1.一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置,其特征在于:包括模型试验箱、断层致灾构造系统、地下水渗流模拟系统、水力加载系统、顶部荷载控制系统、数据采集监测系统、突水混合物回收系统和视图录制系统;所述数据采集监测系统预埋设置在断层致灾构造系统内部,所述断层致灾构造系统设置在模型试验箱内部,所述顶部荷载控制系统与模型试验箱顶部加载设置,所述地下水渗流模拟系统与模型试验箱内部连通,所述水力加载系统与地下水渗流模拟系统连接,所述突水混合物回收系统与模型试验箱的允许排水出口连接,所述视图录制系统架设在模型试验箱前,录制整个突水致灾试验过程;
所述断层致灾构造系统包括滑动式断层带支架(7)、滑动板(8)、断层破碎带相似材料(26)和断层周围岩土相似材料(25),所述滑动式断层带支架(7)的两侧分别滑动设置有一个滑动板(8),两个滑动板(8)将模型试验箱内部分隔为三个部分,其中中间部分填充断层破碎带相似材料(26),两边部分均填充断层周围岩土相似材料(25);
所述断层破碎带相似材料(26)由滑石粉、石子配制而成,其中H:Z=9:1;断层周围岩土相似材料(25)以黄砂、滑石粉和水泥为主料,液压油和水为调节剂配制而成,其中,S:H:N=
10:1:0.6;
所述滑动式断层带支架(7)包括带刻度滑轨角钢(71)、带刻度滑轨钢板(72)、带滑轨角钢(73)、下部特制角钢(74)、上部特制角钢(75)和带螺母孔角度仪(76);两个所述带刻度滑轨角钢(71)相互平行设置在底部平面,并与两个相互平行设置的下部特制角钢(74)垂直连接在同一底部平面内,构成滑动式断层带支架(7)下底面;四个所述带滑轨角钢(73)的底端分别与两根带刻度滑轨角钢(71)通过带螺母孔角度仪(76)在竖直方向上可旋转调节角度连接,两个所述带滑轨角钢(73)的底端分别可沿所述带刻度滑轨角钢(71)上的滑轨水平方向移动,两块所述滑动板(8)分别与两个带滑轨角钢(73)上下滑动设置;四个所述带滑轨角钢(73)的顶端分别与所述带刻度滑轨角钢(71)平行设置的两个带刻度滑轨钢板(72)连接,所述带滑轨角钢(73)的顶端可沿所述带刻度滑轨钢板(72)上的滑轨水平方向移动,且两根所述带刻度滑轨钢板(72)的两端分别与相互平行的上部特制角钢(75)垂直连接,构成滑动式断层带支架(7)上底面;两个所述滑动板(8)之间的距离,两个滑动板(8)的倾角,以及带刻度滑轨角钢(71)与带刻度滑轨钢板(72)之间的相对高度均可精确调节。
2.根据权利要求1所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置,其特征在于:所述模型试验箱包括模型箱槽(1)、钢化玻璃板(2)、螺栓(3)和密封条(5),所述模型箱槽(1)为立方体结构,所述钢化玻璃板(2)面上预制隧道截面,通过密封条(5)和螺栓(3)与模型箱槽(1)密封连接。
3.根据权利要求1所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置,其特征在于:所述地下水渗流模拟系统包括渗流水管(10)、控制阀(11)和透水板(12),所述模型试验箱底部敷设有透水板(12),所述渗流水管(10)通过控制阀(11)分别与透水板(12)以及模型试验箱的侧面连接。
4.根据权利要求1或3所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置,其特征在于:所述水力加载系统包括带刻度水箱(13)、高压水泵(14)和连接水管(18),所述带刻度水箱(13)通过红墨水控制系统(16)泵入红墨水并搅匀,所述带刻度水箱(13)与高压水泵(14)连接,所述高压水泵(14)与连接水管(18)连接,所述连接水管(18)连接有压力表(15)和流量计(17),分别与各渗流水管(10)连接。
5.根据权利要求1所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置,其特征在于:所述顶部荷载控制系统包括均布梁(20)、油压千斤顶(21)、自动控制柜(22)和反力架(23),通过自动控制柜(22)、油压千斤顶(21)和反力架(23)对设置在模型箱槽顶(1)部的均布梁(20)加载。
6.根据权利要求1或3所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置,其特征在于:所述数据采集监测系统包括应力计(241)、位移计(242)和孔隙水压力计(243),所述应力计(241)、位移计(242)和孔隙水压力计(243)预埋在断层致灾构造系统的断层破碎带相似材料(26)和断层周围岩土相似材料(25)中;所述视图录制系统包括摄像机(29);
所述应力计(241)、位移计(242)、孔隙水压力计(243)以及摄像机(29)的信号输出端分别与计算机的信号输入端传输连接。
7.根据权利要求1所述一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置,其特征在于:所述突水混合物回收系统包括废液桶(27)、振动筛滤网(28)、烘箱以及电子秤,所述废液桶(27)为旋转式倒锥形桶体结构,所述废液桶(27)内部由上至下设置有三层振动筛滤网(28),上层振动筛滤网(28)的滤网孔径大于下层振动筛滤网(28)的孔径,对突水混合物依次进行收集、分离、过滤,再分别通过烘箱以及电子秤烘干和称重,进行突水突泥量的对比分析。
8.一种模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验方法,其特征在于:
1)试验前,先在钢化玻璃板(2)面上预制隧道截面,并通过密封条(5)及螺栓(3)与模型箱槽(1)连接、密封,防止钢化玻璃板(2)边缘渗漏水;
2)调节滑动式断层带支架(7),根据试验需要精确设置断层宽度、倾角、高度参数,调节好相应参数后,将滑动式断层带支架(7)置入模型试验箱中预设位置;
3)根据相似原理配置断层破碎带相似材料(26)和断层周围岩土相似材料(25);具体为:在滑动式断层带支架(7)两侧面各滑动设置一个滑动板(8),此时模型试验箱内侧被分割成三个区域;分层向三个区域填埋断层破碎带相似材料(26)和断层周围岩土相似材料(25)至低于隧道截面一定高度时,取出滑动板(8),分层分别埋设应力计(241)、位移计(242),埋设完成后,放入滑动板,继续向三个区域填埋断层破碎带相似材料(26)和断层周围岩土相似材料(25)至隧道截面时,再次取出滑动板(8),在隧道截面轮廓线处的隧道底谷、两底角、两帮以及拱顶处分别埋设应力计(241)、位移计(242)和孔隙水压力计(243),布设的应力计(241)、位移计(242)和孔隙水压力计(243)的位置按与钢化玻璃板(2)的距离由近及远布置;后继续放入滑动板(8),重复操作,直至填满模型试验箱;
具体的:在距离隧道拱顶和底谷分别为a、2a、2.5a时,分层埋设应力计(241),应力计(241)埋于装置的各层中轴线处,各层应力计(241)间的水平间距分别为a、2a、2.5a;在距离隧道拱顶和底谷分别为0.5a、a、2a、2.5a时,分层埋设位移计(242),位移计(242)埋于装置的各层中轴线处,各层位移计(242)间的水平间距分别为2/3a、a、2a、2.5a;在隧道截面左右两侧布设应力计(241)和位移计(242),该层布设的应力计(241)和位移计(242)的位置按与钢化玻璃板(2)的距离由近及远布置;孔隙水压力计(243)的布设沿隧道轮廓线呈放射状分层间隔布设,取隧道截面两底角距离的一半为b,以0.5b的增量沿隧道截面轮廓线向外延展;在隧道截面轮廓线处的隧道底谷、两底角、两帮以及拱顶处分别埋设应力计(241)、位移计(242)和孔隙水压力计(243),布设的应力计(241)、位移计(242)和孔隙水压力计(243)的位置按与钢化玻璃板(2)的距离由近及远布置;
4)在带刻度水箱(13)内通过红墨水控制系统(16)泵入一定量的红墨水并搅匀,根据试验方案,将连接水管(18)与各渗流水管(10)连接,根据试验需要,通过控制各渗流水管(10)的控制阀(11)来确定相应的水力边界条件;若当模拟的水源性质为承压水层时,在填埋断层破碎带相似材料(26)和断层周围岩土相似材料(25)前,将模型试验箱底部的透水板(12)与对应的渗流水管(10)连接;
5)根据试验方案设定自动控制柜(22)的加载参数值,通过油压千斤顶(21)、反力架(23)对均布梁(20)加载,模拟隧道埋深条件;
6)调节设定好摄像机(29)记录渗流突水过程,开启高压水泵(14),按照试验方案通入高压水开始试验,在钢化玻璃板(2)的隧道截面口以及允许排水处放置废液桶(27)回收隧道突水突泥混合物;
7)对收集到的突水突泥混合物依次进行分离、过滤、烘干、称重,以便进行后续不同影响因素下的突水突泥量的对比分析;
8)实时监测应力计(241)、位移计(242)、孔隙水压力计(243)数据,为后续的理论研究分析奠定基础。