本发明涉及一种实验装置，特别涉及一种测定边坡滚石运动特征的实验装置。
背景技术
边坡滚石是山区常见的一种自然灾害，尤其在我国西部山区的路网交通线、山区城镇、水电站、输电线路旁等地方频繁多发，分布范围较广，受水温、地震等外界因素和岩石自身物理力学性质影响较大，其发生具有高频率和不确定性，往往对其波及范围内的工程结构物、人民生命财产带来重大的威胁，造成巨大的损失。随着山区基础设施建设的加快推进，边坡滚石运动特征研究已经不容忽视，如何预防和治理灾害引起了包括政府部门、专家学者、社会公众的高度重视和广泛关注，是当前乃至今后急需解决的重大课题。
目前边坡滚石运动特征测定方法和实验装置限于人为设定的二维直线边坡，即采用“一坡到底”的形式。边坡的倾角为方便计算，往往选取一些理想化特殊值，这样做虽然有助于把实际复杂的问题简单化，大大减少其建模和计算时间，但得到的结论与实际情况不符甚至相差很大，不能够较好预测滚石下落的弹跳高度、速度和对防护网的撞击力，也就难以选择防护网的类型、确定防护网高度以及设置角度。因此，为了合理选择边坡防护网的类型、高度以及设置角度，最大化发挥其防护和减灾的作用，需要一种能够调节边坡模型的倾斜度、防护网的角度，精确测量防护网受冲击的力度、采集滚石下落轨迹和速度的实验仪器。
技术实现要素：
本发明为了解决目前缺少对边坡滚石进行研究的实验仪器的问题，而提供一种测定边坡滚石运动特征的实验装置。
本发明包括三维边坡模型、底板、防护网、测力传感器、数据采集系统和高速摄像机，其中三维边坡模型倾斜设在底板上，所述底板上设有支撑立柱，支撑立柱上设有支撑横杆，三维边坡模型搭在支撑横杆上，三维边坡模型的下端与底板相接；所述防护网设在三维边坡模型的末端，防护网的两端与防护立柱相连，所述的防护立柱铰接在底板上；所述的防护立柱与支撑立柱之间通过拉索相连，所述的测力传感器设在拉索的末端，测力传感器与数据采集系统相连；所述的高速摄像机分别设在三维边坡模型的左右两侧和上方，并与图像处理器相连。
所述的测力传感器设在拉索与支撑立柱的连接处；所述的拉索穿过支撑立柱，穿过测力传感器，所述的测力传感器设在支撑立柱与拉索的索头之间。
所述的测力传感器为光纤光栅锚索测力环，所述的光纤光栅锚索测力环由环形弹性体和多个等间隔设置的光纤光栅应变传感器以及波长解调仪组成，光纤光栅由不锈钢片做基底制成光纤光栅粘贴式应变传感器，放置在弹性体的预设面上，采用激光焊接技术附着于弹性体上，实现敏感元件光栅的有效封装和压力敏增；弹性体上的光纤光栅经过串接，然后由一根光纤把信号传递给波长解调仪，由波长解调仪输出信号传递给计算机的数据采集系统进行分析处理；所述的拉索穿过支撑立柱，穿过环形弹性体，端头通过索头固定。
所述的测力传感器与支撑立柱之间设有垫圈。
所述的三维边坡模型上端设有滚石收纳盒。
所述的三维边坡模型两侧设有透明挡板。
所述的支撑立柱上不同高度处设有坡度调整槽，所述的支撑横杆搭在坡度调整槽内。
所述的三维边坡模型左右两侧的高速摄像机交错相对设置，三维边坡模型上方的高速摄像机镜头朝向三维边坡模型并垂直于三维边坡模型设置，所有的高速摄像机的拍摄范围覆盖整个三维边坡模型。
所述的三维边坡模型与底板之间通过合页连接。
所述的防护网为柔性防护网。
本发明的工作原理：
根据待测边坡的实际地形生成三维模型，通过3d打印技术打印出三维边坡模型；将实验用滚石放在滚石收纳盒中；根据待测边坡的坡度，将支撑横杆搭在合适高度的坡度调整槽内，将三维边坡模型搭在支撑横杆上，调整好三维边坡模型的坡度，下端通过合页与底板相连；根据防护网的设置角度确定拉索的长度，将拉索两端分别固定在支撑立柱和防护立柱上，拉索穿过测力传感器并通过索头固定。至此做好实验前准备。
实验开始，开启高速摄像机，打开滚石收纳盒的前端门，滚石从滚石收纳盒中滚出，滚石在重力作用下沿着三维边坡模型向下运动，运动至坡脚处时撞上防护网，防护网受到的撞击力通过拉索传递到测力传感器，测力传感器将压力电信号传至数据采集系统，经过分析处理得到滚石作用在防护网上的撞击力；将高速摄像机拍到的视频图像导入图像处理器中进行处理，获得滚石下落的运动轨迹，根据运动轨迹分析滚石的运动特征，综合分析滚石的运动轨迹特征和防护网所受到的撞击力，将最终的分析结果汇总，并输出该结果。
更换三维边坡模型或调节三维边坡模型的角度以及改变防护网的角度或更换防护网类型，重复上述实验过程可得到不同的滚石运动特征及防护网的防护效果，综合分析多组实验结果，最后优选防护网类型及设置角度。
本发明的有益效果：
本发明结构简单、操作简单、测试方法新颖、测试数据客观准确，基于实际地形图生成三维边坡模型，通过3d打印技术生成三维边坡模型，能够测定多种几何形态的边坡的滚石运动特征，能够更好地反映实际情况，有效解决传统坡面形式造成的实验误差，得到的分析结果可用于滚石运动机理成因研究，为边坡危岩体的处置和防护结构物的设置提供科学依据，是新型技术应用于防灾减灾工程中的新的尝试，具有很好的示范效应。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图一。
图2为本发明整体结构示意图二。
图3为本发明测力传感器结构示意图。
图4为本发明测力传感器安装位置剖面结构示意图。
1、三维边坡模型2、底板3、防护网4、测力传感器5、支撑立柱6、支撑横杆8、防护立柱9、拉索10、高速摄像机11、滚石收纳盒12、透明挡板13、坡度调整槽14、索头15、弹性体16、光纤光栅17、垫圈。
具体实施方式
请参阅图1至图4所示：
本发明包括三维边坡模型1、底板2、防护网3、测力传感器4、数据采集系统和高速摄像机，其中三维边坡模型1倾斜设在底板2上，所述底板2上设有支撑立柱5，支撑立柱5上设有支撑横杆6，三维边坡模型1搭在支撑横杆6上，三维边坡模型6的下端与底板2相接；所述防护网3设在三维边坡模型1的末端，防护网3的两端与防护立柱8相连，所述的防护立柱8铰接在底板2上，可以沿铰接轴进行旋转，方便调整防护网3的角度；所述的防护立柱8与支撑立柱5之间通过拉索9相连，所述的测力传感器4设在拉索9的末端，测力传感器4与数据采集系统相连；所述的高速摄像机10分别设在三维边坡模型1的左右两侧和上方，用于全方位记录滚石下落过程中的纵向运动路径与横向运动路径；所述的高速摄像机10与图像处理器相连，为了对高速摄像机10拍摄的图像进行数据处理。
所述的测力传感器4设在拉索9与支撑立柱5的连接处；所述的拉索9穿过支撑立柱5，穿过测力传感器4，所述的测力传感器4设在支撑立柱5与拉索9的索头14之间。
所述的测力传感器4为光纤光栅锚索测力环，所述的光纤光栅锚索测力环由环形弹性体15和多个等间隔设置的光纤光栅应变传感器以及波长解调仪组成，光纤光栅16由不锈钢片做基底制成光纤光栅粘贴式应变传感器，放置在弹性体15的预设面上，采用激光焊接技术附着于弹性体15上，实现敏感元件光栅的有效封装和压力敏增；弹性体15上的光纤光栅16经过串接，然后由一根光纤把信号传递给波长解调仪，由波长解调仪输出信号传递给计算机的数据采集系统进行分析处理；所述的拉索9穿过支撑立柱5，穿过环形弹性体15，端头通过索头14固定。光纤光栅锚索测力环能够精确测量拉索9的索头14所受到的牵引力。
所述的测力传感器4与支撑立柱5之间设有垫圈17，确保测力传感器4受到拉索9索头14的压力不致损坏。
所述的三维边坡模型1上端设有滚石收纳盒11。
所述的三维边坡模型1两侧设有透明挡板12。防止遮挡两侧的高速摄像机10对滚石的运动轨迹进行拍摄，同时避免下落的滚石碰撞高速摄像机10。
所述的支撑立柱5上不同高度处设有坡度调整槽13，所述的支撑横杆6搭在坡度调整槽13内。将支撑横杆6搭在不同高度处的坡度调整槽13内，能够调整三维边坡模型1的倾斜角度，适用多种倾角的边坡实验。三维边坡模型1倾角的调整范围在15°～80°之间。
所述的三维边坡模型1左右两侧的高速摄像机10交错相对设置，三维边坡模型1上方的高速摄像机10镜头朝向三维边坡模型1并垂直于三维边坡模型1设置，所有的高速摄像机10的拍摄范围覆盖整个三维边坡模型1，可多角度、连续拍摄滚石下落整个过程，并且能够最大限度还原滚石运动轨迹，方便直接查看分析滚石运动状态及其变化。
所述的三维边坡模型1与底板2之间通过合页连接，防止三维边坡模型1与底板2脱离，三维边坡模型1可以沿着合页翻转，方便调整三维边坡模型1的角度。
所述的防护网3为柔性防护网，所述的柔性防护网为网孔大小可调的高强度铁丝网。
本发明的工作原理：
根据待测边坡的实际地形生成三维模型，通过3d打印技术打印出三维边坡模型1；将实验用滚石放在滚石收纳盒11中；根据待测边坡的坡度，将支撑横杆6搭在合适高度的坡度调整槽13内，将三维边坡模型1搭在支撑横杆6上，调整好三维边坡模型1的坡度，下端通过合页与底板2相连；根据防护网3的设置角度确定拉索9的长度，将拉索9两端分别固定在支撑立柱5和防护立柱8上，拉索9穿过测力传感器4并通过索头14固定。至此做好实验前准备。
实验开始，开启高速摄像机10，打开滚石收纳盒11的前端门，滚石从滚石收纳盒11中滚出，滚石在重力作用下沿着三维边坡模型1向下运动，运动至坡脚处时撞上防护网3，防护网3受到的撞击力通过拉索9传递到光纤光栅锚索测力环，光纤光栅锚索测力环将压力电信号传至数据采集系统，经过分析处理得到滚石作用在防护网3上的撞击力；将高速摄像机10拍到的视频图像导入图像处理器中进行处理，获得滚石下落的运动轨迹，根据运动轨迹分析滚石的运动特征，综合分析滚石的运动轨迹特征和防护网3所受到的撞击力，将最终的分析结果汇总，并输出该结果。
更换三维边坡模型1或调节三维边坡模型1的角度以及改变防护网3的角度或更换防护网3类型，重复上述实验过程可得到不同的滚石运动特征及防护网3的防护效果，综合分析多组实验结果，最后优选防护网3类型及设置角度。