地下结构物阻断地下水渗流的模拟装置

摘要

一种建筑工程技术领域的地下结构物阻断地下水渗流的模拟装置，包括：水箱、模型箱、挡板、潜水含水层、隔水层、承压含水层、位移计和水位观测管，其中：水箱与模型箱相连，模型箱内竖直设有若干挡板，潜水含水层、隔水层和承压含水层由上而下依次水平铺设于模型箱内，位移计竖直安装在潜水含水层的表面，水位观测管竖直埋设于模型箱的承压含水层中且依次贯穿潜水含水层和隔水层。本发明能够方便有效地观测和研究有地下构筑物存在的土体中各时刻的地下水三维渗流和土体变形情况，通过分析水头变化和地面沉降分布等试验结果，为设计和施工提供真实、准确和有效的参数，以保障城市地下工程建设的高效和安全。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种建筑施工技术领域的装置，具体是一种地下结构物阻断地下水渗流的模拟装置。

背景技术

随着大规模的城市建设，地下构筑物的数量逐渐增多。作为城市资源的一部分，地下空间日益受到重视，城市中出现了地下室、地下铁道、地下商场等各种地下建筑。与此同时，地上空间的开发就产生了许多地下连续墙、沉井、桩基础等地下结构物。地下结构物的存在会改变地质环境，而且有些改变是永久性的、难以恢复的。地下结构物对地下水的流动形成阻碍，造成不同程度的地面沉降。在含水层中有地下构筑物插入时，构筑物两边存在明显的水位差，引起下游侧地下水位降低。若下游侧水位降低现象的持续时间较长，将引起下游侧的土体不断压缩变形，产生较大的地表沉降；若下游侧水位降低现象的作用范围很大，将产生大面积的地面沉降，对环境造成不利的影响。这种地下构筑物对地下水渗流和地面沉降的影响可以通过室内模型试验观察分析。传统的渗流试验装置多是一维的，一般只能测试土体渗透系数试验或一维均匀渗流条件的临界水力梯度，不能较好地模拟实际工程中的地下构筑物对地下水三维渗流与地面沉降的影响。

经对现有的技术文献检索发现，中国专利文献号CN 201265164A，公开日2009-7-1，记载了一种“基坑工程渗透破坏模型试验装置”，该技术由模型槽、水位控制、水头测量、变形测量四个部分组成。能够模拟基坑工程的渗流场、应力场和变形场，再现基坑工程的渗透破坏情况，克服了现有土体渗透破坏试验装置只能反映一维渗流的缺陷。但该装置仅限于有地下连续墙存在的基坑工程中的渗流破坏，不能模拟不破坏条件下地下构筑物的存在对周围环境的影响及引起的地面沉降问题，即不能实时模拟桩体、地铁、地下管道等地下结构物对地下水渗流和地面沉降的影响情况，尤其是地下结构物对承压水渗流的影响和引起的地面沉降问题。

发明内容

本发明针对上述现有试验装置的不足，提供一种地下结构物阻断地下水渗流的模拟装置，能够方便有效地观测和研究有地下构筑物存在的土体中各时刻的地下水三维渗流和土体变形情况，通过分析水头变化和地面沉降分布等试验结果，为设计和施工提供真实、准确和有效的参数，以保障城市地下工程建设的高效和安全。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：水箱、模型箱、挡板、潜水含水层、隔水层、承压含水层、位移计和水位观测管，其中：水箱与模型箱相连，模型箱内竖直设有若干挡板，潜水含水层、隔水层和承压含水层由上而下依次水平铺设于模型箱内，位移计竖直安装在潜水含水层的表面，水位观测管竖直埋设于模型箱的承压含水层中且依次贯穿潜水含水层和隔水层。

所述的模型箱内侧设有卡槽，所述的挡板活动设置于卡槽内。

所述的潜水含水层是厚度为0.2～0.4m的粉土或砂土。

所述的隔水层是厚度为0.2～0.4m的粘土。

所述的承压含水层是厚度为0.2～0.4m的砂土。

所述的水位观测管包括：管体、浮子和封口滤布，其中：管体为两端通透的透明管，管壁上标有刻度；浮子活动设置于管体内部，漂浮在液面上；封口滤布固定设置于管体的下端。

所述的位移计用以测量由水位变化引起的土体变形。

与现有技术相比，本发明能够模拟地下结构物的存在对地下水渗流和地面沉降的影响，再现其复杂的渗流场、应力场和变形场，克服现有的土体渗流模型试验仅能模拟有地下连续墙存在的一维渗流和破坏的缺陷。通过调整填土高度可以模拟基坑开挖过程中地下连续墙存在对地下水渗流的影响情况和引起的上、下游的地层变形与地表沉降变化情况。通过调整挡板的插入深度可以模拟基坑工程中围护结构插入承压含水层的深度对承压水渗流的影响和引起的地面沉降分布情况。通过更换不同形式的挡板，可以模拟不同形式的地下结构物对地下水渗流和地面沉降的影响。它适用于地下结构物对地下水渗流和地面沉降影响的验证，可以为设计和施工提供经验和建议参数，也适用于岩土工程和水利工程专业的教学与科研。

附图说明

图1为地下构筑物对地下水渗流与地面沉降影响的模型试验装置示意图；

图2为承压水渗流模型试验中的地表沉降观测装置示意图；

图3为承压水渗流模型试验中的水位观测装置示意图；

图4为承压水渗流模型试验中纵轴线上不同时刻的承压水水位分布图；

图5为承压水渗流试验中纵轴线上不同时刻的地表沉降分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和试验过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图2和图3所示，本实施例包括：水箱1、模型箱2、挡板3、潜水含水层4、隔水层5、承压含水层6、水位观测管7和位移计8，其中：水箱1与模型箱2相连，模型箱2内竖直设有若干挡板3，潜水含水层4、隔水层5和承压含水层6由上而下依次水平铺设在模型箱2内，位移计8布置于潜水含水层4的上表面，水位观测管7竖直埋设于模型箱2内的承压含水层6中，并贯穿潜水含水层4和隔水层5。

所述水箱1通过软管12与模型箱2连接，水箱1中的水位可以保持固定值。

所述的模型箱2内设有卡槽9，所述的挡板3活动设置于卡槽9内；

所述的模型箱2的两侧分别设有进水孔10和排水孔11，进水孔10通过软管12连接至水箱1，排水孔11由软管12连接至排水通道，所述的进水孔10和排水孔11处设有滤布，以尽量避免水流渗透带走土体中的细小颗粒。

所述的模型箱2的外加有三道水平钢支撑，防止模型箱2在水土压力作用下产生较大的侧向变形。

所述的位移计8下部布置玻璃片13，其中：玻璃片13平放在位移计8末端和潜水含水层4的上表面之间。

所述的水位观测管7包括：管体、浮子14和封口滤布15，其中：管体为两端通透的有机玻璃管，内径为20～30mm，管壁上设有刻度；浮子14活动设置于管体的内部；封口滤布15外包并固定于管体下端的管口试验水位为浮子14顶部对应的管体上的刻度减去漂在液面以上的浮子长度。

所述的封口滤布15为200目不锈钢滤布，孔径为0.075mm。

所述的浮子14由空心塑料管制成，两端封闭，内置塑料泡沫以增大浮力。

如图2所示，所述的潜水含水层4为厚度是0.3m的砂土层，其组分及含量为粉土10％，细砂85％，中砂5％，土粒比重为2.463，孔隙比为0.705。

所述的隔水层5为厚度是0.3m的粘土层，干密度为1.486，土粒比重为2.701。

所述的承压含水层6为厚度是0.3m的砂土层，其组分及含量为粉土10％，细砂85％，中砂5％，土粒比重为2.463，孔隙比为0.689。

本实施例包括所述装置通过以下方式进行地下水渗流试验的模拟：

(1)分层铺土，洒水养护。

将试验土逐层均匀地铺平在模型箱2内，每层50mm厚，确保土层在同一水平面上，并洒水养护。

(2)在卡槽9内插入挡板3。

当铺土至挡板3的下部位置时，应在卡槽9内插入挡板3。在卡槽9与挡板3接缝处粘结止水泡沫，并沿卡槽9与挡板3的接缝用封水胶带粘结挡板3与模型箱2的内侧壁，确保挡板3与模型箱2紧密相接，防止水沿卡槽9与挡板3的接缝处漏水。

(3)垂直埋设水位观测管7。

当铺土至水位观测点的位置时，应垂直埋设水位观测管7，并在管内投入浮子14以观测试验水位，管口附近应围填中粗砂，防止细小的土体颗粒进入管内。

(4)安装位移计8。

整个铺土过程完成后，在设计的沉降观测点的位置上放置玻璃片13，并在支架上安装位移计8，位移计8得到的数据经由应力应变转换仪处理成真实的地表沉降值。

(5)注水加压。

将水箱1的位置调整为试验所需初始水头对应的位置后，打开进水阀门16为模型箱2内的土体注水加压使含水层饱和，至含水层中各处水位均为试验所需的上游水位时关闭进水阀门16。注水过程中可以通过水位观测管7中的浮子14随时观测试验水位。

(6)自重固结。

保持各水位观测管7内的试验水位为上游水位不变，待土层在自重作用下固结。当模型箱2中各沉降观测点处的位移计8的数据不再变化时，则表示自重固结已经基本完成。

(7)渗流试验。

保持上游水位不变，将排水软管12的出口处设置为试验所需的下游水位后，同时打开进水阀门16和排水阀门17进行渗流试验。试验过程中应实时观测水位、地表沉降，以得到在一定水头差情况下不同时刻的承压水渗流场和土体变形场的变化情况，分析地下结构物对承压水渗流影响和引起的地表沉降的分布与变化情况。

图4为应用该试验系统所得承压水渗流试验中在不同时刻时承压水水位的变化情况，其中上游的水位保持为640mm。挡板对于地下水的渗流具有明显的阻隔作用：上游侧的承压水水头下降较慢，下游侧的承压水水位下降较快，挡板两侧的观测点处的承压水水位存在明显的水位差。试验进行4分钟时，下游侧观测点处承压水水头由640mm下降为562mm，挡板两侧的观测点的承压水水头分别为624mm和602mm，承压水水头差为22mm，挡板的挡水效果显著。试验进行8分钟时，下游侧观测点处承压水水头为553mm，挡板两侧的观测点处的承压水水头差为19mm。试验进行12分钟以后，承压水水头变化缓慢，逐渐趋于稳定。试验进行16分钟时，下游侧观测点处的承压水水头为540mm，挡板两侧的观测点处的承压水水头差为20mm。

图5为应用该试验系统所得承压水渗透试验中在不同时刻地表沉降分布图，其中上游的水位保持为640mm。由于挡板的挡水作用，上游侧的承压水水头变化较小，引起的土体变形较小，下游侧的承压水水头变化较大，产生较大的地面沉降。试验进行4分钟时，下游侧最大地表沉降为0.142mm，挡板两侧的观测点处的地表沉降值之差为0.04mm。试验进行8分钟时，下游侧最大地表沉降为0.164mm，挡板两侧的观测点处的沉降值之差为0.045mm。试验进行12分钟时，下游侧最大地表沉降为0.168mm，挡板两侧的观测点处的沉降差为0.047mm。试验进行16分钟时，地表沉降发展趋于稳定，下游侧最大地表沉降值接近0.2mm，挡板两侧的观测点处的地表沉降值之差约为0.05mm。

改变水箱1的初始水位，即可得到不同水头差作用下，地下结构物对承压水渗流和地面沉降的影响。改变挡板3插入承压含水层的深度，即可得到在不同埋深条件下，地下结构物对承压水渗流和地面沉降的影响。改变挡板3的宽度，即挡板仅阻隔模型箱2中的部分横截面，使得承压水可以从挡板的下部和侧面绕过自高水头区域向低水头区域渗流，即可得到不同的隔水断面形式时地下结构物对承压水三维渗流和地面沉降的影响。将试验土4、5、6均换成砂土，可以得到地下结构物对潜水渗流的影响和地面沉降的分布情况。