滚石运动规律模型试验装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了滚石运动规律模型试验装置，包括边坡模拟系统、滚石释放系统、底座、气压控制系统及液压控制系统，所述滚石释放系统包括定位系统和释放系统两部分，定位系统通过竖直方向、水平方向以及角度的调整，确定滚石释放的位置，释放系统能够模拟倾斜滑移、竖直坠落以及旋转倾倒不同的滚石启动方式；边坡模拟系统通过控制千斤顶的升降，调节边坡角度；本实用新型具有机械化、方便操作、可多次使用的优势；能够根据试验需要，调整底座的尺寸以满足试验要求，适应性强；采用坐标纸板，通过高速摄像仪的拍摄，能够清晰准确的确定滚石任意时间的坐标位置。
【专利说明】滚石运动规律模型试验装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种模型试验领域，尤其是一种用于模拟滚石运动规律的模型试验装置。
【背景技术】
[0002]滚石，是指个别块石因某种原因从边坡和陡崖表面失稳后经下落、回弹、跳跃、滚动或滑动等运动方式中的一种或几种的组合沿着坡面向下快速运动，最后在较平缓的地带或障碍物附近静止下来的一个动力学过程。当滚石运动范围内有人类活动或人类构筑的设施并引起一定的损失时，就构成了滚石灾害。
[0003]由于多种因素的影响，多山地带的滚石事件一般都具有多发性、突发性、随机性等难以预测的规律，对交通线路、建筑设施和人身安全都存在极大的危害。我国学者开展了大量的滚石运动规律研究工作，但也存在明显的弱点:现场试验、模型试验和数值模拟是目前滚石运动轨迹研究应用最多的3种方法，目前结合室内模型试验对滚石灾害理论研究还不够成熟，，缺乏一套系统的滚石运动模拟试验装置及对应的试验方法，因此无法对滚石运动规律进行深入的机理研究，严重影响了滚石灾害的风险分析和防治。
【发明内容】
[0004]为解决现有技术存在的不足，本发明公开了滚石运动规律模型试验装置，本实用新型方便操作，功能齐全，可重复利用，能够模拟不同的边坡角度、滚石释放角度、滚石释放高度、不同形状尺寸的滚石试件以及不同的滚石启动模式，通过高速摄影机记录滚石的运动轨迹，研究了以上因素对滚石运动规律的影响。
[0005]为实现上述目的，本实用新型的具体方案如下:
[0006]滚石运动规律模型试验装置，包括边坡模拟系统、滚石释放系统、底座、气压控制系统及液压控制系统，所述滚石释放系统包括定位系统和释放系统两部分，定位系统通过竖直方向、水平方向以及角度的调整，确定滚石释放的位置，释放系统能够模拟倾斜滑移、竖直坠落以及旋转倾倒不同的滚石启动方式；边坡模拟系统通过控制第一支撑装置的升降,调节边坡角度；
[0007]所述边坡模拟系统的后端通过第一支撑装置与底座相连，前端通过第二支撑柱与底座相连，所述滚石释放系统通过第一支撑柱固定于底座上，滚石释放系统通过第二支撑装置与底座相连，所述气压控制系统通过控制滚石释放系统的气缸控制滚石释放系统前端的挡板的开闭；所述液压控制系统包括油泵及油囊，油泵用于对第一支撑装置及第二支撑装置进行初步调节，油囊用于精确调节第一支撑装置及第二支撑装置的伸缩高度。第一支撑装置为千斤顶，第二支撑装置为油压千斤顶。
[0008]所述底座包括五榀格栅状钢结构构件，相邻两片构件之间通过高强度螺栓连接。
[0009]所述边坡模拟系统包括长方体的铁盒状结构，铁盒状结构长1.9m,宽1.5m，铁盒状结构的内部高度为10cm，内部填筑1cm高的模具石膏材料，铁盒状结构底部通过千斤顶与连接轴相连，连接轴通过连接螺栓与底座相连。
[0010]所述边坡模拟系统的铁盒状结构的一侧安装有第一角度定位尺。
[0011]所述滚石释放系统包括滚石释放盒及推动气缸，滚石释放盒包括推板，推板的两端及底部分别连接有左挡板、右挡板及下挡板，推动气缸与推板相连，左挡板及右挡板外侧与放置有气缸，气缸通过水平连杆相连，水平连杆与前端的挡板相连；下挡板通过多个支柱与水平滑动装置相连，水平滑动装置固定在三角支撑架的直角边上，三角支撑架的另一个直角边上与竖直滑动装置相连，竖直滑动装置与底座相连。
[0012]所述水平滑动装置包括平行的两条水平放置的第一滑道，第一滑道上放置有与第一滑道相配合的水平放置的连接板，所述水平放置的连接板与支柱相连。
[0013]所述竖直滑动装置包括平行的两条竖直放置的第二滑道，第二滑道之间设置有固定板，所述固定板通过滑动轴承与第二滑道连接，所述固定板的下方设置有油压千斤顶，油压千斤顶与底座连接。
[0014]所述滚石释放盒的一侧设置有第二角度定位尺。
[0015]所述模型试验装置的一侧设置有坐标纸板。
[0016]滚石运动规律模型装置的试验方法，包括以下步骤:
[0017]A.试验试块制作，制作试验所需试件用于模拟滚石试块试验；
[0018]B.边坡模拟系统填充，填充模拟边坡，待成型后再进行打磨整平；
[0019]C.高速摄影仪架设，架设摄像仪至能够记录试块滚落全景的高度，并调节角度，使摄像仪与坐标纸板垂直；
[0020]D.边坡模拟系统的边坡角度调节，启动油泵，调节边坡角度，直到边坡模拟系统的第一角度定位尺指定至设定角度；
[0021]E.滚石释放盒的角度调节，启动油泵，调节滚石释放盒的角度，直到滚石释放系统的第二角度定位尺指针指定至试验设定角度；
[0022]F.滚石释放高度调节，启动油泵，调节释放盒高度，直到滚石释放系统的高度达到设定高度；
[0023]G.滚石释放并摄像记录，试验开始前，打开摄像仪，开始试验，启动油泵，调节释放盒角度，模拟竖直坠落式时，调节第二角度定位尺指定至50度，将滚石试块按照试验设计工况放置于滚石释放盒的挡板后中间位置，开启气缸，前端的挡板瞬时开启，试块坠落；当模拟倾斜滑移滚石试验时，调节第二角度定位尺指定至24度，其余与竖直坠落式相同；当模拟旋转倾倒式滚石试验时，调节第二角度定位尺指定至35度，将试块置于释放装置盒内角铁垫板上，其余与竖直坠落式相同。
[0024]H.保存影像并编号，待滚石试块试验完成，保存摄像仪记录视频，并对应试验工况进行编号。
[0025]本发明滚石释放系统，滚石释放系统包括定位系统和释放系统两部分。定位系统可通过竖直方向、水平方向以及角度的调整，确定滚石释放的位置；释放系统能够模拟倾斜滑移、竖直坠落以及旋转倾倒等三种不同的滚石启动方式；边坡模拟系统，边坡可通过千斤顶的升降能够自由调节边坡的坡角；底座，五榀格栅状钢结构构件组成，能够根据试验需要，调整底座的尺寸以满足试验要求；第一支撑柱及第二支撑柱的横断面为正方形，设有横向加劲肋以保证立柱的稳定可靠；坐标纸板，能够准确记录滚石试块在滚落过程中的相对位置；气压控制系统，能够通过两侧的控制气缸控制滚石释放系统前端的挡板的瞬时开闭，从而保证滚石试件无阻碍释放；液压控制系统，精确调节边坡系统角度、滚石释放系统角度以及滚石释放系统的竖直位置。
[0026]本发明能够模拟不同的边坡角度、滚石释放角度、滚石释放高度、不同形状尺寸的滚石试件以及不同的滚石启动模式。与前人研究相比，通过高速摄影机记录滚石的运动轨迹，研究了不同启动方式、不同边坡角度、不同释放高度等因素对滚石运动轨迹的影响，更加真实的模拟实际滚石过程，使滚石运动规律模型试验与工程实践更加接近，所得到的研究成果适用范围更广。
[0027]本发明的有益效果:
[0028]本发明解决了大型三维室内模型试验模拟滚石运动的问题，具有以下优点:
[0029]1.具有机械化、方便操作、可多次使用的优势；
[0030]2.能够根据试验需要，调整底座的尺寸以满足试验要求，适应性强；
[0031]3.采用坐标纸板，通过高速摄像仪的拍摄，能够清晰准确的确定滚石任意时间的坐标位置；
[0032]4.滚石释放盒内安装有聚四氟乙烯板，用于减少试块和盒体之间的摩擦阻力，大大减少了摩擦力对试验结果的影响；
[0033]5.能够模拟不同的边坡角度、滚石释放角度、滚石释放高度、不同形状尺寸的滚石试件以及不同的滚石启动模式下的滚石运动过程，最大限度的模拟工程实际。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1是本发明整体结构示意图；
[0035]图2是本发明边坡模拟系统结构示意图；
[0036]图3是本发明滚石释放装置系统结构示意图；
[0037]图中，I滚石释放系统；2边坡模拟系统；3坐标纸板；4底座；5第一支撑柱；6第二支撑柱；7高强螺栓孔；8气压控制箱；9油泵；10垫板；11模具石膏边坡；12铁盒状结构；13第一角度定位尺；14千斤顶；15连接轴；16连接螺栓；17推动气缸；18推板；19气缸；20第二角度定位尺；21第一滑道；22三角支撑架；23第二滑道；24油压千斤顶；25固定板；26支柱；27前端的挡板；28水平连杆。
【具体实施方式】
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[0038]下面结合附图对本发明进行详细说明:
[0039]如图1所示，滚石运动规律模型试验装置，包括边坡模拟系统2、滚石释放系统1、底座4、气压控制系统及液压控制系统，所述滚石释放系统I包括定位系统和释放系统两部分，定位系统通过竖直方向、水平方向以及角度的调整，确定滚石释放的位置，释放系统能够模拟倾斜滑移、竖直坠落以及旋转倾倒不同的滚石启动方式；边坡模拟系统2通过控制千斤顶14的升降，调节边坡角度；
[0040]边坡模拟系统2的后端通过千斤顶14与底座4相连，前端通过第二支撑柱6与底座4相连，所述滚石释放系统I通过第一支撑柱5固定于底座4上，滚石释放系统I通过油压千斤顶24与底座4相连，所述气压控制系统通过控制滚石释放系统I的气缸控制滚石释放系统I前端的挡板27的开闭；所述液压控制系统包括油泵9及油囊，油泵9用于对千斤顶14及油压千斤顶24进行初步调节，油囊用于精确调节千斤顶14及油压千斤顶24的伸缩高度。
[0041]底座4包括五榀格栅状钢结构构件，相邻两片构件之间通过高强度螺栓连接。高强度螺栓穿过高强螺栓孔7，用于连接相邻的底座钢结构构件。
[0042]边坡模拟系统2包括长方体的铁盒状结构12，铁盒状结构12长1.9m,宽1.5m,铁盒状结构12的内部高度为10cm，内部填筑1cm高的模具石膏材料，铁盒状结构12底部通过千斤顶14与连接轴15相连，连接轴15通过连接螺栓16与底座4相连。
[0043]边坡模拟系统2的铁盒状结构12的一侧安装有第一角度定位尺13。
[0044]滚石释放系统I包括滚石释放盒及推动气缸17，滚石释放盒包括推板18，推板18的两端及底部分别连接有左挡板、右挡板及下挡板，推动气缸17与推板18相连，左挡板及右挡板外侧与放置有气缸，气缸通过水平连杆28相连，水平连杆28与前端的挡板27相连；下挡板通过多个支柱26与水平滑动装置相连，水平滑动装置固定在三角支撑架22的直角边上，三角支撑架22的另一个直角边上与竖直滑动装置相连，竖直滑动装置与底座4相连。推动气缸17，用于推动推板18。
[0045]水平滑动装置包括平行的两条水平放置的第一滑道21，第一滑道21上放置有与第一滑道21相配合的水平放置的连接板，所述水平放置的连接板与支柱26相连。
[0046]竖直滑动装置包括平行的两条竖直放置的第二滑道23，第二滑道23之间设置有固定板25，所述固定板25通过滑动轴承与第二滑道23连接，所述固定板25的下方设置有油压千斤顶24，油压千斤顶24与底座4连接。固定板25可上下移动，第一滑道21上的水平连接板能左右移动。滚石释放盒的一侧设置有第二角度定位尺20。模型试验装置的一侧设置有坐标纸板3。
[0047]其中，边坡模拟系统2后端通过高强连接螺栓16与底座4相连，前端通过第二支撑柱6通过垫板10与底座4相连；滚石释放系统I通过第一支撑柱5固定于底座4，第二滑道23分别固定在整个试验台架的第一支撑柱5上，竖直方向的固定板25通过四个竖直方向的滑动轴承与竖直放置的第二滑道23连接。滚石运动规律模型试验装置，试验台架的尺寸约为3m (长)*2m (宽)*2m (高)，采用高强度的钢材制成，方便组合和拆除，可多次重复使用。
[0048]滚石释放系统I包括定位系统和释放系统两部分。定位系统可通过竖直方向、水平方向以及角度的调整，确定滚石释放的位置。释放系统能够模拟倾斜滑移、竖直坠落以及旋转倾倒等三种不同的滚石启动方式。支柱26的下端通过螺栓固定于水平放置的连接板上，上端通过两个轴承与滚石释放盒12相连。通过调节千斤顶14可以使滚石释放盒12的角度从零度到接近九十度之间任意调整，通过控制两侧的气缸19控制滚石释放系统I前端挡板27的开闭，从而保证滚石试件无阻碍释放。
[0049]边坡模拟系统2为一个长方体的铁盒状结构，长1.9m，宽1.5m，铁盒状结构的内部高度为10cm，内部填筑1cm高的模具用的石膏材料。启动油泵9，通过控制千斤顶14的升降，调节边坡角度，直到边坡模拟系统2的第一角度定位尺13指定至设计角度。边坡模拟系统2包括模具石膏边坡11，用于模拟实际工程中的边坡；铁盒状结构12，用于填充石膏；
[0050]底座4由五榀格栅状钢结构构件组成，相邻两片构件之间通过高强度螺栓连接，能够根据试验需要，调整底座的尺寸以满足试验要求。
[0051]支撑柱高约为1.9m，横断面为正方形，设有横向加劲肋以保证立柱的稳定可靠。坐标纸板3为2m*2m的坐标纸，能够精确记录滚石试块在滚落过程中的相对位置。
[0052]油泵9用于对千斤顶14进行初步调节，然后通过控制油囊精确调节千斤顶14的伸缩高度，从而调节边坡模拟系统2角度、滚石释放系统I角度以及滚石释放系统I的竖直位置。
[0053]滚石运动规律模型试验装置，其特征在于，包括以下步骤:
[0054]A.试块制作，制作试验所需试件用于模拟滚石试块试验。
[0055]B.边坡模拟系统2的边坡12填充，填充模拟边坡，待成型后再进行打磨整平。
[0056]C.高速摄影仪架设，架设摄像仪至能够记录试块滚落全景的高度，并调节角度，使摄像仪与坐标纸板3垂直。
[0057]D.边坡角度调节，启动油泵9，调节边坡角度，直到边坡模拟系统2的第一角度定位尺13指定至设计角度。
[0058]E.滚石释放盒的角度调节，启动油泵9，调节滚石释放角度，直到滚石释放系统I第二角度定位尺20指针指定至试验设计角度。
[0059]F.滚石释放高度调节，启动油泵9，调节滚石释放系统I的高度，直到滚石释放系统I的高度定位尺指定至试验设计高度，边坡角度、滚石释放盒角度和滚石释放高度调节由一个油泵和三个千斤顶控制，三个千斤顶有不同的开关。
[0060]G.滚石释放并摄像记录，试验开始前，打开摄像仪，开始试验，启动油泵9，调节释放盒角度，模拟竖直坠落式时，调节释放盒旋转式角度定位尺20指定至50度，将滚石试块按照试验设计工况放置于滚石释放盒挡板27后中间位置，开启控制气缸8，前端挡板27瞬时开启，试块坠落；当模拟倾斜滑移滚石试验时，只需调节释放盒旋转式角度定位尺20指定至24度，其余与竖直坠落式相同；当模拟旋转倾倒式滚石试验时，只需调节释放盒旋转式角度定位尺20指定至35度，将试块置于释放装置盒内角铁垫板上，其余与竖直坠落式相同。
[0061]H.保存影像并编号，待滚石试块试验完成，保存摄像仪记录视频，并对应试验工况进行编号。
[0062]本发明方便操作，功能齐全，可多次利用，能够模拟不同的边坡角度、滚石释放角度、滚石释放高度、不同形状尺寸的滚石试件以及不同的滚石启动模式，通过高速摄影机记录滚石的运动轨迹，研究了以上因素对滚石运动规律的影响。
【权利要求】
1.滚石运动规律模型试验装置，其特征是，包括边坡模拟系统、滚石释放系统、底座、气压控制系统及液压控制系统，所述滚石释放系统包括定位系统和释放系统两部分，定位系统通过竖直方向、水平方向以及角度的调整，确定滚石释放的位置，释放系统能够模拟倾斜滑移、竖直坠落以及旋转倾倒不同的滚石启动方式；边坡模拟系统通过控制第一支撑装置的升降，调节边坡角度； 所述边坡模拟系统的后端通过第一支撑装置与底座相连，前端通过第二支撑柱与底座相连，所述滚石释放系统通过第一支撑柱固定于底座上，滚石释放系统通过第二支撑装置与底座相连，所述气压控制系统通过控制滚石释放系统的气缸控制滚石释放系统前端的挡板的开闭；所述液压控制系统包括油泵及油囊，油泵用于对第一支撑装置及第二支撑装置进行初步调节，油囊用于精确调节第一支撑装置及第二支撑装置的伸缩高度。
2.如权利要求1所述的滚石运动规律模型试验装置，其特征是，所述底座包括五榀格栅状钢结构构件，相邻两片构件之间通过高强度螺栓连接。
3.如权利要求1所述的滚石运动规律模型试验装置，其特征是，所述边坡模拟系统包括长方体的铁盒状结构，铁盒状结构长1.9m,宽1.5m，铁盒状结构的内部高度为10cm，内部填筑1cm高的模具石膏材料,铁盒状结构底部通过千斤顶与连接轴相连,连接轴通过连接螺栓与底座相连。
4.如权利要求3所述的滚石运动规律模型试验装置，其特征是，所述边坡模拟系统的铁盒状结构的一侧安装有第一角度定位尺。
5.如权利要求1所述的滚石运动规律模型试验装置，其特征是，所述滚石释放系统包括滚石释放盒及推动气缸，滚石释放盒包括推板，推板的两端及底部分别连接有左挡板、右挡板及下挡板，推动气缸与推板相连，左挡板及右挡板外侧与放置有气缸，气缸通过水平连杆相连，水平连杆与前端的挡板相连；下挡板通过多个支柱与水平滑动装置相连，水平滑动装置固定在三角支撑架的直角边上，三角支撑架的另一个直角边上与竖直滑动装置相连，竖直滑动装置与底座相连。
6.如权利要求5所述的滚石运动规律模型试验装置，其特征是，所述竖直滑动装置包括平行的两条竖直放置的第二滑道，第二滑道之间设置有固定板，所述固定板通过滑动轴承与第二滑道连接，所述固定板的下方设置有油压千斤顶，油压千斤顶与底座连接。
7.如权利要求5所述的滚石运动规律模型试验装置，其特征是，所述水平滑动装置包括平行的两条水平放置的第一滑道，第一滑道上放置有与第一滑道相配合的水平放置的连接板，所述水平放置的连接板与支柱相连。
8.如权利要求5所述的滚石运动规律模型试验装置，其特征是，所述滚石释放盒的一侧设置有第二角度定位尺。
9.如权利要求1所述的滚石运动规律模型试验装置，其特征是，所述模型试验装置的一侧设置有坐标纸板。
【文档编号】G09B25/00GK204010484SQ201420384226
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】李利平, 孙尚渠, 李术才, 胡聪, 王庆瀚, 张骞, 张乾青, 许振浩 申请人:山东大学