本發明公開了一種用于模型試驗的承壓溶洞水壓加載密封裝置及方法。

背景技術：

突涌水災害是在巖溶隧址區修建隧道過程中常見的地質災害，由于承壓隱伏溶洞的隱蔽性以及強致災性給隧道建設帶來了極大的困難。大型物理模型試驗作為揭示巖溶突水致災機理的重要研究手段，可以實現突水前兆多元信息的采集與分析，對于指導高風險巖溶隧道施工具有重要意義。為研究承壓型隱伏溶洞突涌水災害的致災機理，相應的大型物理模型試驗應運而生，而溶洞水壓的加載作為模型試驗系統建立的重要一步，通常由于密封性問題導致模型試驗結果不準確，甚至試驗的失敗。而且，以往模型試驗中溶洞水壓加載裝置可重復性差，只能針對特定的模擬工況實現水壓加載，密封效果不甚理想，大多通過試驗過程中發現問題針對性的解決問題來達到完全密封的目的，試驗過程效率低下、密封裝置無法重復利用。目前，尚沒有可以重復循環利用，通過氣壓加載裝置實現溶洞水壓加載密封問題的裝置。

技術實現要素：

本發明的目的是為克服上述現有溶洞水壓密封加載裝置的不足，提供一種用于模型試驗的承壓溶洞水壓加載及密封裝置。本發明的水壓加載系統提供模型試驗溶洞所需的外部水源供給以及恒定的水壓力；水壓監測系統是由數顯水壓監測表與水壓報警裝置組成；豎向注水管路是實現溶洞水壓加載的過水通道，與豎向充氣管路并排安置，充氣管路與側部三個相互獨立的高強膜袋相連，通過外部氣壓加載裝置實現膜袋膨脹密封；充氣膜袋與豎向注水管路外側對應位置的微型壓力傳感器對應安置，通過內置的微型壓力傳感器與氣密性效果評估程序，對于達到氣密性要求的情況及時反饋氣壓控制系統，自動關閉氣壓加載系統。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種用于模型試驗的承壓溶洞水壓加載及密封裝置，由水壓加載系統、水壓監測系統、豎向注水管路、豎向充氣管路、充氣膜袋、氣壓加載裝置以及微型壓力傳感器組成；

所述水壓加載系統提供模型試驗溶洞所需的外部水源供給以及恒定的水壓力；所述水壓監測系統是由數顯水壓監測表與水壓報警裝置組成，安裝在水壓加載系統上；所述豎向注水管路為過水通道，其套裝在豎向充氣管路中，所述的豎向充氣管路與側部多個相互獨立的高強膜袋相連通，通過外部氣壓加載裝置充氣來實現膜袋膨脹密封；

所述豎向注水管路外側與充氣膜袋對應位置設置有微型壓力傳感器，通過內置的微型壓力傳感器與氣密性效果評估程序，對于達到氣密性要求的情況及時反饋氣壓控制系統，自動關閉氣壓控制系統。

進一步的，所述密封裝置為可循環利用裝置，通過每次試驗完成后清潔保存即可循環使用。

進一步的，所述膜袋密封裝置與水壓加載系統通過轉相接口連接，為模型試驗提供溶洞所需要的穩定外部水源供給以及恒定的水頭壓力。

進一步的，所述的數顯水壓監測儀安裝在供水管路上，實時關注溶洞水壓變化，對密封裝置的氣密性起到了監測作用；通過設置水壓梯度監測程序實現溶洞水壓陡降的監測報警。

進一步的，待每種工況試驗完畢，通過氣壓加載裝置的排氣按鈕實現膜袋收縮，取出密封裝置。

進一步的，多個相互獨立的高強膜袋沿著所述的豎向充氣管路的軸線方向依次排列。

進一步的，多個高強膜袋均勻排列。

進一步的，所述的微型壓力傳感器與氣壓報警器相連，一旦氣壓報警裝置報警，則氣壓控制系統控制氣壓加載裝置停止加壓。

本發明還提供了一種利用模型試驗的承壓溶洞水壓加載密封裝置進行加載密封的方法，包括以下步驟：

(1)完成模型試驗的填筑工作，在需要完成水壓加載的溶洞上方預留過水通道處安裝膜袋密封裝置，并完成初步固定。

(2)啟動外部氣壓加載裝置，實時關注密封效果監測系統數值顯示，待微型壓力傳感器數值達到密封要求即可關閉氣壓加載裝置，完成膜袋密封處理。

(3)啟動水壓加載系統由豎向注水管路向溶洞內注水，時刻關注水壓報警器與壓力表，對于出現水壓力陡降情況認為氣密性出現問題，立即再次啟動外部氣壓加載裝置，完成氣密性的補充修復，進而實現水壓加載裝置氣密性的伺服控制。對于水壓報警器與壓力表正常情況，認為氣密性符合工作要求，關注壓力表數據變化完成水壓的加載；

(4)試驗結束后再次啟動外部氣壓加載裝置的泄壓操作，實現膜袋泄壓，將與填筑材料分離后的密封裝置取出，清理干凈安全放置

本發明的有益效果：

本發明的水壓加載系統提供模型試驗溶洞所需的外部水源供給以及恒定的水壓力；水壓監測系統是由數顯水壓監測表與水壓報警裝置組成；豎向注水管路是實現溶洞水壓加載的過水通道，與豎向充氣管路并排安置，充氣管路與側部三個相互獨立的高強膜袋相連，通過外部氣壓加載裝置實現膜袋膨脹密封；充氣膜袋與豎向注水管路外側對應位置的微型壓力傳感器對應安置，通過內置的微型壓力傳感器與氣密性效果評估程序，對于達到氣密性要求的情況及時反饋氣壓控制系統，自動關閉氣壓加載系統。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。

圖1是本發明的原理示意圖；

圖2是本發明工作狀態下部分結構示意圖；

圖3是圖2的局部放大圖；

其中1.壓力氣罐；2.儲水罐；3.輸水管路；4.水壓報警器；5.壓力表；6.注水閥；7.氣壓加載裝置；8.豎向注水管路；9.豎向充氣管路；10.管路側壁；11.充氣膜袋；12.數據連接線；13.微型壓力傳感器；14.氣壓報警器;15.溶洞模型；16.填筑材料。

具體實施方式

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括復數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術部分所介紹的，對于以往模型試驗中溶洞水壓加載裝置可重復性差，只能針對特定的模擬工況實現水壓加載，往往密封效果不甚理想，大多通過試驗過程中發現問題針對性的解決問題來達到完全密封的目的，試驗過程效率低下、密封裝置無法重復利用，本發明公開了一種用于模型試驗的承壓溶洞水壓加載及密封裝置及方法。

下面結合附圖對本發明進一步說明。

如圖1、2、3所示，一種用于模型試驗的承壓溶洞水壓加載及密封裝置，包括壓力氣罐9；儲水罐2；輸水管路3；水壓報警器4；壓力表5；注水閥6；儲氣罐7；豎向注水管路8；豎向充氣管路9；管路側壁10；充氣膜袋11；數據連接線12；微型壓力傳感器13；氣壓報警器14；溶洞模型15；16.填筑材料16；

該裝置的水壓加載系統包括壓力氣罐1、儲水罐2、水壓報警器4和壓力表5，主要提供模型試驗溶洞15所需的外部水源供給以及恒定的水壓力。

待模型試驗的相似材料填筑完成即可進行溶洞水壓力的加載，豎向注水管路8為過水通道，與豎向充氣管路9并排安置，充氣管路9與側部三個相互獨立的高強膜袋11相連，膜袋11由高強固體膠固定在充氣管路9外側，通過外部氣壓加載裝置7實現膜袋11膨脹密封。其中豎向注水管路8外側與充氣膜袋11對應位置安裝微型壓力傳感器13，通過數據傳輸線12實現與外部密封效果監測系統的數據連接。而外部密封效果監測系統的氣壓報警器裝置14，內置微型壓力傳感器13與氣密性效果評估程序，對于達到氣密性要求的情況及時反饋氣壓控制系統14，終止膜袋11的繼續膨脹，達到試驗要求直接進行試驗。

密封裝置為可循環利用裝置，通過每次試驗完成后清潔保存即可循環使用。

所述膜袋密封裝置與水壓加載系統通過轉相接口連接，為模型試驗提供溶洞所需要的穩定外部水源供給以及恒定的水頭壓力。

所述水壓監測系統是由壓力表5與水壓報警器4組成，壓力表5實時關注溶洞水壓變化，對密封裝置的氣密性起到了監測作用；通過設置水壓梯度監測程序實現溶洞水壓陡降的監測報警。

所述豎向注水管8路為過水通道，與豎向充氣管路9并排安置，充氣管路9與側部三個相互獨立的高強膜袋11相連，通過外部氣壓加載裝置實現膜袋膨脹密封；待每種工況試驗完畢，即可通過氣壓加載裝置的排氣操作實現膜袋收縮，取出密封裝置。

與所述充氣膜袋位置對應的豎向注水管路外側安置微型壓力傳感器，通過數據傳輸線實現與外部密封效果監測系統的數據連接，外部密封效果監測系統內置微型壓力傳感器與氣密性效果評估程序，對于達到氣密性要求的情況及時反饋氣壓控制系統14，關閉儲氣罐7。

具體的，一種用于模型試驗的承壓溶洞水壓加載及密封裝置進行實驗的方法，包括以下步驟：

(1)完成模型試驗的填筑工作，在需完成水壓加載溶洞15上方的預留過水通道處安裝膜袋密封裝置11，并完成初步固定。

(2)啟動外部氣壓加載裝置7，實時關注密封效果監測系統14數值顯示，待微型壓力傳感器13數值達到密封要求即可關閉氣壓加載裝置7，完成膜袋密封處理。

(3)啟動水壓加載系統由豎向注水管路8向溶洞15內注水，時刻關注水壓報警器4與壓力表5，對于出現水壓力陡降情況認為氣密性出現問題，立即再次啟動外部氣壓加載裝置7，完成氣密性的補充修復，進而實現水壓加載裝置氣密性的伺服控制。對于水壓報警器4與壓力表5正常情況，認為氣密性符合工作要求，關注壓力表5數據變化完成水壓的加載。

(4)試驗結束后再次啟動外部氣壓加載裝置7的泄壓操作，實現膜袋11泄壓，將與填筑材料15分離后的密封裝置取出，清理干凈安全放置。

從以上的描述中，可以看出，本申請上述的實施例實現了如下技術效果：

對于以往模型試驗中溶洞水壓加載裝置可重復性差，只能針對特定的模擬工況實現水壓加載，往往密封效果不甚理想，大多通過試驗過程中發現問題針對性的解決問題來達到完全密封的目的，試驗過程效率低下、密封裝置無法重復利用。與前人的裝置相比，本裝置可以重復循環利用，通過氣壓加載裝置實現膜袋膨脹后一次性解決溶洞水壓加載密封問題，在膜袋與注水管路之間設置壓力敏感元件實現了密封效果的定量化評估及預警。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。