一种模拟隧道衬砌裂缝有压渗水的装置及其模拟方法

摘要

本发明公开了一种模拟隧道衬砌裂缝有压渗水的装置及其模拟方法，属于土木工程技术领域。使用本发明的装置和模拟方法，可解决现有技术中隧道现场检测过程中人员多、效率低、危险性高等问题，为隧道衬砌渗漏水的快速精确判断与分析提供指导。本发明的装置包括红外热像仪、混凝土试块、水箱、带刻度的玻璃管和加压装置；试验模拟方法为通过加压装置在混凝土试块背后加载指定水压值，通过观察不同时间、不同水压、不同裂缝形态、不同水温下的渗流面积和渗流量来模拟隧道衬砌不同位置、不同条件下的渗水情况。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及为一种模拟隧道衬砌裂缝有压渗水的装置及其模拟方法。

背景技术

近年来，我国投入建设了大量的公路隧道和铁路隧道，但随着地下空间的不断开发，隧道中的病害也不断暴露出来，其中最常见的衬砌开裂及渗漏水的问题，正危及着隧道的安全。最初的钻孔探测等有损检测手段因为检测精度低、检测速度慢并且会对隧道壁造成直接伤害等原因逐步退出人们的考虑范围内，目前隧道衬砌病害检测的主流是超声波法、地质雷达法、红外热成像等无损检测方法。在检测隧道渗水方面，红外热成像技术具有明显的优势。

中国专利文献CN108663121A公开了一种隧道渗水的在线监控与检测系统，此系统利用红外摄像头感知物体表面温度的分布，比对隧道表面热像图的发展变化，从而判断该处是否渗水，并制定对应解决措施。然而此方法只能检测出渗水区域。

中国专利文献CN108419045B公开了一种基于红外热成像技术的监控方法及装置，该方法通过对监控区域红外扫描，预设报警规则，从而对异常像素点进行报警，确定出监控区域中触发异常的监控点。

以上两种方法都是利用红外热像仪对温度的测定来达到检测目的。但在实际现场，要解决渗漏水问题，仅知道渗水处温度和具体位置是不够的。

发明内容

本发明公开了一种模拟隧道衬砌裂缝有压渗水的装置及其模拟方法。衬砌裂缝的模拟指的是制作带有规定裂缝宽度、长度和深度的混凝土试块；加压装置可以在有裂缝的混凝土背后加载指定水压值；试验模拟方法为通过加压装置在给水加压，使水在一定的压力下渗透混凝土试块。通过红外热像仪观察不同时间、不同水压、不同裂缝形态、不同水温下的渗流面积和渗流量来模拟隧道衬砌不同位置、不同条件下的渗水情况，并可观察不同条件下的渗流量及渗流面积，为隧道衬砌渗漏水的快速精确判断与分析提供指导。通过本发明的一种模拟隧道衬砌裂缝有压渗水的装置及其模拟方法可有效的解决在隧道现场检测过程中人员多、效率低、危险性高等的问题，为隧道衬砌渗漏水的快速精确判断与分析提供指导，并且为进一步研究渗漏水红外辐射定量化特征奠定了基础。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种模拟隧道衬砌裂缝有压渗水的装置，其特征在于包含红外热像仪，混凝土试块、水箱、带刻度的玻璃管和加压装置；红外热像仪安装在混凝土试块的正前方用来观察混凝土试块表面的温度及渗透面积；混凝土试块在浇筑时埋入预埋件；水箱与预埋件紧密连接；带刻度的玻璃管安装在下部与水箱连接的钢管筒上；钢管筒上部通过小密封圈与短管连接；短管与加压装置连接。红外热像仪用来观察试块表面的温度及渗透面积；混凝土试块在浇筑时埋入预埋件内，不仅起到连接水箱加压的作用，而且可以克服加压时产生的反力，并且还能防止渗水；水箱连接空压机在混凝土试块背后加水压，水箱上安装一个压力表，用来读取压力，渗流量则通过带刻度的玻璃管读取。

混凝土试块包含预埋件、钢筋和模拟裂缝的棉布；模拟裂缝的棉布的尺寸就是所需要模拟的裂缝尺寸。预埋件有一部分伸出混凝土试块，方便与大密封圈、水箱连接。

加压装置包含储气罐和空压机；空压机产生的压缩空气注入储气罐中，并通过管道与短管相连接。由于空压机产生的压缩空气压力不稳定，本装置试验时需要压力恒定一定的时间后才能进行下一步的操作，因此需要在空压机与短管之间接入一个储气罐，使加压装置施加的压力在一定时间内恒定。

红外热像仪最好水平安装在三角支架上。

一种模拟隧道衬砌裂缝有压渗水装置的模拟方法主要包含以下步骤：

第一步：定制模具，用定制好的模具制作混凝土试块，在混凝土试块浇筑前套入预埋件，预埋件连接好铁盘，在浇筑时固定住用来模拟裂缝的棉布及钢筋，待浇筑完毕后，确认用来模拟裂缝的棉布没有移位，模拟裂缝的棉布没有位移则一至两天后拆除模板及铁盘，随后养护28天；模拟裂缝的棉布发生位移，则需要重新浇筑制作混凝土试块；

第二步：养护完毕，待混凝土达到规定强度后，将预埋件突出部分连接大密封圈及水箱，水箱连接水箱伸出管道，水箱伸出管道0另一端连接钢管筒，钢管筒另一端连接短管，将带刻度的玻璃管嵌入钢管筒和水箱伸出管道及短管内；

第三步：在混凝土试块正前方架设好三角支架，将红外热像仪安装固定在三角支架上，通过水平仪保证红外热像仪水平放置，测量红外热像仪与试块的距离，随后打开红外热像仪录像功能开始录像；

第四步：通过短管往连接好的水箱中加水，水位加至带刻度的玻璃管可见的最上方刻度处，同时打开压力表，记录此时刻度、压力及温度；

第五步：短管连接好储气罐后，通过空压机开始给储气罐注入压缩空气，压缩空气给水箱内的水施加压力。每次加压后都恒压一段时间，记录经过恒压后的压力，然后每单位时间读一次带刻度的玻璃管的刻度并记录，同时记录此时的时间，计算出渗流量；如此反复直到加至最大压力；

第六步：整理以上数据，包括试块裂缝宽度、不同水压时的渗流量及红外热像仪显示的渗流面积、温度；红外热像仪录像数据可导入电脑，通过低温区像素点个数计算渗流面积，最终得出渗流量、渗流面积、裂缝宽度、水压可能存在的关系。

本发明的有益效果在于：预埋件的设计，不仅可以充分发挥混凝土与钢材的粘结强度，还可以利用混凝土的耐压性，来克服试块背后加压产生的反力，预埋件与水箱连接间隙放入橡胶密封圈，以达到抗渗效果。本发明可控制不同压力及裂缝宽度，用于观察不同压力及裂缝宽度下的红外热成像及渗流量，使用场地无限制且可以控制变量。

附图说明

图1是本发明的混凝土试块制作模具图；

图2是本发明的结构图；

图中：1是混凝土模具，2是预埋件，3是铁盘，4是钢筋，5是模拟裂缝的棉布，6是混凝土试块，7是大密封圈，8是水箱，9是压力表，10是水箱伸出管道，11是小密封圈，12是钢管筒，13是短管，14是带刻度的玻璃管，15是红外热像仪，16是三角支架，17是空压机，18是储气罐。

具体实施方式

如图1至图2所示，本发明提供一种模拟隧道衬砌裂缝有压渗水的装置，包括混凝土模具1，预埋件2，铁盘3，钢筋4，模拟裂缝的棉布5，混凝土试块6，大密封圈7，水箱8，压力表9，水箱伸出管道10，小密封圈11，钢管筒12，短管13，带刻度的玻璃管14，红外热像仪15，三角支架16，空压机17，储气罐18。红外热像仪15安装在三角支架16上，三角支架台面上方放置水平仪，以保证红外热像仪15水平。将混凝土试块6与大密封圈7和水箱8通过连接，混凝土试块6连接部分为预埋件2伸出混凝土部分，预埋件2的设计充分发挥混凝土的抗压性能，运用混凝土的抗压性抵御水压带来的作用力，大密封圈7起到防渗作用，水箱8侧面安装压力表9，实时监测水箱内压力，使得实验数据更加准确。带刻度的玻璃管14同时嵌入水箱伸出管道10、钢管筒12和短管13中，钢管筒12部分镂空，达到观察渗水量的作用，水箱伸出管道10与小密封圈11、钢管筒12依次连接，钢管筒12与小密封圈11、短管13依次连接。连接完成一个形成整体，短管13上部连接储气罐18，通过空压机17给储气罐18注入压缩空气。一种模拟隧道衬砌裂缝有压渗水装置的模拟方法主要包括以下步骤：

第一步：定制模具，用定制好的模具制作混凝土试块6，在混凝土试块6浇筑前套入预埋件2，预埋件2连接好铁盘3，在浇筑时固定住用来模拟裂缝的棉布5及钢筋4，待浇筑完毕后，确认用来模拟裂缝的棉布5没有移位，模拟裂缝的棉布5没有位移则一至两天后拆除模板及铁盘3，随后养护28天；模拟裂缝的棉布5发生位移，则需要重新浇筑制作混凝土试块6；

第二步：养护完毕，待混凝土达到规定强度后，将预埋件2突出部分连接大密封圈7及水箱8，水箱8连接水箱伸出管道10，水箱伸出管道10另一端连接钢管筒12，钢管筒12另一端连接短管13，将带刻度的玻璃管14嵌入钢管筒12和水箱伸出管道10及短管13内；

第三步：在混凝土试块6正前方架设好三角支架16，将红外热像仪15安装固定在三角支架16上，通过水平仪保证红外热像仪15水平放置，测量红外热像仪与试块的距离，随后打开红外热像仪录像功能开始录像；

第四步：通过短管13往连接好的水箱8中加水，水位加至带刻度的玻璃管14可见的最上方刻度处，同时打开压力表9，记录此时刻度、压力及温度；

第五步：短管13连接好储气罐18后，通过空压机17开始给储气罐注入压缩空气，压缩空气给水箱内的水施加压力。每次加压后都恒压一段时间，记录经过恒压后的压力，然后每单位时间读一次带刻度的玻璃管14的刻度并记录，同时记录此时的时间，计算出渗流量；如此反复直到加至最大压力；

第六步：整理以上数据，包括试块裂缝宽度、不同水压时的渗流量及红外热像仪显示的渗流面积、温度；红外热像仪录像数据可导入电脑，通过低温区像素点个数计算渗流面积，最终得出渗流量、渗流面积、裂缝宽度、水压可能存在的关系。

本发明实施过程简单，可控制的变量多，可控制不同水压，不同裂缝形态、不同水温、不同尺寸的混凝土，能模拟隧道衬砌不同位置，不同条件下的渗水情况，并可观察不同条件下的渗流量及渗流面积，本发明运用于室内试验可为隧道衬砌渗漏水的快速精确判断与分析提供指导。加压时无需固定试件就可抵抗水压产生的反力，防渗效果好，试验场地无限制，且实验成本低。

以上结合附图详细描述了本发明的实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，例如通过改变加压装置位置或结构，例如使用水泵直接施加给水施加压力，例如使用液压装置给水施加压力，此类简单推演或替换都应当视为属于本发明的保护范围。