本發明涉及工程地質災害模擬技術領域，具體是一種定量研究巖溶塌陷的試驗模擬裝置及方法。

背景技術：

巖溶塌陷是我國六大地質災害之一，對我國人民的生命和財產造成重大損失。巖溶塌陷是指隱伏在覆蓋層下的可溶巖中存在巖溶空洞，在自然或人為因素作用下，覆蓋層物質沿巖溶通道進入巖溶空洞，引起覆蓋土體發生漏失，導致地面出現塌陷的自然現象。目前對巖溶塌陷的研究幾乎都是以巖溶塌陷的最終形態為研究對象展開的，以定性研究為主，難以了解巖溶塌陷過程，導致了對塌陷形成機制的認識不夠全面與深入，未形成統一認識。

采用巖溶物理模型試驗可再現巖溶塌陷的過程，提升對巖溶塌陷演化本質的理解，但目前的模型試驗研究的重點仍然是揭示塌陷影響因素或嚴重塌陷理論的正確性，目前利用物理模型試驗研究巖溶塌陷過程，主要是考慮巖溶開口與地下水動力條件對塌陷發育過程的影響，無法在保持巖溶管道單元壓力穩定的條件下進行巖溶塌陷漏失砂土進行定時采集，缺乏定量研究巖溶塌陷過程的方法與技術，特別是如何獲得塌陷過程中巖溶覆蓋層塌陷程度。

技術實現要素：

針對現有技術存在的上述不足，本發明專利提供了一種定量研究巖溶塌陷的試驗模擬裝置及方法，其可通過監測覆蓋層滲流場和覆蓋層塌陷沙漏量動態變化，定量研究巖溶塌陷過程。

一種定量研究巖溶塌陷的試驗模擬裝置，包括模型主體、供水單元、恒壓砂土收集單元、滲流場監測單元與地面變形監測單元。

所述模型主體由透明有機玻璃材料制成腔體結構，包括覆蓋層腔體及位于覆蓋層腔體下部且連通的巖溶地層腔體，所述覆蓋層腔體中填充粉細砂地層，所述巖溶地層腔體中填充裂隙水泥塊體。

所述供水單元包括與覆蓋層腔體連通的覆蓋層供水單元和巖溶地層腔體連通的巖溶供水單元。

所述恒壓砂土收集單元由透明有機玻璃材料制成，包括恒壓取樣腔、位于恒壓取樣腔下部的泥沙收集腔、排氣單元，所述巖溶地層腔體通過第一連接管道與恒壓取樣腔連接，第一連接管道上設有第一控制閥，恒壓取樣腔通過第二連接管道與泥沙收集腔連接，第二連接管道上設有第二控制閥，第二連接管道通過排氣單元與大氣接通，恒壓取樣腔通過第三連接管道與巖溶供水單元連通，第三連接管道上設有第三控制閥，泥沙收集腔通過第四連接管道與巖溶供水單元連通，第四連接管道上設有第四控制閥；泥沙收集腔的下部管道設有泥沙收集腔控制閥。

所述滲流場監測單元包括設于覆蓋層腔體的土壤水位壓力傳感器及土壤水位壓力傳感器連接壓力數值采集儀。

所述地面變形監測單元為攝像單元，用于拍攝模型主體表面和模型主體側面，全程觀測巖溶塌陷發生過程。

進一步的，所述覆蓋層腔體的兩側設有覆蓋層供水槽，通過管道與覆蓋層供水單元連通，供水槽通過多孔透水板與覆蓋層腔體連，以提供穩定水頭。

進一步的，所述恒壓取樣腔、所述泥沙收集腔為兩個漏斗形收集腔體。

進一步的，所述排氣單元包括泡沫過濾體和排氣導管，所述排氣導管的一端伸入第二連接管道內，端頭部分內填充有泡沫過濾體，另一端伸出第二連接管道與大氣接通，所述排氣導管上設有控制閥。

進一步的，第三連接管道和第四連接管道分別與恒壓取樣腔和泥沙收集腔連通，其端頭部分設有泥沙過濾單元，泥沙過濾單元的作用是過濾泥沙，防止排氣單元、第三連接管道和第四連接管道淤積。

進一步的，所述泥沙過濾單元為泡沫過濾體。

一種定量研究巖溶塌陷的試驗模擬方法，其特征在于使用上述裝置進行，所述方法包括如下步驟：

調整巖溶地層腔體與覆蓋層腔體地下水位至設計水位，維持覆蓋層腔體中地下水不變，通過巖溶供水單元逐漸降低巖溶地層腔體水位。

采集泥沙樣之前，關閉泥沙收集腔控制閥、排氣單元，打開第一控制閥、第二控制閥、第三控制閥和第四控制閥，此時覆蓋層腔體中的水位與覆蓋層供水單元中的水位相同，巖溶地層腔體、恒壓取樣腔、排氣單元中的氣壓均與巖溶供水單元的水壓相同。

塌陷發生后，泥沙經過恒壓取樣腔進入泥沙收集腔并沉積，當開始進行采集泥沙樣時，維持覆蓋層供水單元中的水位不變，調整巖溶供水單元水位以保持巖溶管道中的水位不變，關閉第二控制閥和第四控制閥，打開排氣單元和泥沙收集腔控制閥，泥沙水在短時間內全部收集；

待收集完樣品后，關閉泥沙收集腔控制閥，打開第四控制閥，讓巖溶供水單元中的水進入泥沙收集腔，完成補水和排氣，待泥沙收集腔完全被水充滿后，關閉排氣單元，打開第二控制閥，進行下一輪巖溶塌陷泥沙采集。

進一步的，試驗開始前，在覆蓋層腔體平面上以巖溶口為中心，沿橫縱方向分別距離該中心100mm、100mm和150mm布設一土壤水位壓力傳感器，埋設深度距離基巖面5cm；在巖溶口垂直剖面上，每隔100mm埋設一土壤水位壓力傳感器，用氣動管將土壤水位壓力傳感器與壓力數值采集儀相連，動態監測覆蓋層地下水滲流場變化。

進一步的，攝像單元在試驗過程中攝模型主體表面和模型主體側面，全程觀測巖溶塌陷發生過程。

本發明通過模型主體的覆蓋層腔體和巖溶地層腔體模擬巖溶覆蓋層與巖溶基巖，通過調節與覆蓋層腔體和巖溶地層腔體連通的兩個供水單元水位條件，可模擬不同地下水動力條件下的巖溶塌陷過程，在試驗時維持覆蓋層腔體中地下水不變，通過巖溶供水單元逐漸降低巖溶地層腔體水位，通過管道與控制閥門、排氣單元的配合，保證在收集泥沙樣過程中，巖溶管道中的水位保持不變，實現連續取樣，這樣結合巖溶塌陷量動態、覆蓋層滲流場動態以及覆蓋層表面地面塌陷動態等數據，可綜合定量研究巖溶塌陷過程，為進一步研究巖溶塌陷機理提供了技術方法，具有重要的理論與現實意義。

附圖說明

圖1是本發明定量研究巖溶塌陷的試驗模擬裝置其中一個實施例的結構示意圖；

圖2是圖1中a部分的放大示意圖；

圖3是圖1中b部分的放大示意圖；

圖4是圖1中c部分的放大示意圖。

圖中：1—覆蓋層腔體、2—覆蓋層供水槽、3—覆蓋層供水單元、4—巖溶通道、5—土壤水位壓力傳感器、6—巖溶地層腔體、7—固件、8—恒壓取樣腔、9—排氣單元、10—泥沙收集腔、11—攝像單元、12—巖溶供水單元、13—第一控制閥、14—泥沙過濾單元、15—第二控制閥、16—連通管、17—第三控制閥、18—第四控制閥、19—泥沙收集腔控制閥、20—螺紋鋼釘、21—泡沫過濾體、22—排氣導管。

具體實施方式

下面將結合本發明中的附圖，對本發明中的技術方案進行清楚、完整地描述。

圖1所示為本發明定量研究巖溶塌陷的試驗模擬裝置其中一個實施例的結構示意圖，所述定量研究巖溶塌陷的試驗模擬裝置包括模型主體、供水單元、恒壓砂土收集單元、滲流場監測單元與地面變形監測單元。

所述模型主體為巖溶覆蓋層與巖溶基巖模擬設備，由透明有機玻璃材料制成腔體結構，包括覆蓋層腔體1及位于覆蓋層腔體1下部且連通的巖溶地層腔體6，所述模型主體可為長方體結構，厚度為12mm，長為1000mm，寬1000mm，高500mm。所述覆蓋層腔體1中填充粉細砂地層，所述巖溶地層腔體6中填充裂隙水泥塊體。

請一并參考如圖2，所述巖溶地層腔體6中設有與覆蓋層腔體1連通的巖溶通道4，巖溶通道4與覆蓋層腔體1相接的入口為巖溶口。第一連接管道通過固件7與巖溶地層腔體6固定，固件7可通過螺紋鋼釘20固定于巖溶地層腔體6底部，所述固件7可為法蘭盤。

所述供水單元包括覆蓋層供水單元3和巖溶供水單元12，兩供水單元相互獨立，分別與覆蓋層腔體1與巖溶地層腔體6連接，以控制覆蓋層腔體1和巖溶地層腔體6中地下水水位。通過調節兩個供水單元水位條件，可模擬不同地下水動力條件下的巖溶塌陷過程。供水單元采用溢流原理精確控制水位變化，控制精度為1mm。覆蓋層腔體1的兩側設有覆蓋層供水槽2，通過管道與覆蓋層供水單元3連通；巖溶地層腔體6通過連通管16與巖溶供水單元12連通。覆蓋層供水單元3和巖溶供水單元12由有機玻璃桶制成，直徑300mm，高5000mm，厚度20mm，分別控制覆蓋層腔體1和巖溶地層腔體6的水位變化。

所述覆蓋層腔體1兩側為多孔透水板，供水槽2通過多孔透水板與覆蓋層腔體1連通，即供水槽2中的水通過該多孔透水板進入模型主體中。多孔透水板的孔直徑8為mm，孔間距為50mm，為模型主體提供穩定水頭。

所述恒壓砂土收集單元用于在巖溶塌陷全過程、維持巖溶水位恒定的情況下，采集不同時刻巖溶塌陷沙土量，定量評估塌陷演化過程。所述恒壓砂土收集單元由透明有機玻璃材料制成，包括恒壓取樣腔8、位于恒壓取樣腔8下部的泥沙收集腔10、排氣單元9。所述巖溶地層腔體6中的巖溶通道4通過第一連接管道與恒壓取樣腔8連接，第一連接管道上設有第一控制閥13。恒壓取樣腔8通過第二連接管道與泥沙收集腔10連接，第二連接管道上設有第二控制閥15，所述第二控制閥15為球形閥，可實現巖溶塌陷過程中采集塌陷砂土的同時，能維持巖溶腔體壓力不變。所述恒壓取樣腔8、所述泥沙收集腔10為兩個漏斗形收集腔體，分別單獨與供水單元(例如巖溶供水單元12)相連接，具體的，恒壓取樣腔8通過第三連接管道與巖溶供水單元12連通，第三連接管道上設有第三控制閥17，泥沙收集腔10通過第四連接管道與巖溶供水單元12連通，第四連接管道上設有第四控制閥18。泥沙收集腔10的下部管道設有泥沙收集腔控制閥19。

在泥沙收集腔10采樣(即打開泥沙收集腔控制閥19)時，此時該泥沙收集腔10內壓力降低，但可以通過關閉第二控制閥15，維持恒壓取樣腔8中的壓力不變，即始終和巖溶供水單元12中的水位壓力一致。如果恒壓取樣腔8中的壓力不能維持恒定，或者明顯下降，會嚴重導致巖溶塌陷發生，會使得與實際情況嚴重不符，對試驗結果產生嚴重偏離。即恒壓取樣腔8的作用就是在保障在取樣的過程中，維持巖溶管道中壓力水頭恒定不變。

泥沙收集腔10的作用是采集砂土。當砂土采集完后，打開第四控制閥18，向泥沙收集腔10中注水，逐漸恢復該腔體中的壓力，待壓力恢復到和巖溶供水單元12相同后，恒壓取樣腔8和泥沙收集腔10中的壓力完全一樣，打開第二控制閥15，這樣就不會造成巖溶管道中的壓力發生變化。

請一并參考如圖3，第二連接管道中設有排氣單元9，所述排氣單元9包括泡沫過濾體21和排氣導管22，所述排氣導管22的一端伸入第二連接管道內，端頭部分內填充有泡沫過濾體21，另一端伸出第二連接管道與大氣接通，所述排氣導管22上設有控制閥。排氣單元9的作用是在泥沙收集腔9釋放腔體中的泥沙混合物后，充水恢復其中壓力時，通過排氣單元9將腔體中的空氣全部排出，以免氣體溢出對塌陷過程造成影響。

請一并參考如圖3，第三連接管道和第四連接管道分別與恒壓取樣腔8和泥沙收集腔10連通的端頭部分設有泥沙過濾單元14，所述泥沙過濾單元14由泡沫過濾體21組成，其作用是過濾泥沙，防止排氣單元9的排氣導管22和巖溶供水單元12與恒壓取樣腔體8和泥沙收集腔10的連接管道(第三連接管道和第四連接管道)淤積，影響壓力傳導。

所述滲流場監測單元包括設于覆蓋層腔體1的土壤水位壓力傳感器5及土壤水位壓力傳感器5連接壓力數值采集儀，所述土壤水位壓力傳感器5由多孔銅管制成，在銅管外出包裹兩層80目尼龍網格，用氣動管將傳感器與壓力數值采集儀相連，動態監測覆蓋層地下水滲流場變化。考慮到傳感器尺度與數量對物理模型的影響，則土壤水位壓力傳感器5設置尺寸為直徑20mm，長度100mm。在覆蓋層腔體1平面上以巖溶口為中心，沿橫縱方向分別距離該中心100mm、100mm和150mm布設一土壤水位壓力傳感器5，埋深深度距離基巖面5cm；在巖溶口垂直剖面上，每隔100mm埋深一土壤水位壓力傳感器5，壓力數值采集儀精度為1mm。

所述地面變形監測單元為攝像單元11，攝像單元11固定在三腳架上，用于拍攝模型主體表面和模型主體側面，全程觀測巖溶塌陷發生過程。

本發明的工作原理：當巖溶地層腔體6與覆蓋層腔體1地下水位調整至設計水位后，維持覆蓋層腔體1中地下水不變，通過巖溶供水單元12逐漸降低巖溶地層腔體6水位，研究巖溶塌陷發育過程。通過滲流場監測單元、地面變形監測單元以及恒壓砂土收集單元的透明觀測窗判斷巖溶塌陷發育時，在不同的時刻采集塌陷泥沙量。

采集泥沙樣之前，關閉泥沙收集腔控制閥19、排氣單元9，打開第一控制閥13、第二控制閥15、第三控制閥17和第四控制閥18，此時覆蓋層腔體1中的水位與覆蓋層供水單元3中的水位相同，巖溶地層腔體6、恒壓取樣腔8、排氣單元9中的氣壓均與巖溶供水單元12的水壓相同；

塌陷發生后，泥沙經過恒壓取樣腔8進入泥沙收集腔10并沉積，當開始進行采集泥沙樣時，維持覆蓋層供水單元3中的水位不變，調整巖溶供水單元12水位以保持巖溶管道中的水位不變，關閉第二控制閥15和第四控制閥18，打開排氣單元9和泥沙收集腔控制閥19，泥沙水在很短的時間(30s)內全部收集。

待收集完樣品后，關閉泥沙收集腔控制閥19，打開第四控制閥18，讓巖溶供水單元12中的水在很短的時間內(30s)進入泥沙收集腔10，完成補水和排氣。待泥沙收集腔10完全被水充滿后，打開第二控制閥15，進行下一輪巖溶塌陷泥沙采集。通過恒壓砂土收集單元實現了不同時刻巖溶塌陷量采集，可定量評價塌陷過程中巖溶塌陷程度。

通過覆蓋層中滲流場監測單元5，可動態監測塌陷過程中覆蓋層中滲流場變化，可定量識別巖溶觸發的臨界水力比降，該參數對巖溶塌陷機理與防治研究具有重要意義。

本發明通過固定巖溶覆蓋層地下水位不變，上升或降低巖溶管道水位，觸發巖溶塌陷發生，通過管道與控制閥門、排氣單元的配合，保證在收集泥沙樣過程中，巖溶管道中的水位保持不變，通過埋設在覆蓋層中的地下水監測單元監測覆蓋層滲流的動態變化，以定量確定巖溶塌陷發生的臨界水力比降，通過恒壓砂土收集單元，可采集不同時刻巖溶塌陷漏失量，定量巖溶塌陷程度。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何屬于本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。