一种离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置及试验方法与流程

本发明属于土工离心试验研究坝体防护技术领域，具体涉及一种离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置及试验方法。

背景技术：

长时间的干旱导致土体失水收缩产生裂缝，尤其在全球变暖、城市热岛效应和旱涝灾害日渐频繁发生的背景下，土体开裂现象日趋普遍。作为坝体防渗体系的重要组成部分，粘质土体（铺盖、斜墙等）的防渗性能关乎大坝渗流安全，而粘质土相对较脆弱，在干旱过程中铺盖及斜墙往往裸露于外，持续干旱中会出现裂缝，裂缝的产生破坏了防渗体的完整性，尤其对于厚度较薄的铺盖，在大旱中会有被裂缝贯穿的威胁，随后遭遇旱涝急转工况时存在严重的渗流安全隐患。

土工离心机是岩土工程物理模拟试验的一种试验设备，能模拟土工结构的受力、变形和破坏，验证设计方案，对比分析数值计算结果，直观呈现工程运行形态，在水利及岩土工程领域有较大的应用前景。但目前对于特殊工况的模拟，离心机试验中多为先在常重力加速度下设置某一工况后再进行n倍加速度模拟，变换工况时一般需将模型调整为常重力加速度进行切换。

因此，需要研究出一种持续n倍加速度下工况自动切换的离心机试验装置，对进一步模拟出与工程实际相符的试验结果具有重要意义。

技术实现要素：

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置及试验方法，能够在持续n倍加速度下模拟及切换旱涝急转工况，获取试验过程中裂缝变化情况以及水库坝坡基质吸力、孔隙水压力变化规律。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置，包括模型箱、干旱模拟系统、降雨模拟系统、图像采集装置、工况切换系统；

所述模型箱采用透明材质，且上端开口；所述模型箱内填筑有坝体模型，所述坝体模型包括坝体前部粘土铺盖、坝体上部粘土斜墙、坝体后部透水层、坝体底部透水层；

所述坝体模型上埋设有多组传感器，用于采集坝体模型埋设点处的土壤水分、基质吸力、孔隙水压力；

所述模型箱底部开设有一个或多个可选开启或闭合的排水孔，用于便于进行排水试验；

所述干旱模拟系统，用于对坝体模型进行加热失水，实现坝体模型的干旱模拟；

所述降雨模拟系统，用于对坝体模型提供水源进行喷水，实现坝体模型的降雨模拟；

所述图像采集装置，用于对坝体模型进行图片采集；

所述工况切换系统，用于获取坝体模型的图像信息，对图像中坝体模型的裂缝进行识别分析裂缝扩展情况，并根据裂缝扩展情况，判断是否将干旱工况切换为降雨工况，根据判断结果，发出信号控制干旱模拟系统、降雨模拟系统工作或停止工作。

2.根据权利要求1所述的离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置，所述工况切换系统默认先进行干旱工况，根据判断结果发出信号，信号输出端与继电器转换开关的输入端相连，转换开关的输出端分别与干旱模拟系统、降雨模拟系统相连。

作为优选方案，所述干旱模拟系统包括长弧氙灯和风机；所述长弧氙灯用于模拟太阳光，安装在所述模型箱内壁上部；所述风机安装在长弧氙灯下方，用于加快空气流动从而加速水分蒸发。

作为优选方案，所述降雨模拟系统包括供水储水箱、水泵、输水管、喷头；供水储水箱中的水通过水泵与输水管连通，输水管的出口连接设置喷头，通过喷头进行喷水，实现坝体模型的降雨模拟。

进一步的，所述模型箱内设置有高度可调节的液位开关，所述液位开关与水泵的电路并联，用于在降雨模拟工况时，通过液位开关控制水泵的工作使所述模型箱内的水位维持在设定高度。

作为优选方案，所述的离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置，每组传感器包括土壤水分传感器、基质吸力传感器、孔隙水压力传感器。

作为优选方案，所述图像采集装置采用相机、摄像头。

作为优选方案，所述的离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置，所述模型箱底部排水孔下方设置有排水储水箱，用于收集从排水孔排出的水；

所述排水孔设置有相配套的密封堵头。

作为优选方案，所述坝体模型底部与模型箱接触部位设有土工布，防止排水试验时土颗粒的流失。

进一步的，所述工况切换系统的工作方法包括：

干旱工况下，控制长弧氙灯和风机工作；并获取图像采集装置采集的图像，对图像进行处理、识别图像中的裂缝，分析比较一段时间内采集到的图像中的裂缝宽度变化，响应于判断间隔一定时间前后图像中裂缝宽度相同，发出指令控制长弧氙灯和风机停止工作，并控制水泵工作，干旱工况切换为降雨工况；

降雨工况下，响应于模型箱内部水位上升达到液位开关的设定高度，液位开关闭合，切断水泵电路，水泵停止工作；

响应于模型箱内部水体的下渗或排水，水位下降低于液位开关的设定高度，液位开关断开，水泵电路连通，水泵开始工作；

并获取传感器实时采集的坝体模型埋设点处的土壤水分、基质吸力、孔隙水压力信息。

另一方面，本发明还提供一种离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验方法，包括：

1）根据工程现场实际情况选取级配合理的砂石料，在模型箱内填筑与现场相同密度及含水率的坝体模型，埋设多组传感器，每组传感器包括土壤水分传感器、基质吸力传感器、孔隙水压力传感器；

2）在供水储水箱内注满水，设定水泵功率，根据试验需求选择模型箱底部排水孔的打开与关闭；

3）将模型箱置于土工离心机的一个吊斗中，离心机的另一个吊斗中放置配重，调整图像采集装置角度用于拍摄坝体前部粘土铺盖、坝体上部粘土斜墙；

4）打开工况切换系统电源，设定离心机的运行g值和运行时间并开启离心机；先进行干旱工况，控制长弧氙灯和风机工作，长弧氙灯加热与风机加快空气流动促进水分快速蒸发；图像采集装置设定为每隔一段时间进行一次图像采集，将采集的图像进行灰度处理识别，比较采集的图像中裂缝宽度变化，当间隔一定时间前后图像中裂缝宽度相同时认为干旱已完成，此时计算机中发出程序指令通过继电器切换为降雨工况，控制水泵工作；

5）降雨工况进行初期水流会深入土体，待土体饱和后会形成积水，水位不断上升，当水位触及液位开关后此开关闭合自动断开水泵电路；由于水体的不断下渗及排水，土层上部水位会下降，当降至液位开关之下时，此时液位开关断开，继续进行降雨模拟，保证水位的稳定直至试验结束；

6）实时记录各组传感器所采集到的数据。

有益效果：本发明提供的离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置及试验方法，粘土体受旱会产生干缩裂缝，此时旱涝急转工况出现，坝体渗流场急剧变化，传统试验研究方法主要在常重力加速度下进行试验或在工况变换时切换回常重力加速度，以及肉眼观察裂缝的变化决定工况变换的时机，而鲜有涉及持续n倍重力加速度时旱涝急转工况的自动转换下的水库大坝渗透破坏模拟试验，本发明创造性地通过设计离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置，能够通过数字图像识别技术获取裂缝的扩展情况，判定模拟干旱的程度。裂缝趋于稳定后可自动切换至降雨工况，实现旱涝急转工况的变换。通过孔隙水压力传感器、水分传感器和基质吸力传感器采集的数据分析旱涝急转下坝体存在裂缝时渗流性态，模拟出的结果更贴近工程实际情况。

具体来说：1）本发明可以在离心机中持续n倍重力加速度条件下完成旱涝急转工况中干旱与降雨的切换，通过模拟各种不同旱涝急转条件来分析不同干旱条件对坝体裂缝的影响，不同降雨强度、降雨历时等条件下坝体渗流场变化。

2）本发明可在线获取裂缝的长度、宽度等参数，更为精确地分析裂缝变化与土体基质吸力之间的关系。实时获取的孔隙水压力、基质吸力、裂缝发展的演化规律，为精确分析裂缝对大坝渗流场的影响提供了便利条件，为旱涝急转情况下大坝的维护提供了理论依据，从而减小了大坝失事发生的可能性。

3）本发明具有原理简单、操作便利、监测快捷、可多次利用、试验容错率高等优点。

附图说明

图1为实施例中离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置的结构示意图；

图2是本发明的旱涝工况自动切换设备线路图。

图中：模型箱1、坝体模型2、供水储水箱3、水泵4、输水管5、雾化喷头6、相机7、长弧氙灯8、风机9、液位开关10、排水储水箱11、排水孔12、挂钩13、土壤水分传感器14、基质吸力传感器15、孔隙水压力传感器16。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以还包括不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明涉及一种离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置及试验方法，该装置包括模型箱、干旱模拟系统、降雨模拟系统、图像采集装置、工况切换系统，在选取试验材料制备模型、调试试验设备后进行离心试验。

所述模型箱1采用透明材质，且上端开口；所述模型箱1内填筑有坝体模型2，所述坝体模型2包括坝体前部粘土铺盖、坝体上部粘土斜墙、坝体后部透水层、坝体底部透水层；优选的，上部粘土防渗体与底部砂石料透水层；

所述坝体模型2上埋设有多组传感器，用于采集坝体模型2埋设点处的土壤水分、基质吸力、孔隙水压力；

所述模型箱1底部开设有一个或多个可选开启或闭合的排水孔12，用于便于进行排水试验；

所述干旱模拟系统，用于对坝体模型2进行加热失水，实现坝体模型2的干旱模拟；

所述降雨模拟系统，用于对坝体模型2提供水源进行喷水，实现坝体模型2的降雨模拟；

所述图像采集装置，用于对坝体模型2进行图片采集；

所述工况切换系统，用于获取坝体模型2的图像信息，对图像中坝体模型2的裂缝进行识别分析裂缝扩展情况，并根据裂缝扩展情况，判断是否将干旱工况切换为降雨工况，根据判断结果，发出信号控制干旱模拟系统、降雨模拟系统工作或停止工作。

进一步的，所述工况切换系统默认先进行干旱工况，根据判断结果发出信号，信号输出端与继电器转换开关的输入端相连，转换开关的输出端分别与干旱模拟系统、降雨模拟系统相连。

进一步的，所述模型箱1采用透明有机玻璃制成，用于坝体模型的填筑，所述坝体模型2采用风化石渣料制成且包含上部粘土防渗体与底部砂石料透水层。

进一步的，所述干旱模拟系统包括长弧氙灯8以及风机9；所述长弧氙灯8用于模拟太阳光，安装在所述模型箱1内壁上部；所述风机9安装在长弧氙灯8下方，用于加快空气流动从而加速水分蒸发。

所述降雨模拟系统包括供水储水箱3、水泵4、输水管5、雾化喷头6；供水储水箱3中的水通过水泵4与输水管5连通，输水管5的出口连接设置雾化喷头6，通过雾化喷头6进行喷水，实现坝体模型2的降雨模拟。

所述模型箱1内设置有高度可调节的液位开关10，所述液位开关10与水泵4的电路并联，用于在降雨模拟工况时，通过液位开关10控制水泵4的工作使所述模型箱1内的水位维持在设定高度。

每组传感器包括土壤水分传感器14、基质吸力传感器15、孔隙水压力传感器16。

所述模型箱底部排水孔下方设置有排水储水箱，用于收集从排水孔排出的水；所述排水孔设置有相配套的密封堵头。

作为优选方案，所述坝体模型底部与模型箱接触部位设有土工布，防止排水试验时土颗粒的流失。

具体的，工况切换系统的工作方法为：

干旱工况下，控制长弧氙灯8和风机9工作；并获取图像采集装置采集的图像，对图像进行处理、识别图像中的裂缝，分析比较一段时间内采集到的图像中的裂缝宽度变化，响应于判断间隔一定时间前后图像中裂缝宽度相同，发出指令控制长弧氙灯8和风机9停止工作，并控制水泵4工作，干旱工况切换为降雨工况，

降雨工况下，

响应于模型箱1内部水位上升达到液位开关10的设定高度，液位开关10闭合，切断水泵4电路，水泵4停止工作；

响应于模型箱1内部水体的下渗或排水，水位下降低于液位开关10的设定高度，液位开关10断开，水泵4电路连通，水泵4开始工作；

获取传感器实时采集的坝体模型2埋设点处的土壤水分、基质吸力、孔隙水压力信息。

该试验方法通过图像识别分析裂缝扩展情况实现ng加速度下旱涝急转工况的自动转换，并通过孔隙水压力计、土壤水分传感器、基质吸力传感器所测数据进行裂缝影响渗流的分析。本发明可以分析原型坝坡旱涝急转工况下裂缝对渗流的影响，为水库大坝安全运行、应急防范和决策提供技术支持。

实施例一

本实例的离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置如图1所示，包括模型箱1、供水储水箱3、排水储水箱11。

所述模型箱1中填筑有坝体模型2，坝体模型2包括坝前粘土铺盖、上游面粘土斜墙、坝后透水层、坝底透水层。本实施例的粘土层优选采用待模拟的坝体现场开挖的粘土制成，试验之前先进行土体基本参数测定，包括土体最大干密度、最优含水率、液限、塑限、饱和渗透系数等。所述粘土的颗粒级配和初始含水率与原状土的颗粒级配和初始含水率相同。坝体模型2的填筑碾压时分层进行，为了控制每次的填筑高度，可在填筑开始前在透明有机玻璃外壁上标出高度，垂直及水平方向以5cm为一格标注。为避免分层填筑产生填筑缝，在每完成一次填筑后将土体表面打毛，再进行上一层的填筑。由于黏土与环境箱外壁有机玻璃接触可能不够紧密，在模型制作时需着重将靠近外壁的黏土反复碾压，尽可能做到不留缝隙，必要时可在外壁及前端有机玻璃内侧粘附上一层土工膜，可以起到防渗的作用。坝体模型2底部布设一层土工布，防止排水试验时土颗粒的流失。上游、下游坝坡的长度、坝顶的宽度、坝体分区按模拟的工程实例缩尺换算确定。

模型箱1与供水储水箱3通过玻璃胶连接为一体，供水储水箱3底部固定有水泵4，水泵4可事先根据需求选择供水功率，与水泵4相连的是输水管5，输水管5上安装有三个雾化喷头6。三个雾化喷头6均安装在模型箱1靠左位置，尽量避免降雨落至坝后透水层。

模型箱1内部安装有长弧氙灯8，长弧氙灯8的下部位置设有风机9，位于风机9下方安装有可上下调节高度的液位开关10，长弧氙灯8与风机9均设有雨棚遮挡，防止降雨过程中雨水喷洒在干燥设备上造成短路，干旱中长弧氙灯8的光照强度与风机9风速可调节。

本实施例中，所述图像采集装置采用相机7，模型箱1内部上空悬挂有定时曝光拍照的相机7，相机7所拍摄照片可直接在计算机中查看及分析。相机7镜头设有防水防雾贴膜。

模型箱1底部设有三个排水孔12，排水孔12为配备有对应螺丝的内螺纹旋孔。在模型箱1下面挂有排水储水箱11，模型箱1与排水储水箱11之间采用两个挂钩13扣紧。

本实施例中坝体模型2上共埋设有四组传感器，分别位于粘土铺盖中部，粘土斜墙中部与底部，以及坝体底部透水层上游端；每组传感器包括一个基质吸力传感器15以及分别设置在该基质吸力传感器15前方（本发明中以朝向下游方向为前方）的一个土壤水分传感器14、设置在该基质吸力传感器15后方的一个孔隙水压力传感器16。每组传感器中孔隙水压力传感器16和土壤水分传感器14与基质吸力传感器15的距离分别为5cm。

本实施例的模型箱1由前、后、左、右和底板五块有机玻璃板制成，前后两块有机玻璃板相同，厚度3cm，长度100cm，高度80cm，左右两块有机玻璃板相同，厚度3cm，宽度60cm，高度80cm，有机玻璃底板厚度3cm，长度100cm，宽度60cm。供水储水箱3由前、后、左、右、底板及顶板六块有机玻璃板制成，前后两块有机玻璃板相同，厚度3cm，长度40cm，高度30cm，左右两块有机玻璃板相同，厚度3cm，宽度60cm，高度30cm，有机玻璃底板与顶板厚度3cm，长度40cm，宽度60cm。供水储水箱3左侧有机玻璃顶部开有直径3cm的圆孔用于引出输水管5，供水储水箱3顶部有机玻璃左侧开有直径5cm圆孔用于试验前注水。排水储水箱11由前、后、左、右和底板5块有机玻璃板制成，前后两块有机玻璃板相同，厚度3cm，长度100cm，高度15cm，左右两块有机玻璃板相同，厚度3cm，宽度60cm，高度15cm，有机玻璃底板厚度3cm，长度100cm，宽度60cm。

在一些实施例中，旱涝工况自动切换设备线路如图2所示。线路包括交流电电源、总开关、计算机、驱动程序模块、继电器调节开关、长弧氙灯、风机、水泵、保护电容以及液位开关。其中干旱模拟系统下的长弧氙灯与风机采用并联的形式，降雨模拟系统中的水泵与液位开关也采用并联的形式。由于液位开关闭合后水泵线路会短路，因此在水泵线路上配备一个保护电容。干旱系统与降雨系统采用并联方式连接，通过继电器接收来自计算机的指令进行线路选择。在干旱模拟系统中确定该过程何时停止的基础是数字图像识别技术分析的裂缝变化情况。

实施例二

本实施例是实施例一中的离心机模拟旱涝急转工况分析裂缝渗流的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1）根据工程现场实际情况选取级配合理的砂石料，在模型箱内填筑与现场相同密度及含水率的坝体模型，埋设多组传感器，每组传感器包括土壤水分传感器14、基质吸力传感器15、孔隙水压力传感器16；

2）在供水储水箱内注满水，设定水泵功率，根据试验需求选择模型箱底部排水孔的打开与关闭；

3）将模型箱置于土工离心机的一个吊斗中，离心机的另一个吊斗中放置配重，调整图像采集装置相机角度用于拍摄坝体前部粘土铺盖、坝体上部粘土斜墙；

4）打开工况切换系统电源，设定离心机的运行g值和运行时间并开启离心机；先进行干旱工况，控制长弧氙灯8和风机9工作，长弧氙灯加热与风机加快空气流动促进水分快速蒸发；图像采集装置设定为每30分钟进行一次图像采集，将采集的图像调入matlab进行灰度处理，比较采集的图像中裂缝宽度变化，当间隔一定时间前后图像中裂缝宽度相同时认为干旱已完成，此时计算机中发出程序指令通过继电器切换为降雨工况，控制水泵4工作；

5）降雨工况进行初期水流会深入土体，但土体饱和后会形成积水，水位不断上升，当水位触及液位开关后此开关闭合自动断开水泵4电路；由于水体的不断下渗及排水，土层上部水位会下降，当降至液位开关之下时，此时液位开关断开，继续进行降雨模拟，保证水位的稳定直至试验结束；

6）实时记录各组传感器所采集到的数据。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。