本发明属于隧道模型试验，尤其涉及水-力交互式隧道三维模型试验装置及方法。
背景技术：
1、目前，随着隧道工程的发展，富水地层隧道日益增多，如某些地下水资源丰富的地区公路、铁路、地铁隧道等。隧道工程设计、施工及运营过程中常常需要进行物理模型试验，然而，传统的隧道模型试验系统的加载系统功能单一、调节范围有限，无法满足不同试验条件下的加载需求，限制了试验参数的灵活调控和多样化加载方式的实现。在隧道的实际运行过程中，存在多种因素的综合作用结果，单一性的加载系统不能很好的对多种因素共同作用下隧道结构的受力和变形行为进行准确模拟，增加了隧道病害预测和防治的难度。
2、此外，发明人还发现：
3、(1)传统水压加载系统控制精度不高，无法实现对水压的精准调节和多点加载，影响了试验结果的准确性和可靠性；
4、(2)传统的隧道模型试验系统通常使用钢材制作模型箱，导致试验过程中无法直观观察到模型内部的受力情况和渗漏路径，限制了对试验结果的准确评估；
5、(3)现有隧道模型试验系统的密封性能较差，试验箱内部土体水分易产生渗漏，影响试验的稳定性和可靠性，同时增加了试验的难度和成本。
技术实现思路
1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了水-力交互式隧道三维模型试验装置及方法，通过水压加载系统的多点水压加载方式对模型箱内的土体进行水压加载，通过围压加载系统的点加载或面加载方式对模型箱进行竖向载荷和侧向载荷的加载，结合温度模拟系统、湿度模拟系统和化学腐蚀模拟系统，对模型箱及土体施加多种变量因素，在多种变量因素的综合影响下，最终得到更加准确的模型试验结果。
2、为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
3、本发明第一方面提供了水-力交互式隧道三维模型试验装置。
4、水-力交互式隧道三维模型试验装置，包括水压加载系统、围压加载系统、模型箱、数据采集系统和控制系统，其中：
5、水压加载系统，其用于与模型箱连接，为模型箱的多个目标点位加载不同压力的水流；
6、围压加载系统，其用于与模型箱的顶部和侧面相抵接，以点加载或面加载的方式为模型箱的顶部和侧面分别施加竖向载荷和侧向载荷；
7、模型箱，其用于容纳土体并显示水流路径，所述土体和模型箱侧壁设定位置处安装有传感器；
8、数据采集系统，其用于获取模型箱内传感器的数据，并采集试验过程中的水流路径图像和土体变化图像；
9、控制系统，其用于对水压加载系统加载的水压力、以及围压加载系统加载的竖向载荷和侧向载荷进行控制，并获取数据采集系统回传的传感器数据、水流路径图像和土体变化图像，得到试验结果。
10、作为可选择的技术方案，所述水压加载系统包括水压控制台、水压泵和水箱，所述水压泵与水箱之间、水压泵与模型箱的多个目标点位之间均通过水管相连接，所述水压泵与水压控制台之间、水压泵与控制系统之间均为电性连接。
11、作为可选择的技术方案，所述围压加载系统包括加载架、压头、压力泵和压力控制台，所述加载架包括横梁以及设置于横梁两端的竖向杆，所述模型箱设置于横梁和两个竖向杆之间；所述压头设置于横梁和竖向杆上，所述压头与压力泵之间、压力泵与压力控制台之间均为电性连接。
12、作为可选择的技术方案，所述压头的数量为多个，压头的长度为可调节设置。
13、作为可选择的技术方案，所述模型箱包括底板，所述底板上设置有刚性框架，所述刚性框架的四周嵌入有透明钢化玻璃，所述透明钢化玻璃与刚性框架之间设置有橡胶垫；所述刚性框架的顶面设置有可替换钢板。
14、作为可选择的技术方案，所述数据采集系统包括摄像机，所述摄像机设置于模型箱周围；所述模型箱中的传感器包括应力传感器和应变传感器。
15、作为可选择的技术方案，还包括温度模拟系统，所述温度模拟系统包括温度加载装置和温度传感器，其中：
16、温度加载装置，其用于对模型箱及其内部的土体进行温度加载；
17、温度传感器，其用于采集模型箱及其内部的土体的温度；
18、控制系统，其用于基于设定试验温度对温度加载装置进行启闭控制，并获取温度传感器回传的温度数据，判断模型箱及其内部的土体是否达到设定试验温度。
19、作为可选择的技术方案，还包括湿度模拟系统，所述湿度模拟系统包括湿度加载装置和湿度传感器，其中：
20、湿度加载装置，其用于对模型箱周侧的设定范围进行湿度加载；
21、湿度传感器，其用于采集模型箱周侧的设定范围的湿度；
22、控制系统，其用于基于设定试验湿度对湿度加载装置进行启闭控制，并获取湿度传感器回传的湿度数据，判断模型箱周侧的设定范围是否达到设定试验湿度。
23、作为可选择的技术方案，还包括化学腐蚀模拟系统，所述化学腐蚀模拟系统包括化学腐蚀物质加载装置和化学腐蚀物质浓度传感器，其中：
24、化学腐蚀物质加载装置，其用于对模型箱内部土体进行化学腐蚀物质加载；
25、化学腐蚀物质浓度传感器，其用于采集模型箱内部土体的化学腐蚀物质浓度；
26、控制系统，其用于基于设定化学腐蚀物质浓度对化学腐蚀物质加载装置进行启闭控制，并获取化学腐蚀物质浓度传感器回传的化学腐蚀物质浓度数据，判断模型箱内部土体是否达到设定化学腐蚀物质浓度。
27、本发明第二方面提供了水-力交互式隧道三维模型试验方法。
28、水-力交互式隧道三维模型试验方法，包括以下步骤：
29、控制系统对水压加载系统加载的水压力、以及围压加载系统加载的竖向载荷和侧向载荷进行控制；
30、水压加载系统为模型箱的多个目标点位加载不同压力的水流；
31、围压加载系统以点加载或面加载的方式为模型箱的顶部和侧面分别施加竖向载荷和侧向载荷；
32、模型箱显示水流路径；
33、数据采集系统获取模型箱内传感器的数据，并采集试验过程中的水流路径图像和土体变化图像；
34、控制系统获取数据采集系统回传的传感器数据、水流路径图像和土体变化图像，得到试验结果。
35、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
36、本发明提供了水-力交互式隧道三维模型试验装置及方法，通过水压加载系统的多点水压加载方式对模型箱内的土体进行水压加载，通过围压加载系统的点加载或面加载方式对模型箱进行竖向载荷和侧向载荷的加载，结合温度模拟系统、湿度模拟系统和化学腐蚀模拟系统，对模型箱及土体施加多种变量因素，在多种变量因素的综合影响下，最终得到更加准确的模型试验结果。
37、本发明能够对模型箱的多个目标点位施加不同的水压力，加载不同压力的水流，设计智能化水压控制装置，实现对水压的精准调节和多样化加载方式，从而实现对水压力的精确模拟和试验。
38、本发明采用模块化的围压加载系统，包括可调节的支撑结构和可移动的加载模块，可以根据需要进行组合和调节，实现多种加载方式；通过在横梁和竖向杆上设置多个压头、将压头的长度设置为可调节的形式，能够通过灵活设置的压头对模型箱的顶部和侧面进行点加载和面加载，实现多种形式的加载模拟试验。
39、本发明采用透明钢化玻璃材料作为模型试验箱材料，围岩土体采用透明相似材料，可观察水在土体中的流动路径及规律，探究富水地层隧道结构的渗漏机理，获取更加清晰的水流路径图像和土体变化图像，提升试验精度。
40、本发明模型箱中的传感器包括应力传感器和应变传感器，实时监测试验过程中的数据信息，通过传感器和显示屏实现实时数据显示功能，提高试验的可控性和可操作性。
41、本发明的控制系统在对试验数据进行处理时，采用虚拟仿真系统，结合虚拟仿真技术和增强现实技术，建立隧道病害的三维仿真模型，辅助试验设计和结果分析，提供可视化的试验环境，增强现实(ar)子系统，利用ar技术实时显示试验数据和病害发展过程，提高试验的互动性和直观性，增强用户体验。
42、本发明的控制系统还基于病害数据库智能预测模块，通过大数据技术分析海量试验数据，为隧道病害的预测和防治提供科学依据，同时进行数据管理和维护，确保数据的完整性和可用性，为预测提供数据支持。
43、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
1.水-力交互式隧道三维模型试验装置，其特征在于，包括水压加载系统、围压加载系统、模型箱、数据采集系统和控制系统，其中：
2.如权利要求1所述的水-力交互式隧道三维模型试验装置，其特征在于，所述水压加载系统包括水压控制台、水压泵和水箱，所述水压泵与水箱之间、水压泵与模型箱的多个目标点位之间均通过水管相连接，所述水压泵与水压控制台之间、水压泵与控制系统之间均为电性连接。
3.如权利要求1所述的水-力交互式隧道三维模型试验装置，其特征在于，所述围压加载系统包括加载架、压头、压力泵和压力控制台，所述加载架包括横梁以及设置于横梁两端的竖向杆，所述模型箱设置于横梁和两个竖向杆之间；所述压头设置于横梁和竖向杆上，所述压头与压力泵之间、压力泵与压力控制台之间均为电性连接。
4.如权利要求3所述的水-力交互式隧道三维模型试验装置，其特征在于，所述压头的数量为多个，压头的长度为可调节设置。
5.如权利要求1所述的水-力交互式隧道三维模型试验装置，其特征在于，所述模型箱包括底板，所述底板上设置有刚性框架，所述刚性框架的四周嵌入有透明钢化玻璃，所述透明钢化玻璃与刚性框架之间设置有橡胶垫；所述刚性框架的顶面设置有可替换钢板。
6.如权利要求1所述的水-力交互式隧道三维模型试验装置，其特征在于，所述数据采集系统包括摄像机，所述摄像机设置于模型箱周围；所述模型箱中的传感器包括应力传感器和应变传感器。
7.如权利要求1所述的水-力交互式隧道三维模型试验装置，其特征在于，还包括温度模拟系统，所述温度模拟系统包括温度加载装置和温度传感器，其中：
8.如权利要求1所述的水-力交互式隧道三维模型试验装置，其特征在于，还包括湿度模拟系统，所述湿度模拟系统包括湿度加载装置和湿度传感器，其中：
9.如权利要求1所述的水-力交互式隧道三维模型试验装置，其特征在于，还包括化学腐蚀模拟系统，所述化学腐蚀模拟系统包括化学腐蚀物质加载装置和化学腐蚀物质浓度传感器，其中：
10.水-力交互式隧道三维模型试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
