CN215180182U - 一种具有可控水平空间变异性的边坡降雨装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及人工模拟降雨技术领域，特别涉及一种具有可控水平空间变异性的边坡降雨装置。该装置包括供水系统、过滤系统、输水系统、降雨系统、控制雨滴喷头降雨的电压控制系统，降雨系统包括降雨盘、多个雨滴喷头，供水系统通过输水系统连通到降雨盘，过滤系统设置在供水系统的出水处，降雨盘位于待测边坡试验箱的上方，多个雨滴喷头连接在降雨盘上，雨滴喷头上设有压电形变元件，多个雨滴喷头的压电形变元件连接电压控制系统，电压控制系统控制雨滴喷头喷出水平方向频率和大小不同的雨滴。本实用新型使不同位置具有不同的雨滴频率和大小，并满足特定的变异性要求。

Description

一种具有可控水平空间变异性的边坡降雨装置

技术领域

本实用新型涉及人工模拟降雨技术领域，特别涉及一种具有可控水平空间变异性的边坡降雨装置。

背景技术

现有降雨器专利将降雨喷头安装在雨水流化盒（如“CN 112611850 A一种表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟装置”）、降雨框架（如“CN 112634728 A一种地质灾害链模拟试验装置及方法”）、三通水管（如“CN 213022798 U一种沥青混合料的排水及紫外老化模拟试验装置”、“CN 101585024 A便携式人工降雨模拟装置”、“CN 103728435 A降雨与地下水耦合作用下边坡模拟试验装置及试验方法等”等）、喷杆（如“CN 107402545 A一种智能多功能人工模拟降雨系统“）等部件上，都能实现不同强度的均匀降雨，但不能改变水平方向降雨的频率和大小，即不能产生具有水平空间变异性的降雨。已有相关专利介绍如下：

CN 112611850 A一种表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟装置：该实用新型中的降雨模拟平台本包括流量控制器、雨水流化盒、升降铁架、震动马达等部件，采用四个震动马达和限位钢板、圆形滑块控制雨水流化盒的震动幅度和频率从而实现不同强度但均匀的降雨。但是，采用雨水流化盒无法实现水平方向的不均匀的降雨，即不能控制降雨的水平空间变异性。

CN 112634728 A一种地质灾害链模拟试验装置及方法：该实用新型通过移动滚轮、定滑轮和导轨移动降雨框架，模拟边坡上的分区块降雨，并实现不同的降雨强度、雨型和降雨时间。降雨框架通过滚轮与滑轨在模型箱顶部移动，只能实现分区块降雨（只有降雨框架的下方区域有雨），并不能控制边坡不同位置降雨的频率和大小。

CN 213022798 U一种沥青混合料的排水及紫外老化模拟试验装置：该实用新型采用供水泵和流量计模拟不同的降水强度（即通过调节供水泵泵压来调节降雨强度），设置了回旋布置的喷淋管和喷淋头，可实现不同强度的均匀降雨。但是，此类常规的喷淋管和喷淋头无法产生水平方向雨滴频率和大小具有差异的降雨。

CN 101585024 A便携式人工降雨模拟装置：该实用新型的降雨器上设有若干可拆卸的喷头，可以根据实际降雨量的需要，通过只装设其中一部分喷头堵死其他喷水口来调节雨量，实现部分区域均匀降雨而其他区域不降雨，同样不能实现具有水平空间变异性的降雨。

CN 107402545 A一种智能多功能人工模拟降雨系统：该实用新型供水系统采用四个喷杆独立供水，通过PLC控制器既可控制伸缩杆的伸缩，进一步可以调节四个喷杆之间的间距，实现不同降雨尺度，又可控制电磁阀的闭合，实现各降雨喷杆的独立供水。利用PLC控制器，解决了现有技术中存在的人工模拟降雨装置喷头故障下不能够实现连续降雨，雨强空间异质性以及降雨面积单一的问题，但仍无法实现具有水平方向空间变异性的降雨。

CN 103728435 A降雨与地下水耦合作用下边坡模拟试验装置及试验方法：该实用新型为考虑降雨入渗与地下水变化耦合作用的边坡滑坡模型试验装置，喷头安装于PCV三通管上，采用加压水泵、节制阀和自动流量计控制降雨强度和降雨量，可产生均匀降雨，无法实现水平方向的不均匀降雨。

部分技术使用雨水流化盒和喷淋装置等作为出水终端，产生的是多股流水，并非雨滴，也无法提供具有水平空间变异性（即不同位置具有不同的雨滴频率和大小）的降雨。

部分技术通过阀门控制不同喷淋装置的出水而实现空间变异性，即使部分区域的喷淋装置通水降雨而部分区域不通水而不降雨，因此并没有通过改变雨滴频率和大小来实现水平空间变异性。

实用新型内容

本实用新型提供一种具有可控水平空间变异性的边坡降雨装置，旨在解决现有技术的不足。

本实用新型提供一种具有可控水平空间变异性的边坡降雨装置，包括供水系统、过滤系统、输水系统、降雨系统、控制雨滴喷头降雨的电压控制系统，所述降雨系统包括降雨盘、多个雨滴喷头，所述供水系统通过输水系统连通到降雨盘，所述过滤系统设置在供水系统的出水处，所述降雨盘位于待测边坡试验箱的上方，多个所述雨滴喷头连接在降雨盘上，所述雨滴喷头上设有压电形变元件，多个所述雨滴喷头的压电形变元件连接电压控制系统，所述电压控制系统控制雨滴喷头喷出水平方向频率和大小不同的雨滴。

作为本实用新型的进一步改进，所述雨滴喷头包括可形变的喷管，所述喷管的末端设有喷嘴，所述压电形变元件包裹在喷管的外壁上。

作为本实用新型的进一步改进，所述喷嘴为沿着喷管向出水口逐渐收拢的结构，所述雨滴喷头还包括水膜，所述水膜连接在喷嘴的出水口处。

作为本实用新型的进一步改进，所述电压控制系统包括电压益增控制电路板、半正弦电压发生器和控制终端，所述控制终端连接半正弦电压发生器, 多个所述雨滴喷头的压电形变元件通过电压益增控制电路板接入半正弦电压发生器。

作为本实用新型的进一步改进，所述降雨系统包括铰接球，所述降雨盘通过铰接球连接输水系统，所述铰接球为中空且两端设有开口的结构。

作为本实用新型的进一步改进，所述供水系统包括供水箱，所述输水系统包括水泵、输水管、第一水阀、第二水阀、流量计，所述输水管一端连接供水箱、其另一端连接降雨盘，所述水泵连接在输水管上，所述第一水阀连接在水泵和降雨盘之间的输水管上，所述第二水阀连接在供水箱和水泵之间的输水管上，所述流量计连接在第一水阀和降雨盘之间的输水管上。

作为本实用新型的进一步改进，该边坡降雨装置包括调节输水管高度的升降支架，所述输水管固定在升降支架上。

作为本实用新型的进一步改进，所述输水管为由水平向的管道和竖向的可伸缩波纹管连接而成。

作为本实用新型的进一步改进，所述过滤系统包括过滤器，所述过滤器的一端与供水箱出水口相连，另一端与输水管相连。

本实用新型的有益效果是：（1）实现具有可控水平空间变异性的边坡降雨器，使不同位置具有不同的雨滴频率和大小，并满足特定的变异性要求；（2）降雨以雨滴形式出现，与真实情况更为相符；（3）提供不同角度和高度的降雨；（4）提供了具有伺服控制的雨水供给。

附图说明

图1是本实用新型中具有可控水平空间变异性的边坡降雨装置结构示意图；

图2是本实用新型中未降雨时的雨滴喷头结构示意图；

图3是本实用新型中降雨时的雨滴喷头结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。

本实用新型适用于在室内外边坡稳定性试验、边坡坡面冲刷和溅蚀试验、生态岩土力学护坡试验中产生不同的降雨条件，提供可控的降雨模式（包括降雨高度、降雨角度、雨强、雨滴大小和产生频率、空间差异性和时长），并使边坡上的降雨具有可控的水平空间变异性（即不同位置具有不同的雨滴频率和大小），并明确这种变异性对边坡的影响。

如图1所示，本实用新型一种具有可控水平空间变异性的边坡降雨装置包括供水系统、过滤系统、输水系统、降雨系统、升降系统和电压控制系统。

供水系统包括供水箱1和箱中的水，用于为边坡降雨提供水源。

过滤系统为过滤器2。过滤器2一端连接供水箱1出水口，另一端连接输水管5。过滤器2中滤网孔径与雨滴喷头10一致或小于雨滴喷头10的孔径，用于过滤供水箱1中沉淀的杂质，防止堵塞雨滴喷头10。

输水系统用于将供水箱1中的水源导流到雨滴喷头10，包括水泵3、输水管5、第一水阀6、第二水阀12和流量计7。输水管5一端连接供水箱1、其另一端连接降雨盘9，水泵3连接在输水管5上，第一水阀6连接在水泵3和降雨盘9之间的输水管5上，第二水阀12连接在供水箱1和水泵3之间的输水管5上，流量计7连接在第一水阀6和降雨盘9之间的输水管5上。水泵3可提供恒定的泵压，保证输水的均匀平稳。水泵3与流量计7实现降雨强度的伺服控制，当流量计7计算得到的降雨强度低于设计值时，加大水泵3的供水压力，反之亦然。输水管5由水平的PVC管和竖向的可伸缩波纹管连接而成，可配合升降系统使用，以适应不同高度的坡体工况。第一水阀6可控制水流流向雨滴喷头10，为降雨总开关。第二水阀12可控制水流流出供水箱1，为供水总开关。流量计7用于观察和记录降雨总量。

降雨系统包括铰接球8、降雨盘9、雨滴喷头10。铰接球8可自由旋转角度并加以固定，用于改变降雨方向，其结构中空，两端有开口连接输水管5。铰接球8可使降雨盘9以及雨滴喷头10自由旋转角度，从而提供不同角度的降雨。降雨盘9位于铰接球8下方，降雨盘9盘面上有若干雨滴喷头10，雨滴喷头10之间通过电路并联，由电压控制系统提供雨滴喷头10的降雨动力。

雨滴喷头10包括可形变的喷管17、压电形变元件18、水膜19，喷管17的末端设有喷嘴16。压电形变元件18包裹在喷管17的外壁上，压电形变元件18连接电压控制系统。水膜19连接在喷嘴16的出水口处。压电形变元件18优选为压电陶瓷。

雨滴喷头10主要运用了电压可驱动压电形变元件变形的原理，从而实现降雨的水平空间变异性和雨滴大小变异性。如图2所示，在不施加电压时，压电形变元件不变形，雨滴喷头10出口处水膜19的表面张力防止水流出，即防止雨滴20形成。施加电压并达到一定阈值时，压电形变元件18产生变形，变形的程度与电压大小成正比，从而对雨滴喷头10内的水产生压力，将水以雨滴20的形式挤出。可通过电压控制系统改变施加于压电形变元件片18的电压大小和变化频率，从而使雨滴20具有不同的大小与频率，并实现降雨的水平空间变异性。

升降系统包括升降支架4，用于调节降雨盘9的高度，从而提供来自不同高度的雨滴20。

电压控制系统包括电压益增控制电路板14、半正弦电压发生器13和控制终端，控制终端为计算机15，电压发生器13为半正弦电压发生器。多个雨滴喷头10的压电形变元件18之间通过电路并联接入电压益增控制电路板14，计算机15连接并控制半正弦电压发生器13，半正弦电压发生器13连接电压益增控制电路板14。半正弦电压发生器13所产生的电压，经过电压益增/放大电路后施加在雨滴喷头10上的压电形变元件片，每一片压电形变元件片将根据需求独立地获得不同频率的半正弦波和电压益增。如图2和图3所示，由于在施加半正弦波情况下，当电压达到极值时，压电片18变形最大，雨滴形成，当电压降为0时，压电片18恢复原状。因此，每个雨滴喷头10产生的雨滴大小和电压益增成正比，频率与电压频率一致。对各个雨滴喷头10进行并行控制，根据马尔可夫随机场理论确定不同喷头产生的雨滴频率和大小，使其满足一定的空间变异性统计要求，即均值和方差，或根据用户需求直接指定不同喷头产生特定的雨滴频率和大小，即实现具有可控水平空间变异性的降雨。另外，降雨的总体降雨强度和输水量将由电路计算得到，并输入到流量计7中，用以伺服控制水泵3。

基于本实用新型边坡降雨装置的一种具有水平空间变异性边坡降雨方法，包括以下步骤：

S1.在进行边坡降雨试验前，先连接好各结构部件，并进行检测密封性及各结构部件的工作状态；

S2.控制终端的计算机15通过控制电压发生器13、电压益增控制电路板14，驱动压电形变元件发生形变将水以雨滴的形式挤出雨滴喷头；

S3.控制终端控制驱动电源输出不同的电压参数，控制调节雨滴喷头的降雨参数。

具体的，在进行边坡降雨试验前，先连接好各结构部件，确保各水阀、流量计7、水泵3等处于关闭状态，然后依次打开第二水阀12、第一水阀6、流量计7和水泵3，检查整个装置是否存在漏水现象以及各设备能否正常工作。试验时，通过计算机15控制半正弦电压发生器13驱动雨滴喷头10启动和停止降雨、并可自动化控制水平方向降雨的频率和大小，实现降雨的水平空间变异性。

在步骤S2中具体包括：

S21.试验过程中，雨滴喷头10终充满水，控制终端调节半正弦电压发生器13输出半正弦波，并通过电压益增控制电路板14传递给压电形变元件，施加电压并达到阈值时，压电形变元件18产生变形，变形的程度与电压大小成正比，当电压达到极值时，压电形变元件18变形达到最大，对喷头内的水产生压力，将水以雨滴的形式挤出；

S22.雨滴20恰好从喷嘴16分离时，电压降为零，压电形变元件18立刻回到未变形的初始自然状态，雨滴喷头10出口处水膜19的表面张力防止水流出，即防止雨滴20形成。

在步骤S3中具体包括：

S31.控制终端调节电压发生器13输出电压的大小，压电形变元件18获得不同的位移分辨率，产生不同的变形，进而控制喷出的雨滴大小；

S32.控制终端调节电压发生器13输出电压的频率，通过控制压电形变元件18来控制降雨频率；

S33.控制终端调节电压发生器13输出电压的时长，通过控制压电形变元件18来控制降雨时长；

S34.控制终端通过电压发生器13控制指定的压电形变元件18参与工作，调节降雨的雨滴喷头10数量，来控制降雨面积。

本实用新型实现具有可控水平空间变异性的边坡降雨装置，使不同位置具有不同的雨滴频率和大小，并满足特定的变异性要求；降雨以雨滴形式出现，与真实情况更为相符；提供不同角度和高度的降雨；提供了具有伺服控制的雨水供给。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有可控水平空间变异性的边坡降雨装置，其特征在于，包括供水系统、过滤系统、输水系统、降雨系统、控制雨滴喷头降雨的电压控制系统，所述降雨系统包括降雨盘、多个雨滴喷头，所述供水系统通过输水系统连通到降雨盘，所述过滤系统设置在供水系统的出水处，所述降雨盘位于待测边坡试验箱的上方，多个所述雨滴喷头连接在降雨盘上，所述雨滴喷头上设有压电形变元件，多个所述雨滴喷头的压电形变元件连接电压控制系统，所述电压控制系统控制雨滴喷头喷出水平方向频率和大小不同的雨滴。

2.根据权利要求1所述具有可控水平空间变异性的边坡降雨装置，其特征在于，所述雨滴喷头包括可形变的喷管，所述喷管的末端设有喷嘴，所述压电形变元件包裹在喷管的外壁上。

3.根据权利要求2所述具有可控水平空间变异性的边坡降雨装置，其特征在于，所述喷嘴为沿着喷管向出水口逐渐收拢的结构，所述雨滴喷头还包括水膜，所述水膜连接在喷嘴的出水口处。

4.根据权利要求1所述具有可控水平空间变异性的边坡降雨装置，其特征在于，所述电压控制系统包括电压益增控制电路板、半正弦电压发生器和控制终端，所述控制终端连接半正弦电压发生器, 多个所述雨滴喷头的压电形变元件通过电压益增控制电路板接入半正弦电压发生器。

5.根据权利要求1所述具有可控水平空间变异性的边坡降雨装置，其特征在于，所述降雨系统包括铰接球，所述降雨盘通过铰接球连接输水系统，所述铰接球为中空且两端设有开口的结构。

6.根据权利要求1所述具有可控水平空间变异性的边坡降雨装置，其特征在于，所述供水系统包括供水箱，所述输水系统包括水泵、输水管、第一水阀、第二水阀、流量计，所述输水管一端连接供水箱、其另一端连接降雨盘，所述水泵连接在输水管上，所述第一水阀连接在水泵和降雨盘之间的输水管上，所述第二水阀连接在供水箱和水泵之间的输水管上，所述流量计连接在第一水阀和降雨盘之间的输水管上。

7.根据权利要求6所述具有可控水平空间变异性的边坡降雨装置，其特征在于，包括调节输水管高度的升降支架，所述输水管固定在升降支架上。

8.根据权利要求7所述具有可控水平空间变异性的边坡降雨装置，其特征在于，所述输水管为由水平向的管道和竖向的可伸缩波纹管连接而成。

9.根据权利要求6所述具有可控水平空间变异性的边坡降雨装置，其特征在于，所述过滤系统包括过滤器，所述过滤器的一端与供水箱出水口相连，另一端与输水管相连。

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