一种海底隧道流固耦合模型试验系统及其试验方法

摘要

本发明公开了一种海底隧道流固耦合模型试验系统，包括高强度刚性试验结构架，高强度钢化玻璃密封箱黏贴于高强度刚性试验结构架内，试验结构架顶端架设有实时监测显示系统；试验结构架的顶盖上设有进水口，进水口中设有与压力水箱相连的输水管，钢化玻璃箱中铺设有流固耦合相似材料，流固耦合相似材料中铺设有通过线路与计算机控制平台相连的光纤位移应变测试传感器，计算机控制平台通过线路与实时监测显示系统相连。本发明同时还公开了该系统的试验方法。本发明结构简单强度高封水性能良好、能模拟现场真实情况下渗流场及应力场、可直观观察施工过程中海底隧道围岩渗流特征及加载过程中围岩破裂和突水过程的、可模拟平面及准三维流固耦合模型试验。

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构模型试验技术，尤其是一种海底隧道流固耦合模型试验系统及其 试验方法。

背景技术

国内众多科研院所先后对大型水电、交通和矿山工程问题进行了模型试验研究，并取 得了一大批研究成果。

(1)《武汉水利电力大学学报》1992年第5期介绍了一种平面应力试验装置及加载系 统，该试验装置是150cm×140cm封闭平面刚性加力架，由压力盒、气压泵、管路、压力 表组成的加载系统进行加载，该系统为平面加载，无法实现三维加载。

(2)《岩石力学与工程学报》2004年第22期介绍了总参工程兵科研三所一种YD-A 型岩土工程多功能模拟试验装置。该装置尺寸为160cm×140cm×40cm，为平面模型试验 台，无法改变模型尺寸和三维加载模拟。

(3)申请人为山东大学，中国专利申请号201110039078.0介绍了一种大型自由组合榀 式高地应力地下工程模型试验装置。带有模型升降平移拖车系统，可应用于高地应力条件 下岩土工程的平面和三维地质力学模型试验。但是该系统中无法注水，不能进行流固耦合 试验的模拟。

(4)作者为蔚立元，2010年山东大学博士毕业论文《水下隧道围岩稳定性研究及其覆 盖层厚度确定》中介绍了一种自重应力场流固耦合模型试验装置。该装置可控制上覆水体 的高度，可应用于流固耦合模型试验。但是该装置只在后视面设置有机玻璃板，不能最大 程度的实现可视化，而且无法进行三维加载。

综合分析上述单位的模型试验台架装置系统，还存在以下不足之处：

1.现有的模型试验装置均为传统的地质力学模型试验装置，不能模拟现场真实情况下流 固耦合相似材料与水发生交互作用的流固耦合效应。模型试验装置均未考虑水封性；

2.上述的模型试验装置的尺寸一般不可调整，即使可调整，操作也比较繁琐，对实验的 进行造成较大干扰；而且结构组装复杂，不方便拆分，不能进行多次重复试验；

3.上述模型试验装置只能模拟平面加载过程或只能模拟三维加载过程，功能单一，不能 进行改装；

4.在可视化方面，上述的模型试验装置无法观察试验过程中流固耦合相似材料与水发生 交互作用情况下的软化、渗水等现象，也无法观察围岩的破裂、突水等现象。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种结构组成简单、强度高、封水 性能良好、能模拟现场真实情况下渗流场及应力场、可直观观察施工过程中海底隧道围岩 渗流特征及加载过程中围岩破裂和突水过程的、可模拟平面及准三维流固耦合的模型试验 系统及其试验方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种海底隧道流固耦合模型试验系统，包括高强度刚性试验结构架，高强度钢化玻璃 密封箱，实时监测显示系统，计算机控制平台，压力水箱，所述高强度钢化玻璃箱通过EVA 泡棉双面胶黏贴于高强度刚性试验结构架内，高强度刚性试验结构架顶端架设有实时监测 显示系统；高强度刚性试验结构架的顶盖上设有进水口，进水口中设有与压力水箱相连的 橡胶输水管；所述高强度钢化玻璃箱中铺设有流固耦合相似材料，流固耦合相似材料中埋 设有光纤位移应变测试传感器，光纤位移应变测试传感器通过线路与计算机控制平台相连， 计算机控制平台通过线路与实时监测显示系统相连。

所述高强度刚性试验结构架由前后边墙、底板、两侧山墙和顶盖连接组成，所述前后 边墙正中间部位分别设有门型洞。

所述高强度钢化玻璃密封箱内侧附着有防爆膜，高强度钢化玻璃密封箱通过玻璃胶分 别与高强度刚性试验结构架的底座、前后边墙、两侧山墙顶盖粘结，所述与前后边墙对应 的高强度钢化玻璃密封箱上与门型洞吻合处设有隧道形状开口。

所述压力水箱内设有离心式抽水泵，离心式抽水泵与橡胶输水管相连，且压力水箱上 自带有压力指示表。

一种海底隧道流固耦合模型试验系统的试验方法，包括以下步骤：

A.试验台架的组装，将高强度钢化玻璃密封箱通过EVA泡棉双面胶与高强度刚性试验 结构架粘结；

B.将流固耦合相似材料铺设入高强度钢化玻璃密封箱中，并夯实，并埋设相应的光纤 位移应变测试传感器，连接到计算机控制平台；满足预先设计厚度之后，采用橡胶输水管 通过压力水箱向铺设流固耦合相似材料的高强度钢化玻璃密封箱中注水，达到预先设定的 水头高度，进行流固耦合试验；

C.浸泡使流固耦合相似材料饱和，并使强度及渗流量达到稳定，然后经行门型洞口进 行开挖；

D.开挖完成后，通过光纤位移应变测试传感器采集数据，传输给计算机控制平台，通 过计算机控制平台分析处理数据，同时将隧道内围岩变形破裂情况及关键数据反映在实时 监测显示系统中。

本发明的前后边墙正中间设有0.35m×0.35m门型洞，空间大，能够允许体积较大的开 挖工具进入隧道内开挖，使隧道模型开挖顺利快捷进行，而且便于观察隧洞突水以及围岩 的破裂现象；

防爆膜附着在高强度钢化玻璃箱内侧，防止试验填料过程中流固耦合相似材料挤压而 出现的破裂现象，保证试验成功进行；

顶盖上设有进水口，便于压力水箱通过橡胶输水管注水。

本发明中的附着在高强度钢化玻璃内测的防爆膜、粘结高强度钢化玻璃箱和高强度刚 性试验结构架的EVA泡棉双面胶和密封钢化玻璃箱保证不渗水的玻璃胶均为现有材料，在 此不再赘述。

本发明中的流固耦合相似材料，由以下重量份的原料组成：标准砂1份，重晶石粉0.05～ 0.15份，滑石粉0.05～0.15份，水泥0.05～0.125份，凡士林0.04～0.12份，硅油0～0.15 份，水0.1份。

本发明的模型试验装置底板与前后边墙、两侧山墙均可拆离，方便填料、取料，有利 于试验装置重复利用，各框架之间均用高强度螺栓连接，保证试验架结构稳定，不会发生 形变。同时便于拆分，能够改装成准三轴流固耦合模型试验。整个装置外形美观、结构紧 凑、强度高、刚度大，其空间尺寸为：长×宽×高＝2.4m×0.8m×2.4m。

本发明操作简单、组装灵活方便、能按照现场实际情况进行模拟、透明高强度钢化玻 璃箱便于观察水的作用下流固耦合相似材料的软化，破裂及突水过程，与前人研究相比， 与工程实践更接近，所得出的海底隧道流固耦合模型试验研究成果适用范围更广。

本发明与国内外同类装置相比，本发明的有益效果是，

1.能成功的模拟平面及准三轴流固耦合流固耦合模型试验；

2.采用高强度透明钢化玻璃箱，实现了可视化，能够直观观察到流固耦合相似材料在水 的长期作用下发生的软化、破裂等形态，能够直观观察到隧道突水和围岩破裂等现象；

3.采用玻璃胶密封，具有良好的水封性，能够保证试验顺利准确进行；

4.高强度刚性试验结构架厚度达到了0.3m，整体刚度和强度大，可承受较大外部水压 力，保护试验架安全；

5.采用实时监测显示装置，能够清楚地反映隧道内部的围岩变形破裂情况，能够提供实 时关键数据；

6.压力水箱注水装置设有压力指示表，时刻记录所注水量，操作简单，实用性强

7.流固耦合模型试验台架完全采用螺栓固定，简单拆分，便于做填料、取料，方便做一 系列对比试验。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

其中1.前后边墙；2.底座；3.两侧山墙；4.顶盖；5.实时监测显示系统；6.橡胶输水管； 7.压力水箱，8.计算机控制平台，9.高强度钢化玻璃密封箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1中，一种流固耦合模型试验装置，包括高强度刚性试验结构架，高强度刚性试验 结构架由前后边墙1、底座2、两侧山墙3、顶盖4通过高强度螺栓连接组成，前后边墙1 正中间部位分别设有门型洞，与前后边墙1对应的高强度钢化玻璃密封箱9上与门型洞吻 合处设有隧道形状开口。高强度钢化玻璃密封箱9内侧附着有防爆膜，该密封箱通过EVA 泡棉双面胶分别与高强度刚性试验结构架的底座2、前后边墙1、两侧山墙3、顶盖4粘结。 试验结构架顶端架设有实时监测显示系统5。试验结构架顶盖4上设有进水口，进水口4中 设有压力水箱7相连的橡胶输水管6，橡胶输水管6通过试验台架顶盖4上进水口将水从压 力水箱7中注入铺设有若干层流固耦合相似材料的高强度刚性试验结构架内，进行流固耦 合试验。压力水箱7内设有离心式抽水泵，离心式抽水泵与橡胶输水管6相连，且压力水 箱7上自带有压力指示表。

流固耦合相似材料中铺设有光纤位移应变测试传感器，光纤位移应变测试传感器通过 线路与计算机控制平台8相连，计算机控制平台8通过线路与实时监测显示系统5相连。 计算机控制平台8将数据记录，并分析处理，通过实时监测显示系统5反映隧道内部岩体 破裂情况和试验进行中的关键数据。

一种流固耦合模型试验系统的试验方法，包括以下步骤：

A.试验台架的组装，将高强度钢化玻璃密封箱9通过EVA泡棉双面胶与高强度刚性试 验结构架粘结；

B.将流固耦合相似材料铺设入高强度钢化玻璃密封箱9中，并夯实，并埋设相应的光 纤位移应变测试传感器，连接到计算机控制平台8；满足预先设计厚度之后，采用橡胶输水 管6通过压力水箱7向铺设相似材料的高强度钢化玻璃密封箱9中注水，达到预先设定的水 头高度，进行流固耦合试验；

C.浸泡使流固耦合相似材料饱和，并使强度及渗流量达到稳定，然后经行门型洞口进 行开挖；

D.开挖完成后，通过光纤位移应变测试传感器采集数据，传输给计算机控制平台8，通 过计算机控制平台8分析处理数据，同时将隧道内围岩变形破裂情况及关键数据反映在实 时监测显示系统5中。

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。