CN203323991U - 降雨诱发泥石流的可视化离心机模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种降雨诱发泥石流的可视化离心机模型试验装置，包括离心环境下降雨诱发泥石流研究的远程可调控人工均匀降雨系统和可视化动态测量系统。该实用新型的核心内容是实现了降雨诱发泥石流离心机模型试验的可调控人工均匀降雨和可视化动态测量，通过在主控室安装远程压力调节和远程降雨控制系统，在离心机模型箱顶部固定均匀雾化降雨器和储水箱，构成远程可调控人工均匀降雨系统；通过在离心机模型箱顶部安装观测照明、内部安装立体观测数码设备和远程数据采集，构成可视化动态测量系统。降雨诱发泥石流的离心机模型试验装置操作安全简便、试验结果可靠，是接近实际应力场下研究降雨诱发泥石流宏细观机理的有力试验工具。

Description

降雨诱发泥石流的可视化离心机模型试验装置

技术领域

本实用新型涉及的是一种降雨诱发泥石流的可视化离心机模型试验装置。

背景技术

目前，针对泥石流的研究主要有野外实地调查、现场模型试验、室内模型试验和数值模拟。鉴于离心机模型试验的尺寸放大的特点，在模拟泥石流这种大范围、大体积、大尺寸的自然灾害中离心机模型试验有其明显的优势。诱发泥石流的主要因素之一是降雨，因此，在离心机模型试验中实现人工均匀降雨是泥石流离心机模型关键点和难点。

目前在降雨诱发泥石流的离心机模型试验中，采用改变制样时的含水率来代替不同程度的降雨，用注水浸泡方法来模拟不同时间的雨水入渗等。但这些方法有其不足之处：不能在离心机模型中模拟实际降雨过程，特别是不能模拟降雨后泥石流全表面的入渗过程。本实用新型解决了泥石流离心机模型试验中的远程可调控人工降雨和可视化动态监测难题，实现了离心机模型试验中人工降雨和试验过程的远程、可调控和可视化。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种降雨诱发泥石流的可视化离心机模型试验装置。基于本实用新型，通过简单操作可在离心机模型试验中，远程实时控制人工降雨时间和强度，实现坡体变形的可视化动态监测，为降雨诱发泥石流离心机模型试验提供有力的试验工具。

本实用新型提出的降雨诱发泥石流的可视化离心机模型试验装置，包括远程可调控人工均匀降雨系统、模型槽和可视化动态测量系统，其中：

所述远程可调控人工均匀降雨系统包括降雨器19、储水箱17和远程降雨控制系统，所述降雨器19包括雨量调节器1、低压雾化喷头4和分流器6，相邻的分流器6通过连接螺母2连接，每个分流器6一侧上设有3个雨量调节器1，相应的，另一侧设有低压雾化喷头4和两个螺纹堵塞5；所述储水箱17为长方体结构，其顶部设有注水孔8和加压孔9，侧壁设有出水孔10；所述远程压力调控系统包括空气压缩机11、压力表12、阀门13和离心机；空气压缩机11通过压力表12、阀门13和管道连接离心机；所述远程降雨控制系统包括远程控制开关16和降雨控制电磁阀18，降雨控制电磁阀18连接在储水箱17和降雨器19之间。

所述模型槽位于离心机模型箱内部，模型槽侧面设有高速细观摄像机滑槽35，模型槽下部是模拟基岩25，模拟基岩25上部是试验坡体22。

所述离心机模型箱呈长方体，其顶部开孔，设有光源30，离心机模型箱顶部设有储水箱17，降雨器19通过吊杆31挂于离心机模型箱内顶部下方，降雨器19对准试验坡体22；离心机模型箱内设有顶面观测摄像头21、高速细观摄像机23和侧面宏观观测相机24，顶面观测摄像头21位于试验坡体22一侧上方，高速细观摄像机23位于高速细观摄像机滑槽35上，侧面宏观观测相机24位于侧面宏观观测相机滑移导轨33上，且滑移导轨33两端通过固定螺栓32固定于模型箱底部。 

所述可视化动态测量系统包括应变传感器20、工控机26、无线路由器27、动态采集仪28和电脑29；顶面观测摄像头21、高速细观摄像机23和侧面宏观观测相机24分别连接工控机26，工控机26连接无线路由器27；模型槽连接应变传感器20，应变传感器20连接动态采集仪28，动态采集仪28通过无线信号连接电脑29。

本实用新型中，所述压力表12为2个。

本实用新型中，所述阀门13为3个。

本实用新型的工作过程如下：

1、远程压力调控系统气密性检查：

a）关闭第一阀门、第二阀门、第三阀门和降雨控制电磁阀18，打开气源开关；

b）依次打开第一阀门、第三阀门，调节调压阀使第一压力表和第二压力表等于试验设计气压值，一段时间后压力表读数维持在设计气压值不变，则该部分气密性良好。

2、远程降雨控制系统检查：

a）保持远程压力调控系统第一阀门和第三阀门打开，第二阀门关闭，第一压力表和第二压力表读数等于试验设计气压值；

b）打开直流电源远程控制开关16，使降雨控制电磁阀18处于通路状态，观察均匀雾化降雨器19是否降雨，若电磁阀18打开而出现降雨，则表明远程控制系统正常。

3、试验准备

a）在模型槽中制作试验坡体22，土体尺寸、坡度可根据实际现有模型槽尺寸、离心机试验需求自行拟定；

b）安装降雨设备：将均匀雾化降雨器19固定在密封顶板，调节吊杆31达到试验设计的降雨位置和高度，采用高强螺栓将密封顶板和储水箱17固定在离心机模型箱顶部，并对储水箱17进行注水；开启空气压缩机11，根据试验设计降雨强度调节气压到达试验设计值；

c）连接远程数据采集系统：调节顶面观测摄像头21和侧面宏观观测相机24的位置，使观测区域满足试验设计的观测要求（若进行细观观测试验，将高速细观摄像机固定于模型槽侧面的滑槽内，并调节观测位置满足试验观测要求）；开启工控机26和无线路由器27，建立无线局域网，主控室笔记本电脑29通过无线路由器27与离心机室的工控机26建立远程连接，远程控制试验图像和数据采集；

d）安装照明系统：打开光源，将光源放入光源保护套筒39并密封固定，采用高强螺栓将照明系统固定在离心机模型箱顶部； 

e）密封模型箱：设备调试正常后，采用胶带密封顶板和储水箱17之间的缝隙，防止因模型箱高速旋转产生的风压影响降雨；

f）清理离心机试验室，关闭离心机室门，准备试验。

4、进行试验

a）打开离心机主机，使离心机处于待命状态，并打开视频监控系统和数据采集系统；

b）打开动态采集，启动离心机加速至设计加速度，当离心机运转加速度达到设计值后，固结一定时间；

c）打开压力控制第二阀门，使水箱内压力达到设计降雨强度，启动顶面观测摄像头21和侧面宏观观测相机24进行可视化观测记录（或打开高速细观摄像机23，打开动态采集仪采集孔隙水压力等检测数据；打开降雨控制电磁阀18进行降雨；

d）试验结束后，关闭电磁阀18和压力系统，停止降雨和数据采集，保存试验数据，停止离心机，整理设备。

本实用新型的有益效果是：通过简单操作可实时调控人工降雨的时间和强度，实现了离心机模型试验人工降雨的远程实时调控；离心机模型试验中人工降雨均匀，雨滴体积小，与颗粒体积的比例接近实际，并减小了科氏加速度的影响；在离心机高速运转下，通过简单操作可实时监测坡体的宏观变形和细观颗粒运动。降雨诱发泥石流的离心机模型试验设备操作安全简便、试验结果可靠，在接近实际应力场下研究降雨诱发泥石流宏细观机理的有力试验工具。

附图说明

图1 均匀雾化降雨器设备示意图。

图2(a)、图2(b)、图2(c)分别是储水箱的左视图、俯视图和主视图。

图3 本实用新型的原理示意图。

图4 (a)、图4(b)、图4(c)分别是离心机模型箱设备的左视图、俯视图和主视图。

图5 降雨器密封顶板实物图。

图6 光源密封顶板实物图。

图中标号：1-雨量调节器；2-连接螺母；3-固定孔；4-低压雾化喷头；5-螺纹堵塞；6-分流器；7-固定孔；8-注水孔；9-加压孔；10-出水孔；11-空气压缩机；12-压力表；13-阀门；14-排气管；15-直流电源；16-远程控制开关；17-储水箱；18-降雨控制电磁阀；19-降雨器；20-应变传感器；21-顶面观测摄像头；22-试验坡体；23-高速细观摄像机；24-侧面宏观观测相机；25-模拟基岩；26-工控机；27-无线路由器； 28-动态采集仪；29-电脑；30-光源；31-吊杆；32-固定螺栓；33-侧面宏观观测相机滑移导轨；34-钢化玻璃；35-高速细观摄像机滑槽；36-高强螺栓固定孔；37-加固角钢；38-吊杆固定椭圆形槽；39-光源保护套筒。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本实用新型。

实施例1：降雨诱发泥石流的可视化离心机模型试验设备，包括远程可调控人工均匀降雨系统、模型槽和可视化动态测量系统。

第一部分：远程可调控人工均匀降雨设备。远程可调控人工均匀降雨设备包括均匀雾化降雨器19、储水箱17、远程控制系统。

1）均匀雾化降雨器19（附图1）。利用10个低压雾化喷头4双排排列构成均匀雾化降雨器19。雾化喷头4连接在铝合金的分流器6上，在分流器6一侧上设有3个雨量调节器1，设备调试时通过调节雨量调节器1来初步控制降雨量的大小。为了制作方便，降雨器采用6个分流器6连接而成。每一个分流器6的两端都设置一个固定孔，两侧设置了固定角钢，采用螺栓将角钢和降雨器19连接，以满足高倍重力场下离心机模型试验对降雨器19的强度要求。角钢的上方加工了旋转轴，与带螺纹的吊杆31连接，吊杆31与上方的密封顶板采用螺栓连接。密封顶板采用厚度为0.5cm的钢板制作，用来固定降雨器19和密封模型箱。密封顶板上固定吊杆31处局部加厚至1.0cm，并焊接翼宽为5.0cm角钢加固。密封顶板切割3个直径为2.0cm、长度为5.0cm的椭圆形槽38，用来固定吊杆31。试验过程中调节吊杆31在椭圆形槽38的位置和降雨器上方的旋转轴来调节降雨器19的位置和角度，满足不同坡体的试验要求（附图5）。

2）储水箱17（附图2）。储水箱17的尺寸为68.0cm×30.0cm×30.0cm。为了满足离心机模型试验对构件强度的要求，底板采用2.0cm的钢板，侧壁和顶板采用0.5cm的钢板内外焊接而成。在储水箱17的顶部设有注水孔8和加压孔9，以便进行注水和施加降雨压力；储水箱17靠近降雨器19的侧壁设有出水孔10，出水孔10与外径为1.0cm、内径为0.5cm的油压管连接；油压管连接降雨控制电磁阀18，并与均匀雾化降雨器19连接。储水箱17采用5个高强螺栓固定在离心机模型箱顶部。

3）远程压力调控系统（附图3）。远程压力调控系统包括空气压缩机11、压力调节装置和离心机压力传输通道。空气压缩机11的工作压力范围为0-1.6MPa，满足试验需要；压力调节装置采用1个调压阀、若干个等径两/三通接口、2个压力表12、3个球阀13及若干输气管线组成；离心机压力传输通道采用离心机自带的气体传输通道。空气压缩机11压缩空气产生高压气体，高压气体通过输气管线与调压阀相连，调压阀调节输出气压值达到人工降雨的气压试验设计值，输出气体通过离心机传输通道进入储水箱17。

4）远程降雨控制系统（附图3）。远程降雨控制系统有直流电源15、远程控制开关16、降雨控制电磁阀18及相关电路连接装置组成。降雨控制电磁阀18采用SXC自动控制电磁阀。直流电源15与远程控制开关16相连，远程控制开关16控制离心机室的降雨控制电磁阀18。

第二部分：模型槽（附图4）。模型槽尺寸宽度为25.0cm，深度为20.0cm，一、二级坡底长度分别为35.0cm和35.0cm，与水平面的夹角分别为35°和15°。模型槽底座和底面采用2.0cm的钢板内外焊接而成，底座长70.0cm，两端高度分别为10.0cm和35.0cm；观测面采用厚度为2.0cm的钢化玻璃，满足高应力场对侧面的强度要求。在模型槽底座的侧面设有滑槽35，用来安装高速细观摄像机23进行细观观测。

第三部分：可视化动态监测设备（附图3）。可视化动态实时监测设备包括观测照明系统、立体数码观测设备和远程数据采集系统。

1）观测照明系统（附图6）。观测照明系统采用厚度为0.5cm厚的钢板切割而成，在钢板中间切割有3个直径为5.0cm的圆孔，圆孔上方焊接直径为5.5cm、高度为20.0cm钢质保护套筒39用来安装固定光源，保护套筒顶部设有螺纹，采用螺盖来固定光源。光源采用3个SupFire-C10强光手电筒，强光手电筒放置在保护套筒内，光源从上向下照射，手电筒头部用特殊材料处理，使其发出的光产生漫反射；模型箱的内部粘贴白色警示胶带，警示胶带将光源发出的光反射到整个模型箱，使模型箱内光线均匀明亮，满足试验观测要求。

2）立体数码观测设备（附图4）。立体数码观测设备包括顶面观测摄像头21、高速细观摄像机23和侧面宏观观测相机24。顶面观测摄像头21采用30万像素的工业监控摄像头，顶面观测摄像头21安装在可上下、左右移动的吊杆上进行顶面观测；高速细观摄像机23采用Dino- life Digital Microscope，放大倍数为0-200倍，高速细观摄像机23安装在模型槽的导滑槽35上进行细观观测；侧面宏观观测相机24采用Canon G10，分辨率为1500万像素（4416×3312 pix），快门速度15-1/4000秒，侧面宏观观测相机24安装在可上下、前后、左右移动的导轨33上进行侧面拍摄。

3）远程数据采集系统（附图3）。远程数据采集系统采用自主设计研发的实用新型离心机可视化细观结构动态测量系统。数码观测设备采用USB数据线与工控机26连接，工控机26与无线路由器27连接建立局域网。主控室的笔记本电脑29通过无线路由器27与工控机26建立远程连接，试验过程中利用工控机远程控制数码观测设备进行可视化动态观测。

Claims (3)

1.降雨诱发泥石流的可视化离心机模型试验装置，包括远程可调控人工均匀降雨系统、模型槽和可视化动态测量系统，其特征在于：

所述远程可调控人工均匀降雨系统包括降雨器(19)、储水箱(17)和远程降雨控制系统，所述降雨器(19)包括雨量调节器(1)、低压雾化喷头(4)和分流器(6)，相邻的分流器(6)通过连接螺母(2)连接，每个分流器(6)一侧上设有3个雨量调节器(1)，相应的，另一侧设有低压雾化喷头(4)和两个螺纹堵塞(5)；所述储水箱(17)为长方体结构，其顶部设有注水孔(8)和加压孔(9)，侧壁设有出水孔(10)；所述远程压力调控系统包括空气压缩机(11)、压力表(12)、阀门(13)和离心机；空气压缩机(11)通过压力表(12)、阀门(13)和管道连接离心机；所述远程降雨控制系统包括远程控制开关(16)和降雨控制电磁阀(18)，降雨控制电磁阀(18)连接在储水箱(17)和降雨器(19)之间；

所述模型槽位于离心机模型箱内部，模型槽侧面设有高速细观摄像机滑槽(35)，模型槽下部是模拟基岩(25)，模拟基岩(25)上部是试验坡体(22)；

所述离心机模型箱呈长方体，其顶部开孔，设有光源(30)，离心机模型箱顶部设有储水箱(17)，降雨器(19)通过吊杆(31)挂于离心机模型箱内顶部下方，降雨器(19)对准试验坡体(22；离心机模型箱内设有顶面观测摄像头(21)、高速细观摄像机(23)和侧面宏观观测相机(24)，顶面观测摄像头(21)位于试验坡体(22)一侧上方，高速细观摄像机(23)位于高速细观摄像机滑槽(35)上，侧面宏观观测相机(24)位于侧面宏观观测相机滑移导轨(33)上，且滑移导轨(33)两端通过固定螺栓(32)固定于模型箱底部； 

所述可视化动态测量系统包括应变传感器(20)、工控机(26)、无线路由器(27)、动态采集仪(28)和电脑(29)；顶面观测摄像头(21)、高速细观摄像机(23)和侧面宏观观测相机(24)分别连接工控机(26)，工控机(26)连接无线路由器(27)；模型槽连接应变传感器(20)，应变传感器(20)连接动态采集仪(28)，动态采集仪(28)通过无线信号连接电脑(29)。

2.根据权利要求1所述的降雨诱发泥石流的可视化离心机模型试验装置，其特征在于所述压力表(12)为2个。

3.根据权利要求1所述的降雨诱发泥石流的可视化离心机模型试验装置，其特征在于所述阀门(13)为3个。

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