CN111650166B - 一种透明土石混合体水力侵蚀演化模拟系统及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明土石混合体水力侵蚀演化模拟系统及实验方法，一种透明土石混合体水力侵蚀演化模拟系统的实验方法，包括以下步骤：环形槽内装有透明土石混合体试样和环境流体，伺服电机带动旋转支架和搅拌叶片在环境流体中搅动，透明土石混合体试样被环境流体冲刷，激光器照射透明土石混合体试样和环境流体，工业相机对透明土石混合体试样和环境流体拍摄，拍摄图像传送至计算机处理，分析出透明土石混合体试样的被侵蚀过程。本发明提供了一种针对土石混合体侵蚀的可控、可视、可测的实验系统及方法，解决了以往实验方法中存在的侵蚀过程不可见、数据采集困难等问题。

Description

一种透明土石混合体水力侵蚀演化模拟系统及实验方法

技术领域

本发明涉及地质灾害与岩土工程可视化模型试验技术领域。

背景技术

我国西南地区第四纪地质作用活跃，地表覆盖有深厚的、以土石混合物为主要组成物质的第四纪覆盖层。随着近年来一些大型甚至超大型水利水电工程的兴建和投入运营，出现了众多以土石混合体为载体的地质灾害，如三峡库区消落带库岸侵蚀、堆积体滑坡以及土石混合体堰塞坝溃决等，造成巨大的人员伤亡及财产损失。

由于这类土石混合体的失稳时间难以预测，实际工程中也极难监测，至今仍缺乏真实可靠的观测数据。认识土石混合物工程地质体的失稳机理、演化过程，对科学准确地评判此类地质体的稳定性、可蚀性以及灾害预警等具有重要意义。目前，许多学者已开展了有关土石混合体侵蚀的试验。然而，由于岩土材料的不透明性质，现有的实验技术手段难以从细观上分析土石混合体在水动力作用下的介质移运、侵蚀启动过程、土石分离等特征。

因此，有必要研发一种可控、可视、可测的实验系统与方法来研究土石混合体侵蚀演化过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种可有效观测、控制的土石混合体水力侵蚀演化过程的模拟系统及实验方法。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种透明土石混合体水力侵蚀演化模拟系统，包括环形槽、支撑支架、旋转支架、伺服电机、工业相机、激光器和计算机。

由透明有机玻璃制成的所述环形槽水平放置在试验台上，环形槽内设置有透明土石混合体试样和环境流体，透明土石混合体试样安装到环形槽底部并浸泡在环境流体内，透明土石混合体试样和环境流体内均添加有荧光剂。

所述试验台上固定有支撑支架，支撑支架上连接有输出轴竖直向下的伺服电机。

所述旋转支架包括横杆和两个搅动杆，横杆水平设置在环形槽的正上方，伺服电机的输出轴连接到横杆的中点上，横杆的两端分别与两个搅动杆的上端连接，两个搅动杆的下端均连接有搅拌叶片。

所述搅拌叶片伸入环境流体内，搅拌叶片的下端与透明土石混合体试样的上端存在间隙，两个搅拌叶片的连线穿过环形槽所在圆的圆心。

所述激光器安装到电动升降台上，电动升降台固定在试验台上且位于环形槽外侧。

工作时，所述伺服电机带动旋转支架转动，两个搅拌叶片搅动环境流体。所述激光器向透明土石混合体试样发射激光，电动升降台带动激光器上下往复运动，透明土石混合体试样和环境流体内的荧光剂在激光诱导下发出荧光，位于透明土石混合体试样正上方的工业相机对透明土石混合体试样进行持续拍摄，并将捕捉到的图像发送至计算机，计算机通过数字图像处理技术定量分析透明土石混合体试样的演化过程。

进一步，所述透明土石混合体试样呈扇环状。

进一步，所述透明土石混合体试样由正十二烷、苯甲基硅油、无定型硅粉和不规则玻璃块均匀混合并加载固结而成。

进一步，所述环境流体为矿物混合油。

基于上述的一种透明土石混合体水力侵蚀演化模拟系统的实验方法，包括以下步骤：

1)制作所述环境流体和呈扇环状的透明土石混合体试样。其中所述透明土石混合体试样和环境流体内均添加有荧光剂。

2)安装所述透明土石混合体水力侵蚀演化模拟系统，将透明土石混合体试样和环境流体放置到环形槽内，并调试伺服电机、工业相机、激光器、计算机和电动升降台。

3)启动所述伺服电机、工业相机、激光器、计算机和电动升降台，伺服电机带动搅拌叶片搅动环境流体。所述激光器向透明土石混合体试样发射激光，电动升降台带动激光器上下往复运动。所述工业相机对透明土石混合体试样进行持续拍摄，并将捕捉到的图像发送至计算机。

4)所述计算机通过Image-Pro Plus软件定量分析透明土石混合体试样的演化过程。

进一步，步骤4)包括以下分步骤：

4.1)开启所述计算机中的Image-Pro Plus软件；

4.2)将所述工业相机拍摄的所有图像在Image-Pro Plus软件中打开；

4.3)选定各个图像中的目标像素区域，甄别目标像素区域内的玻璃块体和透明土；

4.4)将图像进行对比分析，统计出玻璃块体的运动轨迹；

4.5)根据玻璃块体的运动轨迹模拟出所述透明土石混合体试样在流体冲刷下的介质移运过程、侵蚀启动过程、土石分离过程。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明将透明土石混合体试样装入透明的环形槽进行实验，整个实验过程清晰透明，解决了以往实验方法中侵蚀过程不可见的缺陷；同时，本发明采用伺服电机带动搅拌叶片搅动环境流体，通过改变伺服电机的转速可模拟多种冲刷环境；采用工业相机对透明土石混合体试样的冲刷过程进行持续拍摄，图像采集过程精准、便捷，解决了以往实验方法中数据采集困难的缺陷。

附图说明

图1为实验系统的整体示意图；

图2为环形槽的纵向剖面图；

图3为旋转支架示意图。

图中：环形槽1、支撑支架2、旋转支架3、横杆301、搅动杆302、伺服电机4、工业相机5、激光器6、计算机7、试验台8、透明土石混合体试样9、环境流体10、搅拌叶片11和电动升降台12。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开了一种透明土石混合体水力侵蚀演化模拟系统，包括环形槽1、支撑支架2、旋转支架3、伺服电机4、工业相机5、激光器6和计算机7。

参见图1，由透明有机玻璃制成的所述环形槽1水平放置在试验台8上，环形槽1根据实际情况绘制网格定位线。所述环形槽1内设置有透明土石混合体试样9和环境流体10，透明土石混合体试样9安装到环形槽1底部并浸泡在环境流体10内，透明土石混合体试样9和环境流体10内均添加有荧光剂。所述透明土石混合体试样9呈扇环状，透明土石混合体试样9的尺寸与环形槽1的尺寸相适应。

所述环境流体10为矿物混合油，本实施例中，环境流体10由白油、正十二烷及荧光剂混合。

所述试验台8上固定有支撑支架2，支撑支架2上连接有输出轴竖直向下的伺服电机4。

参见图3，所述旋转支架3包括横杆301和两个搅动杆302，横杆301水平设置在环形槽1的正上方，伺服电机4的输出轴连接到横杆301的中点上，横杆301的两端分别与两个搅动杆302的上端连接，两个搅动杆302的下端均连接有搅拌叶片11。

所述伺服电机4为高性能伺服电机，伺服电机4向旋转支架3提供不同的、稳定的旋转角速度。

参见图2，所述搅拌叶片11伸入环境流体10内，搅拌叶片11的下端与透明土石混合体试样9的上端存在间隙，两个搅拌叶片11的连线穿过环形槽1所在圆的圆心。

参见图1，所述激光器6安装到电动升降台12上，电动升降台12固定在试验台8上且位于环形槽1外侧。所述激光器6的发射端与透明土石混合体试样9相对应，透明土石混合体试样9的弧度由激光器6发出的片状激光照射范围确定。

工作时，所述伺服电机4带动旋转支架3转动，两个搅拌叶片11搅动环境流体10。所述激光器6向透明土石混合体试样9发射激光，电动升降台12带动激光器6上下往复运动，激光对透明土石混合体试样9和环境流体10进行全断面扫射，透明土石混合体试样9和环境流体10内的荧光剂在激光诱导下发出荧光，位于透明土石混合体试样9正上方的工业相机5对透明土石混合体试样9进行持续拍摄，工业相机5为CCD(电荷耦合器件)相机，工业相机5将捕捉到的图像发送至计算机7，计算机7通过数字图像处理技术定量分析透明土石混合体试样9的演化过程。

在本实施例中，可通过制备具有不同物理力学特征的透明土石混合体试样9和改变环境流体10的流速，实现不同工况下土石混合体侵蚀过程的模拟。

所述透明土石混合体试样9的制备过程如下：

1)根据试验要求选择不规则玻璃块，并对不规则玻璃块进行水洗和烘干处理，以去除杂质和水分；

2)将正十二烷和苯甲基硅油按照一定体积比混合并搅拌均匀，得到混合液，静置一段时间；

3)利用阿贝折射仪测定所述混合液的折射率，调整正十二烷和苯甲基硅油的配比，使得混合液的折射率与无定型硅粉的折射率一致，得到孔隙液体；

4)将所述孔隙液体倒入有机玻璃容器；其中，所述有机玻璃容器为透明扇环形箱体，有机玻璃容器的底部和两个侧壁上均布置有透水石层，布置有透水石层的两个侧壁上均布置若干个排水口；

5)将无定型硅粉和荧光剂倒入所述有机玻璃容器的孔隙液体中并搅拌均匀，得到硅微粉悬浮液；

6)将所述不规则玻璃块倒入硅微粉悬浮液中并搅拌均匀，得到透明土石混合溶液；

7)将所述有机玻璃容器静置于真空箱中并抽真空处理，直至透明度达到设计要求；

8)对所述有机玻璃容器内的透明土石混合溶液加载固结，完成一层透明土石混合体的配置；其中，加载产生的液体从若干所述排水口排出；

9)重复步骤4)-8)，进行上一层透明土石混合体配置，直至透明土石混合体的总厚度满足设计要求。

实施例2：

基于实施例1所述的一种透明土石混合体水力侵蚀演化模拟系统，本实施例公开了该系统的实验方法，包括以下步骤：

1)制作所述环境流体10和呈扇环状的透明土石混合体试样9。其中所述透明土石混合体试样9和环境流体10内均添加有荧光剂。

2)安装所述透明土石混合体水力侵蚀演化模拟系统，将透明土石混合体试样9和环境流体10放置到环形槽1内，并调试伺服电机4、工业相机5、激光器6、计算机7和电动升降台12；其中，所述环形槽1内直径44cm，外直径60cm，高15cm；

3)启动所述伺服电机4、工业相机5、激光器6、计算机7和电动升降台12，伺服电机4带动搅拌叶片11搅动环境流体10。所述激光器6向透明土石混合体试样9发射激光，电动升降台12带动激光器6上下往复运动。所述工业相机5对透明土石混合体试样9进行连续拍摄，并将捕捉到的图像发送至计算机7；

4)完成实验后，切断电源，清理实验装置与场地，提取数据；所述计算机7通过Image-Pro Plus(图像分析软件)进行图形图像分析，分析出透明土石混合体试样9的演化过程。具体包括以下分步骤：

4.1)开启所述计算机7中的Image-Pro Plus软件；其中，Image-Pro Plus软件为图像处理软件；

4.2)将所述工业相机5拍摄的所有图像在Image-Pro Plus软件中打开；

4.3)选定各个图像中的目标像素区域，甄别目标像素区域内的玻璃块体和透明土；

4.4)将图像进行对比分析，统计出玻璃块体的运动轨迹；

4.5)根据玻璃块体的运动轨迹模拟出所述透明土石混合体试样9在流体冲刷下的介质移运过程、侵蚀启动过程、土石分离过程。

实施例3：

本实施例公开了一种透明土石混合体水力侵蚀演化模拟系统，包括环形槽1、支撑支架2、旋转支架3、伺服电机4、工业相机5、激光器6和计算机7。

参见图1，由透明有机玻璃制成的所述环形槽1水平放置在试验台8上，环形槽1内设置有透明土石混合体试样9和环境流体10，透明土石混合体试样9安装到环形槽1底部并浸泡在环境流体10内，透明土石混合体试样9和环境流体10内均添加有荧光剂。

所述试验台8上固定有支撑支架2，支撑支架2上连接有输出轴竖直向下的伺服电机4。

参见图3，所述旋转支架3包括横杆301和两个搅动杆302，横杆301水平设置在环形槽1的正上方，伺服电机4的输出轴连接到横杆301的中点上，横杆301的两端分别与两个搅动杆302的上端连接，两个搅动杆302的下端均连接有搅拌叶片11。

参见图2，所述搅拌叶片11伸入环境流体10内，搅拌叶片11的下端与透明土石混合体试样9的上端存在间隙，两个搅拌叶片11的连线穿过环形槽1所在圆的圆心。

参见图1，所述激光器6安装到电动升降台12上，电动升降台12固定在试验台8上且位于环形槽1外侧。

工作时，所述伺服电机4带动旋转支架3转动，两个搅拌叶片11搅动环境流体10。所述激光器6向透明土石混合体试样9发射激光，电动升降台12带动激光器6上下往复运动，透明土石混合体试样9和环境流体10内的荧光剂在激光诱导下发出荧光，位于透明土石混合体试样9正上方的工业相机5对透明土石混合体试样9进行持续拍摄，并将捕捉到的图像发送至计算机7，计算机7通过数字图像处理技术定量分析透明土石混合体试样9的演化过程。

实施例4：

本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述透明土石混合体试样9呈扇环状。

实施例5：

本实施例主要结构同实施例4，进一步，所述透明土石混合体试样9由正十二烷、苯甲基硅油、无定型硅粉和不规则玻璃块均匀混合并加载固结而成。

所述透明土石混合体试样9的制备过程如下：

1)根据试验要求选择不规则玻璃块，并对不规则玻璃块进行水洗和烘干处理，以去除杂质和水分；

2)将正十二烷和苯甲基硅油按照一定体积比混合并搅拌均匀，得到混合液，静置一段时间；

3)利用阿贝折射仪测定所述混合液的折射率，调整正十二烷和苯甲基硅油的配比，使得混合液的折射率与无定型硅粉的折射率一致，得到孔隙液体；

4)将所述孔隙液体倒入有机玻璃容器；其中，所述有机玻璃容器为透明扇环形箱体，有机玻璃容器的底部和两个侧壁上均布置有透水石层，布置有透水石层的两个侧壁上均布置若干个排水口；

5)将无定型硅粉和荧光剂倒入所述有机玻璃容器的孔隙液体中并搅拌均匀，得到硅微粉悬浮液；

6)将所述不规则玻璃块倒入硅微粉悬浮液中并搅拌均匀，得到透明土石混合溶液；

7)将所述有机玻璃容器静置于真空箱中并抽真空处理，直至透明度达到设计要求；

8)对所述有机玻璃容器内的透明土石混合溶液加载固结，完成一层透明土石混合体的配置；其中，加载产生的液体从若干所述排水口排出；

9)重复步骤4)-8)，进行上一层透明土石混合体配置，直至透明土石混合体的总厚度满足设计要求。

实施例6：

本实施例主要结构同实施例5，进一步，环境流体10为矿物混合油。

Claims (4)

1.一种透明土石混合体水力侵蚀演化模拟系统，其特征在于：包括环形槽(1)、支撑支架(2)、旋转支架(3)、伺服电机(4)、工业相机(5)、激光器(6)和计算机(7)；

由透明有机玻璃制成的所述环形槽(1)水平放置在试验台(8)上，环形槽(1)内设置有透明土石混合体试样(9)和环境流体(10)，透明土石混合体试样(9)安装到环形槽(1)底部并浸泡在环境流体(10)内，透明土石混合体试样(9)和环境流体(10)内均添加有荧光剂；所述透明土石混合体试样(9)由正十二烷、苯甲基硅油、无定型硅粉和不规则玻璃块均匀混合并加载固结而成；

所述试验台(8)上固定有支撑支架(2)，支撑支架(2)上连接有输出轴竖直向下的伺服电机(4)；

所述旋转支架(3)包括横杆(301)和两个搅动杆(302)，横杆(301)水平设置在环形槽(1)的正上方，伺服电机(4)的输出轴连接到横杆(301)的中点上，横杆(301)的两端分别与两个搅动杆(302)的上端连接，两个搅动杆(302)的下端均连接有搅拌叶片(11)；

所述搅拌叶片(11)伸入环境流体(10)内，搅拌叶片(11)的下端与透明土石混合体试样(9)的上端存在间隙，两个搅拌叶片(11)的连线穿过环形槽(1)所在圆的圆心；

所述激光器(6)安装到电动升降台(12)上，电动升降台(12)固定在试验台(8)上且位于环形槽(1)外侧；

工作时，所述伺服电机(4)带动旋转支架(3)转动，两个搅拌叶片(11)搅动环境流体(10)；所述激光器(6)向透明土石混合体试样(9)发射激光，电动升降台(12)带动激光器(6)上下往复运动，透明土石混合体试样(9)和环境流体(10)内的荧光剂在激光诱导下发出荧光，位于透明土石混合体试样(9)正上方的工业相机(5)对透明土石混合体试样(9)进行持续拍摄，并将捕捉到的图像发送至计算机(7)进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种透明土石混合体水力侵蚀演化模拟系统，其特征在于：所述透明土石混合体试样(9)呈扇环状。

3.根据权利要求1所述的一种透明土石混合体水力侵蚀演化模拟系统，其特征在于：所述环境流体(10)为矿物混合油。

4.基于权利要求1所述的一种透明土石混合体水力侵蚀演化模拟系统的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)制作所述环境流体(10)和呈扇环状的透明土石混合体试样(9)；其中所述透明土石混合体试样(9)和环境流体(10)内均添加有荧光剂；

2)安装所述透明土石混合体水力侵蚀演化模拟系统，将透明土石混合体试样(9)和环境流体(10)放置到环形槽(1)内，并调试伺服电机(4)、工业相机(5)、激光器(6)、计算机(7)和电动升降台(12)；

3)启动所述伺服电机(4)、工业相机(5)、激光器(6)、计算机(7)和电动升降台(12)，伺服电机(4)带动搅拌叶片(11)搅动环境流体(10)；所述激光器(6)向透明土石混合体试样(9)发射激光，电动升降台(12)带动激光器(6)上下往复运动；所述工业相机(5)对透明土石混合体试样(9)进行连续拍摄，并将捕捉到的图像发送至计算机(7)；

4)所述计算机(7)通过Image-Pro Plus软件定量分析透明土石混合体试样(9)的演化过程，包括以下分步骤：

4.1)开启所述计算机(7)中的Image-Pro Plus软件；

4.2)将所述工业相机(5)拍摄的所有图像在Image-Pro Plus软件中打开；

4.3)选定各个图像中的目标像素区域，甄别目标像素区域内的玻璃块体和透明土；

4.4)将图像进行对比分析，统计出玻璃块体的运动轨迹；

4.5)根据玻璃块体的运动轨迹模拟出所述透明土石混合体试样(9)在流体冲刷下的介质移运过程、侵蚀启动过程、土石分离过程。

Images