本发明涉及一种岩土工程离心模型试验装置，尤其是涉及天然气水合物分解导致孔压和土压力变化的海底边坡失稳的模型箱。
背景技术：
天然气水合物是天然气在高压低温条件下与水形成的内含笼形孔隙的冰状晶体，是一种亚稳态物质。天然气水合物主要的赋存条件是深水区的海底沉积物和陆地永久冻土地带，近年来在海洋和冻土带发现巨大天然气水合物资源储量。天然气水合物具有洁净、能量密度高、资源量巨大、埋藏浅、分布广泛等特点，是最有希望成为具有商业开发前景的新能源。
天然气水合物在给人类带来福利的同时，其开采的高风险性也对人类生存环境提出了严峻挑战。天然气水合物主要赋存于深水区的海底沉积物和陆地永久冻土带中，赋存条件极其脆弱敏感。天然气水合物开采过程中的最大难点是储层稳定性问题。天然气水合物的稳定区域取决于温度和压力条件，受环境变化和人工工程活动引起的温度或压力的轻微变化都有可能使水合物分解，天然气水合物分解会产生大量的水和气体，导致孔隙压力迅速上升，过高的孔隙压力会极大限度地降低沉积物强度和承载能力，使得天然气水合物储层软化甚至液化，从而影响海底沉积物的稳定性。
因此，认识天然气水合物分解对海底滑坡的影响，了解天然气水合物的力学特性，对水合物沉积层存在的风险以及对海底结构物的影响进行正确评价以及有效控制，对海底天然气水合物开采以及水合物储层附近石油勘探、开发和运输以及海底工程设施建设都具有重要意义。
技术实现要素：
为了克服背景技术中的不足，本发明的目的是提供一种模拟天然气水合物分解诱发海底边坡失稳的离心模型装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种模拟天然气水合物分解诱发海底边坡失稳的试验装置，包括模型箱(1)、玻璃密封箱(13)、温度控制系统、压力控制系统、体积损失模拟系统、通气系统和数据采集组件；
所述模型箱(1)前侧为开口玻璃窗，用于观测模型箱(1)内部；所述玻璃密封箱(13)、温度控制系统、压力控制系统、体积损失模拟系统、通气系统和数据采集组件均设于模型箱(1)内部；
所述玻璃密封箱(13)为顶部开口的桶状，玻璃密封箱(13)内设有可开启的上盖(25)，所述上盖(25)与玻璃密封箱(13)形成密闭腔室用于形成封闭的试验空间；
所述密闭腔室内有模拟土坡(16)和水，所述模拟土坡(16)设置在密闭腔室底部用于模拟海底边坡；
所述温度控制系统用于控制密闭腔室内的温度，所述液压控制系统用于在密闭腔室内形成的不同压力，所述体积损失模拟系统用于模拟开采中在底层留下的空隙，所述通气系统用于模拟天然气水合物分解产生的气体，所述数据采集系统用于采集试验数据。
所述压力控制系统包括压力单元组、上盖(25)、水压计(9)以及压力控制电路；
压力单元组与上盖(25)、玻璃密封箱配合形成活塞缸结构，其中，上盖(25)滑动连接在玻璃密封箱(13)内用于调节密闭腔室内的压力大小；压力单元组与上盖(25)固定用于带动上盖(25)上下滑动；所述的压力单元组由多个压力单元(6)组成，所述压力单元(6)均匀布置在上盖(25)上侧用于使上盖(25)受力均匀；所述水压计(9)置于水中用于检测水压，所述压力控制电路与水压计(9)连接用于接收处理水压计(9)的数据，并通过压力单元组的可控开关控制压力单元组的工作状态以改变水压。
所述温度控制系统包括加热器(7)、温度计(8)以及温度控制电路(18)；
所述加热器(7)设在密封腔室内用于为水和模拟土坡(16)加热，所述温度计(8)设在密封腔室内用于测量水和模拟土坡(16)的温度；
所述温度控制电路(18)与温度可控开关连接用于控制加热器(7)的工作和停止以调节水和模拟土坡(16)的温度。
所述通气系统包括气箱(4)和气导管(20)，
所述气箱(4)置于模型箱(1)内用于提供不同释放量和速度的气体，气导管(20)的输入端与气箱(4)连通，气导管(20)的输出端布置在模拟土坡(16)的底部用于将气箱(4)的气体从模拟土坡(16)底部输出。
所述体积损失模拟系统包括支架(21)、支撑板(26)、升降台(22)和升降控制系统；
所述的支撑板包括活动板(261)和固定板(262)，均斜设在模拟土坡(16)底部用于支撑模拟土坡(16)；
所述支架(21)固定在固定板(262)下方用于支撑固定板(262)；
在活动板下方有活动空腔(27)，所述升降台(22)设置在活动板下方的活动空腔(27)，升降台(22)的顶部与活动板(261)固定用于带动活动板(261)在活动空腔(27)内升降，通过升降控制系统控制升降台(22)升降从而模拟出开采后或开采过程中在地层中留下的空隙。
所述数据采集组件包括刻度尺(11)、孔隙水压力计(14)和土压力计(12)，刻度尺(11)固定于玻璃窗上用于直接读取刻度尺(11)测量的边坡位移，孔隙水压力计(14)和土压力计(12)置于土坡内部用于量测孔隙水压力和土压力。
还包括拍摄组件，包括led照明灯(23)和摄像机(24)，所述led照明灯(23)用于照射模拟土坡(16)，所述摄像机(24)用于拍摄模拟土坡(16)的变化情况。
本发明具有以下优点：
1、液压控制系统给密封箱上盖加压来控制水压，密封箱内部的水压计量测水压并及时反馈给控制电路，控制电路再对液压站进行调整，达到量化控制密封舱内水压。这样可根据实际情况选取水压值设置试验方案，以便更好地模拟海底边坡在不同分解进程和不同水压下的失稳状态，使试验环境更贴近真实场景。
2、温度控制系统能够精准控制试验时水和边坡土体温度，从而模拟不同温度对于天然气水合物分解进度的影响，进而可在密封箱内模拟天然气水合物分解诱发的海底边坡失稳情况，使试验环境更贴近真实场景。
3、气箱和气导管组成的通气系统可以模拟天然气水合物分解时气体的释放量和速度，从而在模型箱里模拟天然气水合物分解所产生气体的释放情况，使试验环境更贴近真实场景。
3、刻度尺固定于玻璃窗上供测量边坡位移，孔隙水压力计和薄膜压力传感器置于土坡内部用于孔隙水压力和土压力，从而能够监测试验过程中土体的状态，获取更准确的实验数据。
4、该装置各个部分都加以固定从而能够承受高重力场作用，液压站电动机均采用电力驱动，连接离心机电源，使用方便。
5、离心机模型箱前侧为有机玻璃，密封舱也采用透明材质，通过监测系统可以很清晰地观察土体的变化，可视化程度高。通过监视系统采集图像信息可以完整地记录实验过程中土体发生的变化。
6、模型设置了体积损失模拟系统，用于模拟天然气水合物开采过程及开采之后在地层中留下的空隙，使试验环境更贴近真实场景。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为模型箱的俯向结构示意图；
图2为模型箱的剖立面图；
图3为模型箱模拟体积损失时模拟土坡的放大图。
图中，1模型箱，2液压集成块，3液压站泵装置，4气箱，5液压胶管，6液压缸，7加热器，8温度计，9水压计，11刻度尺，12土压力计，13密封箱，14孔隙水压力计，15隔板，16模拟土坡，18温度控制电路，19盖板，20气导管，21支架，22升降台，
23led照明灯，24摄像机，25上盖，26支撑板，
261活动板，262固定板，27滑动腔室。
具体实施方式
模拟天然气水合物分解诱发海底边坡失稳的试验装置，参照图1进行说明，包括模型箱1、密封箱13、温度控制系统、压力控制系统、体积损失模拟系统、通气系统、数据采集组件和模型外部监测系统。模型箱1上部开口，方便装置各个组件进行装配和调试，模型箱1前侧为一块透明的有机玻璃，方便对内部土体进行观察，试验时模型箱1安装在离心机的吊篮内。所述的隔板15、密封箱13、温度控制系统、液压系统、体积损失模拟系统、通气系统和数据采集组件均置于模型箱1内。
如图2所示，所述密封箱13采用顶部开口的高强度玻璃密封箱13便于直观地观察内部土体变化，玻璃密封箱13设置在模型箱1的右下角，玻璃密封箱13内设有模拟土坡16和可开启的上盖25，所述上盖25与玻璃密封箱13形成密闭腔室用于形成封闭的试验空间。所述模拟土坡16设置在密封箱13底部，同时在密闭腔室内注满水，用于模拟开采环境。模型箱1内设有隔板15，所述隔板15紧贴玻璃密封箱13并与模型箱1的底部固定。
所述的压力控制系统在本实施中采用液压控制系统，如图2所示，该液压控制系统包括液压站泵装置3、液压集成块2、液压胶管5、液压缸6、水压计9、上盖25、盖板19及相关管路。上盖25滑动连接在玻璃密封箱13内用于改变密闭腔室大小以调节密闭腔室的压力。所述盖板19设置在玻璃密封箱13的上方，盖板19的左端通过螺钉固定在隔板15上，盖板19的右端通过螺钉固定在模型箱1的侧壁上，用于固定液压缸6。所述液压缸6作为压力单元，液压缸6的缸筒安装在盖板19下侧，液压缸6的活塞杆与上盖25固定，用于为上盖25的滑动提供动力。
进一步优化，为了使上盖25可以在玻璃密封箱13内平稳的上下滑动，所述的盖板19、液压缸6设置有多组，如图1所示，本实施例中设有由两组盖板19、液压缸6构成的驱动设备，均匀地设置在上盖25上，同时为上盖25提供上下移动的动力。所述液压集成块2与液压站泵装置3连接并布置在隔板15的左侧，液压站泵装置3的电机提供机械能，液压站泵装置3的泵从油箱中吸油，液压油通过液压集成块2经液压胶管5传输到两个液压缸6中，每个液压缸6的活塞杆伸出同时对上盖25施加向下的压力，通过上盖25实现对水加压。所述水压计9安装在上盖25下方，记录水压计9的读数可以实时监测密封箱13内部的水压值。密封箱13内的水压计9测出水压力后反馈给液压控制电路，达到量化控制密封舱内水压。
温度控制系统主要包括加热器7、温度计8、温度控制电路18。所述温度计8安装在上盖25下方用于检测水温。加热器7安装在上盖25的下方用于为密闭腔室内的模拟土坡16和水加热，所述温度控制电路18与加热器7连接用于控制加热器7的工作，通过温度控制系统能够精准控制试验所需的水和边坡土体的温度，从而模拟出温度对于天然气水合物分解的影响，进而可以在密封箱13内模拟天然气水合物分解释放诱发的海底边坡失稳。
通气系统由气箱4和气导管20等组成，所述气箱4设在隔板15的左端用于提供不同释放量和速度的气体，所述气导管20有多组，气导管20的输入端与气箱4连接，气导管20的输出端布置在模拟土坡16的底部，用于模拟出天然气水合物分解时气体的释放量和速度，从而在模型箱1里模拟天然气水合物分解的情况。
如图2，所述体积损失模拟系统包括支架21、支撑板26、升降台22和升降控制系统，所述支架21固定在密封箱13内的底部。所述的支撑板26包括活动板261和固定板262，固定板262和活动板261皆斜设在模拟土坡16底部用于支撑模拟土坡16，所述支架21与固定板262固定用于支撑固定板262。如图3所示，在活动板261下方有滑动腔室27，所述升降台22设置在滑动腔室27内。升降台22的顶部与活动板261固定用于带动活动板261在滑动腔室27内升降，从而能够模拟出开采后或开采过程中在地层中留下的空隙。升降台22下降带动活动板261下降，从而在模拟土坡16下方形成空隙。
如图2所示，所述数据采集组件包括孔隙水压力计14、孔压计12和刻度尺11，所述刻度尺11横向固定在玻璃窗上用于直接读取刻度尺11测量的边坡位移。孔压计采用的是薄膜压力传感器12，孔隙水压力计14和薄膜压力传感器12埋置在土坡内部用于分别检测孔隙水压力和土压力的值。
所述外拍摄组件包括led灯照明和摄像机24，所述led灯照射模拟土坡16，所述摄像机24用于离心机运转时记录土体变形情况。
本发明模拟天然气水合物分解释放诱发海底边坡失稳的离心模型试验装置的装配操作过程通过以下几个步骤完成：
第一，按一定比例配制的土样，将天然气水合物土填入密封箱13，土体内部要埋入几个孔隙水压力计14和薄膜压力传感器12。清洗模型箱1和密封箱13的玻璃，使之达到良好的可视度。确保模型箱1内部各个组件连接正常，并将组件固定好。
第二，将制作好的模型箱1利用吊机放置离心机的吊篮上并固定，进行合理配重。之后将液压系统、温度控制系统、通气系统、体积损失模拟系统的电源连接至离心机的电源。开启监视系统。
第三，根据实验方案，用液压系统和温度控制系统调节好水压和温度，通过通气系统调节好通气的量和速度，调节好体积损失模拟系统下降的速度。
第四，确保模型箱1内系统正常之后，开启离心机，设定离心机转速恒定达到实验方案所设计的加速度值，并等待加速度恒定，在离心机超高重力场作用下，土坡发生失稳，监视系统记录下随时间变化土坡的变形情况。停止运行离心机。
本说明书所述的具体实施方式仅仅是对于本发明内容的一种操作方式，由于本发明装置具有较好的可控性，相关技术领域的技术人员可以便捷地对试验方案进行修改达到各种环境下的条件控制，本发明的保护范围不应仅仅局限于说明书中所述的具体实施方式，相关技术人员根据本发明构思基础上所采用的等同技术方法都应当隶属于本发明的保护范围。