城市地下管道滲漏引發地面塌陷的試驗裝置的制造方法
【專利摘要】城市地下管道滲漏引發地面塌陷的試驗裝置，屬于地面塌陷試驗裝置技術領域。包括土料、地下管道、模擬地面塌陷的模型箱、流量計、過濾流失土體顆粒的水箱；模擬地面塌陷的模型箱內部裝填土料，地下管道埋設在模擬地面塌陷的模型箱內的土料；過濾流失土體顆粒的水箱由三塊過濾隔板將水箱分成平行的四格，四部分之間連通，過濾流失土體顆粒的水箱第一格內設有潛水泵，潛水泵與地下管道的進水端連接；地下管道的出水端所對應的模擬地面塌陷的模型箱的側面上設有地下管道出口，地下管道出水端經地下管道出口經由流量計由透明鋼絲管與過濾流失土體顆粒的水箱第四格連接；潛水泵與變頻器連接。可用于建設中管道滲漏水引發地面塌陷的試驗模擬。
【專利說明】
城市地下管道滲漏引發地面塌陷的試驗裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種可用于地鐵開挖和城市市政工程施工等地下工程的物理模型試驗裝置，尤其是一種可對城市地面塌陷進行綜合模擬的試驗平臺，特別是涉及一種城市地下管道滲漏引發地面塌陷的試驗裝置，屬于地面塌陷試驗裝置技術領域。技術背景
[0002]物理模型試驗是研究城市地下空間安全防控問題的重要手段，在國內外被廣泛應用，在工程研究和設計中發揮著重要作用。國內外學者針對城市地鐵隧道開挖和市政工程施工導致的地面塌陷問題進行了卓有成效的研究工作，并研制開發了不同規模與用途的模型試驗設備。
[0003]目前，隨著我國城市建設的快速發展，城市地面塌陷事故頻繁發生，城市地下排水管道多建設于上世紀六、七十年代，多數管道腐蝕現象嚴重，同時由于市政工程施工擾動、 隧道開挖和地面荷載加重等多種因素的影響，使得城市地下管道滲漏引發地面塌陷事故逐年增加，而相關研究卻處于初級階段，不能從根本上認識該類事故的災變機理和演化規律， 從而不能提出合理有效的預防措施和防治方法。該專利提供了一種城市地下管道滲漏引發地面塌陷的試驗裝置，試圖解決上述問題。
[0004]物理模型試驗的幾何相似比是一個關鍵的技術指標，幾何相似比取的過小，雖然能夠節省試驗材料，方便操作，但是過小的模型體量會限制管線的布置，同時操作空間狹小更容易受到外界因素的干擾，從而影響試驗精度。因此，在條件許可的情況下，應盡量采用較大的模型幾何相似比，這就給模型試驗過程增加了難度。比如大尺寸的模型箱用料較大， 在模擬實際工況時，土料用量和管線內徑尺寸也相應增加。隨著地下空間開發的越來越多， 出現地面塌陷事故越來越多，急需通過模型試驗來充分認識城市地下管線滲漏引發地面塌陷的災變機理和演化機制，從而為塌陷預測和預防提供可靠的依據。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是提供一種城市地下管道滲漏引發地面塌陷的試驗裝置，以充分認識城市地面塌陷的災變機理和演化機制。
[0006]具體來說，本發明提供了一種城市地下管道滲漏引發地面塌陷的試驗裝置，包括土料、地下管道(1 )、模擬地面塌陷的模型箱(2)、流量計(6)、過濾流失土體顆粒的水箱(3)。
[0007]模擬地面塌陷的模型箱由鋼板和透明有機玻璃板制成，模擬地面塌陷的模型箱正面采用透明有機玻璃板，此面能夠看到模擬地面塌陷的模型箱內部情況，其他三側面和底面采用鋼板；內部裝填土料，地下管道(1)埋設在模擬地面塌陷的模型箱(2)內的土料，優選地下管道(1)水平埋設；
[0008]過濾流失土體顆粒的水箱(3)由三塊過濾隔板(12)將水箱分成平行的四格，四部分之間連通，過濾隔板過濾埋設地下管道周圍流失的土體顆粒，避免土體進入潛水栗影響其正常使用。
[0009]過濾流失土體顆粒的水箱(3)第一格內設有潛水栗(4)，潛水栗(4)通過透明鋼絲管與地下管道(1)的進水端連接;地下管道(1)的出水端所對應的模擬地面塌陷的模型箱的側面上設有地下管道出口，地下管道(1)出水端經地下管道出口經由流量計(6)由透明鋼絲管與過濾流失土體顆粒的水箱(3)第四格連接;潛水栗(4)與變頻器(5)連接。
[0010]所述模型箱進水端與所述水箱中的潛水栗連接，潛水栗與變頻器通過電線連接， 通過調節變頻器的頻率可以控制潛水栗的出水流量;所述地下管道(1)出水端連接流量計， 測量出水口管線水流速;所述流量計與所述水箱通過透明鋼絲管連接。
[0011]為了避免地下管道(1)內出現積水現象，與地下管道(1)進水端和出水端相連的透明鋼絲管內徑尺寸大小不同，出水端透明鋼絲管內徑尺寸大于進水端透明鋼絲管內徑尺寸。進水端的透明鋼絲管繞過模擬地面塌陷的模型箱(2)對應的側面上端與進水端連接。
[0012]所述模型箱正面鑲嵌透明有機玻璃板，左側面即進水端側面焊接爬梯(11 )，右側面底部留有出水管口，背面設置土料填裝口，四周及底面焊接加勁肋。
[0013]優選地，所述模型箱由鋼板制成，背面設置土料填裝口，左側面焊接爬梯方便試驗過程中進出模型箱，地下管道埋設于模型箱中的填充土料，地下管道的埋深高度可根據實驗要求任意調整。
[0014]優選地，所述模型箱進水端與所述水箱中潛水栗連接，潛水栗的揚程足夠大以保證進水流暢，潛水栗與變頻器通過電線連接，變頻器的頻率控制潛水栗的出水流量;所述模型箱出水端連接流量計，用以測量出水口管線流速。
[0015]優選地，所述模型箱正面鑲嵌的透明有機玻璃板被加勁肋分隔成四塊面積相同的正方形，鋼板厚度和加勁肋的設計可以保證填滿土料的模型箱在l〇〇t荷載作用下的變形小于 3mm〇
[0016]本發明提出了一種城市地下管道滲漏引發地面塌陷的試驗裝置，地下管道緊貼透明有機玻璃埋設于模型箱中的填充土料中，進水端的透明鋼絲管繞過模擬地面塌陷的模型箱對應的側面上端與進水端連接，保證地下管道的埋設高度可根據實驗要求任意調整。根據試驗需要對地下管道進行相應的破壞，水箱中的水通過潛水栗和透明鋼絲管進入地下管道，破壞的地下管道發生滲漏，滲漏水降低管周土體的抗剪強度并造成土體流失，隨著流失土體現象的逐漸發展，最終導致土體表面塌陷。本發明的試驗裝置可實現地面塌陷的實際工況模擬，可進行不同土質條件、不同埋深、不同管道破壞形式、不同管道流速和不同加載方式等多種物理模型試驗，其可用于城市市政工程施工和地鐵建設中管線滲漏引發地面塌陷的模擬試驗，同時可以實現整個系統的水循環。
[0017]在本發明的下述說明中，所謂循環模擬試驗裝置，指的是整個試驗過程能實現節約水資源的目標，實現整個系統的水循環，可進行市政工程施工和地鐵開挖過程中管線滲漏水引起的地面塌陷，尤其適用城市地下管道滲漏引發的地面塌陷試驗，本發明的試驗裝置可以很好的反映實際工況中的塌陷現象，即當管線滲漏水引起地面塌陷時也可在同名管路中看到流失的土料，同時流量計能監測到出水流量的改變。【附圖說明】
[0018]以下附圖僅旨在對于本發明做示意性說明和解釋，并不限定本發明的范圍。其中，
[0019]圖1是本發明一種城市地下管道滲漏引發地面塌陷的試驗裝置的立體結構示意圖；
[0020]圖2是本發明模擬地面塌陷的模型箱正視圖及其豎向剖面圖；
[0021]圖3是本發明模擬地面塌陷的模型箱自左向右依次為右側視圖、左視圖及其橫向剖面圖。[〇〇22]1地下管道、2模擬地面塌陷的模型箱、3過濾流失土體顆粒的水箱、4水栗潛、5變頻器、6流量計、7透明鋼絲管、8透明有機玻璃板、9土料填裝口、10加勁肋、11爬梯、12過濾隔板。【具體實施方式】
[0023]為了對本發明的技術特征、目的和效果更加清楚的理解，現對照【附圖說明】本發明的【具體實施方式】。其中，相同的部件采用相同的標號。[〇〇24] 實施例1[〇〇25]圖1顯示的是一種城市地下管道滲漏引發地面塌陷的試驗裝置的立體結構示意圖，圖中粗略顯示的是本發明的城市地下管道滲漏引發地面塌陷的試驗裝置的大致結構， 著重顯示了模型箱模擬管道滲漏引發塌陷的可行性和系統裝置的可循環性。模型箱尺寸為 2.〇111\1.〇111\1.5111(長\寬\高)。
[0026]參見圖1，本發明的城市地下管道滲漏引發地面塌陷試驗裝置的一個顯著特點在于，本發明的城市地下管道滲漏引發地面塌陷試驗裝置可以實現整個系統1的水循環，模型箱2(參見圖2、3)可以實現不同管道埋深、不同管道水流速、不同管道破壞形式、不同土體性質等多種工況下的地面塌陷災變機理和演化規律研究。圖2顯示的是模型箱前視圖及其豎向剖面圖，圖3顯示的是模型箱右側視圖、左視圖及其橫向剖面圖。
[0027]如圖1所示，本發明的城市地下管道滲漏引發地面塌陷試驗裝置整體上包括裝填土料、埋設地下管道、模擬地面塌陷的模型箱，控制管道水流量、過濾流失土體顆粒的水箱， 連接模型箱和水箱的透明鋼絲管，地下管道和流量計、潛水栗、變頻器等設備。其中，模型箱和水箱是城市地下管道滲漏引發地面塌陷試驗裝置的主要結構，地下管道1埋設于模型箱內的裝填土料，模型箱出水口連接電磁式流量計6;水箱由三塊豎直過濾隔板12分成并列的四部分，四部分之間相通，放置于水箱的潛水栗4與地下管道1進水端相連，潛水栗4與變頻器5通過電線連接。即，本發明的城市地下管道滲漏引發地面塌陷試驗裝置至少包括裝填土料、埋設地下管道、模擬地面塌陷的模型箱、流量計、過濾流失土體顆粒的水箱。[〇〇28]其中，模型箱由10mm厚的鋼板制成，并圍繞模型箱的四周設置加勁肋10;為了方便觀察實驗現象模型箱正面鑲嵌有機透明玻璃板8,且地下管道在埋設過程中，需要緊貼透明玻璃，有機透明玻璃板8被加勁肋10分成面積相等的四部分;模型箱的背面設置土料填裝口 9，方便土料的搬運;模型箱左側面焊接爬梯(圖1中未顯示，參見圖2、3 )，方便實驗過程中進出模型箱和觀察實驗現象。[〇〇29]圖1顯示的水箱由鋼板制成，水箱右端通過透明鋼絲管與電磁式流量計6連接，其中，為了避免模型箱中地下管道積水，電磁式流量計直接連接的透明鋼絲管內徑大于水箱直接連接的透明鋼絲管內徑。
[0030]進水端的透明鋼絲管繞過模擬地面塌陷的模型箱對應的側面上端與進水端連接， 模型箱內管道的埋深可以根據實驗要求進行任意調整;變頻器5的頻率控制潛水栗4的輸水流量;模型箱裝填、卸料過程中土料填裝口打開，使用結束后可關閉，不會對整個試驗過程產生影響。
[0031]本發明的城市地下管道滲漏引發地面塌陷試驗裝置可實現整個試驗過程中的水循環。水箱中的水通過潛水栗4輸出，經由透明鋼絲管至模型箱中的地下管道1，再經過模型箱出水口和流量計6由透明鋼絲管7返回到水箱中，從而實現整個系統的水循環過程，在整個過程中潛水栗和變頻器提供動力，透明鋼絲管和埋設管道輸送水源，流量計測量管道水流速，水箱中的豎直過濾隔板過濾模型箱中流失的土體顆粒。
[0032]本發明的城市地下管道滲漏引發地面塌陷試驗裝置的另一個顯著特點是其結構尺寸的較大化，本發明的模型箱尺寸為2.0mX1.0mX1.5m(長X寬X高)，相對于實體模型而言，該尺寸的模型箱足以真實的反映實際工況下的路面塌陷問題。
[0033]另外，對于全結構地下模型試驗而言，方便觀察實驗現象變得尤為困難。本發明的城市地下管道滲漏引發地面塌陷試驗裝置采用半結構模型試驗的思路，模型箱正面鑲嵌透明有機玻璃，地下管道緊貼透明玻璃埋設，這樣雖然不能像全結構模型試驗那樣完全真實的反映實際工況，但其同全結構模型試驗結果之間確定的比例關系且試驗現象變化規律一致，可以用以研究城市地下管道滲漏引發地面塌陷災變機理及其演化規律。[〇〇34]為了方便試驗操作，模型箱的背面設置沙土填裝口 9,作為裝填、卸料的通道，土料填裝口使用結束后可關閉，對整個試驗過程不產生影響；模型箱左側面焊接爬梯(圖1中未顯示，參見圖2、3)，方便進出模型箱和觀察實驗現象。
[0035]本發明的城市地下管道滲漏引發地面塌陷試驗裝置可實現不同管道水流量情況下的災變機理和變化規律研究。其中，通過改變變頻器5頻率可以控制潛水栗的出水流量。 [〇〇36] 地下管道埋深直接影響地面塌陷的災變機理及其演化過程，因此，管道埋深可任意調整對整個試驗裝置而言是非常必要的，模型箱左側不設置管道開孔，透明鋼絲管直接越過模型箱頂部落下后與地下管道1連接，同時模型箱高度有限，潛水栗4具有足夠的揚程， 使得地下管道可獲得需要的流水量。
[0037]不同破壞形式的管道滲漏水對管道周圍土體的影響不同，其中，不可避免的管周土體會被滲漏水沖刷帶走，流量計6采用電磁式流量計，電磁式流量計在土體顆粒干擾情況下可以正常工作，測量出水管水流速。[〇〇38]本發明模型箱的鋼板厚度和四周的加勁肋10可以保證模型箱在100t荷載作用下的變形不超過3mm。
[0039]本發明提出了一種城市地下管道滲漏引發地面塌陷的試驗裝置，可進行不同土質條件、不同埋深、不同管道破壞形式、不同管道流速和不同加載方式等多種物理模型試驗， 其可以實現整個系統的水循環，模型箱尺寸為2.〇m X 1.0m X 1.5m(長X寬X高)。
[0040]以上所述為本發明的示意性的【具體實施方式】，并非用以限定本發明的范圍，任何本領域的技術人員，在不脫離本發明的構思和原則的前提下所做的同等變化、修改與結合， 均應屬于本發明保護的范圍。
【主權項】
1.一種城市地下管道滲漏引發地面塌陷的試驗裝置，其特征在于，包括土料、地下管道 (1)、模擬地面塌陷的模型箱(2)、流量計(6)、過濾流失土體顆粒的水箱(3);模擬地面塌陷的模型箱由鋼板和透明有機玻璃板制成，模擬地面塌陷的模型箱正面采 用透明有機玻璃板，此面能夠看到模擬地面塌陷的模型箱內部情況，其他三側面和底面采 用鋼板；內部裝填土料，地下管道(1)埋設在模擬地面塌陷的模型箱(2)內的土料；過濾流失土體顆粒的水箱(3)由三塊過濾隔板(12)將水箱分成平行的四格，四部分之 間連通，過濾隔板過濾埋設地下管道周圍流失的土體顆粒；過濾流失土體顆粒的水箱(3)第一格內設有潛水栗(4)，潛水栗(4)通過透明鋼絲管與 地下管道(1)的進水端連接;地下管道(1)的出水端所對應的模擬地面塌陷的模型箱的側面 上設有地下管道出口，地下管道(1)出水端經地下管道出口經由流量計(6)由透明鋼絲管與 過濾流失土體顆粒的水箱(3)第四格連接;潛水栗(4)與變頻器(5)連接。2.按照權利要求1所述的一種城市地下管道滲漏引發地面塌陷的試驗裝置，其特征在 于，與地下管道(1)進水端和出水端相連的透明鋼絲管內徑尺寸大小不同，出水端透明鋼絲 管內徑尺寸大于進水端透明鋼絲管內徑尺寸。3.按照權利要求1所述的一種城市地下管道滲漏引發地面塌陷的試驗裝置，其特征在 于，所述模型箱正面鑲嵌透明有機玻璃板，左側面即進水端側面焊接爬梯(11 )，右側面底部 留有出水管口，背面設置土料填裝口，四周及底面焊接加勁肋。4.按照權利要求1所述的一種城市地下管道滲漏引發地面塌陷的試驗裝置，其特征在 于，地下管道緊貼透明有機玻璃埋設于模擬地面塌陷的模型箱(2)內。5.按照權利要求1所述的一種城市地下管道滲漏引發地面塌陷的試驗裝置，其特征在 于，進水端的透明鋼絲管繞過模擬地面塌陷的模型箱(2)對應的側面上端與進水端連接。
【文檔編號】G01N33/24GK106018736SQ201610306354
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月10日
【發明人】高曉靜, 王秋生, 范立峰, 李鵬飛, 蘇瑞林
【申請人】北京工業大學