隧道工程中围岩及加固区渗流试验系统及其试验方法

摘要

本发明公开了一种隧道工程中围岩及加固区渗流试验系统及其试验方法，包括加固区模型箱、围岩区模型箱、移动式循环水箱装置和水压力测试系统；所述加固区模型箱设置在围岩区模型箱上部，加固区模型箱、围岩区模型箱侧壁竖向分布有水压测量孔并安置测压软管；所述移动式循环水箱装置包括上水箱和下水箱，下水箱通过水泵向上水箱补给，上水箱通过渗流出水孔为加固区模型箱、围岩区模型箱提供作用水头；所述水压力测试系统包括透水石和刻度板，透水石预埋于加固区模型箱和围岩区模型箱中并通过测压软管与水银U型管相连，本发明以达西定律为基础，可测试岩土体、非土质体等多种材料的渗透系数，适用范围更广，试验结果精准。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程试验领域岩土类试验技术，具体是一种隧道工程中围岩及加固区渗流试验系统及其试验方法。

背景技术

地下水以围岩和加固区为渗流路径集中于隧道二次衬砌背后，对结构形成长期水压力，引发隧道渗漏水，隧道渗漏水可能导致隧道外地下水大量流失、地下水位下降、地表水源枯竭，伴随着水土流失、植被破坏、地面塌陷等发生，因此，掌握周围渗流场情况对预防隧道水问题有着重要的意义；采用隧道工程中围岩及加固区渗流试验系统及其试验方法，可定量测试围岩及加固区的水压力分布、渗透系数及地下水流量，以便对地下渗流场进行研究，国内众多科研院所先后对隧道工程中地下渗流场进行了模型试验研究，并取得了一大批研究成果：其一，《岩石力学与工程》2007年第5期介绍了一种高水压隧道渗流场试验装置系统，由水压力加载装置、密闭箱体、隧道结构和水压力测试装置4部分组成，密闭箱体用钢板、槽钢和工字钢焊接加工而成，尺寸为2m×1m×1.3m，该系统重点针对恒定静水头作用下的隧道结构进行模拟试验，无法实现对围岩和加固区水压力、渗透系数等的测试；其二，专利权人为山东大学，中国专利申请号201110412569.5介绍了一种海底隧道流固耦合模型试验系统及其试验方法，包括高强度刚性试验结构架、高强度钢化玻璃密封箱、监测显示系统、计算机控制平台和压力水箱，可模拟平面及准三轴流固耦合模型试验，但无法实现对注浆加固区的模拟，也不能对不同水头下的地下水流量进行预测；综合分析上述单位的模型试验系统，还存在以下不足之处：第一，上述模型试验系统水头通常恒定不可调控，能实现的情况单一，无法对静水头、动水头及变水头进行模拟；第二，上述模型试验中忽略了加固区的存在，不能反映真实的隧道周围岩土体组成情况；第三，上述模型试验中，不能测试围岩及加固区中水压力分布情况，更无法测试围岩、加固区的渗透系数，不能有效地掌握隧道周边地下渗流场状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够方便、准确、真实地测试动水头、静水头和变水头作用下围岩及加固区中的水压力分布，并可根据试验需求测试不同围岩、加固区的渗透系数，尽可能真实地模拟隧道周边的渗流场并进行探究的隧道工程中围岩及加固区渗流试验系统及其试验方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种隧道工程中围岩及加固区渗流试验系统，包括加固区模型箱、围岩区模型箱、移动式循环水箱装置和水压力测试系统；所述加固区模型箱上设有第一顶板和第一底板，第一顶板和第一底板均设有35mm外边缘，外边缘上均布12个螺栓孔，第一顶板或第一底板可与围岩区模型箱通过螺栓连接；所述加固区模型箱的侧壁中部竖向均匀分布有4个第一水压测量孔并安置测压软管，测压软管置于加固区模型箱内部的一端连接有透水石，测压软管的另一侧与水银U型管相连；所述加固区模型箱的侧壁上方设有第一溢流孔，加固区模型箱的侧壁下方设有第一进水孔；所述围岩区模型箱分为上部箱体和下部箱体，上部箱体具有第二顶板和第二底板，第二顶板和第二底板均设有35mm外边缘，外边缘上均布12个螺栓孔，下部箱体具有第三顶板和第三底板，第三顶板也设有35mm外边缘，外边缘上均布12个螺栓孔，上部箱体和下部箱体通过螺栓连接；所述上部箱体的侧壁中部竖向等间距设置个第二水压测量孔，下部箱体的侧壁中部竖向等间距设置3个第三水压测量孔，第二水压测量孔和第三水压测量孔处均安装有测压软管，测压软管一端与围岩区模型箱内的透水石连接，另一端与水银U型管相连，围岩区模型箱的侧壁设有用于对试验对象进行开启或封堵的第二溢流孔和第二进水孔；所述移动式循环水箱装置包括上水箱和下水箱，上水箱内部1/4边长处设有高300mm的隔板，将上水箱分为溢流区和储水区，储水区底部设有第三进水孔和渗流出水孔，溢水区底部设有用于循环水箱回流的第三溢流孔，下水箱通过水泵向上水箱补给，上水箱通过渗流出水孔为加固区模型箱、围岩区模型箱提供作用水头；所述水压力测试系统包括透水石、测压软管、水银U型管及刻度板，透水石预埋于加固区模型箱和围岩区模型箱中并通过测压软管与水银U型管相连，刻度板设置在水压力测试系统的侧壁。

作为本发明进一步的方案：所述加固区模型箱是由6mm厚PVC板组成的边长为200mm的立方体结构；所述围岩区模型箱是由6mm厚PVC板组成的长方体结构，围岩区模型箱的尺寸为长×宽×高=200mm×200mm×1000mm，上部箱体的高度为600mm，下部箱体的高度为400mm，第三底板为450mm×450mm的正方形，围岩区模型箱的内壁采用凿毛处理以消除边界效应；所述移动式循环水箱装置由6mm厚PVC板组成，上水箱为320mm×320mm×400mm的长方体，下水箱为400mm×400mm×400mm的立方体。

作为本发明再进一步的方案：第一进水孔与第一底板距离10mm，第一溢流孔与第一顶板距离10mm。

作为本发明再进一步的方案：所述螺栓连接处均设置有用于密封的止水橡胶贴。

所述隧道工程中围岩及加固区渗流试验系统的试验方法，包括以下步骤：

1）将预先配制好的围岩及加固区材料按设定的渗透系数分层铺设于围岩区模型箱和加固区模型箱中，并预埋透水石；

2）调节移动式循环水箱装置至试验水头，为围岩区模型箱和加固区模型箱提供恒定静水头、动水头或变水头，待渗流稳定后，通过第一溢流孔或第二溢流孔收集单位时间内的渗流量；

3）将加固区模型箱与围岩区模型箱利用螺栓连接，加固区模型箱置于围岩区模型箱的上方时表示隧道下部岩土体，反之表示隧道上部岩土体，螺栓连接处通过设置止水橡胶贴密封，利用软管将渗流出水孔与第二进水孔相连以提供地下水补给，待渗流稳定后，通过刻度板上读取各测点的水压力；

4）根据达西定律，由所测水压力值和地下水渗流量换算得到围岩区模型箱或加固区模型箱内岩土体的渗透系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构简单、设计合理，运行高效；通过加固区模型箱和围岩区模型箱的组合，方便模拟隧道周围各个方向的渗流场，也可单独用于测试围岩或加固区中岩土体的渗透系数；通过调节移动式循环水箱装置，对隧道处于静水头、变水头和动水头的不同工况进行研究，方便模拟山岭隧道、水下隧道、城市隧道等的地下渗流场；本发明通过对围岩区模型箱边壁进行粗糙度处理，以消除边界效应，保证水按照既定路径进行渗流，以获取更准确的试验结果；可调节作用水头、围岩或加固区岩土体的渗透系数，测试试验所需的地下水流量；本发明以达西定律为基础，可测试岩土体、非土质体等多种材料的渗透系数，适用范围更广。

附图说明

图1为本发明中围岩及加固区渗流试验系统正面示意图。

图2为本发明中加固区模型箱A-A面剖视图。

图3为本发明中加固区模型箱剖面图。

图4为本发明中围岩模型箱剖面图。

其中，1-加固区模型箱；2-围岩区模型箱；3-移动式循环水箱装置；4-水压力测试系统；5a-第一水压测量孔；5b-第二水压测量孔；5c-第三水压测量孔；6-测压软管；7-刻度板；8-水银U型管；9-隔板；10-第三溢流孔；11-渗流出水孔；12-第三进水孔；13-盖板；14-止水橡胶贴；15-输水软管；16-螺栓孔；17-第一顶板；18-第一底板；19-透水石；20-螺栓；21-第一溢流孔；22-第一进水孔；23-第二溢流孔；24-第二进水孔；25-第三底板；26-第三顶板；27-第二底板；28-第二顶板；29-水泵；2a-上部箱体；2b-下部箱体；3a-上水箱；3b-下水箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～4，本发明实施例中，一种隧道工程中围岩及加固区渗流试验系统，包括加固区模型箱1、围岩区模型箱2、移动式循环水箱装置3和水压力测试系统4；

所述加固区模型箱1是由6mm厚PVC板组成的边长为200mm的立方体结构，加固区模型箱1上设有第一顶板17和第一底板18，第一顶板17和第一底板18均设有35mm外边缘，外边缘上均布12个螺栓孔16，第一顶板17、第一底板18与围岩区模型箱2通过螺栓20连接，螺栓20连接处通过止水橡胶贴14密封，加固区模型箱1的侧壁中部竖向均匀分布有4个第一水压测量孔5a并安置测压软管6，测压软管6置于加固区模型箱1内部的一端连接有透水石19，测压软管6的另一侧与水银U型管8相连；加固区模型箱1的侧壁上方设有第一溢流孔21，第一溢流孔21与第一顶板17距离10mm，加固区模型箱1的侧壁下方设有第一进水孔22，第一进水孔22与第一底板18距离10mm，第一溢流孔21同时具备收集地下水渗流量的作用。

所述围岩区模型箱2是由6mm厚PVC板组成的长方体结构，尺寸为长×宽×高=200mm×200mm×1000mm，分为上部箱体2a和下部箱体2b，方便模拟不同深度的地层，上部箱体2a的高度为600mm，下部箱体2b的高度为400mm，上部箱体2a具有第二顶板28和第二底板27，第二顶板28和第二底板27均设有35mm外边缘，外边缘上均布12个螺栓孔16；下部箱体2b具有第三顶板26和第三底板25，第三底板25为450mm×450mm的正方形，第三顶板26也设有35mm外边缘，外边缘上均布12个螺栓孔16，上部箱体2a和下部箱体2b通过螺栓20连接，螺栓20的连接处通过止水橡胶贴14密封；所述围岩区模型箱2的内壁粗糙度较高，表面采用凿毛处理，以密贴岩土体材料，消除边界效应，上部箱体2a的侧壁中部竖向等间距设置3个第二水压测量孔5b，下部箱体2b的侧壁中部竖向等间距设置3个第三水压测量孔5c，第二水压测量孔5b和第三水压测量孔5c处均安装有测压软管6，测压软管6一端与围岩区模型箱2内的透水石19连接，另一端与水银U型管8相连；围岩区模型箱2的侧壁设有第二溢流孔23和第二进水孔24，可根据试验对象进行开启或封堵。

所述移动式循环水箱装置3由6mm厚PVC板组成，包括上水箱3a和下水箱3b，上水箱3a为320mm×320mm×400mm的长方体，内部1/4边长处设有高300mm的隔板9，将上水箱3a分为溢流区和储水区，储水区底部设有第三进水孔12和渗流出水孔11，溢水区底部设有第三溢流孔10，用于循环水箱回流，下水箱3b为400mm×400mm×400mm的立方体，通过水泵29向上水箱2a补给，上水箱2a通过渗流出水孔11为加固区模型箱1、围岩区模型箱2提供作用水头。

所述水压力测试系统4包括透水石19、测压软管6、水银U型管8及刻度板7，透水石19预埋于加固区模型箱1和围岩区模型箱2中并通过测压软管6与水银U型管8相连，试验中水银U型管8内部水银高差的变化即是水压力差，由刻度板7直接读数。

一种隧道工程中围岩及加固区渗流试验系统及其试验方法，包括以下步骤：

1）将预先配制好的围岩及加固区材料按设定的渗透系数分层铺设于围岩区模型箱2和加固区模型箱1中，并预埋透水石19；

2）调节移动式循环水箱装置3至试验水头，为围岩区模型箱2和加固区模型箱1提供恒定静水头、动水头或变水头，待渗流稳定后，通过第一溢流孔21、第二溢流孔23收集单位时间内的渗流量；

3）将加固区模型箱1与围岩区模型箱2利用螺栓20连接，加固区模型箱1置于围岩区模型箱2的上方时表示隧道下部岩土体，反之表示隧道上部岩土体，螺栓20连接处通过设置止水橡胶贴14密封，利用软管将渗流出水孔11与第二进水孔24相连以提供地下水补给，待渗流稳定后，通过刻度板7上读取各测点的水压力；

4）根据达西定律，由所测水压力值和地下水渗流量换算可得围岩区模型箱2或加固区模型箱1内岩土体的渗透系数。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。