CN110133218B - 寒区输水渠道湿干冻融循环离心模拟系统及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种寒区输水渠道湿干冻融变形离心模拟系统及其模拟方法，所述系统包括：模型箱、水位升降装置、风干装置、热交换装置、空气内循环装置及数采温控装置。基于上述模拟系统的模拟方法为模拟方法包括如下步骤：实验设备的装配；模拟渠道的单次湿干冻融过程和模拟渠道的反复湿干冻融循环过程。本申请的模拟系统的水位升降模拟与现场渠道通停水过程一致；且风干过程也与现场干燥过程一致；制冷板位于模型箱内部的顶部，冷量的传递是由制冷板通过风机向下传递到模型渠底，对渠道模型冻融过程的模拟是由模型土体表面自上而下的方式实现，和实际土体冻融的过程一致。实现了对实际情况的高度还原和模拟。

Description

寒区输水渠道湿干冻融循环离心模拟系统及其模拟方法

技术领域

本发明涉及一种应用于土工离心机上的物理模型测量试验系统，具体是一种可以在离心机上实现湿干冻融循环的模拟试验系统及其模拟方法，用于模拟高寒地区输水渠道变形劣化特性的测量研究。

背景技术

我国水资源时空分布不均，北方地区多为干旱、半干旱地区，因此一些长距离输水工程及跨流域调水工程的实施缓解了北方水资源的供需矛盾。但位于北方高寒地区的渠道，特别是输水明渠，易受不良地质条件和极端气候的影响，如季节性冻土区域的输水渠道，每年春季通水，秋季停水，从水分和温度变化的角度出发，渠基土每年经历反复的“湿干冻融”循环过程，使得渠基土上覆衬砌发生变位、隆起甚至滑塌，不仅耗费了大量的人力财力，还严重影响了渠道的正常运行。

对输水渠道湿干冻融变形特性的研究，目前主要是采用室内单元试验和图像处理技术研究输水渠道渠基土的物理力学特性和裂隙演化规律，但在应力状态、时空模拟等方面和渠道现场实际情况差别很大，只能用作渠基土单元体经历“湿干冻融”循环后进行基本变化规律的探讨。而对输水渠道湿干冻融变形特性进行研究的物理模拟试验方法，目前多是在常应力状态(1g)下进行试验，这种模拟方法难以再现渠基土真实应力状态和反应真实冻融时间跨度。而在土工离心机上进行输水渠道经历湿干冻融循环的物理模型试验，无论是应力状态还是所经历的时间跨度，都更加贴近现场输水渠道的真实状况。

受限于条件、设备技术等，寒区工程离心模拟试验技术起步较晚，主要集中在北美及北欧、西欧等发达国家，而我国关于冻土离心模型试验研究开展极少，仅有数例，如中国专利申请CN104142356A公开了一种土工离心机冻融变形离心模拟系统，促进了超重力场作用下输水渠道冻胀-融沉过程模拟及测试技术，但其热交换措施或设备无法实现对于温度变幅的精确控制，很难做到还原原型真实的气温变幅。当试验需在离心机不停机状态下完成输水渠道湿干冻融循环过程的模拟时，该发明无法满足试验需求。

在离心机上进行渠道湿干冻融循环全过程的模拟，关键技术在于同时实现模型箱内大幅度的干湿变化区间和温度变化区间，而这种模拟方法在本领域中尚无先例。另外，在超重力场下实现以上“湿干冻融”循环过程的方法不多，其中，实现水位升降的方法一般为气压驱动的方式，即通过控制密封水箱内气压从而进行水位的升降，土体干燥方法主要是通过高温光源使得模型土体中水分蒸发的方式，但考虑到本试验方法中试验箱密封且存在负温阶段，前者在常规模型箱结构形式下易造成装置损伤，后者的干燥效率又较低；另实现的负温的方式主要有压缩机制冷和液氮制冷两种方式，前者设备体积较大，且只能制冷，无法制热，后者需要高压制冷设备，连接方式较为复杂，都难以适用离心模型试验中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于土工离心模型试验中的输水渠道湿干冻融模拟系统及其模拟方法，该系统可以在高达50g的离心力场中工作，可实现-40℃到30℃的温度变化环境和现场渠道中0-7.5m的水位升降过程模拟，并可以进行多次湿干冻融循环，为高寒地区输水渠道变形劣化特性的研究提供了有效的手段。

一种寒区输水渠道湿干冻融循环离心模拟系统，所述系统包括：模型箱、干湿系统、热交换系统和数据采集系统；其中，

所述干湿系统，包括水位升降装置、风干装置、干湿系统控制器；

所述热交换系统，包括半导体热交换装置、空气内循环装置、温度控制系统。

优选的，所述水位升降装置，包括水箱、充气电磁阀、排气电磁阀、供回水管路、水阀、止水阀、液位传感器；

所述水箱设置于模型箱外侧，其顶部设置有注水口、充气电磁阀和排气电磁阀，以分别实现向水箱内注水和进气、排气的功能；所述水箱侧面底部连接有供回水管路，所述供回水管路上安装有水阀和止水阀，供回水管路固定连接于所述模型箱的进出水口；所述液位传感器为孔隙水压力微型传感器，放置于模型箱内模型渠底表面。

优选的，所述水箱侧壁设置有圆盘，所述圆盘可完全打开对水箱进行清洁，在圆盘的连接处设有密封垫，并通过螺钉进行固定。

优选的，所述风干装置，包括通风口、活塞、油缸、伺服阀、输油管路、支架、油缸安装板、钢支撑柱；其中，

所述通风口对称设置于所述模型箱的迎风侧面和背风侧面上，并以伺服阀控制油缸驱动活塞伸缩对通风口进行封堵；所述油缸和活塞通过支架支撑；每个油缸固定于油缸安装板上，所述油缸安装板固定于支架上，所述油缸一端为具有隔热保温作用的活塞，另一端连接伺服阀，与离心机室自带的油源通过旋转接头连接进行液压驱动。

优选的，所述干湿系统控制器为可连续控制的电控系统，控制器界面可实时显示液位高度、水位升降装置的运行状态、充气电磁阀、排气电磁阀和水阀的开启或关闭状态、油缸伸缩的开启或关闭；在水位升降系统工作过程中，使用伺服阀驱动油缸进行活塞伸缩时会显示警告。

优选的，所述半导体热交换装置，包括外壳、半导体热交换板、散热管路、热交换装置进水口、热交换装置出水口和热交换装置电源；其中，

所述半导体热交换板在所述外壳的底面上面向模型土体设置；所述散热管路和热交换装置电源设置于所述外壳内；所述热交换装置进水口和热交换装置出水口设置于所述外壳上，与所述散热管理连通；

所述外壳内充填泡沫塑料，通过盒盖密封，通过螺栓进行联接紧固安装于模型箱上方；

所述半导体热交换板采用合金铝板加工成多条肋筋；

所述散热管路设置于半导体热交换板上方，为半导体热交换板进行散热；所述散热管路包括多个小型散热水箱，所述小型散热水箱为一体化加工结构，且所述小型散热水箱之间均采用可保证在高压循环水条件下正常工作的PVC软管进行联接，所述PVC软管分别联接于各个小型散热水箱的管接头并最终并为一股，通过旋转接头连接到热交换装置进水口和热交换装置出水口。

优选的，所述半导体热交换板分为一级半导体热交换板和二级半导体热交换板，所述一级半导体热交换板和二级半导体热交换板优化组合使用。

优选的，所述空气内循环装置，设置于所述半导体热交换板下部，所述空气内循环装置包括：平板和风机；所述平板上对应于模型土体渠顶上方的位置处开设有循环风口，所述风机设置于平板上对应于模型渠底上方的位置处。

优选的，所述温度控制系统，用来控制所述半导体热交换装置和风机的工作；所述温度控制系统可实现的温度变化范围为-40℃至30℃，温度变化斜坡斜率0℃/min～1.5℃/min范围内可调，实现了在整个温度范围内对温度自动控制功能。

根据上述寒区输水渠道湿干冻融循环离心模拟系统的模拟方法，所述方法包括如下步骤：

一、实验前的准备；

二、模拟渠道的单次湿干冻融过程；

和/或

三、模拟渠道的反复湿干冻融循环过程。

本发明的离心模型试验中湿干冻融循环实现的关键在于超重力场下的快速干湿交替过程和热交换过程，本发明的离心模型试验系统采用高强度不锈钢和高保温材料等制作模型箱，利用气压驱动水位升降装置进行渠道模型水位的快速升降，通过风干装置进行干燥，采用半导体热交换板快速制冷/制热，在模型箱中模拟渠道断面，渠道模型中埋设传感器以观测渠基土温度、竖向位移、含水率，从而解决超重力场下湿干冻融循环过程中的渠道模型变形测试难题。

本发明对于干湿变化的模拟方式，以水位升降装置模拟渠道每年通停水真实情况，即“湿”；以风干装置模拟现场土体干燥过程，即“干”。对于温度变化的模拟方式，以-40℃～30℃的温度区间模拟现场季节更替而产生的冻融过程。

本发明采用了一种独立于试验箱体外的水位升降装置和风干装置作为干燥系统、以半导体热交换装置和空气内循环装置作为热交换系统的方法，实现了超重力场下输水渠道经历湿干冻融循环后的变形劣化特性研究。

本发明的热交换装置采用半导体热交换板制冷/制热，只需要通电即可实现快速降温和升温，且体积小，没有滑动和旋转部件，特别适合在离心力场下连续工作。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明模拟试验系统的后侧三维主视图；

图2为本发明模拟试验系统的前侧三维主视图；

图3为本发明模拟试验系统水位升降装置的透视图；

图4为本发明模拟试验系统热交换系统的透视图；

图5为离心加速度为50g时的输水渠道离心模型实验图；

图6为输水渠道湿干冻融离心模型试验测点布置剖面图；

其中，2-法兰；3-热交换装置进水口；4-热交换装置出水口；5-热交换装置电源；6-止水阀；7-供回水管路；8-水阀；11-圆盘；12-充气电磁阀；13-排气电磁阀；14-管夹；15-油缸；16-支架；17-输油管路；18-注水口；19-第一支撑柱；20-热交换装置；21-进出水口；22-活塞；23-通风口；24-第二支撑柱；26-模型箱；27-伺服阀；28-吊环；29-底板；30-油缸安装板；44-透水石；45-循环风口；46-风机；47-半导体热交换板；48-水箱；49-液位传感器；50-模型土体。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

实施例1

一种寒区输水渠道湿干冻融变形离心模拟系统，所述系统包括：模型箱26、干湿系统、热交换系统和数据采集系统。

其中，

所述模型箱26，用于布置模型土体50(即，渠坡模型)，其中布设传感器等数据采集和测量元件。

所述模型箱26上端设计有法兰2和螺钉孔，方便与所述热交换系统和其他结构零部件进行联接，同时保证有足够的结构刚度，能够适应高速旋转的离心力场作用。

所述模型箱26侧面上部设置有进出水口21，所述进出水口21上设置有透水石44，用于对进入模型箱26内的水进行过滤。且所述进出水口21的高度与模型渠底位置平齐。

所述模型箱26底部通过螺栓固定连接有底板29，所述底板29的四个角上有四个吊环28，所述吊环28可旋入底板接口中，以方便进行吊装试验装置。模型箱26中布置模型土体50，布设温度传感器、含水率传感器和位移传感器以测试湿干冻融循环过程中渠基土的温度场、土体水分迁移和竖向变形。试验时，模型箱26整体需固定在在离心机的吊篮内。

所述干湿系统，包括水位升降装置、风干装置、干湿系统控制器。其中，

结合图1、3，所述水位升降装置，包括水箱48、充气电磁阀12、排气电磁阀13、供回水管路7、水阀8、止水阀6、液位传感器49。

所述水箱48为一个设置于模型箱26外侧的不锈钢焊接而成的长方体独立水箱，防止湿干冻融离心模型试验系统运行过程中模型箱内因经历负温阶段导致水箱48冷凝，，以实现不停机状态下完成渠道水位升降过程的模拟。所述水箱48底部以螺钉固定在底板29上，顶部设置有注水口18、充气电磁阀12和排气电磁阀13，以分别实现向水箱48内注水和进气、排气的功能；所述充气电磁阀12和排气电磁阀13底部可旋转进入水箱48顶部接口，所述充气电磁阀12另一端通过旋转接头连接至离心机转臂上的供气管路。所述水箱48侧面底部通过螺母固定连接有供回水管路7，所述供回水管路7上安装有水阀8和止水阀6，两者两端均有外螺纹，可以与供回水管路7内螺纹进行旋入连接，通过水阀8的开关，可即时控制输水过程的开始与终止，通过控制流经止水阀6的过水流量可调节水位升降的速率，供回水管路7通过管夹14和螺栓固定连接于所述模型箱26的进出水口21。所述液位传感器49为孔隙水压力微型传感器，放置于模型箱26内模型渠底表面，通过水压力换算得到水位高度。

所述水位升降装置主要是用来模拟原型渠道的通停水运行过程。水箱顶部充气电磁阀12与试验离心机供气出口通过离心机自带旋转接头相连通过气压将水经供回水管路7注入模型中，实现水在模型渠道中自下而上地升起，一旦达到预定水位，干湿系统控制器将自动同时停止进气和注水，维持水位在设定高度，当进行排气过程时，水箱48内的压力值降低至标准大气压，模型中的水通过经超重力场下的水头差自上而下地回流至水箱48中，从而完成一次渠道水位升降的模拟。通过回流至水箱48内水，可在一次试验中实现多次水位升降循环。

优选的，所述水箱48侧壁设置有圆盘11，所述圆盘11可完全打开对水箱48进行清洁，为保证水箱48的良好密封性，在圆盘11的连接处设有密封垫，并通过螺钉进行固定。

优选的，所述水箱48上焊接固定有第一支撑柱19，所述第一支撑柱19顶端焊接有管夹14，从而为供回水管路7提供支撑及固定作用。

优选的，所述第一支撑柱由不锈钢制成。

结合图1-2，所述风干装置，包括通风口23、活塞22、油缸15、伺服阀27、输油管路17、支架16、油缸安装板30、第二支撑柱24。其中，

所述模型箱26迎风侧面和背风侧面上对称开设有通风口23，并以伺服阀27控制油缸15驱动活塞22伸缩对通风口23进行封堵，所述油缸15和活塞22通过支架16支撑，所述支架16与底板29通过螺栓进行竖向固定，与模型箱26侧壁通过第二支撑柱24和螺栓进行横向固定，使得结构在超重力场下不易损坏。所述输油管路17由不锈钢材料制成，通过管夹14进行固定和支撑，管夹14通过螺栓固定在底板29和支架16上；每个油缸15通过管夹14和螺栓固定于油缸安装板30上，所述油缸安装板30通过螺栓固定于支架16上，所述油缸15一端为具有隔热保温作用的活塞22，另一端连接伺服阀27，与离心机室自带的油源通过旋转接头连接进行液压驱动。

优选的，所述第二支撑柱24由钢制成。

所述风干装置的主要功能是在离心机运转过程中对模型土体50进行干燥。试验过程中打开通风口23，利用离心机高速旋转产生的空气流动进行模型的干燥过程，空气自模型箱26迎风面一侧通风口23进入渠坡模型上方，在模型箱26内实现空气对流，从另一侧对称通风口23排出，将水汽带出，试验结束时以活塞22封堵圆形通风口23即可。

优选的，所述通风口23为圆形；所述活塞22为圆台形橡胶活塞。

优选的，所述支架16为铝合金支架。

所述干湿系统控制器为可连续控制的电控系统，控制器界面可实时显示液位高度、水位升降装置的运行状态、充气电磁阀12、排气电磁阀13和水阀8的开启或关闭状态、油缸15伸缩的开启或关闭。干湿系统控制器在手动设置目标液位高度后，通过液位传感器49进行判别，自动控制是否达到预设液位，停止注水。在水位升降装置运行过程中，进水至目标液位前可强制停止注水，至目标液位自动停水后可强制注水。在水位升降系统工作过程中，使用伺服阀27驱动油缸15进行活塞伸缩时会显示警告。另外，为了使干湿控制系统的操作具有更大的灵活性，该系统所有步骤均保留手动控制功能。

所述热交换系统，包括半导体热交换装置、空气内循环装置、温度控制系统。

所述半导体热交换装置，包括外壳、半导体热交换板47、散热管路、热交换装置进水口3、热交换装置出水口4和热交换装置电源5。

所述半导体热交换板47在所述外壳的底面上面向模型土体50设置；所述散热管路和热交换装置电源5设置于所述外壳内；所述热交换装置进水口3和热交换装置出水口4设置于所述外壳上，与所述散热管理连通。

所述外壳内充填泡沫塑料，最后盒盖密封，通过螺栓进行联接紧固安装于模型箱26上方。

所述半导体热交换板47采用合金铝板加工成多条肋筋，最大程度的加大交换面积，提高交换效率，可实现在相同冻土面积下致冷功率比常规冷板的多一倍。

所述散热管路设置于半导体热交换板47上方，用于为半导体热交换板47进行散热。所述散热管路包括多个小型散热水箱，所述小型散热水箱为一体化加工结构，且所述小型散热水箱之间均采用可保证在高压循环水条件下正常工作的PVC软管进行联接，所述PVC软管分别联接于各个小型散热水箱的管接头并最终并为一股，通过旋转接头连接到热交换装置进水口3和热交换装置出水口4。

所述半导体热交换装置采用串联连接的半导体热交换板47进行制冷/制热，只需要通电即可实现快速降温和升温，且体积小，没有滑动和旋转部件，特别适合在离心力场下连续工作。

优选的，所述半导体热交换板47分为一级半导体热交换板和二级半导体热交换板，所述一级半导体热交换板和二级半导体热交换板优化组合使用。

试验过程中，所述半导体热交换板47制冷/升温的过程中所产生的能量均由所述散热管路流淌的自来水循环带走。所述半导体热交换装置的主要功能是通过半导体热交换板47的冷端放到模型箱26内吸热降温，热端热量通过流动水带出，冷端与热端可以通过电流方向相互转换，工作时只需将交变电流变换为直流电流即可，具有工作不受低温、高压、高离心加速度的影响等特点。

结合图4，所述空气内循环装置，设置于所述半导体热交换板47下部，能够加速模型箱26内气体的流动，从而增加制冷/制热效率。所述空气内循环装置包括：平板和风机46。所述平板上对应于模型渠顶上方的位置处开设有循环风口45，所述风机46设置于平板上对应于模型渠底上方的位置处。所述空气内循环装置工作前需确保干湿系统已停止工作，其运行需要风机46、循环风口45、半导体热交换板47的共同运作。

当工况为模拟渠道现场土体冻结过程时，离心机运转过程中启动半导体热交换板47的同时打开风机46，半导体热交换板47与空气产生热交换，风机46将上方低温气体自上而下吹向渠底，并转向渠坡方向运动，最终进入循环风口45，在顶板与热交换板47之间进行下一次的热交换，以此循环。若从模型箱26一侧观察，空气内循环装置工作状态下模型箱26内空气以顺时针循环。

所述温度控制系统，用来控制半导体热交换装置和风机46的工作，具有致冷、加热双向自动控制功能、变升降温速率及计算机通讯功能。采用智能型高精度控温仪表，具有PID自整定功能和温度升降温速率线性输出功能，通过控温仪表致冷/致热双向自动控制功能和专用控制制冷或制热装置，可实现的温度变化范围为-40℃至30℃，温度变化斜坡斜率0℃/min～1.5℃/min范围内可调，实现了在整个温度范围内对温度自动控制功能。为了减小体积，致冷器件所需的直流电源都采用大功率专用开关电源。采用触摸屏设置及控制，预留通讯接口，通过通讯接口可以实现计算机远程监控。

所述数据采集系统，设置于模型箱26的外部，用于试验时传感器数据的采集和传输。计算机控制系统可实时显示和记录设备工作参数和土体不同深度温度、含水率和位移变化，并可将信息输出记录。所述数据采集系统采用的传感器为位移传感器、温度传感器、含水率传感器。所述温度传感器和含水率传感器均为埋置于土中。

本湿干冻融离心模型试验系统的水位升降自模型渠底入水口开始和结束，与现场渠道通停水过程一致；且风干过程为空气流动带走模型土体50表面湿气，与现场干燥过程一致；半导体热交换板47位于模型箱26内部的顶端，冷热量的传递是由热交换板47与空气进行对流，通过风机46向下加速传递到模型渠底，并沿着渠道土体表面进行空气内循环，对模型渠道冻融过程的模拟是由模型土体50表面自上而下的方式实现，和实际土体冻融的过程一致。

本湿干冻融离心模型试验系统的水位升降自模型渠底入水口开始和结束，与现场渠道通停水过程一致；且风干过程为空气流动带走模型土体50表面湿气，与现场干燥过程一致；热交换板位于模型箱内部的顶端，冷热量的传递是由热交换板与空气进行对流，通过风机向下加速传递到模型渠底，并沿着渠道土体表面进行空气内循环，对模型渠道冻融过程的模拟是由模型土体50表面自上而下的方式实现，与实际土体冻融的过程一致。

实施例2

在实施例1的基础上，利用所述离心模拟系统进行输水渠道渠基土湿干冻融模拟过程研究的步骤如下：

一、实验前的准备

S1.1根据所模拟输水渠道的断面尺寸，结合模型箱26的尺寸和最大离心加速度，确定合适的模型比尺N，根据相似准则，若原型的断面尺寸为A，则模型中的断面尺寸为A/N；

S1.2根据相似比尺，计算出模型渠道断面尺寸，将调配好含水率的土体按照干密度控制制作模型渠道；

S1.3在制作渠道模型的过程中，根据需要研究的温度场分布情况和水分迁移情况，在渠底和渠坡的不同深度埋设温度传感器和含水率传感器，例如可在距原型渠底0.2m、0.5m、0.8m、1.2m等不同深度埋设，另外，放置两只液位传感器49于模型渠底表面，其运行过程中由于超重力作用将一直处于渠底表面；

S1.4安装位移传感器，由于模型箱26上位移传感器的传感器安装柱31是垂直向下的，和渠道底面垂直，而和渠道边坡成一定角度，因此，对于所测得的渠道边坡的位移值，应该通过几何关系换算后才能得到坡面渠基土的冻胀位移。

设坡面的坡角为θ，由位移计测得的竖向位移值为v，则根据几何关系可以换算得到坡面的冻胀位移为：d＝v/cosθ。

二、模拟渠道的单次湿干冻融过程

S2.1将含有制作完成的渠道、设置完毕的温度、含水率及位移传感器的模型箱26进行装配，检查各测试元件的连接，安装好后其线缆应进行捆扎保护，防止离心力对其损坏；

S2.2试验前先将水箱48进行清洗，清洗完毕后对侧壁圆盘11进行密封，并从注水口18将水箱48内注满水；并对干湿系统中的管线连接进行检查，防止离心力对其造成损坏；对热交换装置与模型箱26体的缝隙采用聚氨酯泡沫塑料进行保温处理，然后用绝缘胶带将缝隙进行密封，防止冷量/热量的散失；

S2.3根据时间相似关系t/N²关系设定单次的湿润时间、干燥时间、冻结时间和融化时间，其中，湿润时间按照现场通停水时间分别设定注水期时间、运行期时间、排水期时间。并根据标定结果，设定节水阀过水流量大小从而更接近注水期和排水期时间的模拟；

S2.4开启干湿系统控制器和温度控制系统，设定目标水位值和冻结、融化目标温度值及温度变化速率，并做好离心机的启动准备工作；

S2.5启动离心机并开启数据采集系统；

S2.6当离心机运行至稳定转速时，开启空气压缩机，并在干湿系统控制器的控制面板上同时打开充气电磁阀12和水阀8，压缩空气经充气电磁阀12进入水箱48，并通过气压将水箱48中的水经供回水管路7进入模型箱26，实现模型土体50中的水位自下而上的升起；若所述液位传感器49检测到模型土体50中的水达到预定水位，所述干湿系统控制器同时关闭充气电磁阀12和水阀8，将水位维持在设定高度；模型土体50水位维持在目标水位运行既定时间后，所述干湿系统控制器控制打开排气电磁阀13和水阀8，所述水箱48内的压力值降低至标准大气压，所述模型土体50中的水通过经超重力场下的水位差自上而下地回流至水箱48中，当干湿系统控制器的显示面板中显示液位为0mm时，关闭排气电磁阀13和水阀8，即湿润过程模拟结束；

通过回流至水箱48内水，可在一次试验中实现多次水位升降循环。

S2.7通过干湿系统控制器控制油缸15缩回，进而带动活塞22，打开模型箱26两侧的通风口23，使得离心机高速旋转产生的空气流动带走模型内的水汽，达到既定时间后，所述干湿系统控制器控制油缸15伸出，进而带动活塞22，封堵模型箱26两侧的通风口23，即干燥过程结束；

S2.8关闭干湿系统控制器，再次检查设定好的目标温度值和温度变化速率；

S2.9同时打开热交换装置和风机46进行制冷，半导体热交换板47与空气产生热交换，风机46将上方低温气体自上而下吹向模型土体50渠底，并转向模型土体50渠坡方向运动，最终进入循环风口45，空气内循环的运行形成风冷效果，更好的模拟了渠道模型冻结过程，达到既定时间后，即冻结过程结束；

S2.10重新设定目标温度值和温度变化速率，同时打开热交换装置和风机46进行制热，半导体热交换板47与空气产生热交换，风机46将上方暖风自上而下吹向模型土体50渠底，并转向模型土体50渠坡方向运动，最终进入循环风口45，空气内循环的运行形成风暖效果，以模拟渠道模型融化过程，达到既定时间后，即融化过程结束；同时也是一次渠道湿干冻融离心模拟试验结束，关闭热交换系统。

S2.11停止离心机，对试验采集到的温度、含水率和竖向位移进行分析，总结输水渠道的变形劣化特征。

三、模拟渠道的反复湿干冻融循环过程

S3.1关于实验前模型渠道的制作、模型箱26及湿干冻融装置的安装、控制系统的设定及离心机启动和单次湿干冻融的过程等内容参见上述“一、实验前的准备”和“二、模拟渠道的单次湿干冻融过程”中的内容；

S3.2结合所研究的实际输水渠道工程现场情况，根据在离心模型试验中时间相似比尺t/N²关系，设定反复湿干冻融循环周期值及周期时间，以上操作步骤循环实施，能实现对模型箱26内的土体施加“湿干冻融”循环作用；

S3.3对试验采集到的温度、含水率和竖向位移进行分析，总结反复湿干冻融循环下输水渠道的变形劣化特征。

实验验证

利用本发明所述的技术方案建造了南京水利科学研究院的离心机湿干冻融模拟试验系统，利用该系统模拟了北疆输水渠道经历湿干冻融循环后的情况，试验时设置了不同的离心加速度，最高离心加速度达50g，试验结果表明，该系统可以用于高寒地区输水渠道变形劣化特性的研究。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。一切从本发明的构思出发，不经过创造性劳动所做出的结构变换均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种寒区输水渠道湿干冻融循环离心模拟系统，其特征在于，所述系统包括：模型箱(26)、干湿系统、热交换系统和数据采集系统；其中，

所述干湿系统，包括水位升降装置、风干装置、干湿系统控制器；

所述热交换系统，包括半导体热交换装置、空气内循环装置、温度控制系统；

所述风干装置，包括通风口(23)、活塞(22)、油缸(15)、伺服阀(27)、输油管路(17)、油缸安装板(30)；其中，

所述通风口(23)对称设置于所述模型箱(26)的迎风侧面和背风侧面上，并以伺服阀(27)控制油缸(15)驱动活塞(22)伸缩对通风口(23)进行封堵；所述油缸(15)和活塞(22)通过支架(16)支撑；每个油缸(15)固定于油缸安装板(30)上，所述油缸安装板(30)固定于支架(16)上，所述油缸(15)一端为具有隔热保温作用的活塞(22)，另一端连接伺服阀(27)，与离心机室自带的油源通过旋转接头连接进行液压驱动；

所述半导体热交换装置，包括外壳、半导体热交换板(47)、散热管路、热交换装置进水口(3)、热交换装置出水口(4)和热交换装置电源(5)；其中，

所述半导体热交换板(47)在所述外壳底面上面向模型土体(50)设置；所述散热管路和热交换装置电源(5)设置于所述外壳内；所述热交换装置进水口(3)和热交换装置出水口(4)设置于所述外壳上，与所述散热管路 连通；

所述空气内循环装置设置于半导体热交换板(47)下部，且所述空气内循环装置包括：平板和风机(46)；所述平板上对应于模型土体(50)渠顶上方的位置处开设有循环风口(45)，所述风机(46)设置于平板上对应于模型渠底上方的位置处。

2.根据权利要求1所述的一种寒区输水渠道湿干冻融循环离心模拟系统，其特征在于，所述水位升降装置，包括水箱(48)、充气电磁阀(12)、排气电磁阀(13)、供回水管路(7)、水阀(8)、止水阀(6)、液位传感器(49)；

所述水箱(48)设置于模型箱(26)外侧，其顶部设置有注水口(18)、充气电磁阀(12)和排气电磁阀(13)，以分别实现向水箱(48)内注水和进气、排气的功能；所述水箱(48)侧面底部连接有供回水管路(7)，所述供回水管路(7)上安装有水阀(8)和止水阀(6)，供回水管路(7)固定连接于所述模型箱(26)的进出水口(21)；所述液位传感器(49)为孔隙水压力微型传感器，放置于模型箱(26)内模型渠底表面。

3.根据权利要求2所述的一种寒区输水渠道湿干冻融循环离心模拟系统，其特征在于，所述水箱(48)侧壁设置有圆盘(11)，所述圆盘(11)可完全打开对水箱(48)进行清洁，在圆盘(11)的连接处设有密封垫。

4.根据权利要求1所述的一种寒区输水渠道湿干冻融循环离心模拟系统，其特征在于，所述干湿系统控制器为可连续控制的电控系统，控制器界面可实时显示液位高度、水位升降装置的运行状态、充气电磁阀(12)、排气电磁阀(13)和水阀(8)的开启或关闭状态、油缸(15)伸缩的开启或关闭；在水位升降系统工作过程中，使用伺服阀(27)驱动油缸(15)进行活塞伸缩时会显示警告。

5.根据权利要求1所述的一种寒区输水渠道湿干冻融循环离心模拟系统，其特征在于，所述外壳内充填泡沫塑料，通过盒盖密封，并紧固安装于模型箱(26)上方；

所述半导体热交换板(47)采用合金铝板加工成多条肋筋；

所述散热管路设置于半导体热交换板(47)上方；所述散热管路包括多个小型散热水箱，所述小型散热水箱为一体化加工结构，且所述小型散热水箱之间均采用可保证在高压循环水条件下正常工作的PVC软管进行联接，所述PVC软管分别联接于各个小型散热水箱的管接头并最终并为一股，通过旋转接头连接到热交换装置进水口(3)和热交换装置出水口(4)。

6.根据权利要求5所述的一种寒区输水渠道湿干冻融循环离心模拟系统，其特征在于，所述半导体热交换板(47)分为一级半导体热交换板和二级半导体热交换板，所述一级半导体热交换板和二级半导体热交换板优化组合使用。

7.根据权利要求6所述的一种寒区输水渠道湿干冻融循环离心模拟系统，其特征在于，所述温度控制系统，用来控制所述半导体热交换装置和风机(46)的工作；所述温度控制系统可实现的温度变化范围为-40℃至30℃，温度变化斜坡斜率0℃/min～1.5℃/min范围内可调。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的寒区输水渠道湿干冻融循环离心模拟系统的模拟方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

一、实验前的准备；

二、模拟渠道的单次湿干冻融过程；

和/或

三、模拟渠道的反复湿干冻融循环过程。

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