本發(fā)明涉及一種可拆卸式襯砌滲流試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法，適用于模擬地下隧洞工程常用襯砌在不同滲流控制措施下的外水壓力變化規(guī)律和滲流量的試驗(yàn)。

背景技術(shù)：

地下隧洞工程受賦存環(huán)境的制約，必然面臨地下水處理問題，襯砌外側(cè)受地下水壓力作用，將對(duì)襯砌穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。目前在輸水隧洞的設(shè)計(jì)中主要采用“以堵為主、限量排放”的防排水原則，以灌漿層堵水，以排水系統(tǒng)排水。合理的襯砌設(shè)計(jì)既能消減地下水壓力，又能有效減小對(duì)于地下水環(huán)境的影響，而堵水與排水系統(tǒng)在襯砌結(jié)果中各自所需發(fā)揮的比重，是設(shè)計(jì)中必須解決的問題。目前，對(duì)于灌漿層的灌漿參數(shù)(如目標(biāo)滲透率、灌漿厚度)、排水系統(tǒng)的排水能力(如排水孔的深度、孔徑等)選擇，主要是類比工程經(jīng)驗(yàn)選擇，或利用大型物理模型試驗(yàn)研究確定參數(shù)。工程類比由于具有一定的經(jīng)驗(yàn)性易于造成較大的工程浪費(fèi)，而大型物理模型試驗(yàn)則由于耗時(shí)長、費(fèi)用高而較少采用，但對(duì)于地下洞室而言，利用試驗(yàn)裝置研究不同設(shè)計(jì)參數(shù)下襯砌外水壓力及滲漏量變化規(guī)律，比選襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)于保證襯砌穩(wěn)定及降低環(huán)境影響等方面，均具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種可拆卸式襯砌滲流試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法，可測(cè)定排水系統(tǒng)排水能力變化情況下襯砌外水壓力分布變化規(guī)律，以及灌漿層的厚度、滲透系數(shù)變化對(duì)襯砌背后水壓力的影響，以及不同滲透壓力對(duì)襯砌外水壓力分布變化的影響。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種可拆卸式襯砌滲流試驗(yàn)裝置，主要由恒壓水箱和模型箱組成，恒壓水箱位于模型箱上方，通過橡膠管與模型箱連接，其中模型箱自上而下依次包括模型箱蓋、充水直筒、圍巖填充直筒、灌漿層填充直筒、塑料排水板、透水板和模型箱底板，在各直筒外部套有有機(jī)玻璃筒，上述各構(gòu)件之間均采用加有墊片的不銹鋼法蘭環(huán)連接。模型箱中的圍巖填充直筒和灌漿層填充直筒均為高度可調(diào)節(jié)的直筒，從而可以在滲流試驗(yàn)中模擬不同厚度的圍巖和灌漿層對(duì)襯砌的作用。

其中恒壓水箱通過滑輪裝置調(diào)節(jié)其高度，從而模擬不同的外水壓力，恒壓水箱側(cè)面設(shè)置排水孔以保持恒定水頭。

各規(guī)格直筒均在與其連接的法蘭環(huán)側(cè)面開有排水孔與測(cè)壓孔，模型箱底板側(cè)面亦開有排水孔與測(cè)壓孔。

模型箱蓋中心處開孔焊接不銹鋼通水管，箱蓋邊緣開設(shè)有圓孔。

透水板為不銹鋼透水板，其邊緣開孔與法蘭環(huán)一致，在內(nèi)徑范圍內(nèi)均勻開孔，上覆土工布作為反濾層。

模型箱底板內(nèi)部設(shè)有凹槽，其邊緣開孔與透水板一致，在模型箱底板側(cè)面開設(shè)有排水孔和測(cè)壓孔，測(cè)壓孔外接帶有刻度的測(cè)壓管，排水孔外接帶有開關(guān)閥門的橡膠管。

本發(fā)明試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：

1)將塑料排水板放入模型箱底板的凹槽內(nèi)，用螺栓將模型箱底板與透水板連接；

2)在透水板上表面鋪設(shè)一層土工布，再將透水板與灌漿層填充直筒連接；按照比例稱取灌漿層相似材料進(jìn)行混合并攪拌均勻；

3)采用分層攤鋪的方式裝入灌漿層充填直筒壓實(shí)，室溫下養(yǎng)護(hù)；

4)待灌漿層相似材料晾曬干燥并達(dá)到設(shè)計(jì)滲透系數(shù)值時(shí)，在上方通過不銹鋼法蘭環(huán)連接圍巖填充直筒，在直筒內(nèi)鋪設(shè)圍巖相似材料；

5)圍巖相似材料鋪設(shè)滿圍巖填充直筒后，通過不銹鋼法蘭環(huán)連接充水直筒；

6)在充水直筒上部再連接模型箱蓋，并用螺母固定好貫穿模型箱的連接桿，用橡膠管連接恒壓水箱與模型箱，從模型箱頂進(jìn)水口注水直到滿罐，加水過程中必須排除罐內(nèi)空氣；

7)當(dāng)?shù)撞繙y(cè)壓管水頭達(dá)到設(shè)計(jì)高度時(shí)，開始試驗(yàn)；

8)開啟模擬箱底板排水孔，通過排水孔開啟的大小與數(shù)量來控制流量，每次測(cè)量要在排水穩(wěn)定一段時(shí)間后才讀數(shù)，即測(cè)壓管讀數(shù)基本穩(wěn)定后開始，開始后用容器收集一定時(shí)間段內(nèi)排水并讀數(shù)，然后讀取測(cè)壓管讀數(shù)；

9)改變排水量再重復(fù)步驟；

10)一組模型試驗(yàn)完成后，關(guān)閉穩(wěn)壓水箱到模型箱的進(jìn)水閥，打開所有排水閥門排出模型箱中水；

11)待水全部排干后，重新按設(shè)計(jì)開始下一組試驗(yàn)。

本發(fā)明的有益效果在于：通過建立沿洞室軸線方向剖面的一維滲流物理模型，進(jìn)行排水系統(tǒng)和灌漿層的排、堵水能力變化情況下模型試驗(yàn)，研究不同設(shè)計(jì)參數(shù)下襯砌外水壓力及滲漏量變化規(guī)律，為地下隧道工程襯砌設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。通過該試驗(yàn)裝置，可研究地下深埋隧洞在不同的排、堵水能力、不同賦存環(huán)境初始地下水頭下，襯砌外水壓力及滲流量分布規(guī)律，可為地下隧洞工程中襯砌系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)地下水合理的排導(dǎo)方式提供理論參考，填補(bǔ)現(xiàn)有模擬襯砌滲流技術(shù)的空缺。

本發(fā)明通過在不同高度的直筒中填充土工材料以模擬不同厚度、不同滲透系數(shù)的圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)外部恒壓水箱高度模擬不同初始地下水位，進(jìn)行不同條件下襯砌中地下水合理排導(dǎo)方式的研究。

附圖說明

圖1是本發(fā)明試驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明試驗(yàn)裝置中模型箱的三維分解結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3a是本發(fā)明試驗(yàn)裝置中模型箱的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3b是本發(fā)明試驗(yàn)裝置中模型箱的另一剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明試驗(yàn)裝置中模型箱蓋的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明試驗(yàn)裝置中充水直筒的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明試驗(yàn)裝置中圍巖充填、灌漿層材料充填直筒結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明試驗(yàn)裝置中的不銹鋼透水板結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是本發(fā)明試驗(yàn)裝置中的模型箱底板結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1-恒壓水箱，2-模型箱，3-橡膠管，4-模型箱蓋，5-充水直筒，6-圍巖充填直筒，7-灌漿層充填直筒，8-模型底板，9-測(cè)壓管，10-有機(jī)玻璃筒，11-不銹鋼法蘭環(huán)，12-不銹鋼透水板，13-排水孔，14-連接桿，15-通水管，16-螺栓，17-塑料排水板，18-連接桿孔，19-螺栓孔，20-測(cè)壓孔，21-透水孔

具體實(shí)施方式

如圖1、2所示，可拆卸式襯砌滲流試驗(yàn)裝置主要由恒壓水箱1和模型箱2兩大部分組成，模型箱2自上而下依次包括模型箱蓋4、充水直筒5、圍巖填充直筒6、灌漿層填充直筒7、不銹鋼透水板12、塑料排水板17、模型箱底板8。模型箱蓋4、充水直筒5、圍巖填充直筒6、灌漿層填充直筒7、不銹鋼透水板12、模型箱底板8之間均采用加有墊片的不銹鋼法蘭環(huán)11連接，各規(guī)格直筒均在與其連接的不銹鋼法蘭環(huán)11側(cè)面開有排水孔與測(cè)壓孔，模型箱底板8側(cè)面亦開有排水孔與測(cè)壓孔。

圖1中，恒壓水箱1位于模型箱2上方通過橡膠管3與模型箱蓋4連接，通過滑輪裝置(未示出)調(diào)節(jié)其高度，以模擬不同的外水壓力，恒壓水箱1側(cè)面設(shè)置排水孔以保持恒定水頭。

圖2中，模型箱2主要由模型箱蓋4、充水直筒5、圍巖充填直筒6、灌漿層充填直筒7、不銹鋼透水板12、塑料排水板17(如圖3b所示)、模型箱底板8組成，模型箱底8側(cè)面設(shè)置多個(gè)排水孔13,。另有多種不同高度的灌漿層充填直筒7作為替換以填充土工材料模擬不同厚度的灌漿層。

如圖3a、3b和圖4所示，模型箱蓋4采用不銹鋼制作，中心處開孔焊接不銹鋼通水管15，模型箱蓋4邊緣開有多個(gè)連接桿孔18和螺栓孔19。

如圖5所示，充水直筒5由有機(jī)玻璃筒和不銹鋼法蘭環(huán)11組成，不銹鋼法蘭環(huán)11側(cè)面開排水孔13，不銹鋼法蘭環(huán)11通過凹槽固定在有機(jī)玻璃筒兩端。不銹鋼法蘭環(huán)11與模型箱蓋4對(duì)應(yīng)位置處同樣開設(shè)多個(gè)螺栓孔以通過螺栓連接上下法蘭環(huán)，開設(shè)多個(gè)對(duì)應(yīng)數(shù)量大小的連接桿孔以通過連接桿加固整個(gè)模型箱2。

如圖6所示，圍巖充填直筒6、灌漿層充填直筒7的組成和其余規(guī)格尺寸與充水直筒相同。但圍巖充填直通6和灌漿層充填直筒7的高度可變，且從模型箱2中可拆卸更換。

如圖7所示，不銹鋼透水板12邊緣開孔與法蘭環(huán)一致，上覆土工布作為反濾層。塑料排水板17應(yīng)符合《塑料排水板質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(JTJ/T 257-96)，并裁剪成圓形。

如圖8所示，模型箱底板8內(nèi)部設(shè)有凹槽，邊緣開孔與不銹鋼透水板12一致，在底板側(cè)面開多個(gè)排水孔12與一個(gè)測(cè)壓孔20，測(cè)壓孔20外接帶有刻度的測(cè)壓管9，排水孔13外接帶有開關(guān)閥門的橡膠管。

本發(fā)明試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法包括以下步驟：

1)將塑料排水板17放入模型箱底板8的凹槽內(nèi)，用螺栓16將模型箱底板8與不銹鋼透水板12連接；

2)在不銹鋼透水板12上表面鋪設(shè)一層土工布，再將不銹鋼透水板12與灌漿層充填直筒7連接；按照比例稱取相似材料混合并攪拌均勻；

3)采用分層攤鋪的方式裝入灌漿層填充直筒7壓實(shí)，室溫下養(yǎng)護(hù)；

4)待灌漿層相似材料晾曬干燥并達(dá)到設(shè)計(jì)滲透系數(shù)值時(shí)，在上方連接圍巖填充直筒6，在圍巖填充直筒6內(nèi)鋪設(shè)圍巖相似材料；

5)圍巖相似材料鋪設(shè)滿直筒后，連接充水直筒5；

6)再連接模型箱蓋4，并用螺母固定好貫穿模型箱2的連接桿14，用橡膠管3連接恒壓水箱1與模型箱2，從模型箱2頂進(jìn)水口注水直到滿罐，加水過程中必須排除罐內(nèi)空氣；

7)當(dāng)?shù)撞繙y(cè)壓管9水頭達(dá)到設(shè)計(jì)高度時(shí)，可以開始試驗(yàn)；

8)開啟底板排水孔13，通過排水孔開啟的大小與數(shù)量來控制流量，每次測(cè)量要在排水穩(wěn)定一段時(shí)間后才讀數(shù)，即測(cè)壓管讀數(shù)基本穩(wěn)定后開始。開始后，用容器收集一定時(shí)間段內(nèi)排水并讀數(shù)，然后讀取測(cè)壓管9讀數(shù)；

9)改變排水量再重復(fù)步驟；

10)一組模型試驗(yàn)完成后，關(guān)閉恒壓水箱1到模型箱2的進(jìn)水閥，打開所有排水閥門排出模型箱2中的水；

11)待水全部排干后，重新按設(shè)計(jì)開始下一組試驗(yàn)。