隧道突水涌泥模型試驗中流體流動模擬裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種隧道突水涌泥模型試驗中流體流動模擬裝置及方法，包括兩個相互平行的隧道模擬管，且兩個隧道模擬管通過一個橫洞模擬管連接，隧道模擬管和橫洞模擬管底部均連接有滑行體，所述的滑行體放置在軌道槽中，且滑行體在軌道槽內(nèi)自由滑動；在所述的兩個隧道模擬管中均設(shè)有三心圓板，在所述的三心圓板處使流體按照設(shè)定的水壓和速度流入隧道模擬管中，觀測流體在兩個隧道模擬管和橫洞模擬管內(nèi)的流動規(guī)律；且通過調(diào)整隧道模擬管中設(shè)有三心圓板的構(gòu)件的位置，模擬隧道掌子面與橫洞之間的不同距離；通過調(diào)整兩個隧道模擬管中設(shè)有三心圓板的構(gòu)件A的位置，模擬兩個隧道掌子面之間的不同位置關(guān)系。
【專利說明】隧道突水涌泥模型試驗中流體流動模擬裝置與方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及一種隧道突水涌泥模型試驗中流體流動模擬裝置與方法。

【背景技術(shù)】
[0003] 隧道涉及交通工程(鐵路、公路隧道)、水利水電工程(輸水隧道、地下廠房）等重要 工程領(lǐng)域，逐漸成為國家重大基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的重要組成部分，而隨著國家"十二五"等 戰(zhàn)略科技發(fā)展的規(guī)劃，重大工程建設(shè)的重心正逐漸向地形地質(zhì)極端復(fù)雜的西部山區(qū)與巖溶 地區(qū)轉(zhuǎn)移，將出現(xiàn)一批具有"大埋深、長洞線、高應(yīng)力、強巖溶、高水壓"等顯著特點的高風(fēng)險 隧道工程，修建過程中面臨著嚴(yán)重的突水涌泥等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險。深埋隧道突水涌泥災(zāi)害往 往具有突發(fā)性、大流量、高水壓等特點，災(zāi)害一旦發(fā)生，輕則淹沒隧道、施工中斷，重則造成 重大的人員傷亡和經(jīng)濟損失，甚至有些工程被迫停建或改線。準(zhǔn)確的掌握突水涌泥災(zāi)害發(fā) 生時水、泥等流體在隧道內(nèi)的流動規(guī)律，可有效引導(dǎo)技術(shù)人員安全快速的撤離災(zāi)害現(xiàn)場。然 而針對流體在隧道內(nèi)的流動規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者通常采用ANSYS等有限元分析軟件進行數(shù)值 模擬分析，而在模型試驗研究方面尚屬空白。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為克服上述技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、具有可視 性的流體流動模擬裝置與方法，通過獲取流速、水壓等流場信息數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確掌握流體在隧道 內(nèi)的流動規(guī)律，從而制定科學(xué)合理的災(zāi)害逃生路線，有效引導(dǎo)技術(shù)人員的安全撤離。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案： 隧道突水涌泥模型試驗中流體流動模擬裝置，包括兩個相互平行的隧道模擬管，且兩 個隧道模擬管通過一個橫洞模擬管連接，隧道模擬管和橫洞模擬管底部均連接有滑行體， 所述的滑行體放置在軌道槽中，且滑行體在軌道槽內(nèi)自由滑動；在所述的兩個隧道模擬管 中均設(shè)有三心圓板，在所述的三心圓板處使流體按照設(shè)定的水壓和速度流入隧道模擬管 中；且通過調(diào)整隧道模擬管中設(shè)有三心圓板的構(gòu)件的位置，模擬隧道掌子面與橫洞之間的 不同距離；通過調(diào)整兩個隧道模擬管中設(shè)有三心圓板的構(gòu)件位置，模擬兩個隧道掌子面之 間的不同位置關(guān)系。
[0006] 所述的軌道槽底部固定在一個剛度板上，所述的剛度板通過插銷與六個支撐腿鉸 接，支撐腿底部固定在圓形平板支座上。
[0007] 所述的滑行體為倒凸字形滑行體。
[0008] 所述的軌道槽為與滑行體相互配合的凹字形。
[0009] 所述的兩個隧道模擬管分別由至少兩個構(gòu)件J和一個構(gòu)件Α組成，構(gòu)件J與構(gòu)件 J之間、構(gòu)件A與構(gòu)件i?之間通過螺栓和螺母連接到一起； 所述的構(gòu)件A為一個拱形件，且在拱形件的前后兩個弧形面上均設(shè)有一圈向上的連接 面，在所述的連接面設(shè)有螺紋孔； 所述的構(gòu)件B為一個拱形件，所述的拱形件軸向面的前端的弧形面上設(shè)有一圈向上的 連接面，在所述的連接面設(shè)有螺紋孔；在拱形件徑向面設(shè)有一個與橫洞模擬管相連通的孔， 且在徑向面孔的位置也設(shè)有一圈連接面，在所述的連接面設(shè)有螺紋孔。
[0010] 所述的每個隧道模擬管中，其中有一個構(gòu)件J中設(shè)有一個三心圓板。
[0011] 所述的三心圓板與隧道模擬管內(nèi)側(cè)形狀一致，是由三段半徑不同的圓弧相切連接 而成。
[0012] 所述的橫洞模擬管由至少兩個可拆裝的構(gòu)件C組成，構(gòu)件C之間通過螺栓和螺母 連接到一起； 所述的構(gòu)件為C為一個拱形件，且在拱形件的前后兩個弧形面上均設(shè)有一圈向上的連 接面，在所述的連接面設(shè)有螺紋孔。
[0013] 所述的兩個隧道模擬管和橫洞模擬管的內(nèi)表面進行磨砂處理，以增大流體與管內(nèi) 表面的摩擦力。
[0014] 所述的兩個隧道模擬管和橫洞模擬管所用材料為高強度透明樹脂，具有良好的可 視性。
[0015] 所述的剛度板與兩個隧道模擬管的軸線所在平面平行。
[0016] 所述的剛度板上共有三個軌道槽，軌道上共有七個滑行體。
[0017] 所述的剛度板與支撐腿鉸接，可自由轉(zhuǎn)動，支撐腿上設(shè)有三個插銷。
[0018] 應(yīng)用上述裝置實現(xiàn)隧道突水涌泥模型試驗中流體流動的模擬方法，包括以下步 驟： A. 將固定在圓形平板支座上的支撐腿放置到同一水平面上，確定支撐腿上插銷的位 置，并通過插銷將剛度板鉸接到支撐腿上； B. 根據(jù)兩個隧道模擬管的間距確定橫洞模擬管所需構(gòu)件C數(shù)量，用螺栓Α和螺母i?將 各個構(gòu)件C連接到一起，并將連接好后的橫洞模擬管通過倒凸字形滑行體放置到凹字形軌 道槽中； C. 根據(jù)隧道模擬管J中三心圓板與橫洞模擬管之間的距離，調(diào)整設(shè)有三心圓板的構(gòu) 件J的位置，用螺栓J和螺母J將各個構(gòu)件J和Α連接到一起； D. 根據(jù)隧道模擬管i?的三心圓板與隧道模擬管J的三心圓板之間的位置關(guān)系，調(diào)整隧 道模擬管A中設(shè)有三心圓板的構(gòu)件J的位置，并用螺栓J和螺母J將隧道模擬管A的各個 構(gòu)件J和沒連接到一起； E. 將連接好后的兩個隧道模擬管通過倒凸字形滑行體放置到凹字形軌道槽中，滑動 倒凸字形滑行體，使兩個隧道模擬管與橫洞模擬管靠近，用螺栓A和螺母A將三者連接到一 起； F. 根據(jù)試驗要求使流體從隧道模擬管J中的三心圓板處按設(shè)定水壓或速度流入隧道 模擬管J中，觀測流體在兩個隧道模擬管和橫洞模擬管內(nèi)的流動規(guī)律，直至流體流動達到 穩(wěn)定狀態(tài)，完成本組試驗； G. 清凈兩個隧道模擬管和橫洞模擬管內(nèi)的流體，按下一組試驗的要求重復(fù)步驟J-F， 直至所有流動模擬試驗結(jié)束。
[0019] 本發(fā)明裝置適用于模擬多種組合條件下流體在隧道內(nèi)的流動規(guī)律模擬，操作簡 便，短時間內(nèi)可完成多組模擬試驗，且具有可視性。
[0020] 本發(fā)明裝置通過調(diào)整支撐腿上插銷的位置來模擬隧道的不同坡度。
[0021] 本發(fā)明裝置通過調(diào)整橫洞模擬管的構(gòu)件C數(shù)量，模擬兩個隧道之間的不同距離。
[0022] 本發(fā)明裝置中的三心圓板用于模擬隧道掌子面：①通過調(diào)整隧道模擬管J中設(shè) 有三心圓板的構(gòu)件J的位置，模擬隧道掌子面與橫洞之間的不同距離；②通過調(diào)整兩個隧 道模擬管中設(shè)有三心圓板的構(gòu)件J的位置，模擬兩個隧道掌子面之間的不同位置關(guān)系。
[0023] 本發(fā)明研究了隧道突水涌泥模型試驗中流體流動規(guī)律模擬方法，解決了以往數(shù)值 模擬方法專業(yè)知識要求高、建模復(fù)雜、計算時間冗長等問題。與前人研究相比，本試驗裝置 操作簡便、形象直觀，試驗人員無需具備高深的專業(yè)理論知識即可完成試驗。
[0024] 本發(fā)明解決了以往數(shù)值模擬方法研究流體在隧道內(nèi)的流動規(guī)律時專業(yè)知識要求 高、建模復(fù)雜、計算時間冗長等問題，具有以下優(yōu)點： 1、 隧道模擬管和橫洞模擬管具有可拆裝性，可模擬多種組合條件下流體的流動： ① 兩個隧道不同間距情況下流體的流動； ② 兩個隧道掌子面不同空間位置條件下流體的流動； ③ 隧道突水涌泥掌子面距橫洞不同距離條件下流體的流動； 2、 支撐腿上設(shè)有三個插銷，可模擬不同坡度條件下、流體的順坡流動和反坡流動； 3、 隧道模擬管和橫洞模擬管采用高強度透明樹脂材料，具有良好的可視性，可形象直 觀的觀測流體的流動。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)正視圖； 圖2為圖1的側(cè)視圖； 圖3為圖1的俯視圖； 圖4為構(gòu)件A實體圖； 圖5為構(gòu)件B實體圖； 圖6為構(gòu)件C實體圖； 圖7為三心圓板實體圖； 圖8為三心圓分布示意圖。
[0026] 圖中1.隧道模擬管J ;2.隧道模擬管i? ;3.橫洞模擬管；4.滑行體；5.軌道槽； 6.剛度板；7.支撐腿；8.插銷；9.平板支座；10.構(gòu)件J ;11.構(gòu)件沒；12.三心圓板；13.螺 栓J ;14.螺母J ;15.構(gòu)件C;16.螺栓沒；17.螺母沒。

【具體實施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明進一步說明。
[0028] 隧道突水涌泥模型試驗中流體流動模擬裝置，包括兩個隧道模擬管A1、隧道模擬 管B2,兩個隧道模擬管A1、隧道模擬管B2相互平行且兩者通過一橫洞模擬管3連接，隧道 模擬管A1、隧道模擬管B2和橫洞模擬管3底部連接有倒凸字形滑行體4,滑行體4放置在 凹字形軌道槽5中，滑行體4可在軌道槽5內(nèi)自由滑動，軌道槽5底部固定在一個剛度板6 上，剛度板6通過插銷8與六個支撐腿7鉸接，支撐腿7底部固定在圓形平板支座9上。
[0029] 隧道模擬管A1、隧道模擬管B2由五個具有可拆裝性的構(gòu)件J10和構(gòu)件All組成， 其中一個構(gòu)件J 10中設(shè)有一個具有一定厚度的三心圓板12,用于模擬隧道掌子面；每個構(gòu) 件J10之間及其與構(gòu)件飢1通過五個螺栓J13和螺母J14緊密連接到一起，通過調(diào)節(jié)設(shè)有 三心圓板12構(gòu)件J10的位置，改變隧道掌子面與橫洞之間的距離。所述的兩個隧道模擬管 1、2分別由四個可拆裝的構(gòu)件J 10和一個構(gòu)件沒11組成，構(gòu)件J 10之間及其與構(gòu)件沒11 之間通過五個螺栓J 13和螺母J 14連接到一起。
[0030] 構(gòu)件A為一個拱形件，且在拱形件的前后兩個弧形面上均設(shè)有一圈向上的連接 面，在所述的連接面設(shè)有螺紋孔； 構(gòu)件B為一個拱形件，所述的拱形件軸向面的前端的弧形面上設(shè)有一圈向上的連接 面，在所述的連接面設(shè)有螺紋孔；在拱形件徑向面設(shè)有一個與橫洞模擬管相連通的孔，且在 徑向面孔的位置也設(shè)有一圈連接面，在所述的連接面設(shè)有螺紋孔。
[0031] 兩個隧道模擬管A1、隧道模擬管B2中分別有一個構(gòu)件J 10中設(shè)有一個三心圓板 12〇
[0032] 橫洞模擬管3由四個可拆裝的構(gòu)件C 15組成，構(gòu)件C 15之間通過五個螺栓沒16 和螺母i? 17連接到一起。構(gòu)件為C為一個拱形件，且在拱形件的前后兩個弧形面上均設(shè)有 一圈向上的連接面，在所述的連接面設(shè)有螺紋孔。
[0033] 兩個隧道模擬管A1、隧道模擬管B2和橫洞模擬管3的內(nèi)表面需進行磨砂處理，以 增大流體與管內(nèi)表面的摩擦力。
[0034] 兩個隧道模擬管A1、隧道模擬管B2和橫洞模擬管3所用材料為高強度透明樹脂， 具有良好的可視性。
[0035] 剛度板6與兩個隧道模擬管A1、隧道模擬管B2的軸線所在平面平行。
[0036] 剛度板6上共有三個軌道槽5,軌道上共有七個滑行體4。
[0037] 剛度板6與支撐腿7鉸接，可自由轉(zhuǎn)動，支撐腿7上設(shè)有三個插銷8。
[0038] 應(yīng)用上述裝置實現(xiàn)隧道突水涌泥模型試驗中流體流動的模擬，包括以下步驟： A. 將固定在圓形平板支座9上的支撐腿7放置到同一水平面上，根據(jù)剛度板6傾角要 求確定支撐腿7上插銷8的位置，并通過插銷8將剛度板6鉸接到支撐腿7上； B. 根據(jù)兩個隧道模擬管A1、隧道模擬管B2的間距確定橫洞模擬3管所需構(gòu)件C 15數(shù) 量，用螺栓A 16和螺母A 17將各個構(gòu)件C 15連接到一起，并將連接好后的橫洞模擬管3 通過倒凸字形滑行體4放置到凹字形軌道槽5中； C. 根據(jù)隧道模擬管J 1中三心圓板12與橫洞模擬管3之間的距離，調(diào)整設(shè)有三心圓 板12的構(gòu)件J 10的位置，用螺栓J 13和螺母J 14將各個構(gòu)件J 10和A 11連接到一起； D. 根據(jù)隧道模擬管3 2的三心圓板12與隧道模擬管J 1的三心圓板12之間的位置 關(guān)系，調(diào)整隧道模擬管i? 2中設(shè)有三心圓板12的構(gòu)件J 10的位置，并用螺栓J 13和螺母 J 14將隧道模擬管沒2的各個構(gòu)件J 10和沒11連接到一起； E. 將連接好后的兩個隧道模擬管A1、隧道模擬管B2通過倒凸字形滑行體4放置到凹 字形軌道槽5中，滑動倒凸字形滑行體4,使兩個隧道模擬管1、2與橫洞模擬管3靠近，用螺 栓沒16和螺母A 17將三者連接到一起； F. 根據(jù)試驗要求使流體從隧道模擬管J 1中的三心圓板12處按設(shè)定水壓或速度流入 隧道模擬管J 1中，觀測流體在兩個隧道模擬管A1、隧道模擬管B2和橫洞模擬管3內(nèi)的流 動規(guī)律，直至流體流動達到穩(wěn)定狀態(tài)，完成本組試驗； G.清凈兩個隧道模擬管A1、隧道模擬管B2和橫洞模擬管3內(nèi)的流體，按下一組試驗的 要求重復(fù)步驟J-F，直至所有流動模擬試驗結(jié)束。
【權(quán)利要求】
1. 隧道突水涌泥模型試驗中流體流動模擬裝置，其特征在于：包括兩個相互平行的隧 道模擬管，且兩個隧道模擬管通過一個橫洞模擬管連接，隧道模擬管和橫洞模擬管底部均 連接有滑行體，所述的滑行體放置在軌道槽中，且滑行體在軌道槽內(nèi)自由滑動；在所述的兩 個隧道模擬管中均設(shè)有三心圓板，在所述的三心圓板處使流體按照設(shè)定的水壓和速度流入 隧道模擬管中；且通過調(diào)整隧道模擬管中設(shè)有三心圓板的構(gòu)件的位置，模擬隧道掌子面與 橫洞之間的不同距離；通過調(diào)整兩個隧道模擬管中設(shè)有三心圓板的構(gòu)件的位置，模擬兩個 隧道掌子面之間的不同位置關(guān)系。
2. 如權(quán)利要求1所述的隧道突水涌泥模型試驗中流體流動模擬裝置，其特征在于：所 述的軌道槽底部固定在一個剛度板上，所述的剛度板通過插銷與六個支撐腿鉸接，支撐腿 底部固定在圓形平板支座上。
3. 如權(quán)利要求1所述的隧道突水涌泥模型試驗中流體流動模擬裝置，其特征在于：所 述的滑行體為倒凸字形滑行體。
4. 如權(quán)利要求1所述的隧道突水涌泥模型試驗中流體流動模擬裝置，其特征在于：所 述的軌道槽為與滑行體相互配合的凹字形。
5. 如權(quán)利要求1所述的隧道突水涌泥模型試驗中流體流動模擬裝置，其特征在于：所 述的兩個隧道模擬管分別由至少兩個構(gòu)件J和一個構(gòu)件A組成，構(gòu)件A與構(gòu)件A之間、構(gòu)件 A與構(gòu)件i?之間通過螺栓和螺母連接到一起； 所述的構(gòu)件A為一個拱形件，且在拱形件的前后兩個弧形面上均設(shè)有一圈向上的連接 面，在所述的連接面設(shè)有螺紋孔； 所述的構(gòu)件B為一個拱形件，所述的拱形件軸向面的前端的弧形面上設(shè)有一圈向上的 連接面，在所述的連接面設(shè)有螺紋孔；在拱形件徑向面設(shè)有一個與橫洞模擬管相連通的孔， 且在徑向面孔的位置也設(shè)有一圈連接面，在所述的連接面設(shè)有螺紋孔。
6. 如權(quán)利要求5所述的隧道突水涌泥模型試驗中流體流動模擬裝置，其特征在于：所 述的每個隧道模擬管中，其中有一個構(gòu)件J中設(shè)有一個三心圓板。
7. 如權(quán)利要求1所述的隧道突水涌泥模型試驗中流體流動模擬裝置，其特征在于：所 述的橫洞模擬管由至少兩個可拆裝的構(gòu)件^組成，構(gòu)件^之間通過螺栓和螺母連接到一 起； 所述的構(gòu)件為C為一個拱形件，且在拱形件的前后兩個弧形面上均設(shè)有一圈向上的連 接面，在所述的連接面設(shè)有螺紋孔。
8. 如權(quán)利要求1所述的隧道突水涌泥模型試驗中流體流動模擬裝置，其特征在于：所 述的兩個隧道模擬管和橫洞模擬管的內(nèi)表面進行磨砂處理，以增大流體與管內(nèi)表面的摩擦 力。
9. 如權(quán)利要求1所述的隧道突水涌泥模型試驗中流體流動模擬裝置，其特征在于：所 述的兩個隧道模擬管和橫洞模擬管所用材料為高強度透明樹脂，具有良好的可視性。
10. -種利用如權(quán)利要求1-9所述的任一模擬裝置實現(xiàn)隧道突水涌泥模型試驗中流體 流動的模擬方法，其特征在于，包括以下步驟： A. 將固定在圓形平板支座上的支撐腿放置到同一水平面上，按照剛度板傾角確定支撐 腿上插銷的位置，并通過插銷將剛度板鉸接到支撐腿上； B. 根據(jù)兩個隧道模擬管的間距確定橫洞模擬管所需構(gòu)件C數(shù)量，并將各個構(gòu)件C連接 到一起，并將連接好后的橫洞模擬管通過倒凸字形滑行體放置到凹字形軌道槽中； C. 根據(jù)隧道模擬管J中三心圓板與橫洞模擬管之間的距離，調(diào)整設(shè)有三心圓板的構(gòu)件 J的位置，并將隧道模擬管J的各個構(gòu)件J和A連接到一起； D. 根據(jù)隧道模擬管i?的三心圓板與隧道模擬管J的三心圓板之間的位置關(guān)系，調(diào)整隧 道模擬管A中設(shè)有三心圓板的構(gòu)件J的位置，并將隧道模擬管A的各個構(gòu)件J和A連接到 一起； E. 將連接好后的兩個隧道模擬管通過倒凸字形滑行體放置到凹字形軌道槽中，滑動倒 凸字形滑行體，使兩個隧道模擬管與橫洞模擬管靠近，將三者連接到一起； F. 根據(jù)試驗要求使流體從隧道模擬管J中的三心圓板處按設(shè)定水壓或速度流入隧道 模擬管J中，觀測流體在兩個隧道模擬管和橫洞模擬管內(nèi)的流動規(guī)律，直至流體流動達到 穩(wěn)定狀態(tài)，完成本組試驗； G. 清凈兩個隧道模擬管和橫洞模擬管內(nèi)的流體，按下一組試驗的要求重復(fù)步驟J-F， 直至所有流動模擬試驗結(jié)束。
【文檔編號】G01M10/00GK104155079SQ201410382397
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】李術(shù)才, 周宗青, 王慶瀚, 李利平, 石少帥, 袁永才, 雷霆, 王升 申請人:山東大學(xué)