一种适用于高超重力环境的泥石流实验装置的制作方法

本发明涉及泥石流模拟试验技术，特别是涉及一种适用于高超重力环境的泥石流实验装置。

背景技术：

泥石流是一种危害性极强的山区地质灾害，大型山区泥石流的流动过程中的动力学性质和流态转化的过程是泥石流灾害领域的热点研究方向。为了能重现自然界中发生的泥石流灾害，需要进行模型试验。现有的实验装置一般仅能进行常重力下的泥石流模拟。在模型尺寸与原型尺寸差距较大时，试验模拟结果仅能定性分析泥石流灾变过程。

较为有效的模型试验方法是利用超重力，利用超重力离心机产生的离心加速度，在模型上再现原重力场，具有缩尺效应和缩时效应。现阶段利用超重力离心机模拟泥石流滑过程的有新西兰坎特伯雷大学鼓式离心机试验(Bowman等)、香港科技大学超重力试验机模拟试验(Song等)。但是这些试验都存在泥石流方量小或释放方式造成的能力损失的问题，无法在短距离范围内模拟中大型泥石流长距离流滑的现象，难以较好的处理泥石流释放方式，且不能在300g超重力下(即高超重力环境，g为重力加速度)工作。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种适用于高超重力环境的泥石流实验装置。

为解决技术问题，本发明解决方案是：

提供一种适用于高超重力环境的泥石流实验装置，包括用于盛放泥石流混合物的滑槽；该滑槽是由活动滑槽与固定滑槽铰接而成的双折滑槽，活动滑槽的宽度小于固定滑槽，在活动滑槽的下方设有坡高和倾角调节装置；活动滑槽是由活动滑槽底板、两个活动滑槽侧板和一个活动滑槽端板围合而成的半包围结构，两个活动滑槽侧板的长度大于活动滑槽底板且通过铰接装置安装在固定滑槽的端部；固定滑槽是一个顶部敞开的箱型结构，其用于安装活动滑槽的端部的上缘被斜向切除，使得活动滑槽能绕铰接装置转动而不会被阻挡；

在活动滑槽上设有模型保持-释放装置和搅拌装置；模型保持-释放装置包括固定底板、固定侧板、电磁铁、固定金属块、门轴、闸门板和电磁铁吸合板；电磁铁有两个，对称布置在活动滑槽侧板的外部，门轴垂直安装在两个活动滑槽侧板上；门轴上固定设有闸门板和电磁铁吸合板，两者之间保留的间隙用于装入活动滑槽侧板且使闸门板能自由开启；所述搅拌装置包括圆柱状转轴，转轴上设置多个扇叶；搅拌装置位于活动滑槽端板与模型保持-释放装置之间且靠近后者。

本发明中，所述坡高和倾角调节装置包括连接板和多个垫块；连接板具有水平方向的底面，底部固定在垫的顶面，其上侧表面固定在模型保持与释放装置的固定底板下方。

本发明中，在被斜向切除的固定滑槽端部的上缘与侧板连接处，具有直线边缘或圆弧边缘。

本发明中，在模型保持-释放装置中，两个固定侧板垂直设于固定底板上，活动滑槽嵌入在两个固定侧板之间；活动滑槽的底部与固定底板贴合安装，活动滑槽侧板与固定侧板贴合安装；所述电磁铁装在固定侧板和铁质的电磁铁吸合板之间。

本发明中，所述门轴两端分别通过固定金属块安装在活动滑槽侧板上；固定金属块上设相互垂直的圆柱形孔洞和矩形槽，并通过矩形槽固定安装在活动滑槽侧板上缘。

本发明中，所述电磁铁有两组，分别位于活动滑槽的两边；电磁铁一端与固定侧板固定，另一端能在通电情况下与电磁铁吸合板吸合；相应地，电磁铁吸合板有两块并分别设于闸门板的两侧；电磁铁通过电缆接至电源。

本发明中，搅拌装置的圆柱状转轴通过连接件接至液压驱动装置。

本发明中，活动滑槽与固定滑槽之间的铰接装置是转轴、轴承或铆钉。

本发明中，活动滑槽与固定滑槽的底板宽度均逐渐递增，使活动滑槽与固定滑槽均呈扩口状。

本发明还提供了利用前述装置的适用于高超重力环境的泥石流实验系统，该系统包括一台转臂式离心装置，其主机上对称设有两根转臂，在转臂的端部分别安装吊篮；在其中一个吊篮中安装所述泥石流实验装置，在另一个吊篮中安装与泥石流实验装置等重的配重块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本装置能够在300g重力场下正常有效的工作，相较于一般常重力场的试验，能够以更小的模型，更短的时间再现自然界中原型的物理现象；

2、本装置通过坡高和倾角的调节装置，可以试验在不同倾角下泥石流滑动的模拟；相较于传统泥石流模拟实验装置的泥石流混合物释放方式，本装置的泥石流混合物释放方式具有简单，快速的优势。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明装置的双折滑槽的结构示意图；

图3是本发明装置的双折滑槽的结构示意图；

图4是本发明装置的坡高与倾角调节装置的结构示意图；

图5是本发明装置的模型保持与释放装置的结构示意图；

图6是模型保持与释放装置的部分结构示意图；

图7是固定底板和固定侧板的结构示意图；

图8是搅拌装置的结构示意图。

图9是实验装置实验过程的示意图。

图中的附图标记：

双折滑槽1，活动滑槽1-1，活动滑槽端板1-1-1，活动滑槽侧板1-1-2，活动滑槽底板1-1-3，固定滑槽1-2，固定滑槽前端板1-2-1，固定滑槽后端板1-2-2，固定滑槽侧板1-2-3，铰接装置1-3；底座1-4；

坡高和倾角调节装置2，垫块2-1，连接板2-2；

模型保持与释放装置3，固定底板3-1，电磁铁3-2，固定金属块3-3，门轴3-4，闸门板3-5，固定侧板3-6，电磁铁吸合板3-7；

搅拌装置4，圆柱状转轴4-1，扇叶4-2。

离心装置：主机5-1，吊篮5-2，配重块5-3，泥石流实验装置5-4。

图5、6中有部分附图标记后面用括号附加了另一个附图标记，后者表示被遮挡的部件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，泥石流实验装置包括用于盛放泥石流混合物的双折滑槽1，坡高和倾角调节装置2，模型保持与释放装置3和搅拌装置4组成；

如图2所示，双折滑槽1是由活动滑槽1-1与固定滑槽1-2通过铰接装置1-3连接，固定滑槽1-2固定在底座1-4上，活动滑槽1-1的宽度小于固定滑槽1-2。

如图1，图2和图3所示，固定滑槽1-2由固定滑槽前端板1-2-1、固定滑槽后端板1-2-2、固定滑槽侧板1-2-3和底座1-4组成。活动滑槽1-1是由活动滑槽端板1-1-1、活动滑槽侧板1-1-2和活动滑槽底板1-1-3围合而成的半包围结构。活动滑槽侧板1-1-2的长度大于活动滑槽底板1-1-3且通过铰接装置1-3安装在固定滑槽1-2的端部；固定滑槽1-2是一个顶部敞开的箱型结构，其用于安装活动滑槽1-1的端部的上缘被斜向切除，形成了固定滑槽前端板1-2-1。固定滑槽前端板1-2-1与固定滑槽侧板1-2-3连接处具有直线边缘或圆弧边缘，使得活动滑槽1-1能绕铰接装置1-3转动而不会被阻挡，铰接装置1-3是转轴、轴承或铆钉。活动滑槽1-1与固定滑槽1-2的底部的宽度均逐渐递增，使其均呈扩口状。在活动滑槽1-1中设有模型保持与释放装置3和搅拌装置4，搅拌装置4位于活动滑槽端板1-1-1与模型保持与释放装置3之间且靠近后者；

如图1和图4所示，在活动滑槽1-1的下方设有坡高和倾角调节装置2；坡高和倾角调节装置2包括连接板2-2和多个垫块2-1。连接板2-2的上侧表面固定在模型保持与释放装置1的固定底板3-1下方；连接板2-2具有水平方向的底面，固定在垫块2-1的顶面。垫块2-1与固定滑槽1-2安装在同一个底座1-4上。

如图5所示，模型保持与释放装置3由固定底板3-1、电磁铁3-2、固定金属块3-3、门轴3-4、闸门板3-5、固定侧板3-6和电磁铁吸合板3-7组成。

如图1与图7所示，固定底板3-1上垂直设置两个固定侧板3-6，活动滑槽1-1嵌入在两个固定侧板3-6之间；活动滑槽1-1的底部与固定底板3-1贴合安装，活动滑槽侧板1-1-2与固定侧板3-6贴合安装。

如图6所示，门轴3-4两端分别通过固定金属块3-3安装在活动滑槽1-1的侧板1-1-2上；固定金属块3-3上设有相互垂直的圆柱形孔洞和矩形槽，并通过矩形槽固定安装在活动滑槽侧板1-1-2上缘。门轴3-4上固定设有闸门板3-5和电磁铁吸合板3-7，两者之间保留间隙以用于装入活动滑槽1-1的侧板1-1-2且使闸门板3-5能自由开启。电磁铁吸合板3-7有两块并分别设于闸门板3-5两侧，与门轴3-4固定连接；相应地，电磁铁3-2有两组，分别位于活动滑槽1-1两侧；电磁铁3-2位于固定侧板3-6和铁质的电磁铁吸合板3-7之间。电磁铁3-2的一端与固定侧板3-6固定连接，另一端与电磁铁吸合板3-7在通电的情况下通过电磁力吸合。电磁铁3-2通过电缆接至电源。

如图8所示，搅拌装置4包括圆柱状转轴4-1，转轴上设置多个扇叶4-2，扇叶交错布置，圆柱状转轴4-1通过连接件接至液压驱动装置。

如图9所示，本发明中高超重力环境的泥石流实验系统包括一台转臂式离心装置，其主机5-1上对称设有两根转臂，在转臂的端部分别安装吊篮5-2；在其中一个吊篮5-2中安装所述泥石流实验装置5-4，在另一个吊篮5-2中安装与泥石流实验装置5-4等重的配重块5-3。

下面以具体实施例子，对本发明的实现方式进行详细描述：

活动滑槽1-1的横向剖面为槽型，活动滑槽1-1一端设有活动滑槽端板1-1-1，另一端不设端板。固定滑槽1-2的横向剖面也为槽型，固定滑槽1-2的两端均带端板，一为固定滑槽前端板1-2-1，另一位固定滑槽后端板1-2-2；在矩形滑槽一端的上角，做一斜切，使矩形滑槽变为固定滑槽1-2，也使得固定滑槽的正视图由原来的长方形变成了一个具有三个直角的五边形。因此，固定滑槽是由固定滑槽前端板1-2-1、固定滑槽后端板1-2-2、固定滑槽侧板1-2-3和底板1-4围合而成的半包围结构。活动滑槽1-1不带活动滑槽端板1-1-1的一端与固定滑槽1-2做斜切的一端通过铰接装置1-3铰接，以保证活动滑槽1-1能绕着铰接轴转动，从而坡高与倾角调节装置2能调节活动滑槽1-1的倾角和高度。坡高和倾角调节装置2是由若干个带凸起的垫块2-1和连接板2-2组成，活动滑槽1-1底部的固定底板3-1连接至连接板2-2，通过调节垫块的数量，可以控制活动滑槽1-1的倾角与高度。

模型保持与释放装置3由固定底板3-1、电磁铁3-2、固定金属块3-3、门轴3-4、闸门板3-5、固定侧板3-6和电磁铁吸合板3-7组成。固定底板3-1是一块矩形平板，位于活动滑槽1-1的下方，固定底板3-1比活动滑槽1-1宽，并在活动滑槽1-1两侧留有相等的宽度；固定侧板3-6垂直于固定底板3-1对称布置于活动滑槽1-1两侧；活动滑槽底板1-1-3与固定底板3-1贴合安装。固定侧板3-6对称地布置于活动滑槽1-1两侧。固定金属块3-3起到门轴3-4的作用，固定金属块3-3为一长方体金属块，在固定金属块3-3一端，沿纵向开了一个与活动滑槽侧板1-1-2厚度一致的矩形槽，固定金属块3-3通过矩形槽固定于活动滑槽1-1的上侧边缘处。同时在固定金属块3-3垂直于所开矩形槽方向(即为垂直于活动滑槽侧板1-1-2方向)，开有一圆柱形孔洞，圆柱孔洞约束门轴3-4转动，门轴3-4从固定金属块3-3的圆柱形孔洞中穿过；圆柱孔洞与矩形槽在上下错开，相互垂直。固定金属块3-3对称的布置于活动滑槽1-1上边缘两侧，并与活动滑槽侧板1-1-2的上边缘固定连接。门轴3-4为一圆柱体金属块，直径与固定金属块3-3所开的孔洞一致，长度与固定底板3-1的宽度相同；闸门板3-5与活动滑槽1-1内壁同宽，高度为活动滑槽1-1底至固定金属块3-3的圆柱状孔洞下边缘的垂直距离。在闸门板3-5的两侧，对称布置有电磁铁吸合板3-7。电磁铁吸合板3-7仅与门轴3-4固定连接。门轴3-4穿过的固定金属块3-3的圆柱形孔洞，转动时受到约束。闸门板3-5闭合时垂直于活动滑槽1-1底面。

模型保持-释放装置3中的电磁铁3-2位于固定侧板3-6与电磁铁吸合板3-7之间，电磁铁3-2的厚度等于固定侧板3-6至电磁铁吸合板3-7之间的距离，电磁铁3-2的一端与固定侧板3-6固定连接，另一端与电磁铁吸合板3-7在通电的情况下通过电磁力吸合。在通电的情况下，电磁铁3-2可以产生足够的磁力，吸附电磁铁吸合板3-7从而抑制门轴3-4转动，使闸门板3-5起到保持门后泥石流模型的作用。搅拌装置4位于闸门板3-5之后，用于在试验过程中搅拌泥石流，防止泥石流的水土离析。搅拌装置4由一根圆柱状转轴4-1和若干扇叶4-2构成，圆柱状转轴4-1垂直于活动滑槽1-1的侧板布置，扇叶4-2垂直于圆柱状转轴4-1交错布置，搅拌装置4采用液压驱动以便能在300g超重力下仍具有足够的动力。

为了保证闸门板3-5在300g超重力下的强度和变形满足设计要求，门轴3-4、闸门板3-5和电磁铁吸合板由工厂制造，一体化形成，这里仅仅是为了方便描述而将其拆分开来。

双折滑槽1、固定底板3-1、固定侧板3-6、固定金属块3-3、坡高倾角调节装置2和搅拌装置4均由高强轻质航空铝7075制成，采用航空铝7075才能保证实验装置在300g超重力下的强度和变形要求。

活动滑槽1-1的底板与水平方向的夹角范围为0°-30°，活动滑槽1-1与水平方向的夹角可以通过调节活动滑槽1-1下垫块2-1的数量来逐级调整。根据实际试验的需求，可以调整的角度为0°，10°，15°，20°，25°，30°。

活动滑槽1-1的长度为1.2m，宽度为0.8m，深度为0.6m,固定滑槽1-2的长度为1.8m，宽度为1.4m，深度为0.6m；双折滑槽1的厚度需要通过力学计算，以满足试验过程中对试验滑槽承载力和刚度的要求。

电磁铁吸合板3-7由可以被电磁铁3-2吸附的高强钢材制成，闸门板3-5的厚度为40mm，高度300mm，经过有限元分析设计计算，这样的尺寸可以保证闸门板3-5在300g超重力下的变形能满足试验的要求。

活动滑槽1-1和固定滑槽1-2的底板宽度依次递增，活动滑槽1-1的宽度为800mm,固定滑槽1-2的宽度为1400mm，这样的设计可以使实验装置能够更好的模拟自然界泥石流的扩散现象。

搅拌装置4采用液压驱动，扇叶4-2交错布置，其宽度在50mm-150mm之间，长度为200mm，厚度为20mm，由高强轻质航空铝7075制成，交错布置的扇叶4-2可以将各处的泥石流搅拌充分。

倾角调节装置2中垫块2-1之间、垫块2-1与连接板2-2之间均采用摩擦型高强度螺栓连接，这样的连接方式可以保证整个装置在300g重力下连接部位的相对滑移较小，保证了超重力试验对结构刚度的要求。

本发明所述装置的使用方法：

如图9所示，在离心装置的主机5-1上设置吊篮5-2，将泥石流实验装置5-4放置于吊篮5-2中，通过离心机高速旋转的离心力在试验装置内营造超重力，模拟原模型的应力场。试验时，启动离心机并逐渐加速实验装置随吊篮5-2在离心力的作用下由自由下垂逐渐摆平，装置处的超重力达到300g时，开启闸门释放土体，记录观测土体运动演化过程。在超重力场下，试验模型能够模拟原型应力场，再现土体高速流滑现象。

传统泥石流模拟实验装置将泥石流混合物从滑槽顶部，这样的释放方式会使泥石流混合物有一定的初始速度，这与自然界中泥石流在触发时速度几乎为0的事实不符合，而本装置释放泥石流的方式可以保证泥石流混合物的初始相对速度为0，能很好的再现自然界中泥石流加速滑动的过程。申请人经过有限元程序的计算，在300g超重力条件下，需要依据实验装置采用的材料进行强度和刚度验算的结果设计滑槽的厚度。活动滑槽1-1的长度为1.2m，可以满足泥石流混合物能加速到足够速度的需求；固定滑槽1-2的长度为1.8m，可以满足泥石流混合物在固定滑槽中的滑动不会受到限制的需求。通过这样设计的活动滑槽1-1和固定滑槽1-2，可以在确保在满足试验要求的前提下，尽可能的缩小装置的大小，有助于腾出超重力离心机吊篮内部的空间以放置更多的观测仪器。本装置将活动滑槽1-1和固定滑槽1-2的宽度设计为依次递增，可以实现在自然界中泥石流滑动过程中扩散现象的模拟；装置工作时，由于泥石流流滑的方向垂直于离心加速的方向，泥石流会受科式加速度的作用发生偏转，通过合理的设计计算，设计活动滑槽1-1的宽度为800mm，固定滑槽1-2的宽度为1400mm，这样的宽度设计解决了在300g重力场下泥石流滑动过程中的科式力对泥石流滑动方向偏转的问题。本装置设计的电磁闸门相较于一般的机械式闸门，解决了在300g重力场下不容易产生机械手闸门由于变形过大而卡死导致难以快速打开闸门的现象，可以有效的保证试验的顺利进行。本装置在靠近闸门处设置了搅拌装置4，并且搅拌装置4中的扇叶4-2交错布置，这样设计的搅拌装置4相较于传统的搅拌装置能更好的满足300g超重力下泥石流混合物的搅拌需求，保证泥石流混合物在300g下不会发生泥水分离的现象；根据测算，本装置的最大可以装入0.04m³的泥石流混合物，在300g的重力环境下，可以再现自然界10⁶m³方量的泥石流滑动的物理现象。