一种单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置及方法与流程

1.本发明涉及地质工程、地下工程领域，具体涉及一种单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置及方法。


背景技术：

2.在近含水松散层地下资源开发与地下工程建设过程中，时刻面临着溃砂灾害威胁。在此类地区进行采掘的过程中，当采掘产生的裂隙和地质体原生裂隙连通含水松散层与地下空间时，松散层内的泥砂颗粒会将沿裂隙形成的运移通道溃入地下空间，掩埋人员和设备，造成人员伤亡和财产损失。随着我国基础建设、交通事业与矿产开发的快速发展，近年来隧道施工和井下采矿中，溃砂灾害频频发生，相关事故造成了诸多人员伤亡和巨大的经济损失，对工程建设安全和正常施工造成了极大威胁。裂隙作为水砂运移的主要通道类型，裂隙溃砂的启动条件的研究是溃砂灾害研究的重点，也是实际工程条件下溃砂灾害防治的重要依据与指导。目前缺少针对单一裂隙本身的溃砂启动条件研究，且在目前试验中存在难以改变裂隙的空间形态，难以可视化观察到裂隙内砂体的运动的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置及方法，以实现不同裂隙开度、裂隙长度、裂隙宽度、裂隙倾角、裂隙粗糙度条件下，单一裂隙溃砂启动的模拟，并测试不同条件下溃砂启动的临界水力梯度大小。
4.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
5.一种单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置，包括单一裂隙溃砂模拟装置和数据采集系统，所述单一裂隙溃砂模拟装置包括砂源箱、角度调节装置、单一裂隙模拟装置和水头控制装置；所述砂源箱为一透明箱体，箱体包括一块底板、两块侧板、可拆卸设置的砂源箱顶盖板、砂源箱后盖板和砂源箱前盖板；所述砂源箱后盖板上设置有排气阀和进水阀；砂源箱前盖板为与箱体固定相连的插板阀，所述插板阀能够上下移动，用于固定夹持单一裂隙模拟装置；所述角度调节装置包括可调角度平台和金属框架，所述金属框架固定在可调角度平台上，所述砂源箱固定于金属框架上，砂源箱能够跟随可调角度平台调节倾斜角度；所述单一裂隙模拟装置包括透明上平板和透明下平板，上平板和下平板之间夹有两块分别置于两侧的透明垫板，两块透明垫板之间留有一条间隙通道，由上平板、下平板和两侧垫板围成的空间即模拟的裂隙空间，所述上平板和下平板通过若干个夹具固定；所述水头控制装置包括水泵、进水管和调压阀，所述进水管一端与水泵连接，另一端与砂源箱后盖板上的进水阀连接，所述调压阀设置在进水管上，所述水泵的抽水口连接至水箱；所述数据采集系统包括第一水压力传感器、相机和数据采集仪，所述第一水压力
传感器设置在进水管上且位于调压阀与进水阀之间，所述相机通过支架固定在单一裂隙模拟装置的上平板上方，相机的拍摄角度垂直于上平板，相机的拍摄视野包含整个单一裂隙模拟装置；所述第一水压力传感器通过数据线与数据采集仪电连接。
6.进一步地，所述砂源箱顶盖板通过搭扣固定在箱体上，所述砂源箱后盖板通过螺丝固定在箱体上。
7.进一步地，所述砂源箱顶盖板、砂源箱后盖板和插板阀的边缘均设有硅胶密封圈；所述垫板的表面贴设有硅胶。
8.进一步地，所述下平板的中轴线上开设有三个钻孔，三个钻孔在长度上将下平板的中轴线四等分；所述数据采集系统还包括第二水压力传感器、第三水压力传感器和第四水压力传感器，所述第二水压力传感器、第三水压力传感器和第四水压力传感器分别通过一个快速接头一一对应连接在下平板上的三个钻孔外侧；所述第二水压力传感器、第三水压力传感器和第四水压力传感器均通过数据线与数据采集仪电连接。
9.进一步地，所述钻孔贴近下平板内侧（裂隙内部）的直径小于贴近下平板外侧的直径。
10.进一步地，所述数据采集系统还包括水砂收集箱和电子秤，所述电子秤放置在所述单一裂隙模拟装置的出砂口下方，所述水砂收集箱放置在电子秤上方，所述电子秤通过数据线与数据采集仪电连接。
11.本发明还提供一种单一裂隙溃砂启动的模拟试验方法，包括以下步骤：（1）设备的连接，先根据试验所需的裂隙开度、宽度、长度为单一裂隙模拟装置选取垫板、上平板和下平板，根据裂隙倾角设置好可调角度平台的倾角大小；再将准备好的各部件结构连接起来组装成上述的单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置；（2）水砂混合物的装入，先堵住出单一裂隙模拟装置的出砂口，打开砂源箱顶盖板和进水阀，往砂源箱内加入水至单一裂隙模拟装置充满水，且水面高于单一裂隙装置的进砂口；再向砂源箱内缓慢倒入砂并同时进行搅拌，至裂隙内充填水砂混合物，然后将砂体顶部抹平，闭合砂源箱顶盖板；再次打开进水阀，并打开排气阀，当排气阀出水时关闭排气阀；（3）打开数据采集系统，取下单一裂隙模拟装置出砂口处封堵；打开进水阀，利用调压阀逐步缓慢地增大砂源箱内的水头高度，直至单一裂隙模拟装置内的水砂混合物开始发生运动并流出出砂口；（4）关闭数据采集系统，导出各个水压传感器数据与影像资料，关闭进水阀，结束试验；分析第一水压力传感器的数据，取变化曲线峰值即为该试验条件下的单一裂隙溃砂启动的临界水头高度，将临界水头高度除以裂隙长度与砂源箱内单一裂隙模拟装置进砂口上方的砂层厚度之和，即得到该试验条件下的单一裂隙溃砂启动的临界水力梯度；第二水压力传感器、第三水压力传感器、第四水压力传感器采集的数据，即为裂隙内部不同部位的水压力变化情况；相机采集的图像即为单一裂隙溃砂启动前后的过程图像。
12.本发明的有益效果：（1）本发明的单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置利用透明材料实现可视化，能够直接观察到裂隙内水砂混合物的运动，并利用相机进行连续记录。
13.（2）能够通过与砂源箱相连接的水泵及调压阀门实现对砂源箱内砂体施加可控的水头压力，并利用第一水压力传感器进行实时监测和记录。
14.（3）能够通过更换不同规格的裂隙板（即上平板与下平板）和垫板，实现不同裂隙宽度、裂隙开度、裂隙长度、裂隙粗糙度的模拟。
15.（4）能够通过可调角度平台控制该试验装置的倾角，实现模拟不同裂隙倾角条件下的溃砂启动。
16.（5）可测定不同条件下单一裂隙溃砂启动的临界水力梯度大小；同时可对溃砂启动过程中裂隙内部孔隙水压力大小进行持续监测，并就溃砂启动过程中砂颗粒的运移进行连续的图像采集。
附图说明
17.图1为本发明的单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置的整体结构示意图。
18.图2为本发明的模拟试验装置的砂源箱和单一裂隙模拟装置的俯视结构示意图。
19.图3为图1中a的局部放大结构示意图。
20.图4为本发明的模拟试验装置的可调角度平台的放大结构示意图。
21.附图标记解释：1-进水管，2-安全阀，3-水泵，4-水箱，5-调压阀，6-进水阀，7-第一水压力传感器，8-可调角度平台，801-底座，802-转动板，803-丝杆，804-推杆，805-第一连接块，806-第二连接块，807-固定块，9-光学平台，10-数据采集仪，11-砂源箱后盖板，12-砂源箱，13-砂源箱顶盖板，14-插板阀，15-第二水压力传感器，16-第三水压力传感器，17-第四水压力传感器，18-数据线，19-夹具，20-相机，21-上平板，22-垫板，23-下平板，24-水砂收集箱，25-电子秤，26-排气阀。
具体实施方式
22.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。
23.如图1~4所示的一种单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置，包括单一裂隙溃砂模拟装置和数据采集系统，所述单一裂隙溃砂模拟装置包括砂源箱12、可调角度平台8、单一裂隙模拟装置和水头控制装置。
24.所述砂源箱12为一透明箱体，箱体包括一块底板、两块侧板、可拆卸设置的砂源箱顶盖板13、砂源箱后盖板11和砂源箱前盖板，均为透明材质。所述砂源箱顶盖板13通过四周设置搭扣固定在箱体上，便于拆装，砂源箱顶盖板13的边缘设有硅胶密封圈；所述砂源箱后盖板11通过螺丝固定在箱体上，砂源箱后盖板11的边缘设有硅胶密封圈，所述砂源箱后盖板11上设置有排气阀26和进水阀6，所述排气阀26和进水阀6可以是竖向排列设置也可以是横向排列设置，在本实施例中，所述排气阀26和进水阀6横向并列排布设置；砂源箱前盖板为与箱体固定连接的插板阀14，所述插板阀14能够上下移动，用于固定夹持单一裂隙模拟装置；在本实施例中，所述插板阀14为矩形阀座和矩形阀板，阀座内侧和阀板边缘均设有硅胶密封圈，能够增强阀板与阀座之间的密封性能，同时增大与单一裂隙模拟装置的接触摩擦力，能够增强紧固性能。
25.所述角度调节装置包括可调角度平台8和金属框架，所述金属框架固定设置在可
调角度平台8上，所述砂源箱12利用螺丝固定于金属框架上，砂源箱12能够跟随可调角度平台8调节倾斜角度，通过调节倾斜角度实现对不同裂隙倾角的模拟。其中，所述可调角度平台8由底座801、转动板802、丝杆803、推杆804、第一连接块805和第二连接块806组成，所述转动板802与底座801转动连接，所述底座801的两端各设有一带螺纹孔的固定块807，所述丝杆803与两个固定块807螺纹连接，丝杆803能够旋拧，所述推杆804一端与第一连接块805转动连接，推杆804另一端与第二连接块806转动连接，所述第一连接块805设置在转动板802底侧，第二连接块806与丝杆803螺纹连接且所述第二连接块806位于两个固定块807之间，使用时旋拧丝杆803，第二连接块806会沿丝杆803移动，推杆804随之移动，进而推动转动板802转动；所述金属框架固定于可调角度平台8的转动板802上。在本实施例中，所述可调角度平台8采用gwood的mg0-000-0032。在本实施例中，所述角度调节装置还设有光学平台9，所述可调角度平台8放置在光学平台9上，光学平台9台面阵列设置有若干个标准孔距螺纹孔，用于配合螺栓固定可调角度平台8的位置，采用光学平台9便于调节、隔震稳定。
26.在其他实施方式中，所述角度调节装置还可设一升降式三角支架，放置在所述单一裂隙模拟装置下方，三角支架夹持住上平板21和下平板23，用于提供支撑，增强该装置的稳定性。
27.所述单一裂隙模拟装置包括透明上平板21和透明下平板23，上平板21和下平板23之间夹有两块分别置于两侧的透明垫板22，两块透明垫板22之间留有一条间隙通道，由上平板21、下平板23和两侧垫板22围成的空间即模拟的裂隙空间；通过改变上平板21和下平板23的长度，可以模拟不同的长度的单一裂隙；通过改变垫板22的宽度和厚度，可以模拟不同裂隙宽度和开度条件下的单一裂隙；通过改变上平板21和下平板23内侧的表面粗糙度，能够模拟不同裂隙粗糙度条件下单一裂隙。上平板21和下平板23通过若干个夹具19固定，其中，所述夹具19采用f夹或g字夹，无需在上平板21和下平板23上开孔即可夹紧，能够根据不同试验需求选择夹紧位置、夹紧深度，紧固性好、拆装方便，同时不影响单一裂隙模拟装置的密封性能；所述垫板22的表面贴设有硅胶，被夹持受压后起到密封的作用。
28.所述水头控制装置包括水泵3、进水管1和调压阀5，所述进水管1一端与水泵3连接，另一端与砂源箱后盖板11上的进水阀6连接，所述调压阀5设置在进水管1靠近砂源箱12的一端上，所述水泵3的抽水口连接至水箱4；所述进水管1靠近水泵3的一端上还设有安全阀2，能够避免水压过高。利用水泵3能提供水压力，通过调压阀5门能够控制输入到砂源箱12内的水头高度大小。
29.所述数据采集系统包括第一水压力传感器7、相机20和数据采集仪10，所述第一水压力传感器7设置在进水管1上且位于调压阀5与进水阀6之间，起到量测输入水头高度大小的作用；所述相机20通过支架固定在单一裂隙模拟装置的上平板21上方，相机20的拍摄角度垂直于上平板21（即垂直于裂隙平面），相机20的拍摄视野包含整个单一裂隙模拟装置，用于对单一裂隙溃砂启动过程进行图像的采集记录；所述第一水压力传感器7通过数据线18与数据采集仪10电连接。数据采集仪10能够连续采集记录试验过程中，各个水压力传感器监测得到的水头高度大小数据。
30.在本实施例中，所述下平板23的中轴线上开设有三个钻孔，三个钻孔在长度上将下平板23的中轴线四等分；所述数据采集系统还包括第二水压力传感器15、第三水压力传感器16和第四水压力传感器17，所述第二水压力传感器15、第三水压力传感器16和第四水
压力传感器17分别通过一个快速接头一一对应地连接在下平板23上的三个钻孔外侧，起到监测溃砂启动过程前后裂隙各处水头高度大小的作用；所述第二水压力传感器15、第三水压力传感器16和第四水压力传感器17均通过数据线18与数据采集仪10电连接。优选地，所述钻孔贴近下平板23内侧（裂隙内部）的直径小于贴近下平板23外侧的直径，能够有效避免对砂体流动的干扰，本实施例中钻孔贴近下平板23内侧的直径为1mm
±
0.5mm。
31.在本实施例中，所述数据采集系统还包括水砂收集箱24和电子秤25，所述电子秤25放置在所述单一裂隙模拟装置的出砂口下方，所述水砂收集箱24放置在电子秤25上方，所述电子秤25通过数据线18与数据采集仪10电连接。电子秤25采集水砂混合物总质量随时间的变化大小。
32.本发明的单一裂隙溃砂启动的模拟试验方法，包括以下步骤：（1）设备的连接：根据试验需要，确定好试验所需的裂隙开度、宽度、长度、倾角。根据裂隙开度、宽度、长度为单一裂隙模拟装置选取垫板22、上平板21和下平板23，上平板21和下平板23宽度一致等于插板阀最大夹持宽度，上平板21和下平板23的长度等于裂隙长度，垫板22的长度等于裂隙长度，垫板22的厚度为裂隙开度，垫板22的宽度等于上平板22的宽度与裂隙宽度之差的一半。根据裂隙倾角设置好可调角度平台8倾角大小。将垫板22放置在上平板21和下平板23之间，并用夹具19固定。将固定后的单一裂隙模拟装置放置于砂源箱12插板阀14内，转动插板阀14的手柄，放下阀板，利用插板阀14将单一裂隙模拟装置固定于砂源箱12上，完成单一裂隙模拟装置与砂源箱12的连接。将水头控制装置连接于砂源箱后盖板11的进水阀6上，完成水头控制装置与砂源箱12的连接。连接各个水压力传感器、数据采集仪10，完成数据采集系统的连接。
33.（2）水砂混合物的装入：利用硅胶堵住出单一裂隙模拟装置的出砂口，打开砂源箱顶盖板13。打开进水阀6，先往砂源箱12内加入适量的水使单一裂隙模拟装置充满水，同时保证水面高于单一裂隙装置的进砂口，再向砂源箱12内缓慢倒入砂（先加适量水再加砂能够有效避免产生气泡），并同时利用搅拌工具进行搅拌，及时排出水砂混合物内的空气，使砂体保持饱和状态，并使裂隙内充填水砂混合物。在完成砂的投入后，将砂体顶部抹平，利用搭扣闭合砂源箱顶盖板13。再次打开进水阀6，并打开排气阀26，排出砂源箱12内的空气，当排气阀出水时关闭排气阀。
34.（3）打开数据采集系统的数据采集仪10，开始实时采集并记录各个水压力传感器的数据。打开相机20，开始记录单一裂隙模拟装置内的水砂混合物图像。取下单一裂隙模拟装置出砂口处封堵，打开进水阀6，利用调压阀5逐步缓慢地增大砂源箱12内的水头高度，直至单一裂隙模拟装置内的水砂混合物开始发生运动并流出出砂口。
35.（4）关闭数据采集系统的数据采集仪10与相机20，导出各个水压传感器数据与影像资料。关闭进水阀6，结束试验。分析第一水压力传感器7的数据，取变化曲线峰值即为该试验条件下的单一裂隙溃砂启动的临界水头高度，将临界水头高度除以裂隙长度与砂源箱内单一裂隙模拟装置进砂口上方的砂层厚度之和，即得到该试验条件下的单一裂隙溃砂启动的临界水力梯度，砂层厚度即进砂口至砂层平面的距离h，参见图3；第二水压力传感器15、第三水压力传感器16、第四水压力传感器17采集的数据，即为裂隙内部不同部位的水压力变化情况；相机20采集的图像即为单一裂隙溃砂启动前后的过程图像。
36.本发明的单一裂隙溃砂启动的模拟试验装置能够利用单一裂隙模拟装置模拟不
同裂隙开度、宽度、长度、倾角的单一裂隙，利用水头控制装置向砂源箱12内的砂体提供逐渐缓慢增大的水头高度直至溃砂启动、单一裂隙模拟装置内的水砂混合物发生运动。通过第一水压力传感器7记录砂源箱12内的水头高度峰值测量获得溃砂启动的临界水力梯度。通过第二水压力传感器15、第三水压力传感器16、第四水压力传感器17记录溃砂启动前后单一裂隙内不同位置的水头高度变化情况。通过相机20记录溃砂启动前后单一裂隙内水砂混合物运动的连续图像。
37.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。