实现库水位升降联合降雨的离心模型试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种实现库水位升降联合降雨的离心模型试验装置及方法，试验装置包括库水位升降单元和降雨单元。库水位升降单元包括离心模型试验箱，安装在离心模型试验箱内一侧的供水箱和中层排水箱，另一侧的土质岸坡和底层排水箱。所述降雨单元包括降雨器、蓄水箱和电磁阀，降雨器安装在土质岸坡的上方，蓄水箱和电磁阀固定在离心机中轴平台上，降雨器通过软管与储水箱连接。本发明专利技术充分借助高速旋转的离心机产生的巨大离心力，作为开启水箱和加压水流的动力，并且g值越高，产生的动力越大。本发明专利技术对开展库水位变动和降雨诱发大型堆积体滑坡失稳机理的研究具有极其重大的科研价值。滑坡失稳机理的研究具有极其重大的科研价值。滑坡失稳机理的研究具有极其重大的科研价值。

【技术实现步骤摘要】
实现库水位升降联合降雨的离心模型试验装置及方法


[0001]本专利技术涉及一种可模拟实现库区水位升降及降雨两种自然现象对库岸堆积体的影响的试验装置及试验方法，具体地说，涉及一种利用高离心力模拟实现库区水位升降和降雨两种自然现象对库岸堆积体滑坡影响的离心模型试验装置及试验方法。本专利技术属于水利试验


技术介绍

[0002]随着我国高坝大库水利水电工程大规模建设和相继运行，库岸边坡在库水位升降及降雨共同作用下极易发生失稳破坏，已成为影响大坝运行安全和库区生态环境安全的重大隐患。国内外由库岸滑坡引发的重大生命财产损失事件时常见诸报道。例如意大利Vaiont水库滑坡、三峡库区千将坪滑坡、拓溪水库塘岩光滑坡等。因此，深入研究库岸边坡在降雨及库水位变化作用下的失稳机制对于边坡的滑坡预测预报及防灾减灾具有重要的理论意义和工程实用价值。
[0003]针对库水位变动及降雨作用下库岸边坡失稳研究，目前常用方法为室内物理模型试验，包括有室内常规物理模型试验和离心物理模型试验。受室内试验场地的限制，常规物理模型试验通常只用于进行小比尺模型试验。相比较而言，离心模型试验由于可以通过提高离心加速度来获得现场不同尺寸原型模型的应力状态，使得物理模型和原型的变形破坏过程相似，破坏机制相同，目前被广泛应用于现场大尺度物理模型试验。
[0004]由于我国西南地区属于高山峡谷地貌，库岸边坡高度普遍超过了几百米，因此，为了真实反映大型堆积体边坡滑坡失稳过程，需要借助高速离心机的高离心加速度来实现，通常在模拟试验时，高速离心机的离心加速度达到70g～100g，对离心模型试验装置和设备提出了高要求。
[0005]目前，在库水位变动相关研究用的离心模型试验装置中，主要采用电磁阀控制水流的进出模拟库水位的升降；在降雨相关研究用的离心模型试验装置中，用增压泵加压水形成降雨。由于这些离心模型试验装置中用到的电磁阀和增压泵其设计的工作环境重量加速度为低g值(通常为几个g)，随着离心机的离心加速度g值的升高，当离心机加速度达到几十g甚至上百g时，为使电磁阀和增压泵能正常工作，需要设计专门的大功率装置抵消重力的增加，否则这些电磁阀、增压泵将无法正常工作。然而，设计专门的大功率装置抵消重力的增加，使其能正常工作，耗资不菲，试验成本太高。
[0006]此外，目前，本领域技术人员多数只考虑库水位变动或者降雨单一因素作用对库岸堆积体滑坡失稳的影响，而对两者共同作用下的研究极为罕见，特别是，对于库水位变动和降雨两个因素对库岸堆积体滑坡失稳的影响谁主谁次研究的更少。

技术实现思路

[0007]为了解决高g值离心模型试验装置中有些器件无法正常工作的问题，本专利技术的目的是提供一种利用高离心力实现库水位升降联合降雨的离心模型试验装置及试验方法。该
离心模型试验装置可同时模拟库水位的升降和降雨两种自然现象，并且，利用高速旋转的离心机产生的巨大离心力，作为开启和关闭供水箱和排水箱以及加压水流模拟降雨的动力，并且g值越高，产生的动力越大，克服了现有离心模型试验装置的不足。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种实现库水位升降联合降雨的离心模型试验装置，它包括模拟库区水位升降的库水位升降单元和模拟库区降雨的降雨单元；
[0009]所述库水位升降单元包括离心模型试验箱，安装在所述离心模型试验箱内的供水箱、土质岸坡、底层排水箱、中层排水箱和开关控制器；
[0010]所述库水位升降单元固定在离心机转臂末端吊篮内；所述中层排水箱固定在所述离心模型试验箱内一侧的底部，所述供水箱固定在所述中层排水箱上面；所述供水箱的底部设有出水管，该出水管上安装有机械式出水阀，该出水阀的活动手柄在Y轴平面内自由旋转，与离心力方向一致；在所述中层排水箱的顶部设有进水管，在该进水管上安装有机械式进水阀，该进水阀的活动手柄在Y轴平面内自由旋转，与离心力方向一致；
[0011]所述底层排水箱固定在所述离心模型试验箱内的另一侧，所述底层排水箱为直角梯形，在所述底层排水箱的上面填筑有所述土质岸坡；所述底层排水箱最低处设有进水口，在进水口处设置有尖嘴塞；在所述底层排水箱的最低点设有水压传感器；在所述底层排水箱与所述土质岸坡接触面处设有土压传感器；
[0012]所述开关控制器安装在所述离心模型试验箱的顶部，它包括一块长条状实心钢板，在所述实心钢板的底面间隔地固定有三块电磁铁，在所述每块电磁铁的下方悬挂有一块铁块，在所述每块铁块的背面连接有一根钢丝绳，所述三根钢丝绳分别与所述出水阀的活动手柄、所述进水阀的活动手柄和所述尖嘴塞相连；通过所述电磁铁及离心机的离心力操控所述出水阀、进水阀和尖嘴塞的开关；
[0013]所述降雨单元包括降雨器、储水箱和电磁阀，所述降雨器通过软管与所述储水箱相连，所述降雨器固定在所述离心模型试验箱的顶部、所述土质岸坡的上方，所述电磁阀安装在所述储水箱出水口供水管路中，所述储水箱固定在离心机中轴平台上，所述软管沿高速离心机转臂布置，其长度长于离心机转臂的长度。
[0014]在本专利技术较佳实施例中，所述开关控制器还包括两个铜钩和一个定滑轮；在其中两块所述铁块的底面分别固定有一所述铜钩，每个铜钩上连接有一根钢丝绳，两根钢丝绳的另一端分别与所述出水阀的活动手柄和所述进水阀的活动手柄相连；
[0015]在第三块所述铁块的旁边固定有一所述定滑轮，该定滑轮上缠绕有一根钢丝绳，钢丝绳的一端与所述第三块铁块相连，另一端与所述底层排水箱的尖嘴塞相连。
[0016]优选地，位于被操控的所述出水阀和进水阀上方的所述铁块通过钢丝绳悬挂在所述电磁铁的下方，该钢丝绳的一端与所述实心钢板相连，另一端与所述铁块相连，该钢丝绳的长度应保证当所述铁块与所述电磁铁分离后，所述铁块自由下落时不能砸到所述底层排水箱；
[0017]与所述供水箱出水阀活动手柄和中层排水箱进水阀活动手柄相连的钢丝绳，其长度应等于所述电磁铁与所述铁块相吸后，所述铁块底面铜钩与被操控所述出水阀/进水阀活动手柄之间的距离；
[0018]与所述底层排水箱尖嘴塞相连的钢丝绳，其长度应保证当所述铁块与所述电磁铁
相吸时所述尖嘴塞不被发起，当所述铁块与所述电磁铁分离所述尖嘴塞被拔起时，所述铁块自由下落时不能砸到所述底层排水箱。
[0019]在本专利技术较佳实施例中，与所述底层排水箱对应的铁块自由下落时应能将所述尖嘴塞拔起，其质量m1为：
[0020]T
max
＞m1a＞m2a+F(a,m2) (1)
[0021]式中，T
max
为钢丝绳的极限拉力，m1为铁块的质量，a为离心机离心加速度，m2为尖嘴塞的质量，F为尖嘴塞与底层排水箱孔壁之间的摩擦力，F＝um2a，u为摩擦系数。
[0022]在本专利技术较佳实施例中，所述降雨器的降雨强度P为：
[0023][0024]式中，P为降雨强度,ρ为水的密度，为软管内水流平均离心加速度，取0.5a，L为软管长度，c为阀门调节系数，小于1，m3为单位时间内储水箱流出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实现库水位升降联合降雨的离心模型试验装置，其特征在于：它包括模拟库区水位升降的库水位升降单元和模拟库区降雨的降雨单元；所述库水位升降单元包括离心模型试验箱，安装在所述离心模型试验箱内的供水箱、土质岸坡、底层排水箱、中层排水箱和开关控制器；所述库水位升降单元固定在离心机转臂末端吊篮内；所述中层排水箱固定在所述离心模型试验箱内一侧的底部，所述供水箱固定在所述中层排水箱上面；所述供水箱的底部设有出水管，该出水管上安装有机械式出水阀，该出水阀的活动手柄在Y轴平面内自由旋转，与离心力方向一致；在所述中层排水箱的顶部设有进水管，在该进水管上安装有机械式进水阀，该进水阀的活动手柄在Y轴平面内自由旋转，与离心力方向一致；所述底层排水箱固定在所述离心模型试验箱内的另一侧，所述底层排水箱为直角梯形，在所述底层排水箱的上面填筑有所述土质岸坡；所述底层排水箱最低处设有进水口，在进水口处设置有尖嘴塞；在所述底层排水箱的最低点设有水压传感器；在所述底层排水箱与所述土质岸坡接触面处设有土压传感器；所述开关控制器安装在所述离心模型试验箱的顶部，它包括一块长条状实心钢板，在所述实心钢板的底面间隔地固定有三块电磁铁，在所述每块电磁铁的下方悬挂有一块铁块，在所述每块铁块的背面连接有一根钢丝绳，所述三根钢丝绳分别与所述出水阀的活动手柄、所述进水阀的活动手柄和所述尖嘴塞相连；通过所述电磁铁及离心机的离心力操控所述出水阀、进水阀和尖嘴塞的开关；所述降雨单元包括降雨器、储水箱和电磁阀，所述降雨器通过软管与所述储水箱相连，所述降雨器固定在所述离心模型试验箱的顶部、所述土质岸坡的上方，所述电磁阀安装在所述储水箱出水口供水管路中，所述储水箱固定在离心机中轴平台上，所述软管沿高速离心机转臂布置，其长度长于离心机转臂的长度。2.根据权利要求1所述的实现库水位升降联合降雨的离心模型试验装置，其特征在于：所述开关控制器还包括两个铜钩和一个定滑轮；在其中两块所述铁块的底面分别固定有一所述铜钩，每个铜钩上连接有一根钢丝绳，两根钢丝绳的另一端分别与所述出水阀的活动手柄和所述进水阀的活动手柄相连；在第三块所述铁块的旁边固定有一所述定滑轮，该定滑轮上缠绕有一根钢丝绳，钢丝绳的一端与所述第三块铁块相连，另一端与所述底层排水箱的尖嘴塞相连。3.根据权利要求2所述的实现库水位升降联合降雨的离心模型试验装置，其特征在于：位于被操控的所述出水阀和进水阀上方的所述铁块通过钢丝绳悬挂在所述电磁铁的下方，该钢丝绳的一端与所述实心钢板相连，另一端与所述铁块相连，该钢丝绳的长度应保证当所述铁块与所述电磁铁分离后，所述铁块自由下落时不能砸到所述底层排水箱；与所述供水箱出水阀活动手柄和中层排水箱进水阀活动手柄相连的钢丝绳，其长度应等于所述电磁铁与所述铁块相吸后，所述铁块底面铜钩与被操控所述出水阀/进水阀活动手柄之间的距离；与所述底层排水箱尖嘴塞相连的钢丝绳，其长度应保证当所述铁块与所述电磁铁相吸时所述尖嘴塞不被发起，当所述铁块与所述电磁铁分离所述尖嘴塞被拔起时，所述铁块自由下落时不能砸到所述底层排水箱。4.根据权利要求1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张强，朱军威，刘家慧，皮进，贾朝军，张雪东，梁建辉，卢晓春，胡晶，谷永建，
申请(专利权)人：水利部水利水电规划设计总院中南大学，
类型：发明
国别省市：