本發(fā)明屬于地質災害監(jiān)測預警技術領域，涉及一種地下水漏失誘發(fā)地面塌陷的試驗裝置及其使用方法。

背景技術：

地面塌陷(groundcollapse)是一種典型的地質災害，截至2012年底，我國24個省市區(qū)都有地面塌陷事件發(fā)生，主要分布在重慶、四川、貴州、云南、廣東、廣西、遼寧、河北、江西、湖北、湖南等省市區(qū)。迄今，國內外學者對巖溶塌陷機理做了較多研究，提出了真空吸蝕論、潛蝕論、振動論、液化論、氣爆論等巖溶塌陷預測理論；kyriakipapadopoulou-vryniotia等使用多元統(tǒng)計方法和地理信息系統(tǒng)研究了巖溶塌陷產生的各種因素，編制了研究區(qū)的巖溶塌陷易感性地圖；haibobai等采用變質量力學和非線性動力學建立了研究地下水侵入巖溶地層頂板破壞機制的力學模型，求解結果表明，地下水的滲流速度越大巖溶頂板地層穩(wěn)定性越小；hekeqiang等分析了地下水開采等因素對響棗莊十里全塌陷的影響，提出了一些預防巖溶塌陷和保護巖溶水資源和環(huán)境的對策措施；haijunzhao等分析了中國南方地區(qū)廣泛分布的巖溶坍塌問題，高強度的降雨加速了巖溶水動力條件，改變了巖溶洞穴上覆地層的物理和力學性能，進而引發(fā)或促進洞穴的形成與塌陷；mingtanglei等通過大尺度模型試驗，建立了一種基于地理信息系統(tǒng)的巖溶塌陷風險評估方法；徐衛(wèi)國等認為在相對密閉承壓巖溶網絡地下水中，抽(排)地下水，水位降低至蓋層底面以下，可在巖溶空隙中形成真空吸盤作用、真空腔吸蝕和漩吸漏斗吸蝕三種對土質蓋層的破壞作用；賀可強等基于普氏理論和極限平衡理論建立了內部塌陷階段臨界土洞高度及地表塌陷階段的滲壓效應致塌力學模型。可見，前述研究主要針對巖溶塌陷問題進行理論探討，缺乏可重復用于探索地面塌陷災害發(fā)育全過程的專門試驗裝置。近年來，隨著山區(qū)公路及城市淺埋隧道和地下空間的大量建設和開發(fā)利用，地面塌陷問題頻繁出現(xiàn)，主要為土質蓋層塌陷，如重慶市主城區(qū)歌樂山金剛村的余家灣水庫在2010年10月至2013年4月輕軌一號線中梁山隧道施工期間發(fā)生六處地面塌陷并導致水庫干涸(參見圖2和圖3)，造成嚴重的社會問題。

公路鐵路隧道、城市地下洞室等地下工程建設過程中，極易切穿切斷地質體內的含水層，造成地下水漏失，地下水位快速降低，從而誘發(fā)地面塌陷災害，這已經在學術界和工程界形成共識，研發(fā)地面塌陷災害的試驗裝置，對于科學識別、有效防治地面塌陷災害，具有必要性和緊迫性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種地下水漏失誘發(fā)地面塌陷的試驗裝置及其使用方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種地下水漏失誘發(fā)地面塌陷的試驗裝置，包括土箱、位于土箱下方的水箱、連接水箱與土箱的塌陷筒，所述塌陷筒的上端伸入土箱使塌陷筒的內腔與土箱的內腔連通，所述塌陷筒伸入土箱的一端設有土體過濾網，所述塌陷筒的下端伸入水箱使塌陷筒的內腔與水箱的內腔連通，所述塌陷筒伸入水箱的一端設有用于測試塌陷筒內腔壓力的負壓測試傳感器，所述水箱的側壁上設有閥門并連接一水泵，用于測試水箱中的水壓力，所述土箱中安裝有用于監(jiān)測土體塌陷的地面塌陷監(jiān)測儀。

優(yōu)選地，所述土箱、水箱以及塌陷筒均由透明材料制成。

優(yōu)選地，所述土箱和水箱均呈圓柱狀。

優(yōu)選地，土箱的直徑為150cm，土箱的高度為100cm，土體厚度為30～80cm，塌陷筒的直徑為10～50cm，水箱的直徑為80cm，水箱的高為100cm。

上述的地下水漏失誘發(fā)地面塌陷的試驗裝置的使用方法，包括以下步驟：

第一、擬定試驗工況，擬定土體類型、土體重度、土體密實度、土體厚度、塌陷筒直徑、水箱水壓力；

第二、試驗流程，首先在土箱的內腔中填筑擬定的土體，然后向水箱中注滿水，啟動地面塌陷監(jiān)測儀和負壓測試傳感器，然后通過水泵抽水至水箱水壓力達到擬定的水箱水壓力，通過地面塌陷監(jiān)測儀監(jiān)測土體塌陷情況，通過負壓測試傳感器測試塌陷筒內腔壓力，并透過土箱側壁觀察土體的變形跡象；

第三、分析試驗數據，按照試驗流程完成擬定試驗工況下的試驗內容，對試驗數據進行分析。

由于采用了上述技術方案，本發(fā)明具有如下有益效果：本發(fā)明由土箱、水箱、塌陷筒以及水泵、負壓測試傳感器和地面塌陷監(jiān)測儀等量測裝置組成，形成一個可用于探索地下水降落誘發(fā)地面塌陷災害形成及演化規(guī)律的試驗裝置。利用該試驗裝置，可在實驗條件下探索塌陷腔厚跨比(t/d)、土體類型、土體重度、土體密實度、地下水位降落速度和降落高度等參數組合條件下地面塌陷災害的形成過程及演化規(guī)律，尤其是在塌陷筒上部由土體塌落造成塌陷腔連續(xù)增大直至地面塌陷災害產生的精細演化方面具有原創(chuàng)性，為有效監(jiān)測預警地面塌陷災害、優(yōu)化地下工程施工方案提供了科學依據。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖；

圖2是地面塌陷現(xiàn)場圖；

圖3是地面塌陷現(xiàn)場圖。

附圖標記

附圖中，1為土箱，2為水箱，3為水泵，4為負壓測試傳感器，5為土體過濾網，6為閥門，7為塌陷筒，8為支架，9為地面塌陷監(jiān)測儀，10為鋼架。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步詳細說明。

參見圖1，地下水漏失誘發(fā)地面塌陷的試驗裝置的一種實施例，包括土箱1、位于土箱1下方的水箱2、連接水箱2與土箱1的塌陷筒7，塌陷筒7的上端伸入土箱1使塌陷筒7的內腔與土箱1的內腔連通，塌陷筒7伸入土箱1的一端設有土體過濾網5，塌陷筒7的下端伸入水箱2使塌陷筒7的內腔與水箱2的內腔連通，塌陷筒7伸入水箱2的一端設有用于測試塌陷筒7內腔壓力的負壓測試傳感器4，水箱2的側壁上設有閥門6并連接一水泵3，用于測試水箱2中的水壓力，土箱1中安裝有用于監(jiān)測土體塌陷的地面塌陷監(jiān)測儀9。地面塌陷監(jiān)測儀9可采用專利號為“zl201310541613.1”、名稱為“地面塌陷監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法”中的地面塌陷監(jiān)測裝置，塌陷筒7的內腔模擬地面塌陷初始空腔，塌陷筒7上端設置的土體過濾網5可以過濾粗土，僅讓細土經塌陷筒7進入水箱2而排走，水泵3測試水箱2中的水壓力，用于模擬地下水降落速度及降落高度。本實施例中，負壓測試傳感器4通過一鋼架10設置在塌陷筒7的下端，水箱2安裝在支架8上。

土箱1、水箱2以及塌陷筒7均由透明材料制成。土箱1和水箱2均呈圓柱狀。土箱1的直徑d為150cm，土箱1的高度h0為100cm，土體厚度t為30～80cm，塌陷筒7的直徑d為10～50cm，水箱2的直徑a為80cm，水箱2的高度b為100cm。

上述的地下水漏失誘發(fā)地面塌陷的試驗裝置的使用方法，包括以下步驟：

第一、擬定試驗工況，擬定土體類型、土體重度、土體密實度、土體厚度、塌陷筒7直徑、水箱2水壓力；

第二、試驗流程，首先在土箱1的內腔中填筑擬定的土體，然后向水箱2中注滿水，啟動地面塌陷監(jiān)測儀9和負壓測試傳感器4，然后通過水泵3抽水至水箱2水壓力達到擬定的水箱2水壓力，通過地面塌陷監(jiān)測儀9監(jiān)測土體塌陷情況，通過負壓測試傳感器4測試塌陷筒7內腔壓力，并透過土箱1側壁觀察土體的變形跡象；

第三、分析試驗數據，按照試驗流程完成擬定試驗工況下的試驗內容，對試驗數據進行分析，揭示試驗工況下地下水降落誘發(fā)地面塌陷災害的形成及演化規(guī)律。

最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權利要求書所限定的范圍。