本發(fā)明涉及一種裂隙巖體塌方掉塊及裂隙突水的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，可以將巖體塌方和裂縫突水的結(jié)構(gòu)集成到一個(gè)裝置上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩種災(zāi)害的研究。

技術(shù)背景

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國(guó)家向基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資增加，在我國(guó)西南地區(qū)建設(shè)的水利水電工程和隧道工程等越來(lái)越多，其中，存在大量的地下工程。塌方和突水是地下工程中常見(jiàn)的災(zāi)害形式，塌方是拱頂?shù)膸r體發(fā)生失穩(wěn)墜落的過(guò)程，突水是儲(chǔ)水構(gòu)造或地下暗河通過(guò)導(dǎo)水構(gòu)造大量涌水的現(xiàn)象。無(wú)論是施工過(guò)程還是運(yùn)營(yíng)期，地下工程塌方和突水都會(huì)對(duì)人的生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的損失。地下工程模型試驗(yàn)是按照相似比和相似理論將實(shí)際工程按照一定的比例縮小成一個(gè)模型，通過(guò)在比例縮小或等比模型上進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)得到相關(guān)結(jié)論，已成為地下工程領(lǐng)域最為主要的研究手段之一。研究地下工程塌方掉塊機(jī)理和巖體裂隙突水機(jī)制對(duì)地下工程防災(zāi)減災(zāi)具有重要的指導(dǎo)意義。以往的模型試驗(yàn)針對(duì)地下工程塌方掉塊機(jī)理和裂隙巖體突水機(jī)制研究很少，或單單某方面針對(duì)地下工程突水展開(kāi)模型試驗(yàn)研究，而沒(méi)有一種可以同時(shí)滿足塌方掉塊機(jī)理研究與巖體裂隙導(dǎo)水機(jī)制研究雙重實(shí)驗(yàn)需要的試驗(yàn)裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，提供一種裂隙巖體塌方掉塊及裂隙突水的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種用于裂隙巖體試驗(yàn)的裂隙巖體制備裝置，包括上模、下模、底部支座和刀盤，所述下模固定在底部支座上，上模位于下模的上方，上模、下模和底部支座構(gòu)成模擬巖體的成型腔；刀盤通過(guò)導(dǎo)軌活動(dòng)安裝在下模上，導(dǎo)軌水平設(shè)置；巖體成型后，刀盤朝向巖體滑動(dòng)，將巖體進(jìn)行切割，得到裂隙巖體。

一種裂隙巖體塌方掉塊及裂隙突水的試驗(yàn)裝置，包括裂隙巖體制備裝置、水源加載裝置、圍巖加壓裝置和滑軌，其中，裂隙巖體制備裝置固定在滑軌的一端，水源加載裝置固定在滑軌的另一側(cè)；

裂隙巖體制備裝置包括模板、刀盤和底部支座，模板設(shè)置于底部支座上方，刀盤安裝在底部支座的側(cè)面，用于對(duì)成型后的巖體進(jìn)行切割，形成裂隙巖體；

水源加載裝置包括水源和巖體儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)，水源與巖體儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)之間連接有水泵，巖體儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)上設(shè)置有拱形開(kāi)口，拱形開(kāi)口的大小與裂隙巖體的大小相適應(yīng)；

圍巖加壓裝置包括至少一個(gè)支架和設(shè)置于支架下方的加壓結(jié)構(gòu)，所述加壓結(jié)構(gòu)的下方留出用于容納裂隙巖體的空間；

所述底部支座和支架均活動(dòng)安裝在所述滑軌上。

將成型后的裂隙巖體滑動(dòng)到與巖體儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)的拱形開(kāi)口密封配合時(shí)，構(gòu)成用于模擬裂隙突水的試驗(yàn)裝置，通過(guò)水泵控制巖體儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)中的水壓，可以模擬不同水壓下的裂隙突水。

通過(guò)圍巖加壓裝置對(duì)裂隙巖體進(jìn)行加壓時(shí)，可以模擬不同環(huán)境下圍巖地應(yīng)力的需求，進(jìn)而可以模擬裂隙巖體的塌方掉塊。

當(dāng)同時(shí)使用水源加載裝置和圍巖加壓裝置時(shí)，可以模仿在不同環(huán)境圍巖地應(yīng)力、不同的水壓作用下，裂隙巖體的塌方掉塊和裂隙突水的情況。

優(yōu)選的，所述拱形模板包括上模和下模，下模安裝在底部支架上，上模、下模和底部支架構(gòu)成拱形巖體的成型腔。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述上模上設(shè)置有材料注入口。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述下模的上表面為半圓柱面的成型面，上模的腔室為拱形。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述刀盤通過(guò)導(dǎo)軌活動(dòng)安裝在所述下模上，可沿下模作水平方向運(yùn)動(dòng)；且下模的長(zhǎng)度大于刀盤的長(zhǎng)度。

首先通過(guò)拱形模板制備拱形巖體，拱形巖體制成后，滑動(dòng)刀盤，將下模上的拱形巖體進(jìn)行切割，生成裂隙巖體。刀盤由于安裝在下模上，更方便巖體的切割，提高切割效率，省時(shí)省力。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述上模安裝在框架上，上模與框架之間連接有伸縮桿。

伸縮桿容易控制上模的升降，便于拱形巖體的制作和上模與拱形巖體的分離。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述下模放置在兩組底部支架上，分別為第一組底部支架和第二組底部支架，第一組底部支架固定在滑軌的端部，第二組底部支架活動(dòng)安裝在滑軌上，上模、下模和第二組底部支架構(gòu)成拱形巖體的成型腔。

裂隙巖體成型后，第二組底部支架可以帶動(dòng)裂隙巖體進(jìn)行滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與下模的分離，并且可以滑動(dòng)到水源加載裝置或/和圍巖加壓裝置的位置，進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)。

優(yōu)選的，所述刀盤上設(shè)置有多個(gè)刀片，刀片交錯(cuò)設(shè)置，用于生成節(jié)理裂隙。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述刀盤上的刀片的角度可以調(diào)節(jié)，用于生成不同的節(jié)理裂隙。

優(yōu)選的，所述巖體儲(chǔ)水構(gòu)造為拱形，巖體儲(chǔ)水構(gòu)造內(nèi)部設(shè)置拱形儲(chǔ)水槽。

優(yōu)選的，所述支架為鋼框架。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述鋼框架的頂部?jī)?nèi)表面為拱形。

更進(jìn)一步優(yōu)選的，所述加壓結(jié)構(gòu)包括若干組加壓裝置，每組加壓裝置包括液壓千斤頂和弧形板片，液壓千斤頂?shù)囊欢斯潭ㄔ阡摽蚣艿南卤砻?，液壓千斤頂?shù)牧硪欢伺c弧形板片之間固定連接。

由于隧道的頂端也是拱形，將鋼框架的下表面設(shè)計(jì)成拱形，并在拱形的鋼框架的內(nèi)側(cè)安裝液壓千斤頂?shù)燃訅航Y(jié)構(gòu)，可以更好地模擬隧道的受壓情況，模擬塌方，可以更準(zhǔn)確地模擬隧道在加壓作用下發(fā)生的塌方掉塊和巖體裂隙的情況。

再進(jìn)一步優(yōu)選的，多組加壓裝置成排設(shè)置，多個(gè)弧形板片連接成拱形。

多個(gè)弧形板片連接成拱形，可以實(shí)現(xiàn)裂隙巖體的均勻加壓。

一種裂隙巖體塌方掉塊及裂隙突水的試驗(yàn)方法，包括如下步驟：

1)向模具中注入相似材料，制成模擬巖體，將上模與模擬巖體進(jìn)行分離；

2)將刀盤向模擬巖體滑動(dòng)，對(duì)巖體進(jìn)行切割，得到裂隙巖體；

3)將裂隙巖體與下模進(jìn)行分離；

4)將裂隙巖體移動(dòng)到巖體儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)處，與巖體儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)的開(kāi)口密封設(shè)置；

5)向巖體儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)內(nèi)注水，調(diào)整內(nèi)部水壓，進(jìn)行裂隙突水試驗(yàn)；

6)利用圍巖加壓裝置對(duì)裂隙巖體進(jìn)行加壓，進(jìn)行裂隙塌方試驗(yàn)；

或在進(jìn)行裂隙突水試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行裂隙巖體加壓；

以上步驟的順序只要不影響試驗(yàn)，可以調(diào)整。

本發(fā)明的有益效果為：

1、采用流態(tài)相似材料，如將熱熔的石蠟進(jìn)行凝固模擬巖體，凝固后的材料融化后可以循環(huán)使用。

2、巖體裂隙采用刀片角度可調(diào)節(jié)的刀盤進(jìn)行切割，調(diào)節(jié)刀盤刀片角度可以生成不同組的節(jié)理裂隙。

3、鋼框架、鋼臺(tái)架、臺(tái)架底板由高強(qiáng)度鋼構(gòu)件通過(guò)預(yù)留螺栓槽拼接組成，具有可拆裝性，并能滿足強(qiáng)度的要求。

4、鋼臺(tái)架內(nèi)部安裝液壓千斤頂通過(guò)弧形板片作用在成型后的模擬巖體表面，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)千斤頂?shù)氖┘恿?，模擬不同環(huán)境下圍巖地應(yīng)力的需求。

5、在鋼臺(tái)架內(nèi)部設(shè)計(jì)巖體儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)，形狀與模擬裂隙巖體一致，可以與裂隙巖體緊密貼合，通過(guò)對(duì)巖體儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)內(nèi)的水壓的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)水壓對(duì)突水判據(jù)的影響的研究。

附圖說(shuō)明

圖1和圖2為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3和圖4為本發(fā)明的部分結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的圍壓加載系統(tǒng)示意圖；

圖6為本發(fā)明的刀盤示意圖；

圖7為本發(fā)明材料凝固過(guò)程示意圖；

圖8為本發(fā)明的巖體裂隙切割過(guò)程示意圖。

其中，1、材料注入口；2、上模；3、刀盤；4、底部支座；5、伸縮桿；6、鋼框架；7、液壓千斤頂；8、弧形板片；9、底板；10、滑軌；11、加壓水泵；12、儲(chǔ)水箱；13、導(dǎo)水管；14、鋼臺(tái)架；15、巖體儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)；16、裂隙巖體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1和圖2所示，一種用于研究隧道與地下工程中裂隙巖體塌方掉塊及裂隙突水的新型裝置，主要包括(1)裂隙巖體模擬系統(tǒng)：上部鋼框架6安裝可伸縮桿5與上模2相連，可伸縮桿5的伸縮控制上模2的升降，可伸縮桿5伸長(zhǎng)時(shí)，上模2下降，與下模配合，構(gòu)成模擬巖體的成型腔。上模2上方預(yù)留材料注入口1，底部支座4、下模與上模2構(gòu)成封閉腔室，上模2為拱形，下模的上表面也為弧形，形成的密封腔室為拱形，由于密封腔室中基本沒(méi)有死角，所以，當(dāng)材料從材料注入口1注入時(shí)，在成型腔室中可得到凝固密實(shí)的模擬巖體材料。

刀盤3通過(guò)導(dǎo)軌活動(dòng)安裝在下模上，導(dǎo)軌水平方向設(shè)置，當(dāng)注入的流態(tài)相似材料，如熱熔的石蠟，注入成型腔中，凝固后得到模擬巖體，將刀盤3沿著導(dǎo)軌朝向得到的模擬巖體滑動(dòng)，切割模擬巖體，實(shí)現(xiàn)巖體內(nèi)部裂隙的生成。由于巖體內(nèi)部的裂隙一般是以一點(diǎn)為起點(diǎn)，成輻射狀的向外側(cè)延伸多條裂紋，所以，為了更好地模擬巖體的內(nèi)部裂紋，此處的刀盤3不應(yīng)該是單一的刀片，應(yīng)該是由多個(gè)刀片交錯(cuò)設(shè)置拼裝而成的成網(wǎng)狀的刀片組件。可以根據(jù)塊體切割要求調(diào)節(jié)刀片角度，實(shí)現(xiàn)不同組結(jié)構(gòu)面的生成。

(2)圍巖加壓系統(tǒng)：外部鋼臺(tái)架14作為反力裝置內(nèi)部安裝液壓千斤頂7作用在成型的裂隙巖體16表面，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)控制液壓千斤頂7作用力的大小，實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境下巖體應(yīng)力的需求。外部鋼臺(tái)架14的頂部?jī)?nèi)表面為拱形，沿著鋼臺(tái)架14的頂部外表面安裝多個(gè)液壓千斤頂，液壓千斤頂7的型號(hào)最好相同，使得液壓千斤頂7的下端均連接有弧形板片，多個(gè)弧形板片首尾相接，形成拱形結(jié)構(gòu)，此處的首尾相接并不是嚴(yán)格要求的，相鄰的弧形板片之間留有一定的間隙也是可以的。當(dāng)這些液壓千斤頂7通過(guò)弧形板片對(duì)得到的模擬巖體進(jìn)行施壓時(shí)，可以使壓力分布均勻，更準(zhǔn)確模擬隧道的受力情況。

(3)水源加載系統(tǒng)：外部鋼臺(tái)架14后方的儲(chǔ)水箱12通過(guò)導(dǎo)水管13與鋼臺(tái)架14內(nèi)部模擬的儲(chǔ)水構(gòu)造15相連通，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體裂隙導(dǎo)水構(gòu)造的研究，儲(chǔ)水箱12安裝有加壓水泵11，通過(guò)調(diào)節(jié)壓力閥控制水壓，實(shí)現(xiàn)水壓對(duì)突水判據(jù)影響的研究；通過(guò)加壓水泵向儲(chǔ)水構(gòu)造15中輸送水，并通過(guò)調(diào)節(jié)壓力控制閥來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)水構(gòu)造15中的水壓的調(diào)整，通過(guò)觀察裂隙模擬巖體與儲(chǔ)水構(gòu)造15中的水壓的關(guān)系，來(lái)實(shí)現(xiàn)水壓對(duì)突水判據(jù)影響的研究。

(4)底板9上安裝兩條滑軌，兩條滑軌并列安裝，底部支座4安裝在兩條滑軌上，實(shí)現(xiàn)底部支座4在臺(tái)架底板9上自由滑動(dòng)，滿足多榀模擬巖體的制作與拼接。

鋼框架6、臺(tái)架底板9由帶有螺栓槽的型鋼鋼板拼接組成，鋼框架6下部通過(guò)螺栓與臺(tái)架底板9栓接固定。

鋼臺(tái)架14由高強(qiáng)錳鋼構(gòu)件通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接組合而成，臺(tái)架底板9由帶有螺栓槽的型鋼鋼板并列拼接而成，通過(guò)底板高強(qiáng)螺栓將鋼臺(tái)架與底板9所要求的螺栓槽位固定。

所述鋼臺(tái)架14內(nèi)部安裝液壓千斤頂7通過(guò)弧形板片8作用在成型的巖體表面，通過(guò)數(shù)控液壓加載系統(tǒng)輸入設(shè)計(jì)的壓力值控制液壓千斤頂8作用在巖體表面力的大小，實(shí)現(xiàn)不同圍巖環(huán)境地應(yīng)力的需要。

所述鋼臺(tái)架14內(nèi)部模擬的儲(chǔ)水構(gòu)造外部由鋼架組成，內(nèi)部空間呈圓拱形與模擬巖體形狀一致，可以和巖體緊密貼合。

所述臺(tái)架底板9上鋪設(shè)兩條或三條水平滑軌，實(shí)際上，兩條水平滑軌即可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)康?，多一條水平滑軌可以更好地保證滑動(dòng)的一致性，避免在滑動(dòng)的過(guò)程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)。每榀模擬巖體成型后，模擬巖體連同每榀支座沿滑軌滑動(dòng)至對(duì)應(yīng)每榀鋼臺(tái)架，承受液壓千斤頂7施加的壓力。

一種裂隙巖體塌方掉塊及裂隙突水的試驗(yàn)裝置，操作方法包括以下幾步：

(1)將帶有螺栓槽的型鋼鋼板并列拼接組裝成臺(tái)架底板9，并在底板9上鋪設(shè)兩條水平滑軌10。

(2)采用型鋼鋼板拼接成鋼框架6，框架下部通過(guò)螺栓與臺(tái)架底板9栓接固定。鋼框架下部安裝可伸縮拉桿5，用螺栓固定。

(3)采用型鋼鋼板焊接成圓拱形上模2，上模2上方留有圓形材料注入孔1。

(4)將盒式高強(qiáng)錳鋼構(gòu)件通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接組合成4底部支座，4支座下部留有凹槽，可沿滑軌10移動(dòng)。支座4中間安裝支架，支架上方設(shè)計(jì)圓筒形下模，下模前半部分安裝角度可調(diào)的刀盤3。

(5)采用高強(qiáng)錳鋼構(gòu)件通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接組裝成鋼臺(tái)架14，鋼臺(tái)架14下表面安裝液壓千斤頂7，液壓千斤頂7另一端安裝弧形板片8。

(6)鋼臺(tái)架14后方安裝儲(chǔ)水箱12，儲(chǔ)水箱12帶有加壓水泵11，通過(guò)導(dǎo)水管13與巖體儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)15連通。

(7)鋼臺(tái)架14內(nèi)部采用鋼架組裝成模擬的巖體儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)15，內(nèi)部空間呈圓拱形與模擬裂隙巖體16緊密貼合。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)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)范圍內(nèi)。