一种模拟岩溶管道涌水的注浆封堵试验装置及方法 |
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| 申请号 | CN201710566070.7 | 申请日 | 2017-07-12 | 公开(公告)号 | CN107328897A | 公开(公告)日 | 2017-11-07 |
| 申请人 | 山东大学; | 发明人 | 张霄; 刘建国; 张庆松; 李术才; 左金鑫; 匡伟; 蓝雄东; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种模拟岩溶管道涌 水 注浆封堵的模型试验装置及方法，包括 管道系统 、稳压供水系统、注浆系统、 数据采集 与处理系统四部分；管路系统由透明有机玻璃管、金属 支架 组成，有机玻璃管进口处通过高压软管与稳压供水装置相连，高压软管上设有流量 阀 ；有机玻璃管出口处设有浆-水采集罐；有机玻璃管中部设有注浆孔，注浆孔通过高压输浆管与注浆系统相连；所述的数据采集与处理系统包括安装在有机玻璃管上的用于监测水流压 力 的压力 传感器 Ⅰ、用于监测动水流量的电磁流量传感器Ⅱ、以及安装在所述高压输浆管上用于监测 浆液 压力的 压力传感器 Ⅲ；所述压力传感器Ⅰ、Ⅱ与电磁流量传感器均与无纸记录仪相连，所述无纸记录仪能够实时记录管道内的压力、流量的变化情况，且在注浆封堵过程中，通过高清摄像头进行注浆过程中的 图像采集 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种模拟岩溶管道涌水注浆封堵的模型试验装置，其特征在于，包括管道系统、稳压供水系统、注浆系统、数据采集与处理系统四部分； |
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| 说明书全文 | 一种模拟岩溶管道涌水的注浆封堵试验装置及方法技术领域[0001] 本发明涉及一种用于动水注浆封堵试验的模型装置，具体涉及一种岩溶管道中高流速水流的注浆封堵模拟试验装置及试验方法。 背景技术[0002] 我国可溶岩分布面积广大约占全国国土面积的三分之一。近年来，我国高速铁路、高速公路、大型水利水电工程进入高速发展时期，大量地下工程在岩溶区域展开建设。岩溶地区岩溶管道发育普遍，在地下工程修建过程中，经常揭露岩溶管道，极易诱发岩溶管道突涌水灾害，造成人员伤亡，财产损失。 [0003] 大量工程实践证明，注浆技术在此类岩溶管道高流速动水的封堵过程中能够取得良好的封堵效果，但由于岩溶管道发育不规律，岩溶管道型涌水具有强差异性、大水压、高流量、强补给性的特点，使得现有注浆封堵技术盲目性大、多依赖于经验，注浆封堵理论远远滞后于工程实践，往往造成注浆封堵过程中，注浆材料浪费严重，治理过程反复，不能一次性完全封堵等问题。 [0004] 注浆模型试验方法可以真实的模拟复杂地质构造，实现多种试验工况，是建立注浆封堵数学与力学模型，提出新的动水封堵理论的重要依据。可以说注浆模型试验研究已经成为注浆理论研究的重要手段。 [0005] 国内外相关研究人员开展了系列岩溶管道涌水注浆封堵模型试验，但现有模型试验系统主要存在以下问题： [0007] 2、现有模型试验尺寸小，试验装置较为简单，多采用水平光滑直管路模拟岩溶管道，与实际岩溶管道的赋存状态存在较大的差异，从而造成试验结果过于理想化，试验结论不能应用于实际工程。 [0008] 3、现有模型试验装置均不能提供稳定的高流速动水环境，动水流速一般较小且不均匀，从而造成试验不能持续进行，因此试验容易产生较大误差。 [0009] 4、试验过程中，只能测量动水流量变化等简单的实验数据，无法对注浆空间中的流速场，压力场、注浆压力，浆液沉积等关键数据进行采集， [0010] 5、现有模型试验注浆装置不能改变，只能实现单一工况的模拟，试验重复性较差，试验装置利用率较低。 发明内容[0012] 本发明的另一目的是提供一种可视化的岩溶管道涌水注浆封堵试验方法。 [0013] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： [0014] 一种模拟岩溶管道涌水注浆封堵的模型试验装置，包括管道系统、稳压供水系统、注浆系统、数据采集与处理系统四部分； [0015] 所述的管路系统由透明有机玻璃管、金属支架组成，所述有机玻璃管进口处通过高压软管与稳压供水装置相连，所述高压软管上设有流量阀；所述有机玻璃管出口处设有浆-水采集罐；所述有机玻璃管中部设有注浆孔，所述注浆孔通过高压输浆管与注浆系统相连；所述的数据采集与处理系统包括安装在有机玻璃管上的用于监测水流压力的压力传感器Ⅰ、用于监测动水流量的电磁流量传感器Ⅱ、以及安装在所述高压输浆管上用于监测浆液压力的压力传感器Ⅲ；所述压力传感器Ⅰ、Ⅱ与电磁流量传感器均与无纸记录仪相连，所述无纸记录仪能够实时记录管道内的压力、流量的变化情况，且在注浆封堵过程中，通过高清摄像头进行注浆过程中的图像采集。 [0017] 进一步的，所述的注浆系统包括两台注浆泵、阀门和高压输浆管；所述的两台注浆泵通过高压输液管向有机玻璃管内注浆，所述的高压输液管上设有阀门。 [0018] 进一步的，所述有机玻璃管为透明材质，在试验过程中实现了浆液与水流耦合作用的全过程可视。 [0020] 进一步的，所述有机玻璃管通过金属支架支撑。 [0023] 进一步的，所述承压水罐设有进水孔、出水孔、泄压阀，所述进水孔通过耐压软管与增压泵连接，所述的出水孔与有机玻璃管相连；在所述的承压水罐上设有泄压阀。 [0024] 进一步的，所述压力控制仪安置在承压水罐壁上，其通过数据线与增压泵相连。 [0025] 进一步的，所述压力控制仪实时监测承压水罐水压大小，控制增压泵开启与关闭，从而实现稳定压力的水源供给。 [0026] 进一步的，所述承压水罐的出水孔通过耐压软管与所述流量阀连接。 [0027] 进一步的，所述流量阀采用伺服控制技术控制动水流速，能够形成稳定的高流速动水供给。 [0028] 进一步的，所述压力传感器与电磁流量传感器采用16位高精度采集卡及最新的USB通讯方式。 [0029] 进一步的，所述无纸记录仪通过数据线直接与电脑连接，可实时监测数据变化，并直接绘制压力—时间变化曲线、流量—时间变化曲线等数据曲线，能够以表格形式输出，便于数据收集。 [0030] 进一步的，所述的无纸记录仪具有30通道，完全满足多个数据的同时采集要求。 [0031] 进一步的，所述注浆泵通过高压注浆管与有机玻璃管的进浆孔进行连接。 [0033] 进一步的，所述注浆泵能够实现定流量注浆，从而通过调节两台注浆泵的流量来控制双液浆比例，实现不同注浆比例的双液注浆。 [0034] 进一步的，高压输浆管上设有压力传感器，监测注浆过程中的注浆压力变化。 [0035] 进一步的，所述浆—水采集罐通过耐压软管与有机玻璃管出口连接，可对被动水冲刷的浆液进行回收，从而测量浆液在有机玻璃管的留存率。 [0036] 进一步的，所述浆—水采集罐由透明有机玻璃制成，其容量为3立方米。 [0037] 为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明还公开了一种可视化的岩溶管道涌水注浆封堵试验方法，根据工程地质情况，确定实际工程中岩溶管道的发育状态，从而对试验装置中的有机玻璃管进行定制与更改，形成较为精确的岩溶管道的管路模拟，通过自主研发的稳压供水系统提供与工程相似的动水条件，选择不同的注浆参数与注浆材料，调试好水压传感器及流量传感器，打开注浆泵进行动水注浆，注浆过程中实时测量各参数变化情况，持续注浆直至动水完全封堵，测量浆—水采集罐内的浆液容量，完成试验。 [0038] 具体是：在隧道及地下工程发生岩溶管道型涌水灾害后，通过物探，钻探方式并结合相关地质资料，确定岩溶管道的发育状态，从而初步明确岩溶管道的平均直径，弯曲状态，倾斜角度，管道粗糙度等参数，根据确定的基本参数按照一定相似比例进行缩小，制作有机玻璃管路，管路制作好后通过连接阀门连接完成管路系统，打开增压泵，对压力控制仪设定动水压力值，调节流量阀，从而形成稳定的高流速的动水条件，选取确定不同的注浆压力，注浆流量，注浆材料，双液比例等参数，然后打开无纸记录仪，调试各个水压传感器及流量传感器，打开高清摄像头进行图像采集，打开双液注浆泵进行注浆封堵试验，注浆过程中无纸记录仪器实时测量各传感器数据，绘制压力、流量等数据曲线，当浆液完全封堵岩溶管道后，测量浆—水采集罐内的浆液体积，根据实际注浆量，计算浆液留存率，完成实验，通过试验结果，对实际工程中注浆封堵方案设计及注浆参数确定提供准确的依据。 [0039] 目前国内尚无针对岩溶管道型涌水注浆封堵的模型试验装置 [0040] 本发明的有益效果是： [0041] 1、本实验装置，可以通过注浆模块模拟浆液的扩散状态，通过稳压供水模块实现高流量的稳压动水供给，有机玻璃管对岩溶管道形态进行较为真实的模拟，从而本实验装置能够实现岩溶管道涌水的动水注浆的良好模拟，为建立注浆封堵数学模型及提出更为准确的注浆理论提供依据，为工程注浆封堵提供有力参考。 [0042] 2、岩溶管路系统均采用透明有机玻璃管，配合高清摄像头能够准确记录注浆封堵过程中浆液与动水的耦合情况及封堵过程中的浆液扩散状态，很大程度上解决了注浆过程中的“黑箱问题”。 [0043] 3、本试验装置能够对岩溶管道的直径、弯曲状态、倾斜角度、管壁粗糙程度，管道内的沉积物等参数进行修改与改变，从而能贴近真实工程状态，得到更为真实的实验数据，改变现有模型试验系统只采用水平直管模拟岩溶管道的现状。 [0044] 4、本实验的稳压供水装置配合流量阀能够向管路系统提供稳压、定流速的动水，且压力与流速值可以动态调节，使之更加贴近真实环境。 [0045] 5、通过两台注浆泵可以自由调节注浆流量，进行双液注浆，并且双液浆的注浆比例可调，因此依托本实验装置能够进行不同注浆流速，不同注浆量，不同双液比例的岩溶管道封堵试验模拟，能够对实际工程中的注浆参数进行优化。 [0046] 6、试验装置采用模块化设计，拆卸方面，操作简单，可循环使用，从而可以进行考虑交叉因素之间的影响，提高了试验效率，降低了一次试验的试验成本。 [0047] 7、试验装置在有机玻璃管沿线设计多个水压传感器与电磁流量计，能够监测管路内的延程压力水头损失，各区域的流量变化情况，根据以上数据能够描述岩溶管道内的浆液—水耦合状态，为浆—水耦合理论提供依据。附图说明 [0048] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0049] 图1是本发明的总体示意图 [0050] 图2是本发明稳压供水装置正视图 [0051] 图3是本发明稳压供水装置侧视图 [0052] 其中：1是增压泵，2是压力控制仪，3是承压水罐，4是承压水罐进水孔，5是承压水罐出水孔，6是泄压阀，7是流量阀，8是有机玻璃管，9是管路直通，10是金属支架，11是高度调节开关，12是注浆泵，13是高压输浆管，14是管路阀门，15是压力传感器，16是电磁流量传感器，17是水压传感器，18是无纸记录仪，19是浆—水采集罐。 具体实施方式[0053] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。 [0054] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。 [0055] 下面通过具体实例对本发明进行进一步的阐述，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。 [0056] 如图1、图2、图3所示一种模拟岩溶管道注浆封堵的模型试验装置,包括增压泵1，压力控制仪2，承压水罐3，承压水罐进水孔4，承压水罐出水孔5，泄压阀6，流量阀7，有机玻璃管8，管路直通9，金属支架10，高度调节开关11，注浆泵12，高压输浆管13，管路阀门14，压力传感器15，电磁流量传感器16，水压传感器17，无纸记录仪18，浆—水采集罐19。 [0057] 如图1所示,种模拟岩溶管道涌水的注浆封堵试验装置包括管道系统(流量阀7、有机玻璃管8、管路直通9、金属支架10)，稳压供水系统(增压泵1、压力控制仪2、承压水罐3)，注浆系统(注浆泵12、高压输浆管13、管路阀门14)、数据采集与处理系统(压力传感器15、电磁流量传感器16、水压传感器17、无纸记录仪18)四部分组成 [0058] 如图1所示有机玻璃管8放置于金属支架10上，所述有机玻璃管10进口处设有流量阀7；流量阀7通过高压输水管与承压水罐出水孔5相连，承压水罐进水孔4通过高压输水管与增压泵1相连，所述压力控制仪2安置于承压水罐3上，能够采集承压水罐3的压力数值，通过数据线控制所述增压泵1的运行，稳压供水系统能够向管路系统中提供稳定压力的动水；所述有机玻璃管8中部设有注浆孔，所述注浆孔通过高压输浆管13与注浆泵12连接，两台注浆泵12能够控制注浆流量，实现双液注浆，并能够调节双液比例；此外有机玻璃管出口处设有浆-水采集罐19。根据试验需要，所述有机玻璃管7上设有多个用于监测水流压力的压力传感器17，用于监测动水流量的电磁流量传感器16；此外高压输浆管上设有监测浆液压力的压力传感器15，压力传感器15、17与电磁流量传感器16均与无纸记录仪18相连，无纸记录仪18能够实时获取相关压力与流量数据，并能以表格形式输出数据。 [0059] 如图1所示，所述有机玻璃管7为透明材质，在试验过程中实现了浆液与水流耦合作用的全过程可视； [0060] 如图1所示、所述有机玻璃管7为模块化设计，拆装方面，可根据实际工程中岩溶管道的参数，对有机玻璃管的长度，直径，弯曲程度，管内的沉积物等进行更改替换，从而实现对不同岩溶管道的模拟。 [0061] 如图1所示，所述金属支架10设有高度调节开关11，高度可调，从而能够通过调节支架高度来调节机玻璃管路7的水平角度，保证了有机玻璃管7对实际岩溶管道的精确模拟。 [0063] 如图1、图2、图3，所述压力控制仪2安置在承压水罐壁上，其通过数据线与增压泵相连，实时监测承压水罐3水压大小，控制增压泵1开启与关闭，从而实现稳定压力的水源供给。 [0064] 如图1所示，所述流量阀7采用伺服控制技术控制动水流速，其配合稳压供水系统能够精确控制动水压力及动水流速。 [0065] 如图1所示，所述压力传感器15与电磁流量传感器16采用16位高精度采集卡及最新的USB通讯方式。 [0066] 如图1所示，所述无纸记录仪18具有30个数据通道完全满足多个数据的同时采集要求，所述无纸记录仪18通过数据线直接与电脑连接，可实时监测数据变化，并直接绘制压力—时间变化曲线、流量—时间变化曲线等数据曲线，并能够以表格形式输出，便于数据收集。 [0067] 如图1所示，所述注浆泵12为两台相同规格注浆泵能够实现定流量注浆，通过调节两台注浆泵的流量来控制双液浆的注入比例，实现不同注浆比例的双液注浆。 [0068] 如图1所示，所述浆—水采集罐19通过耐压软管与有机玻璃管7出口连接，可对被动水冲刷的浆液进行回收，从而测量浆液在有机玻璃管的留存率。 [0069] 为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明还公开了一种可加载不同地应力条件的浆脉-岩土交界面强度测试方法 [0070] 根据工程地质情况，确定实际工程中岩溶管道的发育状态，从而对试验装置中的有机玻璃管进行定制与更改，形成较为精确的岩溶管道的管路模拟，通过自主研发的稳压供水系统提供与工程相似的动水条件，选择不同的注浆参数与注浆材料，调试好水压传感器及流量传感器，打开注浆泵进行动水注浆，注浆过程中实时测量各参数变化情况，持续注浆直至动水完全封堵，测量浆—水采集罐内的浆液容量，完成试验。 [0071] 具体是：在隧道及地下工程发生岩溶管道型涌水灾害后，通过物探，钻探方式并结合相关地质资料，确定岩溶管道的发育状态，从而初步明确岩溶管道的平均直径，弯曲状态，倾斜角度，管道粗糙度等参数，根据确定的基本参数按照一定相似比例进行缩小，制作有机玻璃管路，管路制作好后通过连接阀门连接完成管路系统，根据实际工程确定涌水的压力与流速等参数，打开增压泵，对压力控制仪设定动水压力值，调节流量阀，设定相应的流速值形成稳定的高流速的动水条件，采用不同的注浆压力，注浆流量，注浆材料，双液比例等参数，然后打开无纸记录仪，调试各个水压传感器及流量传感器，打开高清摄像头进行图像采集，打开双液注浆泵开始注浆封堵试验，注浆过程中无纸记录仪器实时测量各传感器数据，绘制压力、流量等数据曲线，当浆液完全封堵岩溶管道后，测量浆—水采集罐内的浆液体积，根据实际注浆量，计算浆液留存率，完成实验，通过试验结果，对实际工程中注浆封堵方案设计及注浆参数确定提供准确的依据。 [0072] 从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果： [0073] 1、本实验装置，可以通过注浆模块模拟浆液的扩散状态，通过稳压供水模块实现高流量的稳压动水供给，有机玻璃管对岩溶管道形态进行较为真实的模拟，从而本实验装置能够实现岩溶管道涌水的动水注浆的良好模拟，为建立注浆封堵数学模型及提出更为准确的注浆理论提供依据，为工程注浆封堵提供有力参考。 [0074] 2、岩溶管路系统均采用透明有机玻璃管，配合高清摄像头能够准确记录注浆封堵过程中浆液与动水的耦合情况及封堵过程中的浆液扩散状态，很大程度上解决了注浆过程中的“黑箱问题”。 [0075] 3、本试验装置能够对岩溶管道的直径、弯曲状态、倾斜角度、管壁粗糙程度，管道内的沉积物等参数进行修改与改变，从而能贴近真实工程状态，得到更为真实的实验数据，改变现有模型试验系统只采用水平直管模拟岩溶管道的现状。 [0076] 4、本实验的稳压供水装置配合流量阀能够向管路系统提供稳压、定流速的动水，且压力与流速值可以动态调节，使之更加贴近真实环境。 [0077] 5、通过两台注浆泵可以自由调节注浆流量，进行双液注浆，并且双液浆的注浆比例可调，因此依托本实验装置能够进行不同注浆流速，不同注浆量，不同双液比例的岩溶管道封堵试验模拟，能够对实际工程中的注浆参数进行优化。 [0078] 6、试验装置采用模块化设计，拆卸方面，操作简单，可循环使用，从而可以进行考虑交叉因素之间的影响，提高了试验效率，降低了一次试验的实验成本。 [0079] 7、试验装置在有机玻璃管沿线设计多个水压传感器与电磁流量计，能够监测管路内的延程压力水头损失，各区域的流量变化情况，根据以上数据能够描述岩溶管道内的浆液—水耦合状态，为浆—水耦合理论提供依据。 |
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