶管道内铺设充填物模拟材料，所述密闭试验台架外依次连接压 力变送器、水泵和控制装置。

所述充填型岩溶管道内埋设位移监测和渗压监测传感器，用于监测充填物失 稳突水的灾变演化信息。

所述充填型岩溶管道能够模拟不同断面形状和走向，在岩体相似材料分层填 筑过程中逐步形成。

所述充填型岩溶管道的等效直径不小于5cm。

所述充填物模拟材料具有遇水软化特性，软化系数范围为0-3，充填物模拟 材料的弹性模量与岩体相似材料的弹性模量之比不大于1/3。

一种充填型岩溶管道系统的制作方法，包括以下步骤：

(1)岩体相似材料填铺，依据工程背景和模型试验相似理论，配制耐水性 岩体相似材料，在模型架中分层填铺并夯实，构造实际地层产状；

(2)埋入岩溶管道，当岩体相似材料铺设到岩溶管道所在高度时，在预定 位置铺设充填物模拟材料，控制好断面形状和走向，并在设计高度埋设位移、渗 压监测传感器，岩体相似材料分层夯实过程中，岩溶管道系统下层截面会发生自 然的挤压变形，使最终形成的岩溶管道的管壁有一定的不平整度，更接近工程中 的自然形态；

(3)模型体密封，在岩体相似材料顶部，用密封材料对岩体相似材料与密 闭试验台架内壁接触部位进行密封，并进行试验台架顶部的密封；

(4)岩体相似材料上部注水，并在预定部位进行隧(巷)道开挖；

(5)对岩溶管道中的充填物模拟材料进行浸润，通过控制装置和水泵按照 一定的水头梯度逐步提升水压，观测充填物失稳过程和突水涌泥现象。

一种充填型岩溶管道系统的再填充方法，包括以下步骤：

A.冲洗已形成的岩溶管道，去除原有充填物模拟材料，并检测管道内监测 传感器的工作状态是否正常；

B.在管道壁上涂抹密封材料，防止填筑新的充填物模拟材料后，水沿岩体 相似材料和充填物模拟材料间的缝隙流下，造成充填物模拟材料的整体失稳；

C.用坚硬物体封堵岩溶管道下端管口，分层填筑新的充填物模拟材料，并 夯实到试验设计的密实度；

D.对岩溶管道中新的充填物模拟材料进行浸润，通过控制装置和水泵按照 一定的水头梯度逐步提升水压，观测充填物失稳过程和突水涌泥现象。

本发明有益效果：

1)能全面模拟岩溶管道充填物的性质，本发明对充填物模拟材料的性质做 出了明确界定，并考虑了其与岩体相似材料的相互作用关系，保证试验的准确性；

2)能在各项同性的均一相似材料中，制作岩溶管道模拟系统，实现了充填 物失稳和突水涌泥过程的模拟；

3)能在岩溶管道系统中再次填充不同性质的充填物模拟材料，实现对不同 性质充填物失稳突水机理的研究；

4)避免了模型体的重复制作，大大节约试验成本。

附图说明：

图1是本发明结构示意图。

其中，1、密封试验台架，2、岩体相似材料，3、岩溶管道，4、充填物模拟 材料，5、隧(巷)道轮廓，6、水压加载空间，7、凡士林，8、高强玻璃胶，9、 压力变送器，10、水泵，11、控制装置。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的说明。

图1中，一种充填型岩溶管道系统，包括密闭试验台架1，所述密闭试验台 架上部设有水压加载空间6，试验台架下部铺设岩体相似材料2，是开展试验的 主要场所，在所述岩体相似材料中开挖模拟隧道5，并在所述岩体相似材料2中 埋设连接水压加载空间6和模拟隧道5的充填型岩溶管道3，所述岩溶管道内铺 设充填物模拟材料4，所述密闭试验台架外依次连接压力变送器9、水泵10和控 制装置11，主要用于进行精确的水压加载。

所述充填型岩溶管道3内埋设位移监测和渗压监测传感器，用于监测充填物 失稳突水的灾变演化信息。

所述充填型岩溶管道3能够模拟不同断面形状和走向，在岩体相似材料2 分层填筑过程中逐步形成。

所述充填型岩溶管道3的等效直径不小于5cm。

所述充填物模拟材料4具有遇水软化特性，软化系数不大于0.3，且可趋于 0(松散材料)，充填物模拟材料的弹性模量与岩体相似材料的弹性模量之比不大 于1/3。

突水涌泥相似充填型岩溶管道系统的制作方法，包括以下步骤：

(1)相似材料填铺，依据工程背景和相似理论配制耐水性围岩相似材料2， 在模型架中分层填铺并夯实，可构造实际地层产状；

(2)埋入岩溶管道系统3，当相似材料2铺设到岩溶管道系统3所在高度 时，在预定位置铺设充填物模拟材料4，控制好断面形状和走向，并在设计高度 埋设位移、渗压等监测传感器，相似材料2分层夯实过程中，岩溶管道系统3 下层截面会发生自然的挤压变形，使最终形成的岩溶管道的管壁有一定的不平整 度，更接近工程中的自然形态；

(3)模型体密封，在相似材料2顶部，用凡士林7对材料与试验台架1内 壁接触部位进行密封，用高强玻璃胶8进行试验台架顶部的密封；

(4)模型体上部6注水，在预定部位进行隧(巷)道开挖5；

(5)梯度施加水压，对岩溶管道3中的充填物模拟材料4进行浸润，通过 控制装置11和水泵10按照一定的水头梯度逐步提升水压，压力变送器9和数显 仪实时显示模型体内的水压，利用监测传感器和摄像仪器，观测充填物4失稳过 程和突水涌泥现象。

一种充填型岩溶管道系统的再填充方法，包括以下步骤：

A.冲洗已形成的岩溶管道3，去除原有充填物模拟材料4，并检测管道内 监测传感器的工作状态是否正常；

B.在管道壁上涂抹2mm厚的凡士林，避免填筑新的充填物模拟材料4后， 水沿岩体相似材料2和充填物模拟材料4间的缝隙流下，造成充填物模拟材料4 的整体失稳，影响正常的突水涌泥现象；

C.用坚硬物体封堵岩溶管道下端管口，分层填筑新的充填物模拟材料4， 并夯实到试验设计的密实度；

D.对岩溶管道3中新的充填物模拟材料4进行浸润，通过控制装置11和 水泵10按照一定的水头梯度逐步提升水压，压力变送器9和数显仪实时显示模 型体内的水压，利用监测传感器和摄像仪器，观测充填物4失稳过程和突水涌泥 现象。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保 护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本 领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的 保护范围以内。