1.本发明属于地下岩石工程研究领域，具体提供了一种应力-水压力耦合环境下地下洞室围岩渗流态演化规律的模拟试验装置与方法，用于对水利枢纽、跨流域调引水、水封石油洞库、交通隧道等地下工程中洞室围岩点滴状出水、淋雨状或线流状出水、涌流状出水等不同渗流态及其演化规律的试验研究。
背景技术：2.水利枢纽、跨流域调引水隧洞、水封石油洞库、交通隧道等地下岩石工程在洞室开挖与修建的过程中将不可避免地穿越不同性质的地下岩体。地下洞室的开挖改变了地下水原有的渗流状态，隧道洞身便会成为地下水向外排泄的地下廊道。特别对于超长或深埋隧洞，其通过的地段地质情况复杂，一般水源补给量充足，所以其涌水量大，水头压力高。因此，渗水、涌水问题是地下洞室施工中常见的主要地质灾害，也是隧道运营中的主要病害。实践表明，不同地下洞室在施工及运营期间，围岩的渗流存在显著差异，即使是对围岩地下水渗流量较大的隧洞，隧洞的不同区段，其涌水量也存在显著差异。这主要是由于隧洞围岩的结构特征、渗透特性、地应力环境、围岩含水量和地下水的补给状况等往往是不相同的。这种差异同样也可以表现在同一隧道的不同区段之间，在其它条件相近的情况下，隧道不同区段渗流量的显著差异，往往与不同区段围岩的结构特性、渗透特性、地应力环境和含水量差异有关。因此，在地下洞室的设计、施工过程中，需要充分了解围岩的岩体结构特征、渗透特性、地应力环境和地下水的分布特征，特别是围岩的岩体结构特征与渗透特性，预测地下洞室围岩的渗水状态和涌水量。
3.目前针对地下洞室渗水、涌水问题的研究大多依据现场试验、数值模拟、物理模型试验等手段开展研究。为了预测计算方便，传统的地下洞室渗流的预测往往将洞室周围等效成性质相同的围岩体，探索渗流内在规律，以解工程急需。但实际统计中地下洞室渗水量大小往往呈现非均匀性，围岩裂隙结构效应、地应力环境的力学效应等因素对渗水量的规模和分布都有着重要的影响。目前的数值模拟方法和物理模型试验方法尚不能反映岩体结构特征、地应力环境、水压力环境等交互影响下地下洞室围岩潮湿或点滴状出水、淋雨状或线流状出水、涌流状出水等不同渗流态的渗水现象及其演变规律。
技术实现要素：4.为解决上述渗流量及其演化过程的测试问题，提供的一种应力-水压力耦合环境下地下洞室围岩渗流态演化规律的模拟试验装置及方法，所述试验装置与测试方法可以对不同应力环境、地下水环境下含不同裂隙结构或地质缺陷的岩体内开挖的地下洞室的渗流态演变、渗流路径特征以及突涌水等渗流破坏致灾机理研究提供有效、可靠手段。
5.为了达到上述技术目的，本发明提供了一种地下洞室围岩渗流态演化规律模拟试验装置，其特征在于：所述模拟试验装置包括高压密封水舱、三向荷载加载系统、含有地下洞室的模型试体、参数测量系统和位于高压密封水舱内含有地下洞室的模型试体；
6.所述高压密封水舱包括上下敞口式舱体、位于舱体底面的钢底板和位于舱体顶面的钢顶板，所述钢底板和钢顶板与舱体之间通过连接卡扣和u型密封条密封连接，在钢底板上设置有进出水管和线缆管路通道，在刚顶板上设有排气口；
7.所述三向荷载加载系统包括设置在高压密封水舱上下、左右和前后侧的加载油缸，并在高压密封水舱的钢底板、钢顶板及舱体对应设置加载油缸的位置设有荷载加载油缸通道，每侧的加载油缸通过对应的荷载加载油缸通道伸入高压密封水舱内，并与模型试体的外表面接触，且加载油缸与荷载加载油缸通道之间密封连接；
8.所述参数测量系统包括控制平台和信号采集单元；所述信号采集单元包括设置在模型试体的地下洞室内的应变计、红外摄像装置和渗流压力与渗流量采集装置，所述渗流压力与渗流量采集装置包括导水管和设置在地下洞室底部的集水板，所述导水管一端伸入地下洞室内，并与集水板连通，另一端穿出高压密封水舱外，并在导水管为高压密封水舱外部的区域设有压力表和流量计；所述应变计、红外摄像装置、压力表和流量计的信号输出端均与控制平台信号输入端连接。
9.本发明进一步的技术方案：所述试验装置还包括为设置在高压密封水舱上下侧的竖向荷载加载油缸提供动力的竖向荷载加载动力装置、为设置在高压密封水舱左右侧水平荷载加载油缸提供动力的左右水平向荷载加载动力装置、为设置在高压密封水舱前后侧水平荷载加载油缸提供动力的前后水平向荷载加载动力装置以及与进出水管连接的水压力加载动力装置；所述控制平台分别与竖向荷载加载动力装置、左右水平向荷载加载动力装置、前后水平向荷载加载动力装置和水压力加载动力装置的信号连接。
10.本发明较优的技术方案：所述应变计和红外摄像装置的控制线缆通过钢底板上的线缆管路通道引出高压密封水舱，并通过数据采集仪采集试验数据，并传输至控制平台；所述红外摄像装置对试验过程进行全程录像，并将数据实时传输至控制平台；所述集水板设置于模型试体内地下洞室的底板，用于收集地下洞室内的渗水，并通过导水管引出高压密封水舱外；所述压力表和流量计用于采集导水管内的水流量和水压力，并将数据实时传输至控制平台，对模型试体内地下洞室中的渗水量及渗水压力进行观测计量。
11.本发明较优的技术方案：所述连接卡扣位u形卡扣，套设在舱体与钢底板和钢顶板连接部位的对接面，并通过定位螺栓进行限位锁紧；在钢底板、舱体和钢顶板连接部位之间均设置u型密封条；所述高压密封水舱的底部设有支撑架，所述支撑架的高度大于钢底板上加载油缸完全伸出时的长度；在舱体的前后左右中心位置对称开设有水平荷载加载油缸通道，在钢底板和钢顶板的中心位置对称开设有纵向荷载加载油缸通道；每侧加载油缸与模型试体之间均设有透水板。
12.为了达到上述技术目的，本发明还提供了一种地下洞室围岩渗流态演化规律模拟试验方法，其特征在于所述试验方法通过上述的地下洞室围岩渗流态演化规律模拟试验装置进行，其具体步骤如下：
13.(1)建立模型试体，所述模型试体具有预定的裂隙结构以及含有预制开挖成型的地下洞室，在模型试体内地下洞室的底板预埋集水板、导水管和红外摄像装置，地下洞室的围岩埋设应变计及相应的数据传输线缆；并得到模型试体的洞室围岩结构类型k值；
14.(2)通过构建密封高压密封水舱模拟地下水环境，三向荷载加载系统模拟地应力环境，将含有地下洞室的模型试体置于高压水舱内，通过舱内水压力与三向荷载的加卸载
控制，实现围岩内地下水向洞室临空面的渗漏；
15.(3)控制三向荷载加载系统对模型试体施加三向荷载，形成竖向、水平向三个方向主应力σ1、σ2、σ3；同时对高压力水舱进行注水，并调控水压力加载动力装置(19)，使高压力水舱内形成预设的稳定水压即洞室外水压力pw；
16.(4)在步骤(3)中给模型试体施加三向荷载、对高压力水舱进行水压加载过程以及稳定上述试验状态的时间内，采用应变计、红外摄像装置和流量计分别记录模型试体内地下洞室围岩的变形量、渗流态特征以及渗水量，通过渗流态特征判断模型试体的洞室围岩渗流态π基本级别；获得模型试体的洞室围岩结构类型、洞室围岩所受三向应力σ1、σ2、σ3、洞室外水压力pw与洞室围岩变形量、渗水量、渗流态特征之间关系的相关试验数据；
17.(5)基于试验过程中模型试体的洞室围岩结构类型、洞室围岩所受三向应力、洞室外水压力与模型试体的洞室围岩渗流态基本级别判定结果；建立地下洞室围岩渗流态的基本级别π与洞室围岩结构类型k、洞室围岩平均主应力σm、洞室外水压力pw的函数关系：
18.π＝a(k)+bσm+c(pw)+d
19.式中：σm为洞室围岩平均主应力，σm＝(σ1+σ2+σ3)/3；
20.a，b，c为各分级因素的影响系数，d为常数项；
21.pw为洞室外水压力；
22.(6)根据步骤(5)中所建立的地下洞室围岩渗流态基本级别π的计算公式，即可针对地下洞室围岩岩体结构类型、洞室围岩所受应力和水压力环境发生改变时，预测地下洞室围岩渗流态的基本级别及其演化规律。
23.本发明进一步的技术方案：所述步骤(2)中高压密封水舱的构建过程如下：
24.a.将模型试体移入高压力水舱内底端透水板上，将导水管、红外摄像装置，应变计的数据传输线缆通过线缆管路通道引出高压密封舱外，对线缆管路通道进行环氧树脂密封防水；
25.b.安装高压力水舱舱体，依次安装模型试体四个侧面与顶面的透水板，并调整位置与竖向荷载加压油缸、左右水平向荷载加压油缸及前后水平向荷载加压油缸紧密接触，最后安装钢顶板，完成高压密封水舱安装。
26.本发明进一步的技术方案：所述步骤(3)中的三向荷载加载系统加载过程如下：将高压密封水舱移至已建成的反力框架内，连通竖向荷载加压油缸与竖向荷载加载动力装置，左右水平向荷载加压油缸与左右水平向荷载加载动力装置，前后水平向荷载加压油缸与前后水平向荷载加载动力装置，并将上述加载系统与控制平台信号连接；连通进出水管与水压力加载动力装置，并将水压力加载动力装置与控制平台信号连接；将形测量传感元件、数据采集仪、红外摄像装置、压力表和流量计与控制平台信号连接。
27.本发明进一步的技术方案：所述步骤(1)中模型试体的洞室围岩结构类型k值根据《工程岩体分级标准》(gb/t 50218-2014)中有关岩体结构类型的划分，定义模型试件的洞室围岩结构类型k及其取值如下表：
28.岩体结构类型k取值结构类型1块状结构2层状结构3镶嵌结构
4碎裂结构5散体结构
29.。
30.本发明进一步的技术方案：所述步骤(4)通过渗流态特征判断模型试体的洞室围岩渗流态π基本级别是结合国标《工程岩体分级标准》(gb/t 50218-2014)中关于地下洞室出水状态的规定，按照下表进行判断取值：
[0031][0032][0033]
本发明进一步的技术方案：所述步骤(5)中具体计算过程如下：对于岩体结构类型为k的模型试件，所述主应力σ1、σ2、σ3为三向的加载油缸所产生的荷载在模型试体表面形成的预定的压力；通过控制竖向荷载加载动力装置、左右水平向荷载加载动力装置和前后水平向荷载加载动力装置得到施加在试件表面竖向、左右水平向和前后水平向的应力分别为σ1，σ2，σ3；通过控制水压力加载动力装置得到模型试件所受的外水压力为pw；单次试验，根据红外红摄像装置与渗流压力、渗流量测量结果，判断得到模型试件的洞室围岩渗流态π基本级别；然后，改变模型试件的岩体结构类型k、施加在试件表面的应力σ1、σ2、σ3，模型试件所受的外水压力为pw，进行多次试验，即可获得不同岩体结构类型、围岩应力、外水压力组合条件下，洞室围岩渗流态的基本级别π；采用多参数组成的综合指标法，以三个分级因素的定量指标岩体结构类型k、平均主应力σm、外水压力为pw为自变量，以地下洞室围岩渗流态π基本级别为因变量，采用逐步回归的方法建立地下洞室围岩渗流态π基本级别的计算公式。
[0034]
本发明的有益效果：
[0035]
(1)本发明设有高压力水舱，将模型试体整体置于本发明中构建的高压力水舱内，进行地下洞室围岩地下水环境的整体模拟与精细控制，可以实现地下洞室围岩中地下水向洞室内发生均匀渗流或沿裂隙等地质缺陷发生优势通道渗流的自由选择。
[0036]
(2)本发明中的三向加载系统，可真实模拟地下洞室围岩所处的三向不等地应力环境，进行不同地应力环境下地下洞室围岩变形与渗流态规律的研究。
[0037]
(3)本发明中围岩变形测量系统、渗流态表象观测系统与渗漏计量系统，可实现应力-水压力耦合环境下地下洞室潮湿或点滴状出水、淋雨状或线流状出水、涌流状出水等不同渗流态及其演化过程观测，并进行应力-水压力耦合环境下地下洞室渗流态的分析与渗透机理的研究。
[0038]
本发明突破了目前地下洞室渗流模型试验所采用的外置水箱、预制容腔等地下水环境模拟方式，采用构建高压力水舱实现洞室围岩地下水环境的整体模拟，通过三向加载系统、水压力加载系统、表象观测系统与测量系统实现应力水压力耦合环境下地下洞室渗
流态及其演化过程观测，为应力-水压力耦合环境下地下洞室渗流态的演化、渗流路径揭示、突涌水致灾机理的研究，提供了一种新的手段和技术方案；同时该装置具有拆卸方便、重复使用的特点。
附图说明
[0039]
图1是本发明中模拟试验装置的正视图；
[0040]
图2是本发明中模拟试验装置的侧视图；
[0041]
图3是本发明中模拟试验装置的俯视图；
[0042]
图4是本发明中高压密封水舱的结构示意图。
[0043]
图中：1—模型试体；2—高压密封水舱，200—舱体，201—钢底板，202—钢顶板，203—连接卡扣，204—定位螺栓，205—u型密封条，206—支撑架；3—加载油缸；4—地下洞室；5—控制平台；6—进出水管；7—线缆管路通道；8—排气口；9—导水管；10—应变计；11—红外摄像装置；12—集水板；13—压力表；14—流量计；15—数据采集仪；16—竖向荷载加载动力装置；17—左右水平向荷载加载动力装置；18—前后水平向荷载加载动力装置；19—水压力加载动力装置；20—透水板。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图1至图4均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该装置使用时摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0046]
实施例提供的一种地下洞室围岩渗流态演化规律模拟试验装置，如图1至图3所示，所述模拟试验装置包括高压密封水舱2、三向荷载加载系统、参数测量系统和位于高压密封水舱2内含有地下洞室4的模型试体1。如图4所示，所述高压密封水舱2包括上下敞口式舱体200、位于舱体200底面的钢底板201和位于舱体200顶面的钢顶板202，所述钢底板201和钢顶板202与舱体200之间通过连接卡扣203和u型密封条205密封连接，在钢底板201上设置有进出水管6和线缆管路通道7，在刚顶板202上设有排气口8；所述连接卡扣203位u形卡扣，套设在舱体200与钢底板201和钢顶板202连接部位的对接面，并通过定位螺栓204进行限位锁紧；在钢底板201、舱体200)和钢顶板202连接部位之间均设置u型密封条205；所述高压密封水舱2的底部设有支撑架206，所述支撑架206的高度大于钢底板201上加载油缸3完全伸出时的长度；在舱体200的前后左右中心位置对称开设有水平荷载加载油缸通道，在钢底板201和钢顶板202的中心位置对称开设有纵向荷载加载油缸通道；每侧加载油缸3与模
型试体1之间均设有透水板20。所述三向荷载加载系统包括设置在高压密封水舱2上下、左右和前后侧的加载油缸3，并在高压密封水舱2的钢底板201、钢顶板202及舱体200对应设置加载油缸3的位置设有荷载加载油缸通道，每侧的加载油缸3通过对应的荷载加载油缸通道伸入高压密封水舱2内，并与模型试体1的外表面接触，且加载油缸3与荷载加载油缸通道之间密封连接。
[0047]
实施例提供的一种地下洞室围岩渗流态演化规律模拟试验装置，如图1至图3所示，所述参数测量系统包括控制平台5和信号采集单元；所述信号采集单元包括设置在模型试体1的地下洞室4内的应变计10、红外摄像装置11和渗流压力与渗流量采集装置，所述渗流压力与渗流量采集装置包括导水管9和设置在地下洞室4底部的集水板12，所述导水管9一端伸入地下洞室4内，并与集水板12连通，另一端穿出高压密封水舱2外，并在导水管9为高压密封水舱2外部的区域设有压力表13和流量计14；所述应变计10、红外摄像装置11、压力表13和流量计14的信号输出端均与控制平台5信号输入端连接。所述应变计10和红外摄像装置11的控制线缆通过钢底板201上的线缆管路通道7引出高压密封水舱2，并通过数据采集仪15采集试验数据，并传输至控制平台5。所述红外摄像装置11对试验过程进行全程录像，并将数据实时传输至控制平台5；所述集水板12设置于模型试体1内地下洞室4的底板，用于收集地下洞室4内的渗水，并通过导水管9引出高压密封水舱2外；所述压力表13和流量计14用于采集导水管9内的水流量和水压力，并将数据实时传输至控制平台5，对模型试体1内地下洞室4中的渗水量及渗水压力进行观测计量。
[0048]
实施例中的所述试验装置，如图1至图3所示，还包括为设置在高压密封水舱2上下侧的竖向荷载加载油缸提供动力的竖向荷载加载动力装置16、为设置在高压密封水舱2左右侧水平荷载加载油缸提供动力的左右水平向荷载加载动力装置17、为设置在高压密封水舱2前后侧水平荷载加载油缸提供动力的前后水平向荷载加载动力装置18以及与进出水管6连接的水压力加载动力装置19；所述控制平台5分别与竖向荷载加载动力装置16、左右水平向荷载加载动力装置17、前后水平向荷载加载动力装置18和水压力加载动力装置19的信号连接。
[0049]
实施例中提供的一种应力-水压力耦合环境下地下洞室渗流态演化规律模拟试验方法，其模型试体1为立方体，长宽高均为100cm；模型试体1内地下洞室4形状为城门洞型，宽度为20cm，高度为25cm，长度为50cm。按照上述试验装置，构建密封高压力水舱模拟地下水环境，三向荷载加载系统模拟地应力环境，将含有地下洞室的模型试体置于高压水舱内，通过舱内水压力与三向荷载的加卸载控制，实现围岩内地下水向洞室临空面的渗漏，并基于模型试体内地下洞室构建围岩变形测量系统、渗流态表象观测系统与渗漏计量系统，实现应力-水压力耦合环境下地下洞室围岩变形与渗流态测试。其具体步骤如下：
[0050]
(1)建立模型试体，所述模型试体1具有预定的裂隙结构以及含有预制开挖成型的地下洞室4，在模型试体1内地下洞室4的底板预埋集水板12、导水管9和红外摄像装置11，地下洞室4的围岩埋设应变计10及相应的数据传输线缆；并得到模型试体的洞室围岩结构类型k值；所述模型试体的洞室围岩结构类型k值根据《工程岩体分级标准》(gb/t 50218-2014)中有关岩体结构类型的划分，定义模型试件的洞室围岩结构类型k及其取值如下表：
[0051]
岩体结构类型k取值结构类型1块状结构
2层状结构3镶嵌结构4碎裂结构5散体结构
[0052]
。
[0053]
(2)通过构建密封高压密封水舱模拟地下水环境，三向荷载加载系统模拟地应力环境，将含有地下洞室的模型试体置于高压水舱内，通过舱内水压力与三向荷载的加卸载控制，实现围岩内地下水向洞室临空面的渗漏；具体步骤如下：
[0054]
a.将模型试体1移入高压力水舱2内底端透水板20上，将导水管9、红外摄像装置11，应变计10的数据传输线缆通过线缆管路通道7引出高压密封舱2外，对线缆管路通道2进行环氧树脂密封防水；
[0055]
b.安装高压力水舱舱体200，依次安装模型试体1四个侧面与顶面的透水板20，并调整位置与竖向荷载加压油缸、左右水平向荷载加压油缸及前后水平向荷载加压油缸紧密接触，最后安装钢顶板202，完成高压密封水舱安装。
[0056]
(3)控制三向荷载加载系统对模型试体施加三向荷载，形成竖向、水平向三个方向主应力σ1、σ2、σ3；同时对高压力水舱进行注水，并调控水压力加载动力装置19，使高压力水舱内形成预设的稳定水压即洞室外水压力pw；所述三向荷载加载系统加载过程如下：将高压密封水舱移至已建成的反力框架内，连通竖向荷载加压油缸与竖向荷载加载动力装置16，左右水平向荷载加压油缸与左右水平向荷载加载动力装置17，前后水平向荷载加压油缸与前后水平向荷载加载动力装置18，并将上述加载系统与控制平台5信号连接；连通进出水管6与水压力加载动力装置19，并将水压力加载动力装置19与控制平台5信号连接；将形测量传感元件10、数据采集仪15、红外摄像装置11、压力表13和流量计14与控制平台5信号连接。
[0057]
(4)在步骤(3)中给模型试体施加三向荷载、对高压力水舱进行水压加载过程以及稳定上述试验状态的时间内，采用应变计10、红外摄像装置11和流量计14分别记录模型试体1内地下洞室4围岩的变形量、渗流态特征以及渗水量，通过渗流态特征判断模型试体的洞室围岩渗流态π基本级别；获得模型试体的洞室围岩结构类型、洞室围岩所受三向应力σ1、σ2、σ3、洞室外水压力pw与洞室围岩变形量、渗水量、渗流态特征之间关系的相关试验数据；通过渗流态特征判断模型试体的洞室围岩渗流态π基本级别是结合国标《工程岩体分级标准》(gb/t 50218-2014)中关于地下洞室出水状态的规定，按照下表进行判断取值：
[0058][0059][0060]
(5)对于岩体结构类型为k的模型试件，所述主应力σ1、σ2、σ3为三向的加载油缸3所
产生的荷载在模型试体表面形成的预定的压力；通过控制竖向荷载加载动力装置16、左右水平向荷载加载动力装置17和前后水平向荷载加载动力装置18得到施加在试件表面竖向、左右水平向和前后水平向的应力分别为σ1，σ2，σ3；通过控制水压力加载动力装置19得到模型试件所受的外水压力为pw；单次试验，根据红外红摄像装置与渗流压力、渗流量测量结果，判断得到模型试件的洞室围岩渗流态π基本级别；然后，改变模型试件的岩体结构类型k、施加在试件表面的应力σ1、σ2、σ3，模型试件所受的外水压力为pw，进行多次试验，即可获得不同岩体结构类型、围岩应力、外水压力组合条件下，洞室围岩渗流态的基本级别π；采用多参数组成的综合指标法，以三个分级因素的定量指标岩体结构类型k、平均主应力σm[0061]
、外水压力为pw为自变量，以地下洞室围岩渗流态π基本级别为因变量，采用逐步回归、逐步判别的方法建立地下洞室围岩渗流态的基本级别π与洞室围岩结构类型k、洞室围岩平均主应力σm、洞室外水压力pw的函数关系：
[0062]
π＝a(k)+bσm+c(pw)+d
[0063]
式中：σm为洞室围岩平均主应力，σm＝(σ1+σ2+σ3)/3；
[0064]
a，b，c为各分级因素的影响系数，d为常数项；
[0065]
pw为洞室外水压力；
[0066]
(6)根据步骤(5)中所建立的地下洞室围岩渗流态基本级别π的计算公式，即可针对地下洞室围岩岩体结构类型、洞室围岩所受应力和水压力环境发生改变时，预测地下洞室围岩渗流态的基本级别及其演化规律。
[0067]
以上所述，只是本发明的实施例，其描述较为具体，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
技术特征：1.一种地下洞室围岩渗流态演化规律模拟试验装置，其特征在于：所述模拟试验装置包括高压密封水舱(2)、三向荷载加载系统、参数测量系统和位于高压密封水舱(2)内含有地下洞室(4)的模型试体(1)；所述高压密封水舱(2)包括上下敞口式舱体(200)、位于舱体(200)底面的钢底板(201)和位于舱体(200)顶面的钢顶板(202)，所述钢底板(201)和钢顶板(202)与舱体(200)之间通过连接卡扣(203)和u型密封条(205)密封连接，在钢底板(201)上设置有进出水管(6)和线缆管路通道(7)，在刚顶板(202)上设有排气口(8)；所述三向荷载加载系统包括设置在高压密封水舱(2)上下、左右和前后侧的加载油缸(3)，并在高压密封水舱(2)的钢底板(201)、钢顶板(202)及舱体(200)对应设置加载油缸(3)的位置设有荷载加载油缸通道，每侧的加载油缸(3)通过对应的荷载加载油缸通道伸入高压密封水舱(2)内，并与模型试体(1)的外表面接触，且加载油缸(3)与荷载加载油缸通道之间密封连接；所述参数测量系统包括控制平台(5)和信号采集单元；所述信号采集单元包括设置在模型试体(1)的地下洞室(4)内的应变计(10)、红外摄像装置(11)和渗流压力与渗流量采集装置，所述渗流压力与渗流量采集装置包括导水管(9)和设置在地下洞室(4)底部的集水板(12)，所述导水管(9)一端伸入地下洞室(4)内，并与集水板(12)连通，另一端穿出高压密封水舱(2)外，并在导水管(9)为高压密封水舱(2)外部的区域设有压力表(13)和流量计(14)；所述应变计(10)、红外摄像装置(11)、压力表(13)和流量计(14)的信号输出端均与控制平台(5)信号输入端连接。2.根据权利要求1所述的一种地下洞室围岩渗流态演化规律模拟试验装置，其特征在于：所述试验装置还包括为设置在高压密封水舱(2)上下侧的竖向荷载加载油缸提供动力的竖向荷载加载动力装置(16)、为设置在高压密封水舱(2)左右侧水平荷载加载油缸提供动力的左右水平向荷载加载动力装置(17)、为设置在高压密封水舱(2)前后侧水平荷载加载油缸提供动力的前后水平向荷载加载动力装置(18)以及与进出水管(6)连接的水压力加载动力装置(19)；所述控制平台(5)分别与竖向荷载加载动力装置(16)、左右水平向荷载加载动力装置(17)、前后水平向荷载加载动力装置(18)和水压力加载动力装置(19)的信号连接。3.根据权利要求1或2所述的一种地下洞室围岩渗流态演化规律模拟试验装置，其特征在于：所述应变计(10)和红外摄像装置(11)的控制线缆通过钢底板(201)上的线缆管路通道(7)引出高压密封水舱(2)，并通过数据采集仪(15)采集试验数据，并传输至控制平台(5)；所述红外摄像装置(11)对试验过程进行全程录像，并将数据实时传输至控制平台(5)；所述集水板(12)设置于模型试体(1)内地下洞室(4)的底板，用于收集地下洞室(4)内的渗水，并通过导水管(9)引出高压密封水舱(2)外；所述压力表(13)和流量计(14)用于采集导水管(9)内的水流量和水压力，并将数据实时传输至控制平台(5)，对模型试体(1)内地下洞室(4)中的渗水量及渗水压力进行观测计量。4.根据权利要求1或2所述的一种地下洞室围岩渗流态演化规律模拟试验装置，其特征在于：所述连接卡扣(203)位u形卡扣，套设在舱体(200)与钢底板(201)和钢顶板(202)连接部位的对接面，并通过定位螺栓(204)进行限位锁紧；在钢底板(201)、舱体(200)和钢顶板(202)连接部位之间均设置u型密封条(205)；所述高压密封水舱(2)的底部设有支撑架
(206)，所述支撑架(206)的高度大于钢底板(201)上加载油缸(3)完全伸出时的长度；在舱体(200)的前后左右中心位置对称开设有水平荷载加载油缸通道，在钢底板(201)和钢顶板(202)的中心位置对称开设有纵向荷载加载油缸通道；每侧加载油缸(3)与模型试体(1)之间均设有透水板(20)。5.一种地下洞室围岩渗流态演化规律模拟试验方法，其特征在于所述试验方法通过权利要求1至4中所述的地下洞室围岩渗流态演化规律模拟试验装置进行，其具体步骤如下：(1)建立模型试体，所述模型试体具有预定的裂隙结构以及含有预制开挖成型的地下洞室，在模型试体内地下洞室的底板预埋集水板、导水管和红外摄像装置，地下洞室的围岩埋设应变计及相应的数据传输线缆；并得到模型试体的洞室围岩结构类型k值；(2)通过构建密封高压密封水舱模拟地下水环境，三向荷载加载系统模拟地应力环境，将含有地下洞室的模型试体置于高压水舱内，通过舱内水压力与三向荷载的加卸载控制，实现围岩内地下水向洞室临空面的渗漏；(3)控制三向荷载加载系统对模型试体施加三向荷载，形成竖向、水平向三个方向主应力σ1、σ2、σ3；同时对高压力水舱进行注水，并调控水压力加载动力装置(19)，使高压力水舱内形成预设的稳定水压即洞室外水压力p
w
；(4)在步骤(3)中给模型试体施加三向荷载、对高压力水舱进行水压加载过程以及稳定上述试验状态的时间内，采用应变计、红外摄像装置和流量计分别记录模型试体内地下洞室围岩的变形量、渗流态特征以及渗水量，通过渗流态特征判断模型试体的洞室围岩渗流态π基本级别；获得模型试体的洞室围岩结构类型、洞室围岩所受三向应力σ1、σ2、σ3、洞室外水压力p
w
与洞室围岩变形量、渗水量、渗流态特征之间关系的相关试验数据；(5)基于试验过程中模型试体的洞室围岩结构类型、洞室围岩所受三向应力、洞室外水压力与模型试体的洞室围岩渗流态基本级别判定结果；建立地下洞室围岩渗流态的基本级别π与洞室围岩结构类型k、洞室围岩平均主应力σ
m
、洞室外水压力p
w
的函数关系：π＝a(k)+bσ
m
+c(p
w
)+d式中：σ
m
为洞室围岩平均主应力，σ
m
＝(σ1+σ2+σ3)/3；a，b，c为各分级因素的影响系数，d为常数项；p
w
为洞室外水压力；(6)根据步骤(5)中所建立的地下洞室围岩渗流态基本级别π的计算公式，即可针对地下洞室围岩岩体结构类型、洞室围岩所受应力和水压力环境发生改变时，预测地下洞室围岩渗流态的基本级别及其演化规律。6.根据权利要求5所示的一种地下洞室围岩渗流态演化规律模拟试验方法，其特征在于所述步骤(2)中高压密封水舱的构建过程如下：a.将模型试体移入高压力水舱内底端透水板上，将导水管、红外摄像装置，应变计的数据传输线缆通过线缆管路通道引出高压密封舱外，对线缆管路通道进行环氧树脂密封防水；b.安装高压力水舱舱体，依次安装模型试体四个侧面与顶面的透水板，并调整位置与竖向荷载加压油缸、左右水平向荷载加压油缸及前后水平向荷载加压油缸紧密接触，最后安装钢顶板，完成高压密封水舱安装。7.根据权利要求5所示的一种地下洞室围岩渗流态演化规律模拟试验方法，其特征在
于：所述步骤中的三向荷载加载系统加载过程如下：将高压密封水舱移至已建成的反力框架内，连通竖向荷载加压油缸与竖向荷载加载动力装置，左右水平向荷载加压油缸与左右水平向荷载加载动力装置，前后水平向荷载加压油缸与前后水平向荷载加载动力装置，并将上述加载系统与控制平台信号连接；连通进出水管与水压力加载动力装置，并将水压力加载动力装置与控制平台信号连接；将形测量传感元件、数据采集仪、红外摄像装置、压力表和流量计与控制平台信号连接。8.根据权利要求5所示的一种地下洞室围岩渗流态演化规律模拟试验方法，其特征在于：所述步骤(1)中模型试体的洞室围岩结构类型k值根据《工程岩体分级标准》(gb/t 50218-2014)中有关岩体结构类型的划分，定义模型试件的洞室围岩结构类型k及其取值如下表：岩体结构类型k取值结构类型1块状结构2层状结构3镶嵌结构4碎裂结构5散体结构。9.根据权利要求5所示的一种地下洞室围岩渗流态演化规律模拟试验方法，其特征在于所述步骤(4)通过渗流态特征判断模型试体的洞室围岩渗流态π基本级别是结合国标《工程岩体分级标准》(gb/t 50218-2014)中关于地下洞室出水状态的规定，按照下表进行判断取值：取值：10.根据权利要求5所示的一种地下洞室围岩渗流态演化规律模拟试验方法，其特征在于所述步骤(5)中具体计算过程如下：对于岩体结构类型为k的模型试件，所述主应力σ1、σ2、σ3为三向的加载油缸所产生的荷载在模型试体表面形成的预定的压力；通过控制竖向荷载加载动力装置、左右水平向荷载加载动力装置和前后水平向荷载加载动力装置得到施加在试件表面竖向、左右水平向和前后水平向的应力分别为σ1，σ2，σ3；通过控制水压力加载动力装置得到模型试件所受的外水压力为p
w
；单次试验，根据红外红摄像装置与渗流压力、渗流量测量结果，判断得到模型试件的洞室围岩渗流态π基本级别；然后，改变模型试件的岩体结构类型k、施加在试件表面的应力σ1、σ2、σ3，模型试件所受的外水压力为p
w
，进行多次试验，即可获得不同岩体结构类型、围岩应力、外水压力组合条件下，洞室围岩渗流态的基本级别π；采用多参数组成的综合指标法，以三个分级因素的定量指标岩体结构类型k、平均主
应力σ
m
、外水压力为p
w
为自变量，以地下洞室围岩渗流态π基本级别为因变量，采用逐步回归的方法建立地下洞室围岩渗流态π基本级别的计算公式。
技术总结本发明提供一种地下洞室围岩渗流态演化规律模拟试验装置与方法。所述试验装置包括高压密封水舱、三向荷载加载系统、含有地下洞室的模型试体和参数测量系统；所述三向荷载加载系统包括设置在高压密封水舱上下、左右和前后侧的加载油缸，所述参数测量系统包括控制平台和信号采集单元；所述信号采集单元包括设置在模型试体的地下洞室内的应变计、红外摄像装置和渗流压力与渗流量采集装置。本发明将含有地下洞室的模型试体置于高压水舱内，通过舱内水压力与三向荷载的加卸载控制，实现围岩内地下水向洞室临空面的渗漏，获得地下洞室围岩变形量、渗透压力、渗水量，研究地下洞室渗流态演化规律，建立评定地下洞室围岩渗流态基本级别的方法。方法。方法。
技术研发人员：邬爱清 范雷 张宜虎 罗荣 余美万 卢波 刘元坤 韩晓玉 胡伟 徐栋栋 丁长栋 张利洁 熊诗湖 庞正江 唐爱松 陈冲
受保护的技术使用者：长江水利委员会长江科学院
技术研发日：2022.07.12
技术公布日：2022/11/1
