单层阻水型盖层塌陷成因实验装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种单层阻水型盖层塌陷成因实验装置，属于岩溶塌陷研究技术领域。本发明专利技术可直观表达地下水位升降触发单层岩溶塌陷成因的全过程，直观展现地下水位升降时，溶洞中的压强变化导致的盖层变形与塌陷的演化，并进行相关试验及参数测定。利用本发明专利技术所获得的实验数据和实验规律非常有利于分析和研究水动力条件与单层阻水型盖层岩溶塌陷地质灾害之间的本质关系，尤其为研究溶洞地下水位的变化过程中产生的气压变化、盖层变形、裂缝扩展、进而引发岩溶塌陷等提供了全新的技术手段，也重现了单层阻水型盖层岩溶塌陷过程，揭示了其成因机理，为岩溶塌陷的预防减灾、预警预报体系建立工作提供一定的参考价值。

【技术实现步骤摘要】
单层阻水型盖层塌陷成因实验装置
本专利技术涉及一种单层阻水型盖层塌陷成因实验装置，属于岩溶塌陷研究

技术介绍
岩溶塌陷是指岩溶发育地带具有开口的溶洞上覆盖层土体在内静力、外动力条件等作用下而产生的塌落破坏现象，它一直以来是人们热议的话题之一。我国岩溶区面积363万km2，占国土总面积的1/3以上，其中云、黔、川、桂、湘、渝、鄂、粤等省(市、区)岩溶面积达105.5万km2，是世界上岩溶最发育的国家之一。我国南方可溶岩山区河谷深切，雨水充沛，地下水循环快，补排周期短，导致岩溶化程度高，裂隙～管道型、管道型岩溶较普遍，水动力场复杂多变，成为岩溶塌陷高发区，而岩溶(土洞)塌陷则对公路、铁路等交通枢纽选线、城市工程建设都有较大影响，造成重要的经济损失及危害交通安全，这些将引起人们的恐慌，长期以来影响着区域经济发展及人们生活水平的提高。岩溶水是按赋存介质类型而划分的一类地下水。岩溶水分布在可溶岩体的空隙中。水对可溶岩石进行化学溶解，将空隙扩大为溶穴、溶洞、管道，携带泥沙的急速水流不断冲蚀并扩展岩溶管道，便形成规模越来越大的地下水溶蚀空间，从而导致上覆岩体临空而在重力作用下发生坍塌、崩落，有时这种崩塌会逐渐扩展延伸至地表，使地表塌落等的现象，称之为喀斯特，即岩溶。我国西南山区分布了大面积的可溶岩，受构造运动的影响，形成了地势险要、河谷深切的地貌特征，充足的降雨通过孔隙、裂隙等通道入渗进入岩溶含水层中，地下水循环快、周期短，水的侵蚀性强等特征导致岩溶化程度高，强烈发育的岩溶地带常分布着大量的地下溶蚀空间(溶孔、溶穴、溶隙、溶洞、管道、暗河等)；一方面，这为地下水的存储、运移和富集提供了场所，成为当地宝贵的地下水资源，便于开采利用；另一方面，岩溶地下水的强烈活动，为大规模岩溶地下空间的发育提供了重要的条件，在覆盖层下方形成了零星、线状或带状分布的溶洞，则在溶洞内或溶洞附近，地下水的变动将可能诱发岩溶塌陷。单层阻水型盖层，上覆盖层由某层粘土，亚粘土组成。盖层本身阻水，大气降水难以穿透补给地下水，且盖层透气性差。下伏可溶岩发育有一定规模的溶洞或管道，盖层与地下水无明显水力联系。单层结构盖层，其下伏溶洞地下水位变化可导致盖层稳定性变化。如图1a中，下伏基岩(可溶岩)中发育有一定形态的溶洞，溶洞地下水位保持不变时，上覆均匀盖层由于具有一定的透气性，使得溶洞内地下水位上方的气压与外界大气压相等。而在人类工程活动(如抽水、地下工程建设开挖)等因素可导致溶洞内地下水位下降，由于盖层的相对阻隔，洞内地下水位上方不能与外界保持良好的连通性，洞内气压将小于大气压而出现真空状态，上覆盖层块体在自重力、真空吸蚀力作用下变形破坏，出现塌陷(图1b)。而如果在大气降水、侧向地表水体补给等条件下导致溶洞地下水位上升后，由于盖层的相对封闭性，溶洞地下水位上方的气体被压缩而无法及时与外界大气连通时，洞内气压大于外界大气压强，所产生的正压将对盖层作用垂直向上的致塌力，当大于盖层的抗塌力时，出现塌陷(图1c)。由于岩溶塌陷空间上具有隐蔽性、时间上突发性等特征，对其防治和减灾是当前重要的科研难题之一。目前，为有效减轻岩溶塌陷对人们生产、生活的危害，首先采取的手段即为一般的野外地质调查，但野外调查仅仅局限于对现有的、已发生的塌陷进行详细调查研究，具有明显的片面性。所得到的结果仅能对发生塌陷的点进行治理和减灾。而实质上，潜在的、尚未发生的岩溶塌陷地质灾害才是威胁工程建设和人们生命财产安全的重点，因此仅仅依靠野外的调查并不能从根本上防治区域内的岩溶塌陷。而数值模拟计算近年来成为防治地质灾害的一种高效、低成本的一种技术手段。但一方面，数值模型中的参数选取、对岩溶塌陷地质条件的概化等导致实际计算结果很难与现场的岩溶塌陷相吻合，无法准确为岩溶地区的塌陷地质灾害提供可靠的且实用的数据支撑，导致计算结果可信度不高。GIS平台灾害预警作为一种科学有效的防灾减灾方法，但尚需要大量的基础数据和样本的积累，才能对某一个地区的岩溶塌陷进行预测评价，显然，这也具有一定的不足。岩溶塌陷通常由于具有非常强的隐蔽性和突发性，给人们对岩溶塌陷的认识和研究人员对不同类型的岩溶塌陷成因机理的分析等带来很大的难度，且具有耗时长，成本高，不直观等缺点。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种单层阻水型盖层塌陷成因实验装置，可以直观了解地下水位升降触发单层岩溶塌陷成因的全过程，直观展现地下水位升降时，溶洞中的压强变化导致的盖层变形与塌陷的演化，并进行相关试验及参数测定。为解决上述技术问题本专利技术所采用的技术方案是：单层阻水型盖层塌陷成因实验装置，包括地质体模拟箱、测量系统及注排水系统。地质体模拟箱在其箱体内设置有水平放置的隔板，隔板将地质体模拟箱一分为二，上半区为用于模拟单层阻水型盖层的盖层模拟箱，下半区为用于模拟可溶岩及可溶岩中发育溶洞的溶洞模拟箱；隔板中部开设有用于模拟溶洞开口的孔。测量系统包括测压器和非接触式变形观测系统，测压器设于地质体模拟箱的外侧壁，测压器的测量端穿透溶洞模拟箱的侧壁板与溶洞模拟箱接通；非接触式变形观测系统设于地质体模拟箱顶部上方。注排水系统包括储水箱、中间水箱及水泵，水泵的进水口连通储水箱，水泵的出水口通过第一管道连通中间水箱的进水口，中间水箱的出水口通过第二管道连通溶洞模拟箱的底部，第一管道上设置有第一阀门，第二管道上设置有第二阀门；中间水箱配设有用于驱动其竖向升降的升降系统。进一步的是：中间水箱在其箱体内设置有竖向布置的分隔板，中间水箱四周侧壁板的顶面均高于分隔板的顶面，分隔板将中间水箱一分为二，一侧为供水箱、另一侧为溢流箱，供水箱的底板设置两个连接口，一个连接口用于连接第一管道、另一个连接口用于连接第二管道；溢流箱的底部设置溢流排水口。进一步的是：溢流排水口设于溢流箱的底板上，并通过第三管道连接至储水箱。进一步的是：升降系统包括相互配合的滑块与滑轨，滑块与中间水箱固定相连接，滑轨固定设置在地质体模拟箱的外侧壁，地质体模拟箱的外侧壁还设置有与滑轨平行设置的螺纹杆，螺纹杆与滑块螺纹连接，通过驱动螺纹杆旋转来使得滑块沿着滑轨作升降运动。进一步的是：第二管道连接于溶洞模拟箱的底板上，并且溶洞模拟箱的底板上还连接有排水管道，排水管道的出水端连接至储水箱，排水管道上设置有排水阀。进一步的是：隔板上方设置有单层阻水型盖层，为采用黏性土层制作的均匀土层，黏性土层渗透系数取值范围介于10-6～10-3cm/s之间。进一步的是：地质体模拟箱及隔板均采用有机玻璃板制作，地质体模拟箱设置于储水箱的顶板上。进一步的是：隔板顶面在其中部开孔位置叠设有挡板，挡板在隔板的开孔位置设置有第二开孔，并且第二开孔的直径小于隔板中部开孔的直径。进一步的是：测压器为U型测压管，并排设置多个；非接触式变形观测系统为激光多点位移计。进一步的是：地质体模拟箱的侧壁设置有测量竖向高度的标尺。本专利技术的有益效果是：利用本专利技术所获得的实验数据和实验规律非常有利于分析和研究地下水位与岩溶塌陷地质灾害之间的本质关系。利用本专利技术开展单层阻水盖层塌陷成因模拟试验后，一方面可以为深入研究单层阻水型盖层失稳致塌全过程提供很好的基础条件，尤其为研究溶洞地下水位的变化过程中产生的气压变化、盖层变形、裂缝扩展、进而本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.单层阻水型盖层塌陷成因实验装置，其特征在于：包括地质体模拟箱(1)、测量系统及注排水系统；地质体模拟箱(1)在其箱体内设置有水平放置的隔板(2)，隔板(2)将地质体模拟箱(1)一分为二，上半区为用于模拟单层阻水型盖层(13)的盖层模拟箱(11)，下半区为用于模拟可溶岩及可溶岩中发育溶洞的溶洞模拟箱(12)；隔板(2)中部开设有用于模拟溶洞开口的孔；测量系统包括测压器(4)和非接触式变形观测系统(5)，测压器(4)设于地质体模拟箱(1)的外侧壁，测压器(4)的测量端穿透溶洞模拟箱(12)的侧壁板与溶洞模拟箱(12)接通；非接触式变形观测系统(5)设于地质体模拟箱(1)顶部上方；注排水系统包括储水箱(3)、中间水箱(6)及水泵(7)，水泵(7)的进水口连通储水箱(3)，水泵(7)的出水口通过第一管道(31)连通中间水箱(6)的进水口，中间水箱(6)的出水口通过第二管道(32)连通溶洞模拟箱(12)的底部，第一管道(31)上设置有第一阀门(34)，第二管道(32)上设置有第二阀门(35)；中间水箱(6)配设有用于驱动其竖向升降的升降系统(8)。

【技术特征摘要】
1.单层阻水型盖层塌陷成因实验装置，其特征在于：包括地质体模拟箱(1)、测量系统及注排水系统；地质体模拟箱(1)在其箱体内设置有水平放置的隔板(2)，隔板(2)将地质体模拟箱(1)一分为二，上半区为用于模拟单层阻水型盖层(13)的盖层模拟箱(11)，下半区为用于模拟可溶岩及可溶岩中发育溶洞的溶洞模拟箱(12)；隔板(2)中部开设有用于模拟溶洞开口的孔；测量系统包括测压器(4)和非接触式变形观测系统(5)，测压器(4)设于地质体模拟箱(1)的外侧壁，测压器(4)的测量端穿透溶洞模拟箱(12)的侧壁板与溶洞模拟箱(12)接通；非接触式变形观测系统(5)设于地质体模拟箱(1)顶部上方；注排水系统包括储水箱(3)、中间水箱(6)及水泵(7)，水泵(7)的进水口连通储水箱(3)，水泵(7)的出水口通过第一管道(31)连通中间水箱(6)的进水口，中间水箱(6)的出水口通过第二管道(32)连通溶洞模拟箱(12)的底部，第一管道(31)上设置有第一阀门(34)，第二管道(32)上设置有第二阀门(35)；中间水箱(6)配设有用于驱动其竖向升降的升降系统(8)。2.如权利要求1所述的单层阻水型盖层塌陷成因实验装置，其特征在于：中间水箱(6)在其箱体内设置有竖向布置的分隔板(61)，中间水箱(6)四周侧壁板的顶面均高于分隔板(61)的顶面，分隔板(61)将中间水箱(6)一分为二，一侧为供水箱(62)、另一侧为溢流箱(63)，供水箱(62)的底板设置两个连接口，一个连接口用于连接第一管道(31)、另一个连接口用于连接第二管道(32)；溢流箱(63)的底部设置溢流排水口。3.如权利要求2所述的单层阻水型盖层塌陷成因实验装置，其特征在于：溢流排水口设于溢流箱(63)的底板上，并通过第三...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖先煊，许模，杜锋，蔡国军，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：四川,51