[发明专利]一种定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置及方法

说明书

本发明提供一种定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置及方法，所述装置包括模型主体、供水单元、恒压砂土收集单元、渗流场监测单元与地面变形监测单元。所述模型主体为岩溶覆盖层与岩溶基岩模拟设备，包括覆盖层腔体及位于覆盖层腔体下部且连通的岩溶地层腔体，所述供水单元包括与覆盖层腔体连通的覆盖层供水单元和岩溶地层腔体连通的岩溶供水单元；所述恒压砂土收集单元用于在岩溶塌陷全过程、维持岩溶水位恒定的情况下，采集不同时刻岩溶塌陷沙土量，定量评估塌陷演化过程。本发明通过监测覆盖层渗流场和覆盖层塌陷沙漏量动态变化，定量研究岩溶塌陷过程。

技术领域

本发明涉及工程地质灾害模拟技术领域，具体是一种定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置及方法。

背景技术

岩溶塌陷是我国六大地质灾害之一，对我国人民的生命和财产造成重大损失。岩溶塌陷是指隐伏在覆盖层下的可溶岩中存在岩溶空洞，在自然或人为因素作用下，覆盖层物质沿岩溶通道进入岩溶空洞，引起覆盖土体发生漏失，导致地面出现塌陷的自然现象。目前对岩溶塌陷的研究几乎都是以岩溶塌陷的最终形态为研究对象展开的，以定性研究为主，难以了解岩溶塌陷过程，导致了对塌陷形成机制的认识不够全面与深入，未形成统一认识。

采用岩溶物理模型试验可再现岩溶塌陷的过程，提升对岩溶塌陷演化本质的理解，但目前的模型试验研究的重点仍然是揭示塌陷影响因素或严重塌陷理论的正确性，目前利用物理模型试验研究岩溶塌陷过程，主要是考虑岩溶开口与地下水动力条件对塌陷发育过程的影响，无法在保持岩溶管道单元压力稳定的条件下进行岩溶塌陷漏失砂土进行定时采集，缺乏定量研究岩溶塌陷过程的方法与技术，特别是如何获得塌陷过程中岩溶覆盖层塌陷程度。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明专利提供了一种定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置及方法，其可通过监测覆盖层渗流场和覆盖层塌陷沙漏量动态变化，定量研究岩溶塌陷过程。

一种定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置，包括模型主体、供水单元、恒压砂土收集单元、渗流场监测单元与地面变形监测单元。

所述模型主体由透明有机玻璃材料制成腔体结构，包括覆盖层腔体及位于覆盖层腔体下部且连通的岩溶地层腔体，所述覆盖层腔体中填充粉细砂地层，所述岩溶地层腔体中填充裂隙水泥块体。

所述供水单元包括与覆盖层腔体连通的覆盖层供水单元和岩溶地层腔体连通的岩溶供水单元。

所述恒压砂土收集单元由透明有机玻璃材料制成，包括恒压取样腔、位于恒压取样腔下部的泥沙收集腔、排气单元，所述岩溶地层腔体通过第一连接管道与恒压取样腔连接，第一连接管道上设有第一控制阀，恒压取样腔通过第二连接管道与泥沙收集腔连接，第二连接管道上设有第二控制阀，第二连接管道通过排气单元与大气接通，恒压取样腔通过第三连接管道与岩溶供水单元连通，第三连接管道上设有第三控制阀，泥沙收集腔通过第四连接管道与岩溶供水单元连通，第四连接管道上设有第四控制阀；泥沙收集腔的下部管道设有泥沙收集腔控制阀。

所述渗流场监测单元包括设于覆盖层腔体的土壤水位压力传感器及土壤水位压力传感器连接压力数值采集仪。

所述地面变形监测单元为摄像单元，用于拍摄模型主体表面和模型主体侧面，全程观测岩溶塌陷发生过程。

进一步的，所述覆盖层腔体的两侧设有覆盖层供水槽，通过管道与覆盖层供水单元连通，供水槽通过多孔透水板与覆盖层腔体连，以提供稳定水头。

进一步的，所述恒压取样腔、所述泥沙收集腔为两个漏斗形收集腔体。

进一步的，所述排气单元包括泡沫过滤体和排气导管，所述排气导管的一端伸入第二连接管道内，端头部分内填充有泡沫过滤体，另一端伸出第二连接管道与大气接通，所述排气导管上设有控制阀。

进一步的，第三连接管道和第四连接管道分别与恒压取样腔和泥沙收集腔连通，其端头部分设有泥沙过滤单元，泥沙过滤单元的作用是过滤泥沙，防止排气单元、第三连接管道和第四连接管道淤积。