CN105206157B

CN105206157B - 水工模型试验教学平台

Info

Publication number: CN105206157B
Application number: CN201510592907.6A
Authority: CN
Inventors: 丁泽霖; 徐存东; 王婧; 吕素冰
Original assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Current assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2017-11-07
Anticipated expiration: 2035-09-17
Also published as: CN105206157A

Abstract

本发明公开了一种水工模型试验教学平台，包括框架和模拟坝体，以及主推动机构和压力传感器，在框架前侧与模拟坝体正对的框架上固定有水平导向套并匹配安装有水平调节杆及锁紧机构；在水平调节杆上竖向固定有竖向导向套并匹配安装有竖向调节杆及锁紧机构；在所述水平调节杆末端安装有竖向支撑杆或调节缸，在所述竖向调节杆末端安装有水平调节杆或调节缸；在各支撑杆或调节杠的末端分别设置有压力传感器及叉头，与叉头配合安装有支撑块，支撑块设置有转轴，转轴匹配套装于叉头中，支撑块与模拟坝体表面贴合。本发明组装灵活方便、对模拟坝体的压力支撑点可以在三维方向上任意调整，能满足不同规模模型试验要求的用于教学演示，直观学习和了解三维地质力学模型试验，适合推广应用。

Description

水工模型试验教学平台

技术领域

本发明涉及水利工程教学工具技术领域，具体涉及一种水工模型试验教学平台。

背景技术

21 世纪是中国工程建设快速发展的世纪，进入新世纪，水利、水电、能源、交通等大型工程的开发已成为我国经济建设的重点。随着国民经济的持续发展和西部大开发战略的实施，我国迎来了大规模工程建设的高峰期，如三峡、龙滩、溪落渡、南水北调等大型水利水电工程；西气东输、西电东送等大型能源工程；青藏铁路、沪蓉高速公路等大型交通工程以及城市大型地下空间开发与地铁工程建设等，正以前所未有的速度在全国进行。与此同时，石油和天然气储存、核废料处置、CO2 储存、垃圾深埋以及石油、地热和矿产资源的超深开采等也已经纳入国家总的发展规划。这些大型工程建设项目一方面对加快我国国民经济发展、提高人民生活水平和保持社会可持续发展将起到重大的作用，同时开发这些大型工程将面对大量的岩土开挖，涉及许多有关岩体强度破坏、变形失稳以及加固处理的问题。对这些复杂的问题，一方面要借助理论分析、计算机数字模拟方法去研究；另一方面，更多地要借助岩体地质力学模型试验手段来解决。

要进行地质力学模型试验，必须有相应的模型试验装置，目前有关地质力学模型试验装置的研究现状如下：武汉大学研制出了平面应力试验和立式平面应变试验装置。平面应力试验装置主要由型钢钢板焊接成框架结构；立式平面应变试验装置由中部固定框架和沿厚度方向的2个前、后井格式约束钢架组成，前、后两约束架用螺栓同中部框架连成整体，保证了模型受载后在纵向不产生位移，从而达到平面应变的要求。该装置已在部分水电站地下厂房洞室群围岩稳定与支护试验中得到应用。清华大学李仲奎等研制成离散化三维多主应力面加载试验架系统，该系统主要由高压气囊、反推力板、限位千斤顶、垂直立柱、封闭式钢结构环梁、支撑钢架和空气压缩机组成，试验架内尺寸为：620 cm×102 cm×470 cm(长×宽×高)，其规模在国内外同类型的三维地质力学模型试验台架装置中是最大的。总参工程兵科研三所研制有岩土工程多功能模拟试验装置，该试验装置具有双向旋转功能，可围绕模型平面旋转360°，围绕立面旋转35°，为复杂地层的模型制作、模拟岩土体的自重应力以及研究边坡坡角的影响等提供了方便。该装置允许的最大模型尺寸为 160 cm×140cm×40 cm(长×宽×高)，试验时可控制模型的准平面应变条件。此外，中国矿业大学、西南交通大学、长江科学研究院等单位也研制有一些地质力学模型试验装置。

上述试验台架装置存在的普遍问题是：(1) 试验台架装置尺寸固定，不能根据模型试验范围进行有效调整；(2) 试验台架装置多用型钢焊接而成，结构多以板梁式或框梁式结构为主，在侧向压力作用下，台架侧向挠度变形通常较大，易造成试验边界条件的改变。

发明内容

为克服背景技术中存在的各缺点，本发明提供一种结构新颖、刚度大、整体稳定性好、组装灵活方便、尺寸可任意调整并能满足不同规模模型试验要求的用于教学演示的组合式三维地质力学模型试验装置。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种水工模型试验教学平台，包括框架和模拟坝体，以及主推动机构和压力传感器，在框架前侧与模拟坝体正对的框架上固定有水平导向套并匹配安装有水平调节杆及锁紧机构；在水平调节杆上竖向固定有竖向导向套并匹配安装有竖向调节杆及锁紧机构；在所述水平调节杆末端安装有竖向支撑杆或调节缸，在所述竖向调节杆末端安装有水平调节杆或调节缸；在各支撑杆或调节杠的末端分别设置有压力传感器及叉头，与叉头配合安装有支撑块，支撑块设置有转轴，转轴匹配套装于叉头中，支撑块与模拟坝体表面贴合。

在模拟坝体正对的框架上或者在水平调节杆上或者在竖向调节杆上，安装有水平支撑杆或调节缸，水平支撑杆或调节缸的末端设置压力传感器和支撑块，支撑块与模拟坝体表面贴合。

在模拟坝体的两侧粘贴拉力传感器片；或者，在所述框架的两侧设置侧面水平导向杆并套装侧面水平调节套及锁紧机构，在侧面水平调节套上垂直固定有支撑杆或调节缸或伸缩套管，并在末端安装有发散弹片，发散弹片的各支撑脚插入拉力传感器片的四角部位置。

所述叉头的根部被安装于套管内，压力传感器套装于套管底部与插头根部之间。

所述侧面水平导向杆的两端设置有调节框架，调节框架与框架体之间通过U型座连接，并设置锁紧机构。

在模拟坝体底部连接有基底平台，基底平台与模拟坝体底部之间活动连接；基底与框架底部之间活动连接。

所述各压力传感器与控制器输入端连接，控制器输出端与显示器连接，用于对比显示各压力传感器数值。与各压力传感器并列设置有位置传感器，控制器采集各压力传感器和位置传感器信号，通过图形显示位置形变量和压力大小。

本发明的有益效果是：本发明组装灵活方便、对模拟坝体的压力支撑点可以在三维方向上任意调整，能满足不同规模模型试验要求的用于教学演示，直观学习和了解三维地质力学模型试验。本发明结构新颖、刚度大、整体稳定性好，容易制造和随意组装，教学演示效果非常好，适合推广应用。

附图说明

图1是本发明立体使用状态示意图；

图2是本发明前侧压力检测结构示意图；

图3是本发明侧面压力检测结构示意图;

图4是图3中局部放大结构示意图；

图5是本发明量测系统框图。

图中，标号1为框架体，2为主推力机构，3为垫板，4为水平导向套，5为水平调节杆，6为竖向导向套，7为竖向调节杆，8为支座，9为支撑杆或调节缸，10为支撑块，11为压力传感器，12为转轴，13为叉头，14为固定座，15为模拟坝体，16为基底平台，17为侧面水平导向杆，18为侧面水平调节套，19为发散弹片，20为拉力传感器片，21为调节框架，22为U型座，23为锁紧机构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：如图1和图2所示的试验教学平台，组装灵活方便，可以对模拟坝体15的压力支撑点可以在三维方向上任意调整。

图2中，在框架前侧与模拟坝体15正对的框架上固定有水平导向套4并匹配安装有水平调节杆5及锁紧机构23。在水平调节杆5末端安装有竖向调节缸。

在水平调节杆5上竖向固定有竖向导向套6并匹配安装有竖向调节杆7及锁紧机构23。在竖向调节杆7末端安装有水平调节缸。

在各调节杠的末端分别设置有压力传感器11及叉头13，与叉头13配合安装有支撑块10，支撑块10设置有转轴12，转轴12匹配套装于叉头13中，支撑块10与模拟坝体15表面贴合。

参见图3和图4，在框架的两侧设置侧面水平导向杆17并套装侧面水平调节套18及锁紧机构23，在侧面水平调节套18上垂直固定有支撑杆或调节缸或伸缩套管，并在末端安装有发散弹片19，发散弹片19的各支撑脚插入拉力传感器片20的四角部位置。

在模拟坝体15底部连接有基底平台16，基底平台16与模拟坝体15底部之间活动连接；基底与框架底部之间活动连接。

在模拟坝体15正对的框架上或者在水平调节杆5上或者在竖向调节杆7上，安装有水平支撑杆或调节缸，水平支撑杆或调节缸的末端设置压力传感器11和支撑块10，支撑块10与模拟坝体15表面贴合。

所述侧面水平导向杆17的两端设置有调节框架21，调节框架21与框架体1之间通过U型座22连接，并设置锁紧机构23。

模型相似条件试验

均质坝基模型试验属于结构模型试验，必须满足破坏试验的相似要求，即必须满足以下三方面的相似要求。

（1）几何相似要求：原型与模型的几何形态及主要地质构造必须满足几何相似条件；

（2）应力应变关系相似要求：原型与模型的应变相同，原型与模型材料的变形模量、应力与应变关系以及抗压、抗拉强度等满足相似条件；

（3）荷载相似要求：原型与模型的荷载条件，如水压力、自重及淤沙压力等应保持相似。根据以上条件，设C为原型与模型之间相同的物理量之比，由相似理论得到模型破坏试验主要满足的关系：

（1）

，，（2）

（3）

（4）

式中，、、、及分别为变模比、容重比、几何比、应力比及集中力比；、分别为泊松比比、应变比。

地质力学模型试验属于非线性破坏试验，除必须满足结构模型试验的相似要求外，它的一个特点就是必须模拟岩体自重，即，则有：

（5）

并且对于岩体中及模型中各构造面或软弱夹层之间的纯摩系数f及凝聚力c要求：

（6）

，（7）

非均质坝基模型试验属于地质力学模型试验，岩石节理裂隙不同的连通率在模型中可采取块体不同的砌合方式或部分粘合等措施实现。

模型试验量测

试验量测的任务是通过模型试验获得所需的各种参量并将他们变为分析问题所依据的数据、图表或曲线等，而量测技术则是为了实现这一目的而制定的合理方案和具体手段。量测的物理量通常包括应力（实际上是量测应变）、荷载、位移、裂缝等。结构模型的量测系统主要包括对结构物及其基础的应变量测和位移量测两部分。测点布置时，据结构物的重要部位和试验的目的，在某些典型部位（如坝踵，坝肩，拱冠等）、变形较关注的部位（如断层上下盘，蚀变带等）以及其他部位（如坝基面等），选择相应的测点，通过数据分析和对比，找出应力分布和破坏发展的规律。

（1）位移的量测

目前在模型试验中，用于表面位移量测的仪器较常见，而内部位移的量测工具在不同的试验单位各有选择。结构模型试验中一般只进行表面位移量测，表面位移量测常采用由数字显示仪和电感式位移计组成的自动测试装置以及电阻式位移计，对于精度要求不是很高的试验也常用千分表、百分表等量测仪器。

（2）应变的量测——电阻应变片

从图5量测系统框图中，可以看出传感器是直接和被测对象发生关系的，其性能的好坏直接影响量测结果的可靠程度及量测精度。

一个传感器分为非电量接受部分和机电交换部分。传感器并不将原始被测的非电量直接变为电量E，而是最初被测的非电量作为传感器的输入量，先由非电量接受部分加以接收，形成一个适合于变换的机械量，再由机电变换部分将机械量变换为电量E。因此，一个传感器的性能，是综合了接受部分和变换部分的性能后，最终输出传感器的输出电量E的性能。

均质坝体（结构）

坝基岩体均质性是说岩体的性质处处相同，不以其所在位置的不同而有所改变，因此，在试验中，均质材料坝基采用石膏模型模拟，因为石膏质地均匀，容易浇筑，且石膏的泊桑比为0. 2左右，接近混凝土岩石等材料的泊桑比，属于脆性材料。同时石膏的弹性模量E随水膏比的不同而有较大的差异，大量的试验表明石膏的弹性模量E随水膏比的增大而减小，可以在较大的范围内选择。

均质坝基模型试验模拟某水电站枢纽的非溢流重力坝段，坝高72m，坝顶宽8m，坝底宽60m，上游边坡系数n = 0，下游边坡系数m = 0.84，如图2所示。该重力坝坝基面高程为470.00m，坝上游设计水位为540.00m,坝下游无水。坝体材料为混凝土，容重γ_p = 2.40 t/m³，弹性模量为18.0GPa，泊松比为0.2，坝体与地基弹模相近。坝体混凝土材料的抗压强度为5MPa , 抗拉强度为0.65MPa。根据相似原理准则，取大坝原型与模型的几何比C_L =180，模型弹模为 2.5GPa，坝基模拟深度为1倍坝高。

由于试验采用石膏试件模拟坝体15及坝基岩体，不能依靠模型材料的重量来模拟坝体15自重，将坝体自重简化为集中力通过千斤顶来施加，并要求此集中力作用点必须位于坝体重心上。试验所采用加载方式为超载法加载，这种方法假定坝基岩体的力学参数不变，坝体在正常荷载组合作用的基础上，按一定的倍数增大水平荷载直至坝与地基整体破坏失稳为止，具体步骤如下：（1）对模型进行预压试测，先施加竖向千斤顶模拟的加体积力，再施加上正常工况下的上游水荷载，通过升压——卸荷方式反复预压后，开始进行正式试验。（2）对模型进行超载试验：在正常荷载的情况下采用单循环加载（q为正常工况下的水压力）, 每次增加0.2q，逐级递增直到坝基破坏失稳为止。（3）观测各级荷载下坝体和坝基的变形破坏情况，每次升压20分钟后记录坝体应变及变位值，以供试验结束后分析研究。

实施例2：内容与实施1基本相同，不同的是：在框架前侧与模拟坝体15正对的框架上固定有水平导向套4并匹配安装有水平调节杆5及锁紧机构23。在水平调节杆5末端安装有竖向支撑杆。

在水平调节杆5上竖向固定有竖向导向套6并匹配安装有竖向调节杆7。在竖向调节杆7末端安装有水平调节杆5。

在各支撑杆的末端分别设置有压力传感器11及叉头13，与叉头13配合安装有支撑块10，支撑块10设置有转轴12，转轴12匹配套装于叉头13中，支撑块10与模拟坝体15表面贴合。

实施例3：内容与实施1基本相同，不同的是：所述叉头13的根部被安装于套管内，压力传感器11套装于套管底部与插头根部之间。

实施例4：内容与实施1基本相同，不同的是：在模拟坝体15的两侧粘贴拉力传感器片20。

Claims

1.一种水工模型试验教学平台，包括框架和模拟坝体，以及主推动机构和压力传感器，其特征是：在框架前侧与模拟坝体正对的框架上固定有水平导向套并匹配安装有水平调节杆及锁紧机构；在水平调节杆上竖向固定有竖向导向套并匹配安装有竖向调节杆及锁紧机构；在所述水平调节杆末端安装有竖向支撑杆或调节缸，在所述竖向调节杆末端安装有水平支撑杆或调节缸；在各支撑杆或调节缸的末端分别设置有压力传感器及叉头，与叉头配合安装有支撑块，支撑块设置有转轴，转轴匹配套装于叉头中，支撑块与模拟坝体表面贴合。

2.根据权利要求1所述的水工模型试验教学平台，其特征是：在模拟坝体正对的框架上或者在水平调节杆上，安装有水平支撑杆或调节缸，水平支撑杆或调节缸的末端设置压力传感器和支撑块，支撑块与模拟坝体表面贴合。

3.根据权利要求1所述的水工模型试验教学平台，其特征是：在模拟坝体的两侧粘贴拉力传感器片；或者，在所述框架的两侧设置侧面水平导向杆并套装侧面水平调节套及锁紧机构，在侧面水平调节套上垂直固定有支撑杆或调节缸或伸缩套管，并在末端安装有发散弹片，发散弹片的各支撑脚插入拉力传感器片的四角部位置。

4.根据权利要求3所述的水工模型试验教学平台，其特征是：所述叉头的根部被安装于套管内，压力传感器套装于套管底部与叉头根部之间。

5.根据权利要求3所述的水工模型试验教学平台，其特征是：所述侧面水平导向杆的两端设置有调节框架，调节框架与框架体之间通过U型座连接，并设置锁紧机构。

6.根据权利要求1所述的水工模型试验教学平台，其特征是：在模拟坝体底部连接有基底平台，基底平台与模拟坝体底部之间活动连接；基底与框架底部之间活动连接。

7.根据权利要求1所述的水工模型试验教学平台，其特征是：所述各压力传感器与控制器输入端连接，控制器输出端与显示器连接，用于对比显示各压力传感器数值。

8.根据权利要求1所述的水工模型试验教学平台，其特征是：与各压力传感器并列设置有位置传感器，控制器采集各压力传感器和位置传感器信号，通过图形显示位置形变量和压力大小。