[发明专利]一种环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统的实验方法

说明书

本发明公开了一种环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统及其实验方法，主要包括隧道模型仿真系统、地下水仿真循环系统和负温空气制造与循环系统；隧道模型仿真系统包括模型支架、隧道结构和环绕隧道结构外的围岩，并具备温度和冻胀力测试功能；地下水仿真循环系统包括依次连通的保温水箱、补水箱和收集箱；负温空气制造与循环系统包括负温空气制造设备、负温空气储藏箱，负温空气制造设备由空气温控箱控制，可制造不同温度的负温气体；负温空气储箱出气口通过保温供气管与隧道一端连通，隧道另一端通过保温出气管与低温空气储箱进气口连通；隧道围岩温度控制箱、水温控制箱、空气控制箱均与计算机相连接，实现计算机控制。

技术领域

本发明属于隧道实验的技术领域，具体涉及一种环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统及其实验方法。

背景技术

我国寒区面积分布广泛，交通运输需求旺盛，隧道工程作为穿山越岭的有效方式被广泛采用。在冬季，由于负温环境导致隧道冻害时有发生，一方面表现为冰溜、冰柱、冰塞等结冰问题；另一方面表现为隧道结构受到冻胀力问题导致破损、掉块甚至坍塌问题。如何有效科学的对寒区隧道温度场进行研究至关重要。

目前，已有的寒区隧道温度场的三维室内试验系统存在一定的局限性，由于受到冷库尺寸限制，无法进行模型纵向长度较长的模拟实验。此外，已有的室内试验系统采用的控温方法是对整个模型的外部环境进行降温，这种方法耗能高，不环保，而且模拟围岩温度的加热带需要在冷库室内的低温环境下进行加热，增加了加热带的工作强度，此外由于冷库面积较大所需低温空气较多并且试验要求温度很低，若试验的时间跨度较长，空气压缩机长时间高负载工作容易结霜、损坏，而且能耗过高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统及其实验方法，以解决或改善上述的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统，其包括隧道模型仿真系统、地下水仿真循环系统和负温空气制造与循环系统；

隧道模型仿真系统包括隧道模型，隧道模型包括隧道本体和环绕隧道本体外围的围岩，在隧道结构外侧沿环向、纵向按一定间距布置冻胀力测试原件，在隧道结构和围岩中根据测试要求布置温度传感器；隧道本体内的底部开设排水沟，排水沟内设置温度传感器和流量传感器；隧道模型外围由若干拼接式的控温带包裹，控温带内设置有受围岩地温控制箱连接的电加热器；所述围岩内还设有出水管和若干进水管；

地下水仿真循环系统包括依次连通的保温水箱、补水箱和收集箱；保温水箱与供水管一端连接，供水管的另一端实现分流；收集箱与出水管连通；补水箱内置泵机，泵机通过补水管与保温水箱连通；保温水箱内设置水位传感器和温度传感器，水位传感器、温度传感器和泵机均与水温控制箱电连接；

负温空气制造与循环系统包括负温空气制造设备、负温空气储藏箱，负温空气制造设备由空气温控箱控制；负温空气储箱出气口通过保温供气管与隧道进风端连通，隧道出风端通过保温出气管与低温空气储箱进气口连通；

水温控制箱、空气温控箱和围岩地温控制箱均与计算机电连接。

优选地，隧道进气口处安装风向控制板，靠近隧道进气口处安装变频风机，变频风机与计算机相连接。

优选地，围岩顶部等间距的分布若干条进水管。

优选地，围岩顶部等间距的分布五条进水管。

优选地，供水管、保温供气管上安装流量监控器。

优选地，水温控制箱内集成有自动补水电路，自动补水电路包括AT89S51 芯片，AT89S51芯片的3.3V和DI0端与水位传感器连接，D01端和24V端与继电器线圈连接；所述继电器触点作为开关设置于泵机的三相电源端。