CN102297834B - 干湿循环气候超重力模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种干湿循环气候超重力模拟系统。在超重力离心机机载模型箱外部设有空气加热减湿机、鼓风机和水箱，空气加热减湿机出气口与鼓风机进气口通过导气管连接，鼓风机出气口连接有进气管，空气加热减湿机进气口连接有出气管；水箱固定于模型箱的顶部，进气管和出气管均伸入到模型箱内部；在模型箱内部的底部置有岩土体模型，岩土体模型与模型箱侧壁之间设有土工隔板，并在土工隔板与模型箱侧壁之间留有空间作为集水区，在集水区底部设有出水口，在岩土体模型上方设有矩阵式分布的方形雨雾喷嘴，各方形雨雾喷嘴通过输水管与水箱连通；输水管上安装有压力传感器、减压阀和降雨开关，压力传感器和减压阀置于模型箱的外部。

Description

干湿循环气候超重力模拟系统

技术领域

本发明涉及干湿循环气候（包括雨季和旱季）模拟系统，尤其是涉及基于超重力离心机机载模型箱的干湿循环气候模拟系统。

背景技术

气候变化影响着土工构筑物的服役环境，极易诱发岩土体发生过大变形甚至失稳等灾变。例如，强降雨引起滑坡和泥石流，造成了大量人员伤亡和巨大经济损失，2010年舟曲泥石流灾害的惨痛经历仍记忆犹新；干湿循环气候对诱发冻土融化并导致路堤变形和失稳，在青藏铁路中尤为突出。

在以前的研究中，多采用现场试验和室内常重力小比尺模型试验。然而大范围的现场试验往往不具备庞大的设备和仪器，使得试验不具备可行性和可操作性。室内常重力小比尺模型试验由于不能真实模拟原型岩土体的应力和应变，其试验结果与实际值存在较大的误差。

超重力离心机通过较大的离心加速度产生超重力场，在小比尺条件下也能真实模拟原型岩土体的应力应变状况，其模型试验在土木、环境、地质、矿山、水利等科学和技术领域得到了广泛的应用。

目前国内外超重力土工离心机的数量和容量提升迅速，更全面、更精细的土工模型试验要求推动超重力离心机向多功能化发展。然而，在超重力离心机模型试验中，模拟干湿循环气候的环境致灾系统却鲜有研究。因此，在超重力离心模型中模拟干湿循环气候诱发岩土体灾变的过程显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种集降雨和干燥控制为一体的干湿循环气候超重力模拟系统，以解决在超重力离心模型中有效模拟干湿循环气候的问题。

为实现上述目的，本发明所采取的技术手段是：该干湿循环气候超重力模拟系统包括超重力离心机机载模型箱，在所述模型箱的外部设有空气加热减湿机、鼓风机和水箱，所述空气加热减湿机的出气口与鼓风机的进气口通过导气管连接，鼓风机的出气口连接有进气管，空气加热减湿机的进气口连接有出气管；所述水箱固定于所述模型箱的顶部，所述进气管和出气管均伸入到模型箱的内部；

在所述模型箱的内部，其底部置有岩土体模型，所述岩土体模型与所述模型箱的侧壁之间设有土工隔板，并在所述土工隔板与所述模型箱的侧壁之间留有空间作为集水区，在所述集水区的底部设有出水口；在所述岩土体模型的上方设有方形雨雾喷嘴，各所述方形雨雾喷嘴通过输水管与水箱连通；所述输水管上安装有压力传感器、减压阀和降雨开关，所述压力传感器和减压阀置于模型箱的外部；

各所述方形雨雾喷嘴与岩土体模型的上表面的垂直距离均满足以下关系式

（1），

$h=\frac{\sqrt{A}}{2\·\tan (\mathrm{\β}/2)}---\left(1\right)$

在所述方形雨雾喷嘴的朝向岩土体模型方向的正投影面上，所有方形雨雾喷的投影呈矩阵式排列，且同一行和同一列的相邻两个方形雨雾喷嘴在岩土体模型上表面上的垂直投影的中心之间的距离满足以下关系式（2），

$L=\sqrt{A}---\left(2\right)$

式（1）和式（2）中，h为方形雨雾喷嘴与岩土体模型的上表面的垂直距离，β为方形雨雾喷嘴的喷雨幅角值，L为同一行或同一列的相邻方形雨雾喷嘴在岩土体模型上表面上的垂直投影的中心之间的距离，A为降雨面的面积；

其中，降雨面的面积A按下式（3）计算：

A=q/h    （3）

式（3）中，q为单位时间内通过方形雨雾喷嘴的水流量，η为降雨强度；

并且，在所述岩土体模型存在变坡面时，与变坡面的临界线相邻的方形雨雾喷嘴在其对应的岩土体模型上表面上的垂直投影的中心与所述临界线的距离为L/2。

进一步地，本发明在所述方形雨雾喷嘴与所述输水管之间安装有可调球形接头，以使方形雨雾喷嘴的喷射方向与其对应的岩土体模型上表面垂直。

本发明的有益效果是：

（1）本发明模拟系统可模拟从湿雨到豪雨等各种工况，真实降雨诱发岩土体灾变过程，为相关研究打下坚实的基础。（2）在超重力条件下，降雨时间的相似比为n²。即原型岩土体中24小时的降雨，在60倍重力加速（60g）的超重力环境中模拟，只需要24秒；20年的季节性干湿循环只需要48.7小时。可见，本发明模拟系统在时间上具有较大的优越性。（3）本发明模拟系统中的方形雨雾喷嘴可以实现降雨零盲区，达到降雨均匀性的控制。（4）可调球形接头可调整雨雾喷射角度，解决模型中存在变坡面时的降雨均匀性问题。（5）本发明模拟系统可模拟干旱对岩土体的变形和稳定的影响。（6）通过降雨和干燥的循环作用可模拟实际工况中的干湿循环气候，研究干湿循环气候诱发岩土体变形和失稳等灾变的过程。

附图说明

图1是本发明的结构侧视图；

图2是图1的Ａ-Ａ剖视图；

图3是岩土体模型存在变坡面时，与变坡面的临界线相邻的方形雨雾喷嘴的布置示意图；

图中：1.水箱，2.塑料输水管，3.水压力传感器，4.减压阀，5.降雨开关，6.可调球形接头，7.方形雨雾喷嘴，8.空气加热减湿机，9.鼓风机，10.模型箱，11.岩土体模型，12.内置阁板，13.金属水管，14.导气管，15.进气管，16.出气管，17.离心机吊环通道，18.土工隔板，19.集水区，20.出水阀。

具体实施方式

本发明干湿循环气候超重力模拟系统用于超重力离心机。

如图1所示，本发明干湿循环气候超重力模拟系统包括超重力离心机机载模型箱10，在模型箱10的外部设有空气加热减湿机8、鼓风机9和水箱1。空气加热减湿机8的出气口与鼓风机9的进气口通过导气管14连接，鼓风机9的出气口连接有进气管15，空气加热减湿机8的进气口连接有出气管16。进气管15和出气管16均伸入到模型箱10的内部。

水箱10固定于模型箱10外部的顶部。水箱10采用具有较大强度的金属制成，以保证在较大的水压力作用下不发生较大的变形甚至发生破坏。水箱体积的大小根据拟定试验的降雨量的大小来定。

在模型箱10的内部，模型箱10的底部置有岩土体模型11。岩土体模型11与模型箱10的侧壁之间设有土工隔板18，土工隔板18的特性为透水不透土。土工隔板18的高度应以确保岩土体模型11的土体不会绕过土工隔板18的顶部流失为宜。并在土工隔板18与模型箱10的侧壁之间留有空间作为集水区19。在集水区19的底部设有出水口，在该出水口处安装有一出水阀20。通过集水区19中的水位控制可以控制岩土体模型11的地下水位。其中，出水阀20可采用双向防爆电磁阀。

方形雨雾喷嘴7安装在岩土体模型11的上方。当所需降雨面较大时，往往需要布置多个方形雨雾喷嘴7。各方形雨雾喷嘴7通过输水管与水箱1连通。整个输水管由塑料输水管2和金属水管13构成。其中，在位于模型箱10外部的塑料输水管2段，依次安装有水压力传感器3和减压阀4。水压力传感器3布置在水箱1的出水口处，用以检测超重力条件下所产生的水压力。水压力必须一直大于降雨所需提供的水压力，即在降雨完成之前，水压力都必须保持在产生稳定降雨的供水压力之上。减压阀4的作用是将水压力减小并稳定在所需的降雨供水压力。

如图1和图2所示，在模型箱10的顶部安装有内置阁板12。内置阁板12距离模型箱10的顶板5cm以上距离，形成一定的空间。位于模型箱10内部的塑料输水管2段固定在内置阁板12之上，并通过金属水管13向方形雨雾喷嘴7分配水流。降雨开关5可使用双向防爆电磁阀，它是供水及降雨的控制开关，其布置于位于模型箱10的内部的塑料水管2段。从内置阁板12到方形雨雾喷嘴7的竖向高度通过金属水管13的长度来确定。金属水管13采用金属制成，其强度要求为在离心加速度产生的惯性力的作用下不会发生弯曲破坏。

如图2所示，在方形雨雾喷嘴7的朝向岩土体模型的正投影面上，所有方形雨雾喷嘴7的投影呈矩阵式排列。一般可横向布置两排方形雨雾喷嘴7，喷嘴的列数可因岩土体模型所需的降雨面长度而定。

如图1所示，各方形雨雾喷嘴7与岩土体模型11的上表面的垂直距离均满足以下关系式（1），

$h=\frac{\sqrt{A}}{2\·\tan (\mathrm{\β}/2)}---\left(1\right)$

如图2所示，在方形雨雾喷嘴7的朝向岩土体模型11方向的正投影面上，所有方形雨雾喷7的投影呈m×n矩阵式排列，且同一行和同一列的相邻两个方形雨雾喷嘴的中心之间的距离满足以下关系式（2），

$L=\sqrt{A}---\left(2\right)$

式（1）和式（2）中，h为方形雨雾喷嘴与岩土体模型的上表面的垂直距离，β为方形雨雾喷嘴的喷雨幅角值，L为同一行或同一列的相邻方形雨雾喷嘴的中心之间的距离，A为降雨面的面积。

其中，降雨面的面积A按下式（3）计算：

A=q/η（3）

式（3）中，q为单位时间内通过方形雨雾喷嘴的水流量，η为降雨强度。方形雨雾喷嘴7根据给定的设计降雨强度η，其喷雨幅角β大致范围为40°～110°。

并且，如图3所示，在岩土体模型11存在变坡面时，与变坡面的临界线相邻的方形雨雾喷嘴在其对应的岩土体模型上表面上的垂直投影的中心与所述临界线的距离为L/2。

当岩土体模型存在变坡面时，为保证降雨的均匀性，在方形雨雾喷嘴7与输水管之间安装有可调球形接头6，用来控制方形雨雾喷嘴7的喷射角度，以使方形雨雾喷嘴7的喷射方向始终保持与其对应的岩土体模型上表面垂直。

以图1所示的岩土体模型11为例，对于坡顶段，喷雨角度直接为竖直向即可。而对于边坡段，由于存在一定的倾角，为保证降雨的均匀性，需要控制降雨的角度。可采用可调球形接头6来调整降雨的角度，一般采取喷雨中轴垂直于坡面来调整。比如坡角为α，则喷雨中轴与竖直向的夹角宜布置为α。

空气加热减湿机8和鼓风机9构成本发明模拟系统的干燥装置。其中，空气加热减湿机8主要用来控制空气的温度和湿度，鼓风机9是空气的循环动力装置。使用时，进气管15和出气管16穿过离心机的吊环通道17。鼓风机9运行时，将一定温度和湿度的空气经过进气管15运送到模型箱10内；再通过出气管16将空气输出模型箱10，并输送到空气加热减湿机8中。经空气加热减湿机8处理后的空气经过导气管14进入到鼓风机9中。由此产生气体循环来实现模型土体的干燥。

本发明干湿循环气候超重力模拟系统工作时，其相应的降雨原理和干燥原理如下：

1.降雨原理

降雨包括供水、输水、水控制、降雨、排水五个步骤。其相应的组成部分为：水箱、塑料输水管、水压力传感器、减压阀、降雨开关、金属输水管、可调球形接头、方形雨雾喷嘴、土工隔板和出水阀。该部分关键在于供水压力、降雨和排水的控制。

（1）供水

在超重力条件下，置于模型箱10外部顶部的水箱1可产生较高的压力水头，水头计算公式为H＝nd(式中H为实际水头，d为水箱中的水位高度，离心加速度a＝ng，式中g为地球重力加速度9.8N/kg)，例如水箱中0.3m的水位在60g的情况下可产生18m的水头，足以满足降雨所需的供水压力。并通过管路中的减压阀将水压力控制在所需的供水压力以满足稳定的供水压力需求。

减压阀是一种自动降低管路工作压力的专门装置，它可将阀前管路较高的水压减少至阀后管路所需的水平。减压的同时不影响水流量。有的减压阀最高进水压力可以达到2.5MPa,足以满足超重力的运行环境。

（2）降雨

在超重力离心模型中（离心加速度为ng），根据相似关系，模型中的雨滴粒径为原型雨滴粒径的1/n。所以，本发明模拟系统所采用的降雨装置为方形雨雾喷嘴，雨滴直径的控制范围为10～100μm，在超重力环境中可分别模拟湿雨、雾雨、小雨、普通的雨、强雨、豪雨等工况。

为了达到降雨零盲区的效果，本发明采用方形雨雾喷嘴，喷雨形状面为正方形，即降雨面为正方形；并通过矩阵排列布置，使整个模型中的降雨均匀分布，没有盲区。

当岩土体模型11中存在边坡等变坡面时，本发明模拟系统在方形雨雾喷嘴前端安装有可调球形接头，用以控制降雨喷射角度，使降雨达到均匀分布的效果。

超重力离心模型中的降雨模拟，当离心加速度为ng时，雨滴粒径相似比（原型与模型之比）为n；降雨时间的相似比为n²；降雨强度的相似比为1/n。

（3）排水

通过设置土工隔板18以确保岩土体模型11的土体不会绕过土工隔板18的顶部而流失；并在土工隔板18与模型箱10的侧壁之间留有空间作为集水区19，在集水区19的底部设有出水口以进行排水。在该出水口处安装有一出水阀20，通过集水区19中的水位控制可以控制岩土体模型11的地下水位。

2.干燥原理

根据热空气流的作用原理，在空气进入模型箱10之前进行加热减湿处理，再通过热气流循环使岩土体模型11的土体中的水分发生蒸发，以实现对岩土体模型的干燥。

干燥装置包括空气加热减湿部分和空气动力循环部分。空气加热减湿主要采用空气加热减湿机对空气进行加热和减湿处理。空气动力循环部分主要采用鼓风机，实现热空气在模型箱内的流动和循环。

Claims (2)

1.一种干湿循环气候超重力模拟系统，其特征在于：包括超重力离心机机载模型箱；在所述模型箱的外部设有空气加热减湿机、鼓风机和水箱，所述空气加热减湿机的出气口与鼓风机的进气口通过导气管连接，鼓风机的出气口连接有进气管，空气加热减湿机的进气口连接有出气管；所述水箱固定于所述模型箱的顶部，所述进气管和出气管均伸入到模型箱的内部；

在所述模型箱的内部，其底部置有岩土体模型，所述岩土体模型与所述模型箱的侧壁之间设有土工隔板，并在所述土工隔板与所述模型箱的侧壁之间留有空间作为集水区，在所述集水区的底部设有出水口，在所述岩土体模型的上方设有方形雨雾喷嘴，各所述方形雨雾喷嘴通过输水管与水箱连通；所述输水管上安装有压力传感器、减压阀和降雨开关，所述压力传感器和减压阀置于模型箱的外部；

各所述方形雨雾喷嘴与岩土体模型的上表面的垂直距离均满足以下关系式（1），

$h=\frac{\sqrt{A}}{2\·\tan (\mathrm{\β}/2)}---\left(1\right)$

在所述方形雨雾喷嘴的朝向岩土体模型方向的正投影面上，所有方形雨雾喷的投影呈矩阵式排列，且同一行和同一列的相邻两个方形雨雾喷嘴在岩土体模型上表面上的垂直投影的中心之间的距离满足以下关系式（2），

$L=\sqrt{A}---\left(2\right)$

式（1）和式（2）中，h为方形雨雾喷嘴与岩土体模型的上表面的垂直距离，β为方形雨雾喷嘴的喷雨幅角值，L为同一行或同一列的相邻方形雨雾喷嘴在岩土体模型上表面上的垂直投影的中心之间的距离，A为降雨面的面积；

其中，降雨面的面积A按下式（3）计算：

A=q/η（3）

式（3）中，q为单位时间内通过方形雨雾喷嘴的水流量，η为降雨强度；

并且，在所述岩土体模型存在变坡面时，与变坡面的临界线相邻的方形雨雾喷嘴在其对应的岩土体模型上表面上的垂直投影的中心与所述临界线的距离为L/2。

2.根据权利要求1所述的干湿循环气候超重力模拟系统，其特征在于：在所述方形雨雾喷嘴与所述输水管之间安装有可调球形接头，以使方形雨雾喷嘴的喷射方向与其对应的岩土体模型上表面垂直。

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