模型試驗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，所述控制水箱一側通過進水管與水泵連接，所述水泵設置在外部集水箱中；所述控制水箱內部設置隔水板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、E3三個區(qū)；控制水箱E2區(qū)底部通過輸水管與水壓轉換器連接，所述水壓轉換器放置在隧道進口端，隧道出口端下方設置采集裝置，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，采用高強度透明樹脂材料制成，具有良好的可視性，水壓轉換器的設置可調節(jié)一定流量條件下,突水涌泥處的水壓。
【專利說明】模型試驗中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)與方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種地質力學試驗技術，尤其涉及一種模型試驗中突水涌泥水力邊界 條件控制系統(tǒng)與方法。

【背景技術】
[0002]隧道修建過程中面臨著嚴重的突水涌泥等地質災害風險，尤其是深埋隧道突水涌 泥災害往往具有突發(fā)性、大流量、高水壓等特點，災害一旦發(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濟損失，甚至有些工程被迫停建或改線。國內外學者針對突 水涌泥災害致災機理及其災變演化過程中位移場、應力場和滲流場的變化特征作了大量 理論與模型試驗研究工作，而對于災害發(fā)生后流體在隧道內的流動規(guī)律研究甚少，僅采用 ANSYS等有限元分析軟件進行了數值模擬，在模型試驗研究方面尚屬空白。
[0003]如何真實的模擬隧道突水涌泥災害的流速、流量及水壓等邊界條件，從而準確分 析流體在隧道內的流動規(guī)律，是開展此類模型試驗中面臨的主要技術問題之一。通過調研 分析發(fā)現，已有學者設計了適用于巖體含水層內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 內外未見相關報道。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為克服上述技術的不足，提供一種結構簡單、操作簡便、具有可視 性的適用于模型試驗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害 的流速、流量及水壓等邊界條件，從而真實再現隧道突水涌泥災害，準確分析水力邊界條件 對流體在隧道內流動規(guī)律的影響。
[0005] 為實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0006] 一種模型試驗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 一側通過進水管與水泵連接，所述水泵設置在外部集水箱中；所述控制水箱內部設置隔水 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、E3三個區(qū)；
[0007] 所述控制水箱E2區(qū)底部通過輸水管與水壓轉換器連接，所述水壓轉換器放置在 隧道進口端，隧道出口端下方設置采集裝置，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] 所述進水管上靠近控制水箱位置處設有閥門A，所述進水管上還安裝有流量計。 [0010] 所述輸水管兩端分別設有閥門B和閥門C，并在靠近隧道進口端位置處設置流速 計。
[0011] 所述的回流管B上設有一閥門D。
[0012] 所述水壓轉換器包括：水壓轉換器進水管口、轉換裝置以及若干不同管徑的水壓 轉換器出水管口，所述若干水壓轉換器出水管口通過轉換裝置分別與水壓轉換器進水管口 連通。
[0013]所述的控制水箱內水流具有單向流動性，即水流可依次流過E1、E2、E3區(qū)。
[0014]所述隔水板B高度可調，通過調節(jié)隔水板B高度調節(jié)E2區(qū)的最大儲水量。
[0015]所述控制水箱和隧道均采用高強度透明樹脂材料制成，具有可視性。
[0016] 一種模型試驗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.根據試驗要求的靜儲量Q。調節(jié)隔水板B的高度h，使得控制水箱E2區(qū)的最大 儲水量滿足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定高度的水平面上，打開進水管上的閥門A、輸水 管上的閥門B和回流管B上的閥門D，關閉輸水管上的閥門C ;
[0019] 〇_啟動外部集水箱中的水泵，使水經進水管依次流入控制水箱的以、似、舊區(qū)，直 至E2區(qū)內儲水量達到最大值Q。，E3區(qū)的水經回流管B流入外部集水箱中；
[0020] D·依次關閉外部集水箱中的水泵和進水管上的閥門A，打開輸水管上的閥門C，并 記錄輸水管上流速計的初始讀數；
[0021] E·根據流速計初始讀數與試驗要求初始水流速度％的關系，調節(jié)控制水箱距隧道 的高度，重復步驟B-D，直至流速計初始讀數等于v。；
[0022] F.根據試驗要求的初始水壓力值Pq選擇水壓轉換器中的流水管道，使得水壓轉換 器出口端的流速和水壓均滿足試驗要求；
[0023] G·重復步驟B-C，根據水源補給條件Λ Q調節(jié)外部集水箱中水泵功率，使得進水管 上的流量計的讀數q滿足下述條件：
[0024] ①無水源補給時：關閉水泵和進水管上閥門A ;
[0025] ②有水源補給時：流量計的讀數q滿足q Q ;
[0026] Η·參數調整完畢。
[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、本裝置采用高強度透明樹脂材料制成，具有良好的可視性。
[0030] 3、水壓轉換器的設置可調節(jié)一定流量條件下突水涌泥處的水壓。
[0031 ] 4、控制水箱的設置，可模擬不同靜儲量條件下的突水涌泥模型試驗。
[0032] 5、本裝置可模擬靜儲量一定，補給水源不同條件下（無補給水源、少量補給水源、 補給水源充足）的突水涌泥模型試驗。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0033]圖1是本發(fā)明結構示意圖；
[0034]圖2是水壓轉換器結構示意圖。
[0035]其中，上控制水箱，2.進水管，3·水栗，4.外部集水箱，；5·輸水管，6.水壓轉換 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，I5·閥門B，ie.閥門C，17_流速計，18.閥門 d，19.水壓轉換器進水管口，20.轉 換裝置，21.水壓轉換器出水管口。

【具體實施方式】：
[0036] 下面結合附圖與實施例對本發(fā)明進行進一步的說明。
[0037]模型試驗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左側通過一進水管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與水壓轉換器6連接，水壓轉換器6放置在隧道7進口端，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分為三個區(qū)：E1、E2、E3。
[0039] 控制水箱1內水流具有單向流動性，可依次流過E1、E2、E3區(qū)。通過合理設置隔水 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 會倒流入E1區(qū)。
[0040] 隔水板B 12高度具有可調性，從而調節(jié)E2區(qū)的最大靜儲水量。水源補給條件通 過調節(jié)進水管流量控制，無水源補給時，進水管關閉；少量水源補給時，調整進水管流量計 讀數；補給水源充足時，加大進水管流量，保證E2區(qū)滿水。
[0041] 控制水箱1采用高強度透明樹脂材料制成，具有可視性，可以方便直觀的觀察控 制水箱內水量情況；隧道7采用高強度透明樹脂材料制成，具有可視性，可以方便觀察水進 入隧道后的流動情況。
[0042] 進水管2上設有一閥門A 13,并安裝有一個流量計14。輸水管5上兩端設有閥門 B 15和閥門C 16,并安有一流速計17?；亓鞴蹷 10上設有一閥門D 18。流量計為了控制 水源補給條件；流速計是為了控制水進入隧道時刻的流速、流量、壓力。
[0043] 所述水壓轉換器6包括：水壓轉換器進水管口 19、轉換裝置20以及若干不同管徑 的水壓轉換器出水管口 21，所述若干水壓轉換器出水管口 21通過轉換裝置20分別與水壓 轉換器進水管口 19連通。水壓轉換器進水管口 19與輸水管5連通，水壓轉換器出水管口 21與燧道7連通。
[0044] 應用上述控制系統(tǒng)實現模型試驗中突水涌泥水力邊界條件的控制，包括以下步 驟：
[0045] A.根據試驗要求的靜儲量％調節(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,關閉輸水管5上的閥門C 16; [0047] C.啟動外部集水箱4中的水泵3,使水經進水管2依次流入控制水箱1的E1、E2、 E3區(qū)，直至E2區(qū)內儲水量達到最大值Q，E3區(qū)的水經回流管B 10流入外部集水箱4中； [0048] D.依次關閉外部集水箱4中的水栗3和進水管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17的初始讀數；
[0049] E.根據流速計17初始讀數與試驗要求初始水流速度V。的關系，調節(jié)控制水箱1 距隧道7的高度，重復步驟B-D，直至流速計17初始讀數等于V。；
[0050] F.根據試驗要求的初始水壓力值p。選擇水壓轉換器6中的流水管道，使得水壓轉 換器6出口端的流速和水壓均滿足試驗要求；
[0051] G.重復步驟B-C，根據水源補給條件Λ Q調節(jié)外部集水箱4中水泵3功率，使得進 水管2上的流量計14的讀數q滿足下述條件：
[0052]①無水源補給時：關閉水泵3和進水管2上閥門A 13 ;關閉水泵3和閥門A13后， 進水管2中沒有水，也就沒有讀數了。
[0053] ②有水源補給時：流量計14的讀數q滿足Q = A Q。
[0054] 水源補給條件是指單位時間內流入E2區(qū)域的水量，這是進行實驗前需要設定的 參數之一。
[0055] H.打開輸水管5上的閥門c 16,進行隧道突水涌泥模型試驗，觀測水流在隧道7 內的流動規(guī)律，自隧道7出口端留出的水經采集裝置8和回流管A 9入外部集水箱4中循 環(huán)利用。
[0056]上述雖然結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范 圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不 需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內。
【權利要求】
1. 一種模型試驗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 一側通過進水管與水栗連接，所述水泵設置在外部集水箱中；所述控制水箱內部設置隔水 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、E3三個區(qū)； 所述控制水箱E2區(qū)底部通過輸水管與水壓轉換器連接，所述水壓轉換器放置在隧道 進口端，隧道出口端下方設置采集裝置，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. 如權利要求1所述的一種模型試驗中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)，其特征是， 所述進水管上靠近控制水箱位置處設有閥門A，所述進水管上還安裝有流量計。
3. 如權利要求1所述的一種模型試驗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有閥門B和閥門C，并在靠近隧道進口端位置處設置流速計。
4. 如權利要求1所述的一種模型試驗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上設有一閥門D。
5·如權利要求1所述的一種模型試驗中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)，其特征是， 所述水壓轉換器包括：水壓轉換器進水管口、轉換裝置以及若干不同管徑的水壓轉換器出 水管口，所述若干水壓轉換器出水管口通過轉換裝置分別與水壓轉換器進水管口連通。
6·如權利要求1所述的一種模型試驗中突水涌泥水力邊界條件控制系統(tǒng)，其特征是， 所述的控制水箱內水流具有單向流動性，即水流可依次流過El、E2、E3區(qū)。
7·如權利要求1所述的一種模型試驗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，通過調節(jié)隔水板B高度調節(jié)E2區(qū)的最大儲水量。
8·如權利要求1所述的一種模型試驗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度透明樹脂材料制成，具有可視性。
9· 一種如權利要求1所述的模型試驗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. 根據試驗要求的靜儲量％調節(jié)隔水板B的高度h，使得控制水箱E2區(qū)的最大儲水 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定高度的水平面上，打開進水管上的閥門A、輸水管上 的閥門B和回流管B上的閥門D，關閉輸水管上的閥門C ; C. 啟動外部集水箱中的水泵，使水經進水管依次流入控制水箱的El、E2、E3區(qū)，直至E2 區(qū)內儲水量達到最大值Q。，E3區(qū)的水經回流管B流入外部集水箱中； D. 依次關閉外部集水箱中的水泵和進水管上的閥門A，打開輸水管上的閥門C，并記錄 輸水管上流速計的初始讀數； E. 根據流速計初始讀數與試驗要求初始水流速度V()的關系，調節(jié)控制水箱距隧道的高 度，重復步驟B-D，直至流速計初始讀數等于v。； F. 根據試驗要求的初始水壓力值p。選擇水壓轉換器中的流水管道，使得水壓轉換器出 口端的流速和水壓均滿足試驗要求； G·重復步驟B-C，根據水源補給條件Λ Q調節(jié)外部集水箱中水栗功率，使得進水管上的 流量計的讀數q滿足下述條件： ① 無水源補給時：關閉水栗和進水管上閥門A，流量計無讀數； ② 有水源補給時：流量計的讀數q滿足q =Λ Q ; Η.參數調整完畢。
【文檔編號】G01M10/00GK104215424SQ201410415950
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權日:2014年8月22日
【發(fā)明者】周宗青, 陳迪楊, 李術才, 李利平, 石少帥, 袁永才, 雷霆, 王升 申請人:山東大學