一种离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置及试验方法，装置包括模型箱、干旱模拟系统、降雨模拟系统、图像采集装置、工况切换系统；模型箱内填筑有坝体模型，坝体模型上埋设有多组传感器，用于采集坝体模型埋设点处的土壤水分、基质吸力、孔隙水压力；干旱模拟系统，用于进行加热失水，实现坝体模型的干旱模拟；降雨模拟系统，用于提供水源进行喷水，实现坝体模型的降雨模拟；工况切换系统，用于获取采集的坝体模型的图像信息，对图像中坝体模型的裂缝进行识别分析裂缝扩展情况，并根据裂缝扩展情况，判断是否将干旱工况切换为降雨工况，根据判断结果，发出信号控制干旱模拟系统、降雨模拟系统工作或停止工作。

A Test Device and Method for Analyzing Fracture Seepage by Centrifuge Simulating Drought and Waterlogging Rapid Turning Conditions

【技术实现步骤摘要】
一种离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置及试验方法
本专利技术属于土工离心试验研究坝体防护
，具体涉及一种离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置及试验方法。
技术介绍
长时间的干旱导致土体失水收缩产生裂缝，尤其在全球变暖、城市热岛效应和旱涝灾害日渐频繁发生的背景下，土体开裂现象日趋普遍。作为坝体防渗体系的重要组成部分，粘质土体（铺盖、斜墙等）的防渗性能关乎大坝渗流安全，而粘质土相对较脆弱，在干旱过程中铺盖及斜墙往往裸露于外，持续干旱中会出现裂缝，裂缝的产生破坏了防渗体的完整性，尤其对于厚度较薄的铺盖，在大旱中会有被裂缝贯穿的威胁，随后遭遇旱涝急转工况时存在严重的渗流安全隐患。土工离心机是岩土工程物理模拟试验的一种试验设备，能模拟土工结构的受力、变形和破坏，验证设计方案，对比分析数值计算结果，直观呈现工程运行形态，在水利及岩土工程领域有较大的应用前景。但目前对于特殊工况的模拟，离心机试验中多为先在常重力加速度下设置某一工况后再进行N倍加速度模拟，变换工况时一般需将模型调整为常重力加速度进行切换。因此，需要研究出一种持续N倍加速度下工况自动切换的离心机试验装置，对进一步模拟出与工程实际相符的试验结果具有重要意义。
技术实现思路
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置及试验方法，能够在持续N倍加速度下模拟及切换旱涝急转工况，获取试验过程中裂缝变化情况以及水库坝坡基质吸力、孔隙水压力变化规律。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置，包括模型箱、干旱模拟系统、降雨模拟系统、图像采集装置、工况切换系统；所述模型箱采用透明材质，且上端开口；所述模型箱内填筑有坝体模型，所述坝体模型包括坝体前部粘土铺盖、坝体上部粘土斜墙、坝体后部透水层、坝体底部透水层；所述坝体模型上埋设有多组传感器，用于采集坝体模型埋设点处的土壤水分、基质吸力、孔隙水压力；所述模型箱底部开设有一个或多个可选开启或闭合的排水孔，用于便于进行排水试验；所述干旱模拟系统，用于对坝体模型进行加热失水，实现坝体模型的干旱模拟；所述降雨模拟系统，用于对坝体模型提供水源进行喷水，实现坝体模型的降雨模拟；所述图像采集装置，用于对坝体模型进行图片采集；所述工况切换系统，用于获取坝体模型的图像信息，对图像中坝体模型的裂缝进行识别分析裂缝扩展情况，并根据裂缝扩展情况，判断是否将干旱工况切换为降雨工况，根据判断结果，发出信号控制干旱模拟系统、降雨模拟系统工作或停止工作。2.根据权利要求1所述的离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置，所述工况切换系统默认先进行干旱工况，根据判断结果发出信号，信号输出端与继电器转换开关的输入端相连，转换开关的输出端分别与干旱模拟系统、降雨模拟系统相连。作为优选方案，所述干旱模拟系统包括长弧氙灯和风机；所述长弧氙灯用于模拟太阳光，安装在所述模型箱内壁上部；所述风机安装在长弧氙灯下方，用于加快空气流动从而加速水分蒸发。作为优选方案，所述降雨模拟系统包括供水储水箱、水泵、输水管、喷头；供水储水箱中的水通过水泵与输水管连通，输水管的出口连接设置喷头，通过喷头进行喷水，实现坝体模型的降雨模拟。进一步的，所述模型箱内设置有高度可调节的液位开关，所述液位开关与水泵的电路并联，用于在降雨模拟工况时，通过液位开关控制水泵的工作使所述模型箱内的水位维持在设定高度。作为优选方案，所述的离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置，每组传感器包括土壤水分传感器、基质吸力传感器、孔隙水压力传感器。作为优选方案，所述图像采集装置采用相机、摄像头。作为优选方案，所述的离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置，所述模型箱底部排水孔下方设置有排水储水箱，用于收集从排水孔排出的水；所述排水孔设置有相配套的密封堵头。作为优选方案，所述坝体模型底部与模型箱接触部位设有土工布，防止排水试验时土颗粒的流失。进一步的，所述工况切换系统的工作方法包括：干旱工况下，控制长弧氙灯和风机工作；并获取图像采集装置采集的图像，对图像进行处理、识别图像中的裂缝，分析比较一段时间内采集到的图像中的裂缝宽度变化，响应于判断间隔一定时间前后图像中裂缝宽度相同，发出指令控制长弧氙灯和风机停止工作，并控制水泵工作，干旱工况切换为降雨工况；降雨工况下，响应于模型箱内部水位上升达到液位开关的设定高度，液位开关闭合，切断水泵电路，水泵停止工作；响应于模型箱内部水体的下渗或排水，水位下降低于液位开关的设定高度，液位开关断开，水泵电路连通，水泵开始工作；并获取传感器实时采集的坝体模型埋设点处的土壤水分、基质吸力、孔隙水压力信息。另一方面，本专利技术还提供一种离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验方法，包括：1）根据工程现场实际情况选取级配合理的砂石料，在模型箱内填筑与现场相同密度及含水率的坝体模型，埋设多组传感器，每组传感器包括土壤水分传感器、基质吸力传感器、孔隙水压力传感器；2）在供水储水箱内注满水，设定水泵功率，根据试验需求选择模型箱底部排水孔的打开与关闭；3）将模型箱置于土工离心机的一个吊斗中，离心机的另一个吊斗中放置配重，调整图像采集装置角度用于拍摄坝体前部粘土铺盖、坝体上部粘土斜墙；4）打开工况切换系统电源，设定离心机的运行g值和运行时间并开启离心机；先进行干旱工况，控制长弧氙灯和风机工作，长弧氙灯加热与风机加快空气流动促进水分快速蒸发；图像采集装置设定为每隔一段时间进行一次图像采集，将采集的图像进行灰度处理识别，比较采集的图像中裂缝宽度变化，当间隔一定时间前后图像中裂缝宽度相同时认为干旱已完成，此时计算机中发出程序指令通过继电器切换为降雨工况，控制水泵工作；5）降雨工况进行初期水流会深入土体，待土体饱和后会形成积水，水位不断上升，当水位触及液位开关后此开关闭合自动断开水泵电路；由于水体的不断下渗及排水，土层上部水位会下降，当降至液位开关之下时，此时液位开关断开，继续进行降雨模拟，保证水位的稳定直至试验结束；6）实时记录各组传感器所采集到的数据。有益效果：本专利技术提供的离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置及试验方法，粘土体受旱会产生干缩裂缝，此时旱涝急转工况出现，坝体渗流场急剧变化，传统试验研究方法主要在常重力加速度下进行试验或在工况变换时切换回常重力加速度，以及肉眼观察裂缝的变化决定工况变换的时机，而鲜有涉及持续N倍重力加速度时旱涝急转工况的自动转换下的水库大坝渗透破坏模拟试验，本专利技术创造性地通过设计离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置，能够通过数字图像识别技术获取裂缝的扩展情况，判定模拟干旱的程度。裂缝趋于稳定后可自动切换至降雨工况，实现旱涝急转工况的变换。通过孔隙水压力传感器、水分传感器和基质吸力传感器采集的数据分析旱涝急转下坝体存在裂缝时渗流性态，模拟出的结果更贴近工程实际情况。具体来说：1）本专利技术可以在离心机中持续N倍重力加速度条件下完成旱涝急转工况中干旱与降雨的切换，通过模拟各种不同旱涝急转条件来分析不同干旱条件对坝体裂缝的影响，不同降雨强度、降雨历时等条件下坝体渗流场变化。2）本专利技术可在线获取裂缝的长度、宽度等参数，更为精确地分析裂缝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置，其特征在于，包括模型箱、干旱模拟系统、降雨模拟系统、图像采集装置、工况切换系统；所述模型箱采用透明材质，且上端开口；所述模型箱内填筑有坝体模型，所述坝体模型包括坝体前部粘土铺盖、坝体上部粘土斜墙、坝体后部透水层、坝体底部透水层；所述坝体模型上埋设有多组传感器，用于采集坝体模型埋设点处的土壤水分、基质吸力、孔隙水压力；所述模型箱底部开设有一个或多个可选开启或闭合的排水孔，用于便于进行排水试验；所述干旱模拟系统，用于对坝体模型进行加热失水，实现坝体模型的干旱模拟；所述降雨模拟系统，用于对坝体模型提供水源进行喷水，实现坝体模型的降雨模拟；所述图像采集装置，用于对坝体模型进行图片采集；所述工况切换系统，用于获取坝体模型的图像信息，对图像中坝体模型的裂缝进行识别分析裂缝扩展情况，并根据裂缝扩展情况，判断是否将干旱工况切换为降雨工况，根据判断结果，发出信号控制干旱模拟系统、降雨模拟系统工作或停止工作。

【技术特征摘要】
1.一种离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置，其特征在于，包括模型箱、干旱模拟系统、降雨模拟系统、图像采集装置、工况切换系统；所述模型箱采用透明材质，且上端开口；所述模型箱内填筑有坝体模型，所述坝体模型包括坝体前部粘土铺盖、坝体上部粘土斜墙、坝体后部透水层、坝体底部透水层；所述坝体模型上埋设有多组传感器，用于采集坝体模型埋设点处的土壤水分、基质吸力、孔隙水压力；所述模型箱底部开设有一个或多个可选开启或闭合的排水孔，用于便于进行排水试验；所述干旱模拟系统，用于对坝体模型进行加热失水，实现坝体模型的干旱模拟；所述降雨模拟系统，用于对坝体模型提供水源进行喷水，实现坝体模型的降雨模拟；所述图像采集装置，用于对坝体模型进行图片采集；所述工况切换系统，用于获取坝体模型的图像信息，对图像中坝体模型的裂缝进行识别分析裂缝扩展情况，并根据裂缝扩展情况，判断是否将干旱工况切换为降雨工况，根据判断结果，发出信号控制干旱模拟系统、降雨模拟系统工作或停止工作。2.根据权利要求1所述的离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置，其特征在于，所述工况切换系统默认先进行干旱工况，根据判断结果发出信号，信号输出端与继电器转换开关的输入端相连，转换开关的输出端分别与干旱模拟系统、降雨模拟系统相连。3.根据权利要求1所述的离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置，其特征在于，所述干旱模拟系统包括长弧氙灯和风机；所述长弧氙灯用于模拟太阳光，安装在所述模型箱内壁上部；所述风机安装在长弧氙灯下方，用于加快空气流动从而加速水分蒸发。4.根据权利要求1所述的离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置，其特征在于，所述降雨模拟系统包括供水储水箱、水泵、输水管、喷头；供水储水箱中的水通过水泵与输水管连通，输水管的出口连接设置喷头，通过喷头进行喷水，实现坝体模型的降雨模拟。5.根据权利要求4所述的离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置，其特征在于，所述模型箱内设置有高度可调节的液位开关，所述液位开关与水泵的电路并联，用于在降雨模拟工况时，通过液位开关控制水泵的工作使所述模型箱内的水位维持在设定高度。6.根据权利要求1所述的离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置，其特征在于，每组传感器包括土壤水分传感器、基质吸力传感器、孔隙水压力传感器；和/或，所述图像采集装置采用相机、摄像头。7.根据权利要求1所述的离心机模拟旱涝急转工况分...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶伟，马福恒，胡江，霍吉祥，俞扬峰，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32