專利名稱：網(wǎng)格剖分電阻率法超前探測三維模擬裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隧道或者坑道等地下工程中網(wǎng)格剖分動水含水構(gòu)造電阻率超前預(yù)報三維模擬裝置與方法，具體的說是一種涉及地下工程網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造電阻率法超前預(yù)報的物理模擬裝置和方法，并且是一種模擬地下工程網(wǎng)格剖分電阻率法超前探測三維模擬裝置及方法。
背景技術(shù)：
隧道等地下工程施工期的含導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造超前探測和三維定位一直以來都是超前預(yù)報領(lǐng)域備受關(guān)注的難題，電阻率法從水體和含水構(gòu)造的物理特性差異出發(fā)，以電阻率差異等為物理基礎(chǔ)，對含導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造的超前探測具有獨特的優(yōu)勢。由于隧道或坑道是三維全空間，且探測環(huán)境較為復(fù)雜，外部干擾較為強烈，利用理論解析和數(shù)值模擬的方法，難以真實的模擬隧道超前探測的實際情況，導(dǎo)致目前對隧道或坑道中電阻率法超前探測方法的模擬研究還不深入。而物理模擬可以更為真實的反映隧道的實際環(huán)境，被視為一種行之有效的電阻率法超前探測模擬方法。在地面探測領(lǐng)域，水槽或土槽被用來進行電阻率探測的物理模擬，這種物理模擬裝置是針對三維半空間條件的，與隧道或坑道的三維全空間條件具有本質(zhì)的區(qū)別。而在隧道或坑道等地下工程的電阻率超前探測物理模擬中，李術(shù)才、劉斌、程久龍、施龍青、強建科、阮百堯等開展過相關(guān)的工作，為本發(fā)明提供了重要的借鑒和參考李術(shù)才，劉斌，李樹忱，張慶松.等.基于激發(fā)極化法的隧道含水地質(zhì)構(gòu)造超前探測研究.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，7 (15).劉斌，李術(shù)才，李樹忱，鐘世航.隧道含水構(gòu)造直流電阻率法超前探測研究.巖土力學(xué)，2009，10(10) ·程久龍，李文，王玉和.工作面內(nèi)隱伏含水體電法探測的實驗研究.煤炭學(xué)報，2008，I (15).施龍青，翟培合，魏久傳，朱魯.三維高密度電法技術(shù)在巖層富水性探測中的應(yīng)用·山東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，12 (15).強建科，阮百堯，周俊杰.三維坑道直流聚焦法超前探測的電極組合研究.地球物理學(xué)報，2010，3 (15).阮百堯，鄧小康，劉海飛，周麗等.坑道直流電阻率超前聚焦探測新方法研究.地球物理學(xué)報，2009，I (15)。結(jié)合隧道電阻率法超前探測的實際情況，對已經(jīng)開展的地下工程的電阻率超前探測物理模擬工作中進行分析，發(fā)現(xiàn)在地下工程電阻率法超前探測的物理模擬方面存在以下問題和挑戰(zhàn)(I)以往模擬中含水構(gòu)造的結(jié)構(gòu)和形狀較為簡單，不能模擬形狀較為復(fù)雜的含水構(gòu)造，與隧道實際情況不符；(2)以往模擬中含水構(gòu)造中的水體是靜儲量形式，沒有實現(xiàn)水的流動，不能模擬動水對電場的影響；(3)以往模擬中，模型的邊界是高電阻率邊界，沒有解決無窮遠(yuǎn)邊界的模擬問題，邊界對超前探測結(jié)果的干擾很大；(4)以往模型架結(jié)構(gòu)是固定不變的，無法實現(xiàn)模型尺寸的擴展和靈活設(shè)置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種網(wǎng)格剖分電阻率法超前探測三維模擬裝置及方法，該裝置包括可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)、邊界接地網(wǎng)絡(luò)、預(yù)制隧道腔體、電極掃描陣列、網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造和動水循環(huán)模擬裝置，實現(xiàn)了模型尺寸的靈活設(shè)置，利用提出的邊界接地網(wǎng)絡(luò)可較好的降低高電阻率邊界對探測數(shù)據(jù)的干擾，利用網(wǎng)格剖分和自由組合的方法來模型復(fù)雜形狀的含水構(gòu)造，利用動水循環(huán)系統(tǒng)為含水構(gòu)造中的水流動提供動力，同時設(shè)計了電極掃描陣列，可用于多種形式的探測裝置形式，兼容性和適用性大大提高。本發(fā)明所提出的裝置可更為真實的模擬隧道或坑道等地下工程的復(fù)雜環(huán)境，為含水構(gòu)造電阻率法超前探測三維模擬提供了科學(xué)的模擬試驗平臺。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種網(wǎng)格剖分電阻率法超前探測三維模擬裝置，它主要包括可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)、邊界接地網(wǎng)絡(luò)、預(yù)制隧道腔體、電極掃描陣列、網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造、動水循環(huán)模擬裝置，在可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)有預(yù)制隧道腔體，在預(yù)制隧道腔體內(nèi)設(shè)有電極掃描陣列，同時在可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)前方還設(shè)有網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造，該網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造與動水循環(huán)模擬裝置連接，可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)外側(cè)與邊界接地網(wǎng)絡(luò)連接；電極掃描陣列、網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造、動水循環(huán)模擬裝置與主機連接。所述可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)采用槽鋼和型鋼作為框架，利用標(biāo)準(zhǔn)尺寸鋼板拼裝而成，型鋼與槽鋼之間通過角鋼連接，槽鋼之間通過拉桿連接，在可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)一側(cè)設(shè)置有半圓形缺口與預(yù)制隧道腔體相連接，整個可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)表層均涂刷絕緣漆；相鄰槽鋼之間與邊界接地網(wǎng)絡(luò)引線連接。所述邊界接地網(wǎng)絡(luò)采用邊界接地導(dǎo)線的方式，設(shè)置在可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)的高電阻率邊界上，并分層引出導(dǎo)線，分層引出的導(dǎo)線分組接地；每層邊界接地導(dǎo)線均布在兩段可擴展式槽鋼間。所述預(yù)制隧道腔體模型由帶有溝槽的多段矩形預(yù)制隧道腔體PVC板和多段拱形預(yù)制隧道腔體PVC板組成；在矩形預(yù)制隧道腔體PVC板的邊墻、底板和掌子面上預(yù)留有電極掃描陣列布置孔；所述電極掃描陣列由銅電極和不極化電極以陣列的方式布置在電極掃描陣列布置孔上并與主機連接，電極掃描陣列布置采用二極法、三極法、四極法或?qū)游龀上瘛Ｋ鼍W(wǎng)格剖分含水構(gòu)造位于可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)前方，是一個被若干尺寸相同、等間距排列的網(wǎng)格剖分的木制結(jié)構(gòu)，其上部、下部、前部、后部、左部、右部六個邊界均有相應(yīng)尺寸的滲透性良好的木板做成，內(nèi)部設(shè)置小尺寸的透水性良好的木質(zhì)隔板，形成剖分網(wǎng)格，每個網(wǎng)格的尺寸相同；在每組相鄰網(wǎng)格之間的交界面上設(shè)置電動刀式閥門，通過通訊控制網(wǎng)絡(luò)與外部控制主機連接，控制閥門的“連通”和“關(guān)閉”狀態(tài)；通過將含水構(gòu)造內(nèi)相鄰網(wǎng)格的電動刀式閥門設(shè)置為“連通”狀態(tài)，使得含水構(gòu)造內(nèi)的網(wǎng)格形成通路，而與含水構(gòu)造之外的網(wǎng)格隔離。所述動水循環(huán)模擬裝置包括動水循環(huán)進水模擬裝置與動水循環(huán)出水模擬裝置，兩部分均由主機控制并分別通過各自的管路與網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造連接；其中，動水循環(huán)進水模擬裝置包括吹氣加壓裝置、加壓水箱與動水循環(huán)進水流量控制裝置，通過吹氣加壓裝置控制進水，并通過主機控制的動水循環(huán)進水流量控制裝置控制進水流量；動水循環(huán)出水模擬裝置包括回水水箱與動水循環(huán)出流量控制裝置，通過主機控制動水循環(huán)出流量控制裝置進行出水控制；加壓水箱與回水水箱共用一個水箱體，中間由可開閉的隔板隔開，隔板的開閉由主機控制。所述動水循環(huán)進水模擬裝置的吹氣加壓裝置包括調(diào)壓氣源，它通過管路與加壓水箱連接，在管路上設(shè)有吹氣閥，所述動水循環(huán)進水流量控制裝置包括設(shè)置在加壓水箱與網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造連接管路上的兩通電磁閥、止回閥、調(diào)壓閥以及流量計I，兩通電磁閥、流量計與主機連接；所述動水循環(huán)出水模擬裝置的動水循環(huán)出流量控制裝置包括設(shè)置在回水箱與網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造連接管路上的水泵、流量計II，兩者均與主機連接。一種是用網(wǎng)格剖分電阻率法超前探測三維模擬裝置的方法，A.按照實驗方案，現(xiàn)場組裝網(wǎng)格剖分電阻率法超前探測三維模擬裝置；B.在可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)中按照現(xiàn)場情況，分層填入粘土，通過控制粘土含水率來控制各層的電阻率等參數(shù)，并通過壓實強度控制孔隙率參數(shù)，由以上兩點對現(xiàn)場隧道及坑道施工環(huán)境進行真實模擬；C.待可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)中填入的粘土到達(dá)預(yù)制隧道腔體高度后，放入預(yù)制隧道腔體，并布置電極掃描陣列，在預(yù)制隧道腔體底板上按照工作方式埋入銅電極和不極化電極，并用導(dǎo)線將電極掃描陣列引出，然后繼續(xù)填粘土到預(yù)制隧道腔體上方的各層，直至填土面與可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)頂部齊平；D.實驗時，首先通過主機控制電動刀式閥門的開閉情況，并依照現(xiàn)場實地情況，在網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造中模擬出所需要的水體形狀；然后通過動水循環(huán)模擬裝置控制水均勻的流入含水地質(zhì)構(gòu)造，待注入水量入滲穩(wěn)定后，開始測量；然后重復(fù)步驟D，繼續(xù)測量；如果進行動流量的含水構(gòu)造實驗時，則通過動水循環(huán)模擬裝置控制網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造中一定流量的水流排出含水地質(zhì)構(gòu)造。本發(fā)明的有益效果是1.本發(fā)明裝置實現(xiàn)了模型尺寸的靈活設(shè)置和無窮遠(yuǎn)邊界的模擬，可模擬多種復(fù)雜形狀的含水構(gòu)造和充填水體的流動，可更為真實的模擬隧道或坑道等地下工程的復(fù)雜環(huán)境，為含水構(gòu)造電阻率法超前探測三維模擬提供了科學(xué)的模擬試驗平臺。2.本發(fā)明通過控制網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造的相鄰網(wǎng)格之間的電動刀式閥門的“連通”或“關(guān)閉”的狀態(tài)來組合出多種不同形狀的含水構(gòu)造，同時利用動水循環(huán)模擬裝置作為含水構(gòu)造中充填水體流動的動力，可較為真實的模擬實際工程中形狀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的含水構(gòu)造和水體的流動。3.本發(fā)明采用可擴展式槽鋼和型鋼作為框架，采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸鋼板拼裝為可擴展式的組合箱型模型架，可根據(jù)需要來靈活調(diào)整模型架尺寸，拆卸方便，可重復(fù)利用，采用接地網(wǎng)絡(luò)來模擬無窮遠(yuǎn)邊界，可有效的降低邊界對探測數(shù)據(jù)的干擾和影響。4.本發(fā)明的電極掃描陣列位于隧道腔體的邊墻、底板和掌子面，可用于二極法、三極法、四極法、層析成像等多種電阻率探測裝置形式，兼容性和適用性較好。本發(fā)明為解決隧道等地下工程施工期含水地質(zhì)構(gòu)造超前探測難題提供了有效的途徑，可滿足目前國家重點重大項目的科學(xué)研究、工程建設(shè)設(shè)計施工以及教學(xué)示范的需要。


圖1是本發(fā)明三維模擬裝置圖。圖2是本發(fā)明模型架正立面圖。圖3本發(fā)明模型架側(cè)立面圖。圖4本發(fā)明電極掃描陣列定測線布置圖。圖5本發(fā)明網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造圖。圖6本發(fā)明網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造電控刀式閥門圖。圖7本發(fā)明動水循環(huán)模擬裝置。其中，1.邊界接地網(wǎng)絡(luò)，2.預(yù)制隧道腔體，3.電極掃描陣列，4.網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造，5.動水循環(huán)模擬裝置，6.可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)，7.主機，8.槽鋼，9.型鋼，10.拉桿，11.半圓形缺口，12.矩形預(yù)制隧道腔體PVC板，13.拱形預(yù)制隧道腔體PVC板，14.電極掃描陣列布置孔，15.電動刀式閥門，16.調(diào)壓氣源，17.吹氣閥，18.加壓水箱，19.兩通電磁閥，20.止回閥，21.調(diào)壓閥，22.流量計I，23.水泵，24.流量計II，25.回水水箱。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明做進一步說明。圖1、圖2和圖3中，一種網(wǎng)格剖分動水含水構(gòu)造電阻率法超前探測三維模擬裝置，包括可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)6、邊界接地網(wǎng)絡(luò)1、預(yù)制隧道腔體2、電極掃描陣列3、網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造4、動水循環(huán)模擬裝置5，它實現(xiàn)了模型尺寸的靈活設(shè)置，設(shè)計了電極掃描網(wǎng)絡(luò)，可用于多種形式的探測裝置形式，兼容性和適用性大大提高，利用網(wǎng)格剖分和自由組合的方法來模型復(fù)雜形狀的含水構(gòu)造，利用動水循環(huán)模擬系統(tǒng)為含水構(gòu)造中的水流動提供動力。本發(fā)明可為隧道或坑道含水構(gòu)造電阻率法超前探測提供更貼近工程實際的物理模擬裝置。其中，可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)6的尺寸為4. 5mX 2. OmX 2. 0m，它采用可擴展式槽鋼8和型鋼9作為框架，利用標(biāo)準(zhǔn)尺寸鋼板拼裝為可擴展式的組合箱型模型架，可根據(jù)需要來靈活調(diào)整模型架尺寸，拆卸方便，可重復(fù)利用。例如，可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)6采用3塊4. 5mX 2. OmX O. 002m的可擴展式型鋼和2塊2. OmX2. OmXO. 002m的可擴展式型鋼圍成，在可擴展式型鋼上布置有
O.5mXO. 05mX0. 003m的縱向筋條，以加強結(jié)構(gòu)強度；可擴展式型鋼外圍則由4組長度為4. 7m的可擴展式槽鋼和4組長度為2m的可擴展式槽鋼形成骨架；可擴展式型鋼與可擴展式槽鋼之間通過角鋼連接；為增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，每組長度為2m的可擴展式槽鋼之間通過直徑為O. 04m的拉桿10連接?？蓴U展式三維模型架結(jié)構(gòu)6的一側(cè)設(shè)置有直徑為O. 3m的半圓形缺口 11，與預(yù)制隧道腔體2相連接，整個可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)6表層均涂刷絕緣漆。邊界接地網(wǎng)絡(luò)I設(shè)置在可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)6的外側(cè)，即在超前探測三維模擬裝置高電阻率邊界上，采用邊界接地導(dǎo)線的方式對物理探測邊界分層引出導(dǎo)線，并將所分層引出的導(dǎo)線分組接地，以解決在以往模擬中高電阻率邊界對超前探測結(jié)果干擾的問題。所述的邊界接地網(wǎng)絡(luò)I在可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)6上布設(shè)三層邊界接地導(dǎo)線，三層邊界接地導(dǎo)線分別在1. 8m,1. 2m，O. 6m高位置處布置，每層邊界接地導(dǎo)線均布在兩段可擴展式槽鋼8間，導(dǎo)線每層為一組，每組導(dǎo)線分別接地如圖1所示，所述的邊界接地導(dǎo)線以營造無窮遠(yuǎn)邊界的假設(shè)來弱化邊界對超前探測的結(jié)果。預(yù)制隧道腔體2底面尺寸為1. 4mX O. 8mX O. 02m，直徑為O. 30m,預(yù)制隧道腔體2厚度為O. 02m。預(yù)制隧道腔體2模型由帶有溝槽的4段O. 8m X O. 35m X O. 02m的矩形預(yù)制隧道腔體PVC板12和4段長O. 8m、直徑O. 30m、厚度O. 02m的拱形預(yù)制隧道腔體PVC板13組成，以無法干擾試驗的材料材質(zhì)對隧道進行形狀和物理特征的模擬。同時在矩形預(yù)制隧道腔體PVC板12設(shè)置溝槽，便于預(yù)制隧道腔體模型更好的組裝拼合可拆卸。另外在矩形預(yù)制隧道腔體PVC板12上預(yù)留有電極掃描陣列布置孔14。電極掃描陣列3由銅電極和不極化電極以陣列的方式布置分布。對于電極掃描陣列探測，其可以采用二極法、三極法、四極法、層析成像法等多種電阻率探測裝置形式，而以往的超前探測模型試驗中，隧道腔體埋設(shè)完畢后，卻由于隧道腔體斷面較小，沒有足夠的條件再進行電極的調(diào)整。對于本發(fā)明的電極掃描陣列3位于預(yù)制隧道腔體2的邊墻、底板和掌子面，可用于二極法、三極法、四極法、層析成像等多種電阻率探測裝置形式，兼容性和適用性好。電極掃描陣列3將銅電極和不極化電極按照超前探測的工作方式布置在矩形預(yù)制隧道腔體PVC板12上的預(yù)留電極掃描陣列布置孔14上，在電極掃描陣列3測量時可以任選電極及探測形式。如圖4所示。圖5、圖6中，網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造4位于預(yù)制隧道腔體2的前方，是一個被若干尺寸相同、等間距排列的網(wǎng)格剖分的木制結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)格剖分的含水構(gòu)造尺寸為2mXO. 25mX2m，其上部、下部、前部、后部、左部、右部六個邊界均有相應(yīng)尺寸的滲透性良好的木板做成，內(nèi)部設(shè)置小尺寸的透水性良好的木質(zhì)隔板，形成剖分網(wǎng)格，每個網(wǎng)格的尺寸相同，均為邊長O. 2m的正方體。在每組相鄰網(wǎng)格之間的交界面上設(shè)置電動刀式閥門15，通過通訊控制網(wǎng)絡(luò)與外部控制主機7連接，控制電動刀式閥門15的“連通”和“關(guān)閉”狀態(tài)。在試驗中，可根據(jù)需要選擇一部分網(wǎng)格，組合成形狀不同的較為復(fù)雜的含水構(gòu)造，通過將網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造4內(nèi)相鄰網(wǎng)格的電動刀式閥門15設(shè)置為“連通”狀態(tài)，使得含水構(gòu)造內(nèi)的網(wǎng)格形成通路，而與含水構(gòu)造之外的網(wǎng)格隔離。對于任意一個正方體網(wǎng)格而言，六個面上都需要設(shè)置電動刀式閥門15，連接外部主機7進行控制程序，來統(tǒng)一控制每個電動刀式閥門15的“連通”和“關(guān)閉”。圖7中，動水循環(huán)模擬裝置分為兩部分動水循環(huán)進水模擬裝置與動水循環(huán)出水模擬裝置，兩部分均連接主機7控制。動水循環(huán)進水模擬裝置主要包括吹氣加壓裝置，吹氣加壓裝置為調(diào)壓氣源16，它通過管路與加壓水箱18連接，在連接管路上設(shè)有吹氣閥17 ;力口壓水箱18與動水循環(huán)進水流量控制裝置連接，動水循環(huán)進水流量控制裝置包括兩通電磁閥19、止回閥20、調(diào)壓閥21以及流量計I，它們設(shè)置在加壓水箱18與網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造4連接的管路上。進水時通過調(diào)壓氣源16控制進水并過主機7控制的流量計I控制進水流量。動水循環(huán)出水模擬裝置由包括回水水箱25與動水循環(huán)出流量控制裝置，動水循環(huán)出流量控制裝置包括水泵23和流量計1124，出水時通過主機7控制的水泵23進行出水控制并過主機7控制的流量計1124控制出水流量。試驗時通過主機7系統(tǒng)流量控制，待注入水量入滲穩(wěn)定后再開始測量。加壓水箱18和回水水箱25共用一個箱體，箱體內(nèi)設(shè)置通過開閉控制隔板將加壓水箱18與回水水箱25分離，試驗結(jié)束后打開隔板控制開關(guān)使水箱水聯(lián)通。整個實現(xiàn)了動水的裝置封閉循環(huán)。一種使用網(wǎng)格剖分動水含水構(gòu)造電阻率法超前預(yù)報三維模擬裝置的方法，包括以下順序和步驟A.按照實驗方案，現(xiàn)場組裝可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)6，在設(shè)計位置布設(shè)木質(zhì)網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造4，布好電動刀式閥門15控制線路，控制線路連接外部主機7進行控制。在網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造4頂部與底部安裝動水循環(huán)模擬裝置。按實驗方案在可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)6邊界增設(shè)三層邊界接地導(dǎo)線，導(dǎo)線分組接地。B.在可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)6中按照現(xiàn)場情況，分層填入粘土，通過控制含水率來控制各層的電阻率等參數(shù)，并通過壓實強度控制孔隙率等參數(shù)，由以上兩點對現(xiàn)場隧道及坑道施工環(huán)境進行真實模擬。C.可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)6填入粘土到預(yù)制隧道腔體2的高度后，放入預(yù)制隧道腔體2，并布置電極掃描陣列3，在預(yù)制隧道腔體2底板上按照工作方式埋入銅電極和不極化電極，并用導(dǎo)線將電極掃描陣列3連接到預(yù)制隧道腔體2洞口(可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)6的半圓形缺口 11)，并繼續(xù)填粘土到預(yù)制隧道腔體2上方的各層，直至填土面與可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)6頂部齊平。D.實驗時，首先操作網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造4控制程序，通過控制電動刀式閥門15的開閉情況，并依照現(xiàn)場實地情況，在網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造4中模擬出所需要的水體形狀；然后通過動水循環(huán)模擬裝置控制水均勻的流入含水地質(zhì)構(gòu)造，待注入水量入滲穩(wěn)定后，開始測量；然后重復(fù)步驟D，繼續(xù)測量；如果進行動流量的含水構(gòu)造實驗時，則通過動水循環(huán)模擬裝置控制網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造中一定流量的水流排出含水地質(zhì)構(gòu)造。
權(quán)利要求
1.一種網(wǎng)格剖分電阻率法超前探測三維模擬裝置，其特征是，它主要包括可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)、邊界接地網(wǎng)絡(luò)、預(yù)制隧道腔體、電極掃描陣列、網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造、動水循環(huán)模擬裝置，在可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)有預(yù)制隧道腔體，在預(yù)制隧道腔體內(nèi)設(shè)有電極掃描陣列，同時在可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)前方還設(shè)有網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造，該網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造與動水循環(huán)模擬裝置連接，可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)外側(cè)與邊界接地網(wǎng)絡(luò)連接；電極掃描陣列、網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造、動水循環(huán)模擬裝置與主機連接。
2.如權(quán)利要求1所述的網(wǎng)格剖分電阻率法超前探測三維模擬裝置，其特征是，所述可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)采用槽鋼和型鋼作為框架，利用標(biāo)準(zhǔn)尺寸鋼板拼裝而成，型鋼與槽鋼之間通過角鋼連接，槽鋼之間通過拉桿連接，在可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)一側(cè)設(shè)置有半圓形缺口與預(yù)制隧道腔體相連接，整個可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)表層均涂刷絕緣漆；相鄰槽鋼之間與邊界接地網(wǎng)絡(luò)引線連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述的網(wǎng)格剖分電阻率法超前探測三維模擬裝置，其特征是，所述邊界接地網(wǎng)絡(luò)采用邊界接地導(dǎo)線的方式，設(shè)置在可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)的高電阻率邊界上，并分層引出導(dǎo)線，分層引出的導(dǎo)線分組接地；每層邊界接地導(dǎo)線均布在兩段可擴展式槽鋼間。
4.如權(quán)利要求1所述的網(wǎng)格剖分電阻率法超前探測三維模擬裝置，其特征是，所述預(yù)制隧道腔體模型由帶有溝槽的多段矩形預(yù)制隧道腔體PVC板和多段拱形預(yù)制隧道腔體PVC 板組成；在矩形預(yù)制隧道腔體PVC板的邊墻、底板和掌子面上預(yù)留有電極掃描陣列布置孔； 所述電極掃描陣列由銅電極和不極化電極以陣列的方式布置在電極掃描陣列布置孔上并與主機連接，電極掃描陣列布置采用二極法、三極法、四極法或?qū)游龀上瘛?br> 5.如權(quán)利要求1所述的網(wǎng)格剖分電阻率法超前探測三維模擬裝置，其特征是，所述網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造位于可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)前方，是一個被若干尺寸相同、等間距排列的網(wǎng)格剖分的木制結(jié)構(gòu)，其上部、下部、前部、后部、左部、右部六個邊界均有相應(yīng)尺寸的滲透性良好的木板做成，內(nèi)部設(shè)置小尺寸的透水性良好的木質(zhì)隔板，形成剖分網(wǎng)格，每個網(wǎng)格的尺寸相同；在每組相鄰網(wǎng)格之間的交界面上設(shè)置電動刀式閥門，通過通訊控制網(wǎng)絡(luò)與外部控制主機連接，控制閥門的“連通”和“關(guān)閉”狀態(tài)；通過將含水構(gòu)造內(nèi)相鄰網(wǎng)格的電動刀式閥門設(shè)置為“連通”狀態(tài)，使得含水構(gòu)造內(nèi)的網(wǎng)格形成通路，而與含水構(gòu)造之外的網(wǎng)格隔離。
6.如權(quán)利要求1所述的網(wǎng)格剖分電阻率法超前探測三維模擬裝置，其特征是，所述動水循環(huán)模擬裝置包括動水循環(huán)進水模擬裝置與動水循環(huán)出水模擬裝置，兩部分均由主機控制并分別通過各自的管路與網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造連接；其中，動水循環(huán)進水模擬裝置包括吹氣加壓裝置、加壓水箱與動水循環(huán)進水流量控制裝置，通過吹氣加壓裝置控制進水，并通過主機控制的動水循環(huán)進水流量控制裝置控制進水流量；動水循環(huán)出水模擬裝置包括回水水箱與動水循環(huán)出流量控制裝置，通過主機控制動水循環(huán)出流量控制裝置進行出水控制；加壓水箱與回水水箱共用一個水箱體，中間由可開閉的隔板隔開，隔板的開閉由主機控制。
7.如權(quán)利要求6所述的網(wǎng)格剖分電阻率法超前探測三維模擬裝置，其特征是，所述動水循環(huán)進水模擬裝置的吹氣加壓裝置包括調(diào)壓氣源，它通過管路與加壓水箱連接，在管路上設(shè)有吹氣閥，所述動水循環(huán)進水流量控制裝置包括設(shè)置在加壓水箱與網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造連接管路上的兩通電磁閥、止回閥、調(diào)壓閥以及流量計I，兩通電磁閥、流量計與主機連接； 所述動水循環(huán)出水模擬裝置的動水循環(huán)出流量控制裝置包括設(shè)置在回水箱與網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造連接管路上的水泵、流量計II，兩者均與主機連接。
8.一種使用如權(quán)利要求1-7任一所述的網(wǎng)格剖分電阻率法超前探測三維模擬裝置的方法，其特征是， A.按照實驗方案，現(xiàn)場組裝網(wǎng)格剖分電阻率法超前探測三維模擬裝置； B.在可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)中按照現(xiàn)場情況，分層填入粘土，通過控制粘土含水率來控制各層的電阻率等參數(shù)，并通過壓實強度控制孔隙率參數(shù)，由以上兩點對現(xiàn)場隧道及坑道施工環(huán)境進行真實模擬； C.待可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)中填入的粘土到達(dá)預(yù)制隧道腔體高度后，放入預(yù)制隧道腔體，并布置電極掃描陣列，在預(yù)制隧道腔體底板上按照工作方式埋入銅電極和不極化電極，并用導(dǎo)線將電極掃描陣列引出，然后繼續(xù)填粘土到預(yù)制隧道腔體上方的各層，直至填土面與可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)頂部齊平； D.實驗時，首先通過主機控制電動刀式閥門的開閉情況，并依照現(xiàn)場實地情況，在網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造中模擬出所需要的水體形狀；然后通過動水循環(huán)模擬裝置控制水均勻的流入含水地質(zhì)構(gòu)造，待注入水量入滲穩(wěn)定后，開始測量；然后重復(fù)步驟D，繼續(xù)測量；如果進行動流量的含水構(gòu)造實驗時，則通過動水循環(huán)模擬裝置控制網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造中一定流量的水流排出含水地質(zhì)構(gòu)造。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種網(wǎng)格剖分電阻率法超前探測三維模擬裝置及方法，它主要包括可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)、邊界接地網(wǎng)絡(luò)、預(yù)制隧道腔體、電極掃描陣列、網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造、動水循環(huán)模擬裝置，在可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)有預(yù)制隧道腔體，在預(yù)制隧道腔體內(nèi)設(shè)有電極掃描陣列，同時在可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)前方還設(shè)有網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造，該網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造與動水循環(huán)模擬裝置連接，可擴展式三維模型架結(jié)構(gòu)外側(cè)與邊界接地網(wǎng)絡(luò)連接；電極掃描陣列、網(wǎng)格剖分含水構(gòu)造、動水循環(huán)模擬裝置與主機連接。本發(fā)明所提出的裝置可更為真實的模擬隧道或坑道等地下工程的復(fù)雜環(huán)境，為含水構(gòu)造電阻率法超前探測三維模擬提供了科學(xué)的模擬試驗平臺。
文檔編號G01V13/00GK103018789SQ20121052605
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者聶利超, 李術(shù)才, 劉斌, 周浩, 宋杰, 劉征宇, 孫懷鳳, 王傳武, 許新驥, 徐磊, 郝亭宇, 牛健, 張孝健 申請人:山東大學(xué)