水工模型试验教学平台的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水利工程教学工具技术领域，具体涉及一种水工模型试验教学平台。
【背景技术】
[0002] 21世纪是中国工程建设快速发展的世纪，进入新世纪，水利、水电、能源、交通等 大型工程的开发已成为我国经济建设的重点。随着国民经济的持续发展和西部大开发战略 的实施，我国迎来了大规模工程建设的高峰期，如三峡、龙滩、溪落渡、南水北调等大型水利 水电工程；西气东输、西电东送等大型能源工程；青藏铁路、沪蓉高速公路等大型交通工程 以及城市大型地下空间开发与地铁工程建设等，正以前所未有的速度在全国进行。与此同 时，石油和天然气储存、核废料处置、C02储存、垃圾深埋以及石油、地热和矿产资源的超深 开采等也已经纳入国家总的发展规划。这些大型工程建设项目一方面对加快我国国民经济 发展、提高人民生活水平和保持社会可持续发展将起到重大的作用，同时开发这些大型工 程将面对大量的岩土开挖，涉及许多有关岩体强度破坏、变形失稳以及加固处理的问题。对 这些复杂的问题，一方面要借助理论分析、计算机数字模拟方法去研究；另一方面，更多地 要借助岩体地质力学模型试验手段来解决。
[0003] 要进行地质力学模型试验，必须有相应的模型试验装置，目前有关地质力学模型 试验装置的研究现状如下：武汉大学研制出了平面应力试验和立式平面应变试验装置。平 面应力试验装置主要由型钢钢板焊接成框架结构；立式平面应变试验装置由中部固定框架 和沿厚度方向的2个前、后井格式约束钢架组成，前、后两约束架用螺栓同中部框架连成整 体，保证了模型受载后在纵向不产生位移，从而达到平面应变的要求。该装置已在部分水电 站地下厂房洞室群围岩稳定与支护试验中得到应用。清华大学李仲奎等研制成离散化三 维多主应力面加载试验架系统，该系统主要由高压气囊、反推力板、限位千斤顶、垂直立柱、 封闭式钢结构环梁、支撑钢架和空气压缩机组成，试验架内尺寸为：620cmX102cmX470 cm(长X宽X高），其规模在国内外同类型的三维地质力学模型试验台架装置中是最大 的。总参工程兵科研三所研制有岩土工程多功能模拟试验装置，该试验装置具有双向旋转 功能，可围绕模型平面旋转360°，围绕立面旋转35°，为复杂地层的模型制作、模拟岩土 体的自重应力以及研究边坡坡角的影响等提供了方便。该装置允许的最大模型尺寸为160 cmX140cmX40cm(长X宽X高），试验时可控制模型的准平面应变条件。此外，中国矿 业大学、西南交通大学、长江科学研究院等单位也研制有一些地质力学模型试验装置。
[0004] 上述试验台架装置存在的普遍问题是：（1)试验台架装置尺寸固定，不能根据模 型试验范围进行有效调整；(2)试验台架装置多用型钢焊接而成，结构多以板梁式或框梁 式结构为主，在侧向压力作用下，台架侧向挠度变形通常较大，易造成试验边界条件的改 变。
【发明内容】
[0005] 为克服【背景技术】中存在的各缺点，本发明提供一种结构新颖、刚度大、整体稳定性 好、组装灵活方便、尺寸可任意调整并能满足不同规模模型试验要求的用于教学演示的组 合式三维地质力学模型试验装置。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种水工模型试验教学平台，包括框架 和模拟坝体，以及主推动机构和压力传感器，在框架前侧与模拟坝体正对的框架上固定有 水平导向套并匹配安装有水平调节杆及锁紧机构；在水平调节杆上竖向固定有竖向导向 套并匹配安装有竖向调节杆及锁紧机构；在所述水平调节杆末端安装有竖向支撑杆或调节 缸，在所述竖向调节杆末端安装有水平调节杆或调节缸；在各支撑杆或调节杠的末端分别 设置有压力传感器及叉头，与叉头配合安装有支撑块，支撑块设置有转轴，转轴匹配套装于 叉头中，支撑块与模拟坝体表面贴合。
[0007] 在模拟坝体正对的框架上或者在水平调节杆上或者在竖向调节杆上，安装有水平 支撑杆或调节缸，水平支撑杆或调节缸的末端设置压力传感器和支撑块，支撑块与模拟坝 体表面贴合。
[0008] 在模拟坝体的两侧粘贴拉力传感器片；或者，在所述框架的两侧设置侧面水平导 向杆并套装侧面水平调节套及锁紧机构，在侧面水平调节套上垂直固定有支撑杆或调节缸 或伸缩套管，并在末端安装有发散弹片，发散弹片的各支撑脚插入拉力传感器片的四角部 位置。
[0009] 所述叉头的根部被安装于套管内，压力传感器套装于套管底部与插头根部之间。
[0010] 所述侧面水平导向杆的两端设置有调节框架，调节框架与框架体之间通过U型座 连接，并设置锁紧机构。
[0011] 在模拟坝体底部连接有基底平台，基底平台与模拟坝体底部之间活动连接；基底 与框架底部之间活动连接。
[0012] 所述各压力传感器与控制器输入端连接，控制器输出端与显示器连接，用于对比 显示各压力传感器数值。与各压力传感器并列设置有位置传感器，控制器采集各压力传感 器和位置传感器信号，通过图形显示位置形变量和压力大小。
[0013] 本发明的有益效果是：本发明组装灵活方便、对模拟坝体的压力支撑点可以在三 维方向上任意调整，能满足不同规模模型试验要求的用于教学演示，直观学习和了解三维 地质力学模型试验。本发明结构新颖、刚度大、整体稳定性好，容易制造和随意组装，教学演 示效果非常好，适合推广应用。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明立体使用状态示意图； 图2是本发明前侧压力检测结构示意图； 图3是本发明侧面压力检测结构示意图； 图4是图3中局部放大结构示意图； 图5是本发明量测系统框图。
[0015]图中，标号1为框架体，2为主推力机构，3为垫板，4为水平导向套，5为水平调节 杆，6为竖向导向套，7为竖向调节杆，8为支座，9为支撑杆或调节缸，10为支撑块，11为压 力传感器，12为转轴，13为叉头，14为固定座，15为模拟坝体，16为基底平台，17为侧面水 平导向杆，18为侧面水平调节套，19为发散弹片，20为拉力传感器片，21为调节框架，22为 U型座，23为锁紧机构。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0017] 实施例1:如图1和图2所示的试验教学平台，组装灵活方便，可以对模拟坝体15 的压力支撑点可以在三维方向上任意调整。
[0018] 图2中，在框架前侧与模拟坝体15正对的框架上固定有水平导向套4并匹配安装 有水平调节杆5及锁紧机构23。在水平调节杆5末端安装有竖向调节缸。
[0019] 在水平调节杆5上竖向固定有竖向导向套6并匹配安装有竖向调节杆7及锁紧机 构23。在竖向调节杆7末端安装有水平调节缸。
[0020] 在各调节杠的末端分别设置有压力传感器11及叉头13,与叉头13配合安装有支 撑块10,支撑块10设置有转轴12,转轴12匹配套装于叉头13中，支撑块10与模拟坝体15 表面贴合。
[0021] 参见图3和图4,在框架的两侧设置侧面水平导向杆17并套装侧面水平调节套18 及锁紧机构23,在侧面水平调节套18上垂直固定有支撑杆或调节缸或伸缩套管，并在末端 安装有发散弹片19,发散弹片19的各支撑脚插入拉力传感器片20的四角部位置。
[0022] 在模拟坝体15底部连接有基底平台16,基底平台16与模拟坝体15底部之间活动 连接；基底与框架底部之间活动连接。
[0023] 在模拟坝体15正对的框架上或者在水平调节杆5上或者在竖向调节杆7上，安装 有水平支撑杆或调节缸，水平支撑杆或调节缸的末端设置压力传感器11和支撑块10,支撑 块10与模拟坝体15表面贴合。
[0024] 所述侧面水平导向杆17的两端设置有调节框架21，调节框架21与框架体1之间 通过U型座22连接，并设置锁紧机构23。
[0025] 模型相似条件试验 均质坝基模型试验属于结构模型试验，必须满足破坏试验的相似要求，即必须满足以 下三方面的相似要求。
[0026] (1)几何相似要求：原型与模型的几何形态及主要地质构造必须满足几何相似条 件； (2) 应力应变关系相似要求：原型与模型的应变相同，原型与模型材料的变形模量、应 力与应变关系以及抗压、抗拉强度等满足相似条件； (3) 荷载相似要求：原型与模型的荷载条件，如水压力、自重及淤沙压力等应保持相似。 根据以上条件，设^为原型与模型之间相同的物理量之比，由相似