[发明专利]一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置，包括岩溶塌陷实验系统、水位控制系统、智能监测系统。岩溶塌陷实验系统用于实现岩溶塌陷模拟实验；水位控制系统，包括供水装置和排水装置，用于存在侧向补给，模拟地下水渗流；智能监测系统，包括土压力传感器、激光位移传感器、CCD相机、LED灯，用于监测土体压力变化和地表位移、变形。本发明还公开了一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验方法。本发明实验装置能够实现不同地下水位、不同地层弱化程度以及不同岩溶裂隙宽度情况下岩溶塌陷的模拟，并且实验科学有效，装置简单，操作便利。

技术领域

本发明涉及岩溶塌陷物理模型试验的技术领域，具体地说涉及一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置及方法。

背景技术

岩溶塌陷是指隐伏在覆盖层下的可溶岩中存在岩溶空洞，在自然或人为因素作用下，覆盖层土体沿岩溶通道进入岩溶空洞，引起覆盖层出现塌陷的自然现象。我国碳酸盐岩等可溶岩分布广，岩溶发育面积较大，可溶性地层分布面积约为345万km²，约为国土面积的30％以上。近年来，我国地铁建设迅速发展，大量地铁线路会经过岩溶地区，隧道开挖的施工过程必定会产生地层扰动，造成地层弱化，导致岩溶塌陷发生频率更加频繁，破坏日益严重，引发的危害也随之变大。因此开展岩溶塌陷研究具有重大意义。

实际中，在遇到复杂的地质条件时，主要使用现场测量监测和数值模拟等手段，然而由于受到地下水位突降、地质构造、地表覆盖层的厚度等众多因素的影响，实际监测过程中往往会发生地质条件的不确定性问题，以及数值模拟精度受到“参数不准”或者“模型简化”等问题，由此导致难以准确的描述地质现象及其规律性，但是应用相似理论建立的物理模型，可便于把握地质灾害现象的本质特征和规律。

目前岩溶塌陷的模拟装置无法针对隧道开挖致使地层弱化导致的岩溶塌陷以及不同工况下岩溶塌陷展开有效研究。基于此，现研究一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置及方法，通过物理模型试验，改变土体的水力条件、溶洞大小、位置等条件，可以有效模拟上述塌陷现象。

发明内容

为了克服现有的岩溶塌陷的模拟装置无法有效模拟复杂工况下隧道开挖致使地层弱化导致的岩溶塌陷，本发明提供了一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置及方法，通过物理模型试验，改变土体的水力条件、溶洞大小、位置等条件，可以有效模拟上述塌陷现象。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于地层弱化的岩溶塌陷模拟实验装置，包括岩溶塌陷实验系统、水位控制系统、智能监测系统；

所述岩溶塌陷实验系统包括实验箱、溶洞模拟装置以及地层弱化装置；

其中，实验箱包括土箱、打孔隔板、金属架，土箱整体为透明的立方体模型，上部开口；土箱的中部由两块均匀的打孔隔板相隔；土箱四周采用不锈钢金属架保护；土箱的下部开设有一连通口；

所述溶洞模拟装置包括连接板、闭合板、滑槽、溶洞模拟箱以及出泥管道，溶洞模拟箱的上部还固定有连接板，连接板中间设有滑槽，滑槽中间设有通孔，通孔下部通入溶洞模拟箱内部，通孔的上部正好通过连接板与土箱的连通口接通，溶洞模拟箱的上部与连通口连接处还设有闭合板，将闭合板缓慢在所述滑槽上滑动用于改变通孔的大小并且可以固定开口的大小，溶洞模拟箱的下部设有出泥管道；

所述地层弱化装置包括多个长方形PVC软板，多个长方形PVC软板设置于土箱的下部，每层长方形PVC软板之间平铺有土层，将PVC软板渐渐抽离，每抽离一层即实现一层的土体弱化；

所述水位控制系统包括供水装置和排水装置，用于侧向补给及模拟地下水渗流，所述供水装置包括水箱、供水管道、阀门、阻水板，所述水箱通过供水管道连接土箱，所述供水管道上设有阀门，所述阻水板固定在打孔隔板的外侧并可上下抽动，上下抽动阻水板以及调整阀门控制是否有水渗流以及水位的高低；

所述排水装置包括设置于实验箱侧表面的止水塞以及溶洞模拟箱下方的出泥管道；