本发明属于土木工程领域，尤其涉及一种模拟管道损伤诱发地陷及修复的离心模型试验装置。
背景技术：
1、排水管道、通讯管道、交通隧道等管线星罗棋布于城市地下空间中，保证了城市基本功能的顺利实现。但是由于制造施工缺陷、管道长期服役老化、地面超载等因素，管道的管壁会出现不同程度破损，在降雨量充沛或者地下水位较高地区，如未能及时发现并修补破损，周围土颗粒在水力作用下发生渗流侵蚀进入管内。同时，在水土渗流侵蚀过程中会促进破损口扩张劣化，进而推动水土渗流进程，加速破损管道周围土体损失，土颗粒之间接触强度降低，从而导致地面沉降，甚至发生地面塌陷。由于管道埋置于地下且呈线性分布，导致管道损伤诱发灾害一般不易被监测而具有很强的隐蔽性，加之土体损失之后的塌陷突然发生，往往具有很强的破坏力，极易造成临近建构筑物损坏。即使管道损伤被及时发现并采取合理措施进行补强修复，管周土体在渗流侵蚀之后的残余性能与原土层大不相同，需进一步研究并做出针对管周残余土体的补强修复方案。
2、针对大直径、大埋深的管道损伤修复，往往由于管线迁改周期长、成本高等原因，宜采用非开挖修复技术，注浆法是其中被广泛应用的一项技术。对于注浆法修复损伤管道涉及到的注浆位置、浆料选取、修复效果评估以及修复方案比选等问题，需要在真实应力状态下进行深入研究。因此，设计相应模型试验装置研究管道损伤演化及修复与水土渗流侵蚀的关系具有迫切的工程需要。
3、管道损伤诱导地陷灾变的机制是水-土-管道耦合作用的结果，相较于传统地基失稳机制和土体内部侵蚀机制更为复杂。然而，水-土-管道耦合诱发渗流侵蚀的作用机制尚不明确，深入研究其机制的物理模型试验也尚未有人开展。
技术实现思路
1、针对上述问题，本发明提出一种模拟管道损伤诱发地陷及修复的离心模型试验装置，其能够还原真实应力水平作用下的管道损伤诱发地陷与损伤修复的超重力离心模型试验。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
3、一种模拟管道损伤诱发地陷及修复的离心模型试验装置，包括模型箱体、仓室分隔结构、半管道模型、数据采集系统、伺服控制系统、管道损伤/补强模拟系统和非开挖注浆修复模拟系统；
4、所述仓室分隔结构位于模型箱体的内部，与模型箱体尺寸匹配，所述仓室分隔结构是由分隔板划分得到的若干功能仓室，包括砂土填料仓、渗流水仓、补给水仓和收集水仓，所述砂土填料仓和收集水仓在模型箱体的前侧上下层排列，所述补给水仓位于模型箱体的后侧中央，所述渗流水仓分布在补给水仓的左右两侧上层，渗流水仓与砂土填料仓的底部平齐，渗流水仓与砂土填料仓之间的分隔板开孔并设有渗流透水膜，砂土填料仓内铺设砂土试样并安装土压传感器和孔隙水压力传感器，补给水仓内安装水压传感器，收集水仓内安装超声波液位传感器；所述补给水仓和渗流水仓通过潜水泵-三向阀联动装置连通；
5、所述半管道模型安装在砂土填料仓底部开设的水砂通道开口处，水砂通道开口和收集水仓之间设有盒底为透水板的采砂盒；半管道模型的顶部设有管道破损口，砂土填料仓内的水砂经过管道破损口和水砂通道开口后依次流入下方的采砂盒和收集水仓；所述管道损伤/补强模拟系统和非开挖注浆修复模拟系统安装在半管道模型的内壁上，所述的管道损伤/补强模拟系统用于横向和竖向调节管道破损口的大小，非开挖注浆修复模拟系统用于对管道破损口的侵蚀区内进行注浆，用于注浆的注浆管头角度可调；
6、所述的数据采集系统用于采集砂土试样土压、孔隙水压力、补给水仓的仓底水压、收集水仓液位、砂土试样表面沉降量和注浆压力。
7、进一步地，所述水砂通道开口和收集水仓之间设有采砂盒。
8、进一步地，所述收集水仓通过设有溢流孔的分隔板划分为左中右三部分；中间部分的收集水仓位于水砂通道开口的正下方，当中间部分的收集水仓内的水位达到溢流孔高度时会通过溢流孔流向两侧。
9、进一步地，所述半管道模型由半管道主体和带有管道破损口的孔口板组成，所述的半管道主体罩在水砂通道开口处，半管道主体的顶部设有用于安装孔口板的阶梯槽，孔口板安装在阶梯槽上，连通管道破损口的一侧壁设有孔侧凹槽，在所述孔口板夹层和半管道主体夹层中设有连通孔侧凹槽的注浆管头通道。
10、进一步地，所述仓室分隔结构的砂土填料仓前壁和模型箱体前板均设有透明视窗。
11、进一步地，所述砂土填料仓正上方设有盖板，盖板内设有位于中央的3d tof传感器模组和周向布置的补光灯带，所述盖板与模型箱体配合安装。
12、进一步地，所述管道损伤/补强模拟系统包括电动滑轨、电动滑块、电动推杆、主动孔口调节块、从动孔口调节块、从动滑块和从动滑轨，所述的电动滑轨和从动滑轨横向安装在半管道主体的顶部内侧，电动推杆通过电动滑块安装在电动滑轨上，电动推杆连接主动孔口调节块，电动推杆的伸缩方向为竖向；主动孔口调节块与从动孔口调节块通过竖向滑槽连接，从动孔口调节块通过从动滑块安装在从动滑轨上；所述从动孔口调节块仅能够横向移动，主动孔口调节块能够横向和竖向移动，从动孔口调节块和主动孔口调节块能够完全覆盖管道破损口。
13、进一步地，所述的非开挖注浆修复模拟系统包括注浆修复模组、注浆机和注浆软管，所述注浆修复模组安装在半管道主体的顶部内侧的修复凹槽内，注浆机固定在模型箱体的后侧下层；
14、所述注浆修复模组包括注浆管头、转动轮叶、舵机、电磁推杆和模组外壳，电磁推杆固定安装在半管道主体的顶部内侧的修复凹槽内，舵机外壳连接电磁推杆，由模组外壳限位；舵机在电磁推杆的推动下靠近/远离管道破损口横向往复运动，转动轮叶安装在舵机的转动轴上，注浆软管的入口段连接注浆机，注浆软管的出口段穿过注浆管头通道后收缩在管道破损口侧壁的孔侧凹槽内，注浆软管的中间段固定在转动轮叶上；当电磁推杆伸长后，注浆软管的出口段从孔侧凹槽处平移至管道破损口的中心线上，在舵机的转动下带动注浆软管的出口段呈一定角度延伸到管道破损口上方的侵蚀破坏区内。
15、进一步地，所述潜水泵-三向阀联动装置包括潜水泵、三向阀和连通水管，所述补给水仓与两侧渗流水仓之间分别设置若干不同高度的三向阀，所述三向阀的进出口分别连通补给水仓及其对应侧的渗流水仓，所述补给水仓内部安装潜水泵，潜水泵通过连通水管分别与三向阀的换向口和渗流水仓底部侧壁入水口连接，当三向阀的换向口封闭时作为溢流孔，水直接从渗流水仓回流至补给水仓；当三向阀的换向口开通时作为供水孔，水通过连通水管从补给水仓流至渗流水仓，渗流水仓底部侧壁入水口始终作为供水孔。
16、进一步地，所述的离心模型试验装置由伺服控制系统控制试验过程，所述的伺服控制系统包括中央控制系统、伺服控制单元、远程控制器和若干伺服动作器，所述的若干伺服动作器分别用于控制渗流水仓水位、破损口大小、注浆管头角度、注浆量、注浆压力。
17、本发明的有益效果：
18、本发明基于离心机模型试验，该装置可以揭示真实应力状态下孔隙水压、土压、侵蚀速率、损伤演化、损伤修复等因素与地陷灾变间的联系，管道损伤修复后残余侵蚀土体性能以及指导管道损伤修复后的土体补强工作。通过对损伤演化/修复及水位调控，探究地陷触发条件、演化规律及水-土-管道损伤多相耦合渗流侵蚀机制。同时，利用离心机的缩尺效应，通过改变超重力加速度，使固定尺寸的半管道模型模拟真实应力状态下不同尺寸、不同埋深破损管道，扩展了模型试验的应用场景，具体有益效果包括：
19、(1)本发明独创性地提出超重力条件下管道损伤演化模拟，通过管道损伤/补强模拟系统，结合伺服控制系统，实现了方形截面管道等规则截面管道的顶部破损口横向及竖向尺寸调节过程模拟，用以研究水-土-管道破损演化多相耦合作用下的水土侵蚀机制。
20、(2)本发明独创性地提出超重力条件下管道损伤补强修复模拟技术和非开挖的管道损伤注浆修复模拟方法。管道损伤补强修复模拟技术通过管道损伤/补强模拟系统，结合伺服控制系统，可控制管道破损口封堵，用以研究管道破损补强修复后管周土体残余性能、力学行为等，为管道补强修复评估与后续管周补强修复工作安排提供依据；非开挖的管道损伤注浆修复模拟方法通过非开挖注浆修复模拟系统实现了管道破损位置注浆修复模拟，为浆液性能研究、注浆修复方案设计、注浆效果评估等工作提供物理模型试验方法。
21、(3)本发明通过潜水泵-三向阀联动装置，结合伺服控制系统，能够灵活控制渗流水仓和补给水仓之间水流方向和流量，进而调节并稳定砂土填料仓内水位，超重力作用下以模拟地下水位在不同季节、不同地域的真实状态。
22、(4)本发明采用3d tof传感器模组，在砂土试样表面生成可寻址激光阵列，对每个像素的距离进行测量，可用于表面位移研究，并生成表面沉降3d模型，便于土体表层变形可视化研究。
1.一种模拟管道损伤诱发地陷及修复的离心模型试验装置，其特征在于，包括模型箱体(1)、仓室分隔结构(2)、半管道模型(3)、数据采集系统(4)、伺服控制系统、管道损伤/补强模拟系统(7)和非开挖注浆修复模拟系统(8)；
2.根据权利要求1所述的模拟管道损伤诱发地陷及修复的离心模型试验装置，其特征在于，所述水砂通道开口和收集水仓(203)之间设有采砂盒(402)。
3.根据权利要求1或2所述的模拟管道损伤诱发地陷及修复的离心模型试验装置，其特征在于，所述收集水仓(203)通过设有溢流孔的分隔板划分为左中右三部分；中间部分的收集水仓(203)位于水砂通道开口的正下方，当中间部分的收集水仓(203)内的水位达到溢流孔高度时会通过溢流孔流向两侧。
4.根据权利要求1所述的模拟管道损伤诱发地陷及修复的离心模型试验装置，其特征在于，所述半管道模型(3)由半管道主体(301)和带有管道破损口的孔口板(302)组成，所述的半管道主体(301)罩在水砂通道开口处，半管道主体(301)的顶部设有用于安装孔口板(302)的阶梯槽，孔口板(302)安装在阶梯槽上，连通管道破损口的一侧壁设有孔侧凹槽(3021)，在所述孔口板夹层和半管道主体(301)夹层中设有连通孔侧凹槽的注浆管头通道(3011)。
5.根据权利要求1所述的模拟管道损伤诱发地陷及修复的离心模型试验装置，其特征在于，所述仓室分隔结构(2)的砂土填料仓(204)前壁和模型箱体(1)前板均设有透明视窗。
6.根据权利要求1所述的模拟管道损伤诱发地陷及修复的离心模型试验装置，其特征在于，所述砂土填料仓(204)正上方设有盖板，盖板内设有位于中央的3d tof传感器模组和周向布置的补光灯带，所述盖板与模型箱体(1)配合安装。
7.根据权利要求1所述的模拟管道损伤诱发地陷及修复的离心模型试验装置，其特征在于，所述管道损伤/补强模拟系统(7)包括电动滑轨(701)、电动滑块(702)、电动推杆(703)、主动孔口调节块(704)、从动孔口调节块(705)、从动滑块(706)和从动滑轨(707)，所述的电动滑轨(701)和从动滑轨(707)横向安装在半管道主体(301)的顶部内侧，电动推杆(703)通过电动滑块(702)安装在电动滑轨(701)上，电动推杆(703)连接主动孔口调节块(704)，电动推杆(703)的伸缩方向为竖向；主动孔口调节块(704)与从动孔口调节块(705)通过竖向滑槽连接，从动孔口调节块(705)通过从动滑块(706)安装在从动滑轨(707)上；所述从动孔口调节块(705)仅能够横向移动，主动孔口调节块(704)能够横向和竖向移动，从动孔口调节块和主动孔口调节块能够完全覆盖管道破损口。
8.根据权利要求4所述的模拟管道损伤诱发地陷及修复的离心模型试验装置，其特征在于，所述的非开挖注浆修复模拟系统(8)包括注浆修复模组(801)、注浆机(802)和注浆软管(803)，所述注浆修复模组(801)安装在半管道主体(301)的顶部内侧的修复凹槽内，注浆机(802)固定在模型箱体(1)的后侧下层；
9.根据权利要求1所述的模拟管道损伤诱发地陷及修复的离心模型试验装置，其特征在于，所述潜水泵-三向阀联动装置包括潜水泵(501)、三向阀(502)和连通水管(503)，所述补给水仓(206)与两侧渗流水仓(205)之间分别设置若干不同高度的三向阀(502)，所述三向阀(502)的进出口分别连通补给水仓(206)及其对应侧的渗流水仓(205)，所述补给水仓(206)内部安装潜水泵(501)，潜水泵(501)通过连通水管(503)分别与三向阀(502)的换向口和渗流水仓(205)底部侧壁入水口连接，当三向阀(502)的换向口封闭时作为溢流孔，水直接从渗流水仓(205)回流至补给水仓(206)；当三向阀(502)的换向口开通时作为供水孔，水通过连通水管(503)从补给水仓(206)流至渗流水仓(205)，渗流水仓(205)底部侧壁入水口始终作为供水孔。
10.根据权利要求1所述的模拟管道损伤诱发地陷及修复的离心模型试验装置，其特征在于，所述的离心模型试验装置由伺服控制系统控制试验过程，所述的伺服控制系统包括中央控制系统、伺服控制单元、远程控制器和若干伺服动作器，所述的若干伺服动作器分别用于控制渗流水仓水位、破损口大小、注浆管头角度、注浆量、注浆压力。
