活动断裂充填介质渗透破坏可视化试验装置及方法

本发明涉及地质工程，尤其涉及一种活动断裂充填介质渗透破坏可视化试验装置及方法。

背景技术：

1、深埋隧道或地下工程穿越活动断裂带时，断裂带内充填的断层泥、角砾岩等介质在高压地下水渗透作用下易发生渗透破坏（管涌、流土等），诱发突水突泥地质灾害，严重威胁施工与运营安全。研究其破坏机理对灾害防控至关重要。

2、然而，现有室内试验装置存在明显局限：多数装置功能单一，只能独立研究应力作用或渗流作用，难以模拟地下深部“高围压（轴压）-高水压”的真实耦合环境；缺乏有效的可视化观测手段，无法直观捕捉充填介质内部裂缝萌生、扩展及贯通成渗流通道的全过程，机理研究多依赖破坏后解剖，过程信息缺失；现有试验极少考虑地震动力触发效应，但活动断裂带恰处地震活跃区。直接施加水平振动会因设备动态滞后导致轴压虚假失载，引发介质伪破坏。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种活动断裂充填介质渗透破坏可视化试验装置及方法，用于模拟深部活动断裂带充填介质在复杂应力-渗流-动力耦合环境下发生渗透破坏（突水突泥）的过程，集成多场耦合加载及模拟地震扰动，实现破坏过程可视化。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种活动断裂充填介质渗透破坏可视化试验装置，包括：

4、模型箱主体，内部构成用于填筑活动断裂充填介质的密闭试验腔，所述模型箱主体的前侧壁设置有透明观测窗口；

5、轴压加载系统，包括伺服控制油源、由油源驱动的伺服油缸以及集成振动补偿算法的控制器；所述伺服油缸的加载杆垂直向下，作用于设置在试验腔内充填介质上表面的承压板，用于向充填介质施加可控的轴向应力；所述振动补偿算法用于对水平振动引起的垂直轴压波动进行反向补偿；

6、渗透水压加载系统，包括供水泵，所述供水泵的出水口通过管路连接至模型箱主体的进水口，所述模型箱主体内部在进水口对应位置设有带孔均流板，用于将进水转换为水平方向且均匀分布的渗透水流；

7、模拟地震加载系统，包括模拟地震作动器和刚性金属框架底座，用于向模型箱主体施加水平振动荷载；

8、渗流介质收集系统，包括开设于模型箱主体左侧壁上的多个均布渗流孔，各所述渗流孔通过连接头与外部收集管道相连，用于将渗透破坏过程中流出的水与固体介质导入收集装置。

9、作为一种实施方式，所述模型箱主体由高强度钢板焊接而成，内部构成矩形试验腔，用于填筑充填介质。

10、作为一种实施方式，所述轴压加载系统还包括力值传感器和位移计，用于实时监测轴压力值与介质压缩位移；

11、所述集成振动补偿算法的控制器输入端连接力值传感器和模拟地震加载系统，用于采集力值传感器输出压力信号以及模拟地震加载系统的水平振动荷载；输出端连接伺服油缸，用于将补偿控制量施加到伺服油缸以确保轴向应力在振动过程中保持稳定；所述补偿控制量通过pid控制算法对水平振动引起的垂直轴压波动进行反向补偿计算得到。

12、作为一种实施方式，所述带孔均流板竖直安装于所述模型箱主体内部试验腔的进水口处，与进水口之间形成水压缓冲腔；所述水压缓冲腔用于缓冲由进水口通入的高压水，使其在腔内蓄积扩散，再通过板上的均布孔隙平缓渗入介质，形成沿模型箱宽度方向均匀的水平渗流场。

13、作为一种实施方式，所述模拟地震加载系统中，刚性金属框架底座与模型箱主体的底部固定连接，模拟地震作动器水平布置且其输出端与模型箱主体刚性连接，以传递水平振动荷载。

14、作为一种实施方式，所述渗流介质收集系统中，所有外部收集管道汇总为总收集管，并接入收集桶；所述总收集管上安装阀门和流量计，用于控制收集进程并测量涌出流量。

15、第二方面，本发明提供一种活动断裂充填介质渗透破坏可视化试验方法，包括：

16、在模型箱主体内填筑充填介质；

17、启动伺服轴压加载系统，通过伺服油缸驱动承压板向充填介质施加预设的轴向应力；

18、启动渗透水压加载系统，向试验腔体内施加并逐步递增渗透水压；启动模拟地震加载系统，向模型箱主体施加具有梯度变化的地震振动荷载；

19、在试验过程中，通过透明观测窗口实时观察充填介质的裂缝萌生、扩展及渗流通道形成过程；通过渗流介质收集系统收集涌出的介质并记录涌出流量；

20、试验结束后，对充填介质进行取样分析，获取破坏形态与渗透参数。

21、第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第二方面所述的一种活动断裂充填介质渗透破坏可视化试验方法中的步骤。

22、第四方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第二方面所述的一种活动断裂充填介质渗透破坏可视化试验方法中的步骤。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

24、本发明将伺服轴压加载、渗透水压加载、模拟地震加载与渗流介质收集等功能集成于同一模型箱主体，并设置透明观测窗口，能够同步施加可控轴向应力、均匀渗透水压及水平地震荷载，实时捕捉充填介质内部裂缝萌生、扩展及渗流通道形成的全过程，克服了传统装置功能单一、过程信息缺失的缺陷。同时，轴压加载系统内嵌的振动补偿算法可实时反向补偿水平振动引起的垂直轴压波动，有效剔除了设备惯性、侧向摩擦及液压响应滞后导致的虚假失载与伪耦合干扰，确保地震波作用下的轴向应力边界真实稳定，避免介质因设备伪影而提前破坏。所提供的装置通过多系统集成、动态干扰补偿与流量缓冲设计的协同作用，有效提高了试验的真实性、可控性与数据可靠性，为活动断裂带突水突泥灾变机理研究提供了有力的试验手段。

25、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

1.一种活动断裂充填介质渗透破坏可视化试验装置，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种活动断裂充填介质渗透破坏可视化试验装置，其特征在于，所述模型箱主体由高强度钢板焊接而成，内部构成矩形试验腔，用于填筑充填介质。

3.如权利要求1所述的一种活动断裂充填介质渗透破坏可视化试验装置，其特征在于，所述轴压加载系统还包括力值传感器和位移计，用于实时监测轴压力值与介质压缩位移；

4.如权利要求1所述的一种活动断裂充填介质渗透破坏可视化试验装置，其特征在于，所述带孔均流板竖直安装于所述模型箱主体内部试验腔的进水口处，与进水口之间形成水压缓冲腔；所述水压缓冲腔用于缓冲由进水口通入的高压水，使其在腔内蓄积扩散，再通过板上的均布孔隙平缓渗入介质，形成沿模型箱宽度方向均匀的水平渗流场。

5.如权利要求1所述的一种活动断裂充填介质渗透破坏可视化试验装置，其特征在于，所述模拟地震加载系统中，刚性金属框架底座与模型箱主体的底部固定连接，模拟地震作动器水平布置且其输出端与模型箱主体刚性连接，以传递水平振动荷载。

6.如权利要求1所述的一种活动断裂充填介质渗透破坏可视化试验装置，其特征在于，所述渗流介质收集系统中，所有外部收集管道汇总为总收集管，并接入收集桶；所述总收集管上安装阀门和流量计，用于控制收集进程并测量涌出流量。

7.一种活动断裂充填介质渗透破坏可视化试验方法，采用如权利要求1所述的装置，其特征在于，包括：

8.如权利要求7所述的一种活动断裂充填介质渗透破坏可视化试验方法，其特征在于，在渗透水压加载过程中，同步启动模拟地震加载系统，并在特定阶段施加水平方向的振动荷载，具体为：

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求7-8中任一项所述的一种活动断裂充填介质渗透破坏可视化试验方法中的步骤。

10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求7-8中任一项所述的一种活动断裂充填介质渗透破坏可视化试验方法中的步骤。