一种可视化饱和动态含水砂层渗透注浆试验装置及方法

摘要

本发明公开了一种可视化饱和动态含水砂层渗透注浆试验装置及方法，包括可视化模型箱、注浆泵、淋板、油泵、定水头水箱、激光片源发射器、工业相机、数据收集系统；可视化模型箱由一个注浆泵通过输浆管向其内注入浆液；底板布置有均匀开孔，在底板上覆盖一层滤网，可视化模型箱底部设置有接油箱，接油箱通过输油管路与油泵相连，所述的油泵与定水头水箱相连；定位水箱又通过输油管路与放置在可视化模型箱顶部的连接淋板相连；在可视化模型箱一侧设有激光片源发射器，激光片源发射器发射的激光经过可视化模型箱穿透透明土,形成均匀的散斑场；工业相机拍摄方向位于激光平面的法线方向,相机连接数据收集系统，实时记录散斑场的变化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于三维可视化地下水渗流作用下饱水砂层渗透注浆模型试验装置及方法。

背景技术

饱和动态含水砂层结构松散，无黏聚力，自稳能力差，在该类地层中开挖隧道极易引发涌水、溃砂、塌方等工程灾害，严重影响施工进度，造成巨大的人员伤亡和经济损失。在饱水动态含水砂层地层中进行隧道工程施工时，需要采用地层加固技术来加固隧道围岩，以提高围岩的力学性能，降低围岩的渗透性，并减少开挖引起的地面沉降，从而保证隧道开挖的安全顺利进行。注浆加固方法是目前隧道围岩加固最主要且有效的方法之一，能有效改善围岩力学性能，提高围岩强度特性，起到加固和堵水的作用。在饱和动态含水砂层中，注浆浆液的主要扩散形式为渗透注浆，但当前研究对含水砂层隧道的围岩变形机制，地下水渗流对隧道开挖稳定性的影响及地下水渗流对隧道围岩加固方法、浆液选择的影响等方面的研究工作开展较少。注浆法已经在工程实践中得到广泛应用，但由于注浆理论发展还远落后于工程实践，注浆技术因缺乏有效的理论指导而远未成熟。注浆模型试验方法可以比较全面真实地模拟复杂的地质构造，为建立新的理论和数学模型提供依据，是研究注浆理论的一种重要手段。

传统注浆模型试验具有“黑箱性”，由于土体的非透明性，使得无法准确获得浆液的扩散范围以及运移距离，无法连续观测和记录注浆介质以及注浆浆液各点的变形情况。近年来，基于人工合成透明土材料和数字图像处理技术实现岩土工程模型试验过程可视化的方法逐渐得到推广和应用，在注浆领域运用透明土进行模型试验也成为可能。运用激光散斑技术、数字图像釆集技术与粒子图像测速技术，能够做到过程观测浆液动态扩散路径，得到被注介质位移场和速度场，为研究注浆理论等提供有效依据。

本发明设计了一种可视化饱和动态含水砂层渗透注浆试验装置及方法，透明土采用高纯度熔融石英砂与正十二烷和15号白油按一定比例配制的溶液组成，能够实现全三维可视条件下的动态饱和含水砂层介质中渗透注浆过程模拟，获得渗透注浆浆液扩散范围和运移规律，得到注浆介质的位移场和速度场，为饱水砂层隧道围岩加固提供理论依据，更好的指导工程实践。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种可视化饱和动态含水砂层渗透注浆试验装置及方法,能够实现全三维可视条件下的动态饱和含水砂层介质中渗透注浆过程模拟，获得渗透注浆浆液扩散范围和运移规律，得到注浆介质的位移场和速度场，为饱水砂层隧道围岩加固提供理论依据。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可用于可视化饱和动态含水砂层渗透注浆试验装置，包括可视化模型箱、接油箱、注浆泵、淋板、油泵、定水头水箱、激光片源发射器、工业相机、数据收集系统；

所述的可视化模型箱由一个注浆泵通过输浆管向其内注入浆液；底板布置有均匀开孔，在底板上覆盖一层滤网，可视化模型箱底部设置有接油箱，接油箱通过输油管路与油泵相连，所述的油泵与定水头水箱相连；所述的定位水箱又通过输油管路与放置在可视化模型箱顶部的连接淋板相连；在可视化模型箱一侧设有激光片源发射器，激光片源发射器发射的激光经过可视化模型箱穿透透明土,形成均匀的散斑场；所述的工业相机拍摄方向位于激光平面的法线方向,CCD相机连接数据收集系统，实时记录散斑场的变化。

进一步的，位于可视化模型箱外部的输浆管路段设有一个排气装置；所述的排气装置可以在注浆开始时排除留存在注浆管内的空气，减少空气对实验现象的影响。

进一步的，所述的可视化模型箱由与透明土具有近似折射率的有机玻璃制作，提高被注介质的透明度。

进一步的，所述的定水头水箱放置在可调节水箱台架上，从而调节模型箱中混合溶液的液面高度。

进一步的，所述的注浆管由与透明土材料折射率近似的有机玻璃管制成。

进一步的，所述的可视化模型箱底板均匀布置开孔，便于动水溶液的流出。

进一步的，可视化模型箱底板上放置滤网的目的是防止透明土中熔融石英砂的流出。

进一步的，所述的可视化模型箱底部连接一个接油箱，用于盛接模型箱中流出的正十二烷与白油的混合溶液。

进一步的，所述的接油箱侧壁底端与输油管连接，输油管与油泵连接，油泵再通过输油管连到定水头水箱中，油泵用于将接油箱中的混合溶液泵送到具有一定高度的定水头水箱中。

进一步的，所述的定水头水箱由有机玻璃制作，放置在可调节水箱台架上。

进一步的，所述的定水头水箱另一端由输油管路连接到淋板上，淋板固定在可视化模型箱顶部，对补给的混合溶液起到缓冲作用，尽量减少油对透明土造成的冲击作用。

进一步的，所述的参数可控式注浆泵可以进行定速率定量注浆，注浆速率与注浆量可调。参数可控式注浆泵通过注浆管路与排气装置连接。

进一步的，所述的排气装置与注浆管相连，注浆管由与透明土材料折射率近似的有机玻璃管制成。

本发明还提供一种可视化饱和动态含水砂层渗透注浆试验装置的配套方法，步骤如下：

(1)将可视化模型箱、接油箱、定水头水箱等装置清洗干净并擦干，保证没有残余水的存在(水的存在极大影响透明土的透明度)。

(2)在可视化模型箱中配制一定高度的透明土，并放入真空箱中进行抽真空处理，去掉透明土中的气泡，提高透明土的透明度。

(3)配制透明土时将溶液高出固体平面一定高度，高度可设计不同次实验。

(4)打开油泵，使可视化模型箱中混合溶液实现流动循环，即实现可视化模型箱-油泵-定水头水箱-淋板-可视化模型箱的循环，使溶液不停流动，模拟动态饱水地层中的地下水渗流作用，并将溶液高度始终保持不变。

(5)按实验方案设计的水灰比配制水泥浆液，调试好参数可控式注浆泵，并根据实验方案设定好注浆速率和注浆量。

(6)注浆前，关掉注浆管一端阀门，打开排气阀，打开注浆泵，使浆液将注浆管中的气体驱出，然后，关掉排气阀，打开注浆管端阀门，准备注浆。

(7)打开激光片源发射器，调整激光面位置，打开CCD工业相机，并将数据收集系统中的数据收集软件打开并调试好。

(8)进行注浆试验。

(9)注浆完成后，将注浆泵、模型箱等装置清洗干净，防止水泥浆凝固堵住管路。

(10)使用PIV数据处理软件对数据进行处理，得到被注介质内部位移云图和矢量图，得到位移场、速度场等数据。

本发明的有益效果为：

1、实现动态饱水砂层中注浆扩散全过程的可视化，为理论研究提供依据。

2、可实现全过程数据实时采集及收集。

3、可通过调节饱和水头、注浆速率、注浆量等因素实现多因素的注浆影响分析。

4、运用激光散斑技术、数字图像釆集技术与粒子图像测速技术，能够做到过程观测浆液动态扩散路径，得到被注介质位移场和速度场，为研究注浆理论等提供有效依据。

5、本发明实验装置操作简便，提高了科研效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明装置主体部分示意图。

图2为本发明装置的俯视图。

图中：1可视化模型箱、2微细滤网、3接油箱、4注浆管、5输浆管路、6排气装置、7参数可控式注浆泵、8淋板、9输油管路、10油泵、11定水头水箱、12可调节水箱台架、13激光片源发射器、14CCD工业相机、15数据收集系统。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术部分所述的传统注浆模型试验具有“黑箱性”，由于土体的非透明性，使得无法准确获得浆液的扩散范围以及运移距离，无法连续观测和记录注浆介质以及注浆浆液各点的变形情况。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种一种用于三维可视化地下水渗流作用下饱水砂层渗透注浆模型试验装置和试验方法。

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种用于可视化饱和动态含水砂层渗透注浆的试验装置，包括可视化模型箱1、微细滤网2、接油箱3、注浆管4、输浆管路5、排气装置6、参数可控式注浆泵7、淋板8、输油管路9、油泵10、定水头水箱11、可调节水箱台架12、激光片源发射器13、CCD工业相机14、数据收集系统15；本发明运用激光散斑技术、数字图像釆集技术与粒子图像测速技术，能够做到过程观测浆液动态扩散路径，得到被注介质位移场和速度场，为研究注浆理论等提供有效依据。

可视化模型箱底板1布置有均匀开孔，底板上覆盖一层微细滤网2，可视化模型箱1底部设置有接油箱3，接油箱3通过输油管路9与油泵10及定水头水箱11相连；所述的定水头水箱11放置在可调节水箱台架12上，一端经由输油管路9连接淋板8，淋板8放置在可视化模型箱1顶部；所述的参数可控式注浆泵7通过输浆管路9经由排气装置6连接注浆管；所述的注浆管4连接在可视化模型箱1中。所述的激光片源发射器13布置在试验装置一侧,要求激光片源发射器12发射的激光经过可视化模型箱1穿透透明土,形成均匀的散斑场。所述的CCD工业相机14拍摄方向位于激光平面的法线方向,CCD相机连接数据收集系统15，实时记录散斑场的变化。

进一步的，所述的可视化模型箱由与透明土具有近似折射率的有机玻璃制作，提高被注介质的透明度。

进一步的，可视化模型箱1底板均匀布置开孔，便于动水溶液的流出。

进一步的，可视化模型箱1底板上放置微细滤网2，防止透明土中熔融石英砂的流出。

进一步的，可视化模型箱1底部连接一个接油箱3，用于盛接模型箱1中流出的正十二烷与白油的混合溶液。

进一步的，接油箱3侧壁底端与输油管9连接，输油管9与油泵10连接，油泵再通过输油管9连到定水头水箱11中，油泵10用于将接油箱3中的混合溶液泵送到具有一定高度的定水头水箱11中。

进一步的，定水头水箱11由有机玻璃制作，放置在可调节水箱台架12上。

进一步的，可调节水箱台架12可以调节台架的高度，从而调节模型箱1中混合溶液的液面高度。

进一步的，定水头水箱11另一端由输油管路9连接到淋板8上，淋板8固定在可视化模型箱1顶部，对补给的混合溶液起到缓冲作用，尽量减少油对透明土造成的冲击作用。

进一步的，参数可控式注浆泵7可以进行定速率定量注浆，注浆速率与注浆量可调。参数可控式注浆泵7通过注浆管路5与排气装置6连接。

进一步的，排气装置6可以在注浆开始时排除留存在注浆管内的空气，减少空气对实验现象的影响。

进一步的，排气装置6与注浆管4相连，注浆管4由与透明土材料折射率近似的有机玻璃管制成。

进一步的，所述的注浆管4用有机玻璃胶固定在可视化模型箱1中。

此外，本发明还提供了一种可视化饱和动态含水砂层渗透注浆试验装置的配套方法，本发明实验装置操作简便，提高了科研效率；

步骤如下：

(1)将可视化模型箱、接油箱、定水头水箱等装置清洗干净并擦干，保证没有残余水的存在(水的存在极大影响透明土的透明度)。

(2)在可视化模型箱中配制一定高度的透明土，并放入真空箱中进行抽真空处理，去掉透明土中的气泡，提高透明土的透明度。

(3)配制透明土时将溶液高出固体平面一定高度，高度可设计不同次实验。

(4)打开油泵，使可视化模型箱中混合溶液实现流动循环，即实现可视化模型箱-油泵-定水头水箱-淋板-可视化模型箱的循环，使溶液不停流动，模拟动态饱水地层中的地下水渗流作用，并将溶液高度始终保持不变。

(5)按实验方案设计的水灰比配制水泥浆液，调试好参数可控式注浆泵，并根据实验方案设定好注浆速率和注浆量。

(6)注浆前，关掉注浆管一端阀门，打开排气阀，打开注浆泵，使浆液将注浆管中的气体驱出，然后，关掉排气阀，打开注浆管端阀门，准备注浆。

(7)打开激光片源发射器，调整激光面位置，打开CCD工业相机，并将数据收集系统中的数据收集软件打开并调试好。

(8)进行注浆试验。

(9)注浆完成后，将注浆泵、模型箱等装置清洗干净，防止水泥浆凝固堵住管路。

(10)使用PIV数据处理软件对数据进行处理，得到被注介质内部位移云图和矢量图，得到位移场、速度场等数据。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明中的可视化模型箱采用与透明土具有近似折射率的有机玻璃制作，实现动态饱水砂层中注浆扩散全过程的可视化，为理论研究提供依据。

本发明通过所述的激光片源发射器、CCD工业相机、数据收集系统，实时记录散斑场的变化；可实现全过程数据实时采集及收集。

本发明可通过调节饱和水头、注浆速率、注浆量等因素实现多因素的注浆影响分析。

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。