一种采水型地裂缝物理模型试验装置及试验方法_CN109709308A

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说 明 书
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一种采水型地裂缝物理模型试验装置及试验方法
技术领域 [0001] 本发明涉及一种地下水开采引起地裂缝的物理模型试验装置及试验方法，属于地 质工程地裂缝测试领域。
背景技术 [0002] 开采地下水改变了含水系统的孔隙水压力和有效应力。当土层中一点的应力状态 满足一定条件时 ，该点可达到强度破坏 (拉裂破坏或剪切破坏) 。当破坏点越来越多、连成一 片 ，并使地表岩土体开裂时 ，就形成了地裂缝 ，地裂缝形成后还可能进一步扩展。地裂缝是 地下水开采 引起的 地 质灾害之一 ，其形成 和发展给地表建 (构) 筑物、地下管线等造成极大 的破坏作用。但目前对地下水开采引起地裂缝的机理研究还较少，对地裂缝形成和发展的 数值模拟还缺乏有效的方法。由于现场水文地质和工程地质条件复杂，且地裂缝的形成过 程难以 在现场观测和再现 ，因此 ，要深入研究 抽水 引起地裂缝的 机理以 及刻画地裂缝从无 到有、从小到大的 演变过程的 数值方法 ，进行室内物理模型试验是十分必要的 。目前 ，用于 地裂缝的物理模型试验装置较少，主要有两类：一类不涉及到地下水的开采，主要模拟断层 上下盘运动造成的 地裂缝 ，如西安理工大学的“地裂缝土 质隧 道物理模型试验装置及模型 试验方法”(中国专利文献号CN101900642B，公开日2012-01-11) ；另一类模拟地下水位变化 引起的 地裂缝 ，如江苏省地 质调查研究院的“一种大型地裂缝模拟实验系统”(中国 专利文 献号205879940U ,公开日2017-01-11)，该实验装置包括装卸系统、给排水控制装置、监测系 统和数据处理系统，其中给排水控制装置由置于填土中的竖向排水花管和置于模型箱两端 的进水口组成，进出水量由阀门控制、由水量量测仪表量测。该实验系统可以模拟潜水含水 层下部自 然重力排水 引起的 地裂缝 ，但不能严格控 制排水量 和水位边界条件 ，不能 模拟承 压含水层抽水 引起的 地裂缝 ，也不能 模拟不同的 地下水开采方式。而实际 地下水开采中大 多开采承压含水层中的 地下水 ，且开采方式复 杂多样 ，如多井开采、开采量的 季节性变化、 地下水的回灌等。
5 .根据权利要求1所述的采水型地裂缝物理模型试验装置，其特征在于，所述石膏根据 模拟情况制作成不同形状和尺寸。
6 .根据权利要求1所述的采水型地裂缝物理模型试验装置，其特征在于，所述模型箱内 设置有多个井管，用于多井抽水或灌水。
7 .一种采用根据权利要求1-6任一项所述的采水型地裂缝物理模型试验装置的采水型 地裂缝物理模ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
2 .根据权利要求1所述的采水型地裂缝物理模型试验装置，其特征在于，所述模型箱由 有机玻璃板、钢板和固定模型箱的角钢和槽钢组成。
3 .根据权利要求2所述的采水型地裂缝物理模型试验装置，其特征在于，所述储水槽位 于模型箱的两侧，槽内放置方钢固定。
4 .根据权利要求1所述的采水型地裂缝物理模型试验装置，其特征在于，所述填土包括 模拟含水层的砂土和模拟弱透水层的黏性土，填土的填筑顺序从下到上依次为黏性土、砂 土、黏性土。
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权 利 要 求 书
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井管 相连的 水泵从井中 抽水 ；采集各传感器 和相机数据 ，得到 抽水过程中土层不同 位置的 垂向位移、孔隙水压力、土压力，以及填土表面的水平位移和地裂缝的形成和发展。
8 .根据权利要求7所述的采水型地裂缝物理模型试验方法，其特征在于，步骤(2)中在 模型箱的底部安装多个井管，步骤(5)中进行多井抽水或灌水试验。
代理人 孟红梅
(51)Int .Cl . G01N 33/24(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109709308 A (43)申请公布日 2019.05.03
( 54 )发明 名称 一种采水型地裂缝物理模型试验装置及试
验方法 ( 57 )摘要
本发明公开了一种采水型地裂缝物理模型 试验装置及试验方法 ，该试验装置包括模型箱 、 模拟材料、抽水和供水系统以及量测系统 ；模拟 材料包括模拟含水层和/或弱透水层的填土以及 模拟基岩的 石膏 ；抽水 和供水 系统包括井管 、与 井管相连的水泵、储水槽、储水筒和与储水槽相 连通用于控制储水槽内水位高度的水位调节槽； 量测系统包括垂向位移标、水平位移标、位移传 感器 、孔隙 水压 力传感器 、薄 膜压 力传感器以 及 数码相机，用于监测井管抽水或灌水过程中填土 内不同位置的孔隙水压力和应力的变化、填土的 位移以及裂缝的形成和演化。采用本发明可以揭 示采水型地裂缝的演变机理 ，为地裂缝数值模拟 方法的构建提供科学基础，为地裂缝防治提供科 学依据。
权利要求书2页 说明书4页 附图5页
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权 利 要 求 书
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1 .一种采水型地裂缝物理模型试验装置，其特征在于，包括模型箱、模拟材料、抽水和 供水系统 、以 及量测系统 ；所述模拟材料设于模型箱内 ，包括模拟含水层和/或弱透水层的 填土，以及模拟基岩的石膏；
(1)将石膏模型置于模型箱内，用防水胶密封石膏模型与模型箱的接缝处； (2)安装井管于模型箱的底部，将井管与模型箱底部的接缝用防水胶密封； (3)将待填筑的黏土先进行饱和，然后自下而上按顺序填筑土层，每填筑15～20cm厚的 土层后静置24小时以 上 ，待土层充分饱 和后再继续填土 ；填土过程中始终保持储水槽内的 水位略 低于填土层的 顶面 ；在填土过程中 ，当填至需要量测垂向位移、孔隙水压力、土压力 的位置时 ，放置相应的 垂向位移标、孔隙水压力传感器、薄膜压力传感器 ，并检查传感器是 否正常工作，待传感器显示正常后再继续填土，在填土表面设置水平位移标； (4) 将位移传感器安装于模型箱横梁的 磁性表座上 ，位移传感器的 探头与垂向 位移标 的顶部相接触；土层填筑完成后再静置一段时间，直至各个传感器完全稳定； (5) 通过 与储水筒 相连的 抽水泵保持水位 调节槽内的 水位略 低于填土面高 度 ，开 启与
所述量测系统包括垂向位移标、水平位移标、位移传感器、孔隙水压力传感器、薄膜压 力传感器以 及数码相机 ；所述垂向位移标随 着填土的 填筑设置于土层的 不同 深度处 ，垂向 位移标包括标头和固定于标头上的 标杆 ；所述的 水平位移标设置于填土表面 ；所述位移传 感器设于垂向 位移标顶部 ，用于监 测垂向 位移标标头所在位置土层的 垂向 位移 ；所述孔隙 水压力传感器和薄膜压力传感器设置于土中不同位置，用于监测土中不同位置的孔隙水压 力和应力的 变化 ；所述数码相机设在模型箱上方 ，用于监 测土层表面的 水平位移以 及裂缝 的形成和演化。
所述抽水和供水系统包括模拟抽水井的井管、与井管相连的水泵、储水槽、储水筒和与 储水槽相连通用于控制储水槽内水位高度的水位调节槽，所述井管的底部固定于模型箱底 板上，在井管滤水段的管壁上均匀设置孔洞，滤水段外面用反滤土工布包裹；所述储水槽位 于模型箱至少一侧 ，由 硬 质钢丝网 与模型箱内的 填土相隔 ，钢丝网 与填土接触一侧粘贴反 滤土工布 ；所述储水筒经水管与抽水泵连接 ，并由 抽水泵将水送至水位调节槽内 ，水位调节 槽内设有限高管，将超过限高管顶的水送回至储水筒内；
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910053093 .7
(22)申请日 2019 .01 .21
(71)申请人 南京大学 地址 210023 江苏省南京市栖霞区仙林大 道163号
(72)发明人 张云 何国峰
(74)专利代理机构 南京苏高专利商标事务所 (普通合伙) 32204