隧道突水涌泥模型试验中流体流动模拟装置与方法

摘要

本发明公开了一种隧道突水涌泥模型试验中流体流动模拟装置及方法，包括两个相互平行的隧道模拟管，且两个隧道模拟管通过一个横洞模拟管连接，隧道模拟管和横洞模拟管底部均连接有滑行体，所述的滑行体放置在轨道槽中，且滑行体在轨道槽内自由滑动；在所述的两个隧道模拟管中均设有三心圆板，在所述的三心圆板处使流体按照设定的水压和速度流入隧道模拟管中，观测流体在两个隧道模拟管和横洞模拟管内的流动规律；且通过调整隧道模拟管中设有三心圆板的构件的位置，模拟隧道掌子面与横洞之间的不同距离；通过调整两个隧道模拟管中设有三心圆板的构件A的位置，模拟两个隧道掌子面之间的不同位置关系。

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种隧道突水涌泥模型试验中流体流动模拟装置与方法。

背景技术

隧道涉及交通工程（铁路、公路隧道）、水利水电工程（输水隧道、地下厂房）等重要工程领域，逐渐成为国家重大基础设施工程建设的重要组成部分，而随着国家“十二五”等战略科技发展的规划，重大工程建设的重心正逐渐向地形地质极端复杂的西部山区与岩溶地区转移，将出现一批具有“大埋深、长洞线、高应力、强岩溶、高水压”等显著特点的高风险隧道工程，修建过程中面临着严重的突水涌泥等地质灾害风险。深埋隧道突水涌泥灾害往往具有突发性、大流量、高水压等特点，灾害一旦发生，轻则淹没隧道、施工中断，重则造成重大的人员伤亡和经济损失，甚至有些工程被迫停建或改线。准确的掌握突水涌泥灾害发生时水、泥等流体在隧道内的流动规律，可有效引导技术人员安全快速的撤离灾害现场。然而针对流体在隧道内的流动规律，国内外学者通常采用ANSYS等有限元分析软件进行数值模拟分析，而在模型试验研究方面尚属空白。

发明内容

本发明的目的是为克服上述技术的不足，提供一种结构简单、操作简便、具有可视性的流体流动模拟装置与方法，通过获取流速、水压等流场信息数据，准确掌握流体在隧道内的流动规律，从而制定科学合理的灾害逃生路线，有效引导技术人员的安全撤离。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

隧道突水涌泥模型试验中流体流动模拟装置，包括两个相互平行的隧道模拟管，且两个隧道模拟管通过一个横洞模拟管连接，隧道模拟管和横洞模拟管底部均连接有滑行体，所述的滑行体放置在轨道槽中，且滑行体在轨道槽内自由滑动；在所述的两个隧道模拟管中均设有三心圆板，在所述的三心圆板处使流体按照设定的水压和速度流入隧道模拟管中；且通过调整隧道模拟管中设有三心圆板的构件的位置，模拟隧道掌子面与横洞之间的不同距离；通过调整两个隧道模拟管中设有三心圆板的构件位置，模拟两个隧道掌子面之间的不同位置关系。

所述的轨道槽底部固定在一个刚度板上，所述的刚度板通过插销与六个支撑腿铰接，支撑腿底部固定在圆形平板支座上。

所述的滑行体为倒凸字形滑行体。

所述的轨道槽为与滑行体相互配合的凹字形。

所述的两个隧道模拟管分别由至少两个构件A和一个构件B组成，构件A与构件A之间、构件A与构件B之间通过螺栓和螺母连接到一起；

所述的构件A为一个拱形件，且在拱形件的前后两个弧形面上均设有一圈向上的连接面，在所述的连接面设有螺纹孔；

所述的构件B为一个拱形件，所述的拱形件轴向面的前端的弧形面上设有一圈向上的连接面，在所述的连接面设有螺纹孔；在拱形件径向面设有一个与横洞模拟管相连通的孔，且在径向面孔的位置也设有一圈连接面，在所述的连接面设有螺纹孔。

所述的每个隧道模拟管中，其中有一个构件A中设有一个三心圆板。

所述的三心圆板与隧道模拟管内侧形状一致，是由三段半径不同的圆弧相切连接而成。

所述的横洞模拟管由至少两个可拆装的构件C组成，构件C之间通过螺栓和螺母连接到一起；

所述的构件为C为一个拱形件，且在拱形件的前后两个弧形面上均设有一圈向上的连接面，在所述的连接面设有螺纹孔。

所述的两个隧道模拟管和横洞模拟管的内表面进行磨砂处理，以增大流体与管内表面的摩擦力。

所述的两个隧道模拟管和横洞模拟管所用材料为高强度透明树脂，具有良好的可视性。

所述的刚度板与两个隧道模拟管的轴线所在平面平行。

所述的刚度板上共有三个轨道槽，轨道上共有七个滑行体。

所述的刚度板与支撑腿铰接，可自由转动，支撑腿上设有三个插销。

应用上述装置实现隧道突水涌泥模型试验中流体流动的模拟方法，包括以下步骤：

A. 将固定在圆形平板支座上的支撑腿放置到同一水平面上，确定支撑腿上插销的位置，并通过插销将刚度板铰接到支撑腿上；

B. 根据两个隧道模拟管的间距确定横洞模拟管所需构件C数量，用螺栓B和螺母B将各个构件C连接到一起，并将连接好后的横洞模拟管通过倒凸字形滑行体放置到凹字形轨道槽中；

C. 根据隧道模拟管A中三心圆板与横洞模拟管之间的距离，调整设有三心圆板的构件A的位置，用螺栓A和螺母A将各个构件A和B连接到一起；

D. 根据隧道模拟管B的三心圆板与隧道模拟管A的三心圆板之间的位置关系，调整隧道模拟管B中设有三心圆板的构件A的位置，并用螺栓A和螺母A将隧道模拟管B的各个构件A和B连接到一起；

E. 将连接好后的两个隧道模拟管通过倒凸字形滑行体放置到凹字形轨道槽中，滑动倒凸字形滑行体，使两个隧道模拟管与横洞模拟管靠近，用螺栓B和螺母B将三者连接到一起；

F. 根据试验要求使流体从隧道模拟管A中的三心圆板处按设定水压或速度流入隧道模拟管A中，观测流体在两个隧道模拟管和横洞模拟管内的流动规律，直至流体流动达到稳定状态，完成本组试验；

G. 清净两个隧道模拟管和横洞模拟管内的流体，按下一组试验的要求重复步骤A-F，直至所有流动模拟试验结束。

本发明装置适用于模拟多种组合条件下流体在隧道内的流动规律模拟，操作简便，短时间内可完成多组模拟试验，且具有可视性。

本发明装置通过调整支撑腿上插销的位置来模拟隧道的不同坡度。

本发明装置通过调整横洞模拟管的构件C数量，模拟两个隧道之间的不同距离。

本发明装置中的三心圆板用于模拟隧道掌子面：① 通过调整隧道模拟管A中设有三心圆板的构件A的位置，模拟隧道掌子面与横洞之间的不同距离；② 通过调整两个隧道模拟管中设有三心圆板的构件A的位置，模拟两个隧道掌子面之间的不同位置关系。

本发明研究了隧道突水涌泥模型试验中流体流动规律模拟方法，解决了以往数值模拟方法专业知识要求高、建模复杂、计算时间冗长等问题。与前人研究相比，本试验装置操作简便、形象直观，试验人员无需具备高深的专业理论知识即可完成试验。

本发明解决了以往数值模拟方法研究流体在隧道内的流动规律时专业知识要求高、建模复杂、计算时间冗长等问题，具有以下优点：

1、隧道模拟管和横洞模拟管具有可拆装性，可模拟多种组合条件下流体的流动：

① 两个隧道不同间距情况下流体的流动；

② 两个隧道掌子面不同空间位置条件下流体的流动；

③ 隧道突水涌泥掌子面距横洞不同距离条件下流体的流动；

2、支撑腿上设有三个插销，可模拟不同坡度条件下、流体的顺坡流动和反坡流动；

3、隧道模拟管和横洞模拟管采用高强度透明树脂材料，具有良好的可视性，可形象直观的观测流体的流动。

附图说明

图1是本发明结构正视图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1的俯视图；

图4为构件A实体图；

图5为构件B实体图；

图6为构件C实体图；

图7为三心圆板实体图；

图8为三心圆分布示意图。

图中1.隧道模拟管A；2.隧道模拟管B；3.横洞模拟管；4.滑行体；5.轨道槽；6.刚度板；7.支撑腿；8.插销；9.平板支座；10.构件A；11.构件B；12.三心圆板；13.螺栓A；14.螺母A；15.构件C；16.螺栓B；17.螺母B。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

隧道突水涌泥模型试验中流体流动模拟装置，包括两个隧道模拟管A1、隧道模拟管B2，两个隧道模拟管A1、隧道模拟管B2相互平行且两者通过一横洞模拟管3连接，隧道模拟管A1、隧道模拟管B2和横洞模拟管3底部连接有倒凸字形滑行体4，滑行体4放置在凹字形轨道槽5中，滑行体4可在轨道槽5内自由滑动，轨道槽5底部固定在一个刚度板6上，刚度板6通过插销8与六个支撑腿7铰接，支撑腿7底部固定在圆形平板支座9上。

隧道模拟管A1、隧道模拟管B2由五个具有可拆装性的构件A10和构件B11组成，其中一个构件A 10中设有一个具有一定厚度的三心圆板12，用于模拟隧道掌子面；每个构件A10之间及其与构件B11通过五个螺栓A13和螺母A14紧密连接到一起，通过调节设有三心圆板12构件A10的位置，改变隧道掌子面与横洞之间的距离。所述的两个隧道模拟管1、2分别由四个可拆装的构件A 10和一个构件B 11组成，构件A 10之间及其与构件B 11之间通过五个螺栓A 13和螺母A 14连接到一起。

构件A为一个拱形件，且在拱形件的前后两个弧形面上均设有一圈向上的连接面，在所述的连接面设有螺纹孔；

构件B为一个拱形件，所述的拱形件轴向面的前端的弧形面上设有一圈向上的连接面，在所述的连接面设有螺纹孔；在拱形件径向面设有一个与横洞模拟管相连通的孔，且在径向面孔的位置也设有一圈连接面，在所述的连接面设有螺纹孔。

两个隧道模拟管A1、隧道模拟管B2中分别有一个构件A 10中设有一个三心圆板12。

横洞模拟管3由四个可拆装的构件C 15组成，构件C 15之间通过五个螺栓B 16和螺母B 17连接到一起。构件为C为一个拱形件，且在拱形件的前后两个弧形面上均设有一圈向上的连接面，在所述的连接面设有螺纹孔。

两个隧道模拟管A1、隧道模拟管B2和横洞模拟管3的内表面需进行磨砂处理，以增大流体与管内表面的摩擦力。

两个隧道模拟管A1、隧道模拟管B2和横洞模拟管3所用材料为高强度透明树脂，具有良好的可视性。

刚度板6与两个隧道模拟管A1、隧道模拟管B2的轴线所在平面平行。

刚度板6上共有三个轨道槽5，轨道上共有七个滑行体4。

刚度板6与支撑腿7铰接，可自由转动，支撑腿7上设有三个插销8。

应用上述装置实现隧道突水涌泥模型试验中流体流动的模拟，包括以下步骤：

A. 将固定在圆形平板支座9上的支撑腿7放置到同一水平面上，根据刚度板6倾角要求确定支撑腿7上插销8的位置，并通过插销8将刚度板6铰接到支撑腿7上；

B. 根据两个隧道模拟管A1、隧道模拟管B2的间距确定横洞模拟3管所需构件C 15数量，用螺栓B 16和螺母B 17将各个构件C 15连接到一起，并将连接好后的横洞模拟管3通过倒凸字形滑行体4放置到凹字形轨道槽5中；

C. 根据隧道模拟管A 1中三心圆板12与横洞模拟管3之间的距离，调整设有三心圆板12的构件A 10的位置，用螺栓A 13和螺母A 14将各个构件A 10和B 11连接到一起；

D. 根据隧道模拟管B 2的三心圆板12与隧道模拟管A 1的三心圆板12之间的位置关系，调整隧道模拟管B 2中设有三心圆板12的构件A 10的位置，并用螺栓A 13和螺母A 14将隧道模拟管B 2的各个构件A 10和B 11连接到一起；

E. 将连接好后的两个隧道模拟管A1、隧道模拟管B2通过倒凸字形滑行体4放置到凹字形轨道槽5中，滑动倒凸字形滑行体4，使两个隧道模拟管1、2与横洞模拟管3靠近，用螺栓B 16和螺母B 17将三者连接到一起；

F. 根据试验要求使流体从隧道模拟管A 1中的三心圆板12处按设定水压或速度流入隧道模拟管A 1中，观测流体在两个隧道模拟管A1、隧道模拟管B2和横洞模拟管3内的流动规律，直至流体流动达到稳定状态，完成本组试验；

G. 清净两个隧道模拟管A1、隧道模拟管B2和横洞模拟管3内的流体，按下一组试验的要求重复步骤A-F，直至所有流动模拟试验结束。