模型試驗(yàn)中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)與方法
【專利摘要】一種模型試驗(yàn)中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)與方法，包括：控制水箱，所述控制水箱一側(cè)通過進(jìn)水管與水泵連接，所述水泵設(shè)置在外部集水箱中；所述控制水箱內(nèi)部設(shè)置隔水板A和隔水板B，所述隔水板A和隔水板B將控制水箱依次分為El、E2、E3三個(gè)區(qū)；控制水箱E2區(qū)底部通過輸水管與水壓轉(zhuǎn)換器連接，所述水壓轉(zhuǎn)換器放置在隧道進(jìn)口端，隧道出口端下方設(shè)置采集裝置，采集裝置通過回流管A與外部集水箱連通；控制水箱E3區(qū)底部通過回流管B與外部水箱連接。本發(fā)明有益效果：本裝置中的水可循環(huán)利用，節(jié)約水資源，采用高強(qiáng)度透明樹脂材料制成，具有良好的可視性，水壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)置可調(diào)節(jié)一定流量條件下,突水涌泥處的水壓。
【專利說明】模型試驗(yàn)中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)與方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種地質(zhì)力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)，尤其涉及一種模型試驗(yàn)中突水涌泥水力邊界 條件控制系統(tǒng)與方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隧道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(xiǎn)，尤其是深埋隧道突水涌 泥災(zāi)害往往具有突發(fā)性、大流量、高水壓等特點(diǎn)，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(jì)損失，甚至有些工程被迫停建或改線。國內(nèi)外學(xué)者針對突 水涌泥災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理及其災(zāi)變演化過程中位移場、應(yīng)力場和滲流場的變化特征作了大量 理論與模型試驗(yàn)研究工作，而對于災(zāi)害發(fā)生后流體在隧道內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律研究甚少，僅采用 ANSYS等有限元分析軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，在模型試驗(yàn)研究方面尚屬空白。
[0003]如何真實(shí)的模擬隧道突水涌泥災(zāi)害的流速、流量及水壓等邊界條件，從而準(zhǔn)確分 析流體在隧道內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律，是開展此類模型試驗(yàn)中面臨的主要技術(shù)問題之一。通過調(diào)研 分析發(fā)現(xiàn)，已有學(xué)者設(shè)計(jì)了適用于巖體含水層內(nèi)部及上覆水體的水力邊界條件控制系統(tǒng)， 而適用于突水涌泥災(zāi)害的水力邊界條件（包括流速、流量、水壓等）的控制系統(tǒng)和方法，國 內(nèi)外未見相關(guān)報(bào)道。


【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 性的適用于模型試驗(yàn)中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)與方法，以模擬隧道突水涌泥災(zāi)害 的流速、流量及水壓等邊界條件，從而真實(shí)再現(xiàn)隧道突水涌泥災(zāi)害，準(zhǔn)確分析水力邊界條件 對流體在隧道內(nèi)流動(dòng)規(guī)律的影響。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] 一種模型試驗(yàn)中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)，包括：控制水箱，所述控制水箱 一側(cè)通過進(jìn)水管與水泵連接，所述水泵設(shè)置在外部集水箱中；所述控制水箱內(nèi)部設(shè)置隔水 板A和隔水板B,所述隔水板A和隔水板B將控制水箱依次分為El、E2、E3三個(gè)區(qū)；
[0007] 所述控制水箱E2區(qū)底部通過輸水管與水壓轉(zhuǎn)換器連接，所述水壓轉(zhuǎn)換器放置在 隧道進(jìn)口端，隧道出口端下方設(shè)置采集裝置，采集裝置通過回流管A與外部集水箱連通；
[0008] 所述控制水箱E3區(qū)底部通過回流管B與外部水箱連接。
[0009] 所述進(jìn)水管上靠近控制水箱位置處設(shè)有閥門A，所述進(jìn)水管上還安裝有流量計(jì)。 [0010] 所述輸水管兩端分別設(shè)有閥門B和閥門C，并在靠近隧道進(jìn)口端位置處設(shè)置流速 計(jì)。
[0011] 所述的回流管B上設(shè)有一閥門D。
[0012] 所述水壓轉(zhuǎn)換器包括：水壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)水管口、轉(zhuǎn)換裝置以及若干不同管徑的水壓 轉(zhuǎn)換器出水管口，所述若干水壓轉(zhuǎn)換器出水管口通過轉(zhuǎn)換裝置分別與水壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)水管口 連通。
[0013]所述的控制水箱內(nèi)水流具有單向流動(dòng)性，即水流可依次流過E1、E2、E3區(qū)。
[0014]所述隔水板B高度可調(diào)，通過調(diào)節(jié)隔水板B高度調(diào)節(jié)E2區(qū)的最大儲(chǔ)水量。
[0015]所述控制水箱和隧道均采用高強(qiáng)度透明樹脂材料制成，具有可視性。
[0016] 一種模型試驗(yàn)中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)的方法，其特征是，包括以下步 驟：
[0017] A.根據(jù)試驗(yàn)要求的靜儲(chǔ)量Q。調(diào)節(jié)隔水板B的高度h，使得控制水箱E2區(qū)的最大 儲(chǔ)水量滿足Q。二lbh，其中，1為控制水箱凈長，b為E2區(qū)凈寬；
[0018] B.將控制水箱放置到距隧道設(shè)定高度的水平面上，打開進(jìn)水管上的閥門A、輸水 管上的閥門B和回流管B上的閥門D，關(guān)閉輸水管上的閥門C ;
[0019] 〇_啟動(dòng)外部集水箱中的水泵，使水經(jīng)進(jìn)水管依次流入控制水箱的以、似、舊區(qū)，直 至E2區(qū)內(nèi)儲(chǔ)水量達(dá)到最大值Q。，E3區(qū)的水經(jīng)回流管B流入外部集水箱中；
[0020] D·依次關(guān)閉外部集水箱中的水泵和進(jìn)水管上的閥門A，打開輸水管上的閥門C，并 記錄輸水管上流速計(jì)的初始讀數(shù)；
[0021] E·根據(jù)流速計(jì)初始讀數(shù)與試驗(yàn)要求初始水流速度％的關(guān)系，調(diào)節(jié)控制水箱距隧道 的高度，重復(fù)步驟B-D，直至流速計(jì)初始讀數(shù)等于v。；
[0022] F.根據(jù)試驗(yàn)要求的初始水壓力值Pq選擇水壓轉(zhuǎn)換器中的流水管道，使得水壓轉(zhuǎn)換 器出口端的流速和水壓均滿足試驗(yàn)要求；
[0023] G·重復(fù)步驟B-C，根據(jù)水源補(bǔ)給條件Λ Q調(diào)節(jié)外部集水箱中水泵功率，使得進(jìn)水管 上的流量計(jì)的讀數(shù)q滿足下述條件：
[0024] ①無水源補(bǔ)給時(shí)：關(guān)閉水泵和進(jìn)水管上閥門A ;
[0025] ②有水源補(bǔ)給時(shí)：流量計(jì)的讀數(shù)q滿足q Q ;
[0026] Η·參數(shù)調(diào)整完畢。
[0027] 本發(fā)明有益效果：
[0028] 1、本裝置中的水可循環(huán)利用，節(jié)約水資源。
[0029] 2、本裝置采用高強(qiáng)度透明樹脂材料制成，具有良好的可視性。
[0030] 3、水壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)置可調(diào)節(jié)一定流量條件下突水涌泥處的水壓。
[0031 ] 4、控制水箱的設(shè)置，可模擬不同靜儲(chǔ)量條件下的突水涌泥模型試驗(yàn)。
[0032] 5、本裝置可模擬靜儲(chǔ)量一定，補(bǔ)給水源不同條件下（無補(bǔ)給水源、少量補(bǔ)給水源、 補(bǔ)給水源充足）的突水涌泥模型試驗(yàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0033]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2是水壓轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]其中，上控制水箱，2.進(jìn)水管，3·水栗，4.外部集水箱，；5·輸水管，6.水壓轉(zhuǎn)換 器，7.隧道，8·米集裝置，9.回流管Α，10.回流管Β，11.隔水板Α, 12.隔水板Β，13.閥門Α， 14·流量計(jì)，I5·閥門B，ie.閥門C，17_流速計(jì)，18.閥門 d，19.水壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)水管口，20.轉(zhuǎn) 換裝置，21.水壓轉(zhuǎn)換器出水管口。

【具體實(shí)施方式】：
[0036] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明。
[0037]模型試驗(yàn)中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)如圖1所示，包括控制水箱丨，控制水 箱1左側(cè)通過一進(jìn)水管2與水泵3連接，水栗3放置在外部集水箱4中，控制水箱1底部中 心通過一輸水管5與水壓轉(zhuǎn)換器6連接，水壓轉(zhuǎn)換器6放置在隧道7進(jìn)口端，隧道7出口端 下方放置一采集裝置8,采集裝置 8通過回流管A 9與外部集水箱4相通；控制水箱1右下 方通過回流管B 10與外部水箱4連接。
[0038] 控制水箱1被隔水板A 11和隔水板B 12分為三個(gè)區(qū)：E1、E2、E3。
[0039] 控制水箱1內(nèi)水流具有單向流動(dòng)性，可依次流過E1、E2、E3區(qū)。通過合理設(shè)置隔水 板All和隔水板B12的高度，使得E1區(qū)域水滿后流入E2區(qū)；E2區(qū)水滿后流入E3區(qū)，而不 會(huì)倒流入E1區(qū)。
[0040] 隔水板B 12高度具有可調(diào)性，從而調(diào)節(jié)E2區(qū)的最大靜儲(chǔ)水量。水源補(bǔ)給條件通 過調(diào)節(jié)進(jìn)水管流量控制，無水源補(bǔ)給時(shí)，進(jìn)水管關(guān)閉；少量水源補(bǔ)給時(shí)，調(diào)整進(jìn)水管流量計(jì) 讀數(shù)；補(bǔ)給水源充足時(shí)，加大進(jìn)水管流量，保證E2區(qū)滿水。
[0041] 控制水箱1采用高強(qiáng)度透明樹脂材料制成，具有可視性，可以方便直觀的觀察控 制水箱內(nèi)水量情況；隧道7采用高強(qiáng)度透明樹脂材料制成，具有可視性，可以方便觀察水進(jìn) 入隧道后的流動(dòng)情況。
[0042] 進(jìn)水管2上設(shè)有一閥門A 13,并安裝有一個(gè)流量計(jì)14。輸水管5上兩端設(shè)有閥門 B 15和閥門C 16,并安有一流速計(jì)17。回流管B 10上設(shè)有一閥門D 18。流量計(jì)為了控制 水源補(bǔ)給條件；流速計(jì)是為了控制水進(jìn)入隧道時(shí)刻的流速、流量、壓力。
[0043] 所述水壓轉(zhuǎn)換器6包括：水壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)水管口 19、轉(zhuǎn)換裝置20以及若干不同管徑 的水壓轉(zhuǎn)換器出水管口 21，所述若干水壓轉(zhuǎn)換器出水管口 21通過轉(zhuǎn)換裝置20分別與水壓 轉(zhuǎn)換器進(jìn)水管口 19連通。水壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)水管口 19與輸水管5連通，水壓轉(zhuǎn)換器出水管口 21與燧道7連通。
[0044] 應(yīng)用上述控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模型試驗(yàn)中突水涌泥水力邊界條件的控制，包括以下步 驟：
[0045] A.根據(jù)試驗(yàn)要求的靜儲(chǔ)量％調(diào)節(jié)隔水板B 12的高度h，使得控制水箱1 E2區(qū)的 最大儲(chǔ)水量滿足Q〇 = lbh (1為控制水箱凈長；b為E2區(qū)凈寬）；
[0046] B.將控制水箱1放置到距隧道7 -定高度的水平面上，打開進(jìn)水管2上的閥門A 13、輸水管5上的閥門B 15和回流管B 10上的閥門D 18,關(guān)閉輸水管5上的閥門C 16; [0047] C.啟動(dòng)外部集水箱4中的水泵3,使水經(jīng)進(jìn)水管2依次流入控制水箱1的E1、E2、 E3區(qū)，直至E2區(qū)內(nèi)儲(chǔ)水量達(dá)到最大值Q，E3區(qū)的水經(jīng)回流管B 10流入外部集水箱4中； [0048] D.依次關(guān)閉外部集水箱4中的水栗3和進(jìn)水管2上的閥門A 13,打開輸水管5上 的閥門C 16,并讀取輸水管5上流速計(jì)17的初始讀數(shù)；
[0049] E.根據(jù)流速計(jì)17初始讀數(shù)與試驗(yàn)要求初始水流速度V。的關(guān)系，調(diào)節(jié)控制水箱1 距隧道7的高度，重復(fù)步驟B-D，直至流速計(jì)17初始讀數(shù)等于V。；
[0050] F.根據(jù)試驗(yàn)要求的初始水壓力值p。選擇水壓轉(zhuǎn)換器6中的流水管道，使得水壓轉(zhuǎn) 換器6出口端的流速和水壓均滿足試驗(yàn)要求；
[0051] G.重復(fù)步驟B-C，根據(jù)水源補(bǔ)給條件Λ Q調(diào)節(jié)外部集水箱4中水泵3功率，使得進(jìn) 水管2上的流量計(jì)14的讀數(shù)q滿足下述條件：
[0052]①無水源補(bǔ)給時(shí)：關(guān)閉水泵3和進(jìn)水管2上閥門A 13 ;關(guān)閉水泵3和閥門A13后， 進(jìn)水管2中沒有水，也就沒有讀數(shù)了。
[0053] ②有水源補(bǔ)給時(shí)：流量計(jì)14的讀數(shù)q滿足Q = A Q。
[0054] 水源補(bǔ)給條件是指單位時(shí)間內(nèi)流入E2區(qū)域的水量，這是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前需要設(shè)定的 參數(shù)之一。
[0055] H.打開輸水管5上的閥門c 16,進(jìn)行隧道突水涌泥模型試驗(yàn)，觀測水流在隧道7 內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律，自隧道7出口端留出的水經(jīng)采集裝置8和回流管A 9入外部集水箱4中循 環(huán)利用。
[0056]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范 圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不 需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種模型試驗(yàn)中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)，包括：控制水箱，所述控制水箱 一側(cè)通過進(jìn)水管與水栗連接，所述水泵設(shè)置在外部集水箱中；所述控制水箱內(nèi)部設(shè)置隔水 板A和隔水板B，所述隔水板A和隔水板B將控制水箱依次分為El、E2、E3三個(gè)區(qū)； 所述控制水箱E2區(qū)底部通過輸水管與水壓轉(zhuǎn)換器連接，所述水壓轉(zhuǎn)換器放置在隧道 進(jìn)口端，隧道出口端下方設(shè)置采集裝置，采集裝置通過回流管A與外部集水箱連通； 所述控制水箱E3區(qū)底部通過回流管B與外部水箱連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種模型試驗(yàn)中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)，其特征是， 所述進(jìn)水管上靠近控制水箱位置處設(shè)有閥門A，所述進(jìn)水管上還安裝有流量計(jì)。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種模型試驗(yàn)中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)，其特征是， 所述輸水管兩端分別設(shè)有閥門B和閥門C，并在靠近隧道進(jìn)口端位置處設(shè)置流速計(jì)。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種模型試驗(yàn)中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)，其特征是， 所述的回流管B上設(shè)有一閥門D。
5·如權(quán)利要求1所述的一種模型試驗(yàn)中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)，其特征是， 所述水壓轉(zhuǎn)換器包括：水壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)水管口、轉(zhuǎn)換裝置以及若干不同管徑的水壓轉(zhuǎn)換器出 水管口，所述若干水壓轉(zhuǎn)換器出水管口通過轉(zhuǎn)換裝置分別與水壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)水管口連通。
6·如權(quán)利要求1所述的一種模型試驗(yàn)中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)，其特征是， 所述的控制水箱內(nèi)水流具有單向流動(dòng)性，即水流可依次流過El、E2、E3區(qū)。
7·如權(quán)利要求1所述的一種模型試驗(yàn)中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)，其特征是， 所述隔水板B高度可調(diào)，通過調(diào)節(jié)隔水板B高度調(diào)節(jié)E2區(qū)的最大儲(chǔ)水量。
8·如權(quán)利要求1所述的一種模型試驗(yàn)中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)，其特征是， 所述控制水箱和隧道均采用高強(qiáng)度透明樹脂材料制成，具有可視性。
9· 一種如權(quán)利要求1所述的模型試驗(yàn)中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)的方法，其特 征是，包括以下步驟： A. 根據(jù)試驗(yàn)要求的靜儲(chǔ)量％調(diào)節(jié)隔水板B的高度h，使得控制水箱E2區(qū)的最大儲(chǔ)水 量滿足Q。= lbh，其中，1為控制水箱凈長，b為E2區(qū)凈寬； B. 將控制水箱放置到距隧道設(shè)定高度的水平面上，打開進(jìn)水管上的閥門A、輸水管上 的閥門B和回流管B上的閥門D，關(guān)閉輸水管上的閥門C ; C. 啟動(dòng)外部集水箱中的水泵，使水經(jīng)進(jìn)水管依次流入控制水箱的El、E2、E3區(qū)，直至E2 區(qū)內(nèi)儲(chǔ)水量達(dá)到最大值Q。，E3區(qū)的水經(jīng)回流管B流入外部集水箱中； D. 依次關(guān)閉外部集水箱中的水泵和進(jìn)水管上的閥門A，打開輸水管上的閥門C，并記錄 輸水管上流速計(jì)的初始讀數(shù)； E. 根據(jù)流速計(jì)初始讀數(shù)與試驗(yàn)要求初始水流速度V()的關(guān)系，調(diào)節(jié)控制水箱距隧道的高 度，重復(fù)步驟B-D，直至流速計(jì)初始讀數(shù)等于v。； F. 根據(jù)試驗(yàn)要求的初始水壓力值p。選擇水壓轉(zhuǎn)換器中的流水管道，使得水壓轉(zhuǎn)換器出 口端的流速和水壓均滿足試驗(yàn)要求； G·重復(fù)步驟B-C，根據(jù)水源補(bǔ)給條件Λ Q調(diào)節(jié)外部集水箱中水栗功率，使得進(jìn)水管上的 流量計(jì)的讀數(shù)q滿足下述條件： ① 無水源補(bǔ)給時(shí)：關(guān)閉水栗和進(jìn)水管上閥門A，流量計(jì)無讀數(shù)； ② 有水源補(bǔ)給時(shí)：流量計(jì)的讀數(shù)q滿足q =Λ Q ; Η.參數(shù)調(diào)整完畢。
【文檔編號(hào)】G01M10/00GK104215424SQ201410415950
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】周宗青, 陳迪楊, 李術(shù)才, 李利平, 石少帥, 袁永才, 雷霆, 王升 申請人:山東大學(xué)