[实用新型]厚松散岩土层底部含水注水沉降变形模拟装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及通过渗流参数控制仪器、光纤光栅应变监测及数据传输设备进行厚松散岩土层底部含水层渗流与变形规律，具体涉及厚松散岩土层底部含水注水沉降变形模拟装置。

背景技术

地层沉降是一种常见地质现象。其缓慢、长期的演变发展，严重时成为地质灾害，威胁构筑物使用和人民生命财产安全，并形成社会危害。大量开采地下资源（包括地下水、石油、天然气和煤炭）和大规模工程建设是地面沉降的主要诱因，如矿山开采引起的覆岩和地表塌陷、过度地下水开采引起的地层沉陷、城市地下工程（如地铁）引起的基础沉降等。由于地下水开采导致松散岩土层固结压缩、地表沉陷已经在世界范围内普遍存在，是当今世界各国不容忽视的环境地质问题。美国全部州均出现由于开采地下矿物(水、油、气)产生不同程度的地表沉降，加利福利亚最大沉降量达9.0mm；日本有59个地区的地表沉降十分显著，地表沉降区的总面积已超过9520 km²，东京最大沉降量达4.6m。我国目前已经有17个省份的96个城市和地区发生了地面沉降，年沉降速度为10~56mm/a，北京市沉降量大于200mm的地区达350 km²，天津地表最大下沉量达3.9l6m，西安大雁塔塔身倾斜1002.7mm。

我国华东地区的淮北、淮南、大屯、徐州、兖州、枣庄、永夏、巨野等产煤矿区，开采以立井为主，立井井筒穿过深厚的第四系松散地层，在煤矿生产过程中立井井筒变形破坏是该地区煤矿安全生产的主要灾害之一（如兖矿13个、大屯5个、徐州9个、淮南4个、淮北14个井筒发生井壁变形破坏）。华东地区地层系统自上而下分别为第四系(Q)、侏罗系(J)、二叠系(P)、石炭系(C)和奥陶系(O)。第四系(Q)松散岩土层覆盖深厚，分布不均，一般200~400m，一些地方达600~800m，分为上、中、下三组，上、下组为含水层组，中组为隔水层组。目前，在井壁破坏治理和预防中，对破裂井壁结构形成了以卸压槽为主结合破壁注浆堵水和井圈加固的治理方法，对注浆法治理井壁破裂的机制、注浆参数和井壁应变监测进行相关的研究。然而注浆或注水的下组含水层埋藏深度超过90m，上覆地层压力较大，且深部注浆工程的隐蔽性较强，浆液的凝固和扩散范围较难控制。治理以井壁破坏后为主，难度大，影响生产、费用高且由于井壁整体性已遭到破坏，治理效果不理想。

第四系松散岩土层下组含水层的水位下降和补给不充分，是该地区造成众多井壁破坏的主要原因，通过补充含水层水位，可以控制由此引起的松散岩土层压缩和沉降，从而减少附加应力，防止立井井壁的破坏。

目前，地层变形模拟试验装置变形测试方法主要有百分表测量、位移传感器测量、全站仪测量和近景摄影测量，以上所有测试方法只能测量模型外部变形和整体变形，不能对模型内部变形和应变进行测量。传统的应变检测手段主要有电阻应变计式、差动电阻应变计式、钢弦式和液压枕式等几类传感器，同时国内外有学者采用声频应力波检测的方法和探地雷达，小波分析等方法。这些机电类敏感元器件已大量使用，并已有成熟的技术，尤其是电阻应变计的长期稳定性、温度漂移、零点稳定和长距离传输问题得到较好的解决。但这些传感器仍存在防潮、防水、抗干扰性能差，不能实现分布式测量等缺点。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种监测设备完善、测试灵敏度及精度高、易于操作、无线数据传输、重复造作、试验周期短，实现内部应变分布测量的厚松散岩土层底部含水层注水沉降变形模拟装置。

为了克服现有技术的不足，本实用新型的技术方案是这样解决的：该系统装置由模型桶、恒压注水泵、流量仪、注水管、测压管、百分表、顶部注水法兰、侧部排水法兰、底部排水法兰、第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器、第三光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、光缆、计算机和远程数据传输设备组成，本发明的特殊之处在于所述模型桶一端与顶部注水法兰连接、另一端与底部排水法兰连接，其中模型桶的一侧与侧部排水法兰连接、另一侧与测压管连接；所述恒压注水泵一端与水源连接、另一端与流量仪一端连接，流量仪另一端与注水管连接，注水管另一端通过顶部注水法兰与模型桶内腔的注水花管连接，模型桶内腔底部与穿孔板连接，所述光缆一端通过顶部注水法兰和模型桶内腔依次间隔分别与第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器、第三光纤光栅传感器连接，所述光缆另一端依次分别与光纤光栅解调仪、计算机、远程传输设备连接，所述百分表与顶部注水法兰连接。

所述模型桶内部间隔置有至少3个光纤光栅传感器。