一种用于离心模型试验的模拟降雨装置及方法与流程

本发明属于土工离心模型试验领域，具体涉及一种能够在土工离心模型试验中实现强度可控、区域可控的降雨模拟系统。

背景技术：

离心模型试验是土木工程及其相关学科中一种极为重要的科研手段，它以离心力模拟重力，使小比尺模型具有和原型相同的应力应变过程，克服了常规模型试验因尺寸缩小而带来的应力损失。虽然起步较晚，但是由于其试验效果好、应用范围较为广泛，国内各大高校和科研院所竞相引进，促进了该项技术的发展。目前我国的土工离心机性能逐渐提升，功率已突破500gt，振动台、机械手、光纤通道等模拟设备逐渐普及。但是，在离心机中模拟降雨却一直未得到很好的解决，限制了离心机的试验范围。雨水会对岩土体的粘聚力、抗剪强度等造成影响，继而引发很多工程问题，比如边坡稳定问题的主要诱发因素就是降雨和地震。国内外很多学者对此已有研究，但是仍有很多问题没有解决。清华大学国家重点实验室自主研制了离心场降雨模拟系统，该套系统比较复杂并且需要加工模型箱。长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室研制了一套降雨模拟方法，主要有盛水箱、过滤层、渗透层等组成，其中盛水箱一侧为蓄水箱，另一侧为渗透层和过滤层。该系统也较为复杂，但是并不能对降雨过程进行控制。中国路桥工程有限责任公司联合清华大学研发的离心机降雨装置增加了加压部件对密闭水箱内气压进行控制，进而控制某个喷头的降雨强度。虽然有很多研究学者已经研发了土工离心模型试验降雨装置，但是效果并不理想，仍然存在各种不同问题。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种用于离心模型试验的模拟降雨装置及方法，该装置造价低、结构简单，不但能够实现均匀降雨，并且可以对降雨区域和降雨强度进行控制，实现不同区域和不同强度的降雨模拟。通过标定板可以在试验前确定在试验过程中下雾化喷头降水覆盖范围，以实现对降雨范围的精确控制。

为了达到上述模拟效果，本发明采用如下的解决方案：

一种用于离心模型试验的模拟降雨装置，包括离心室外部水源(4)、输水管(5)、旋转接头(6)、电磁阀(7)、分流器(8)、支流管(9)、流量计(10)、2个水压传感器(11)、调节阀(12)、雾化喷头(13)和雾化喷头固定板(14)，其中雾化喷头固定板(14)上布置有若干喷头固定孔(15)和若干螺栓孔(16)；还包括降雨标定板(17)、一组不同高度的降雨标定板支架(18)；其中降雨标定板(17)和降雨标定板支架(18)上均布置有若干螺栓孔(16)，降雨标定板(17)外部轮廓和尺寸与模型箱内部轮廓和尺寸相同，降雨标定板(17)放入模型箱后能够和模型箱完全贴合；雾化喷头固定板(14)和降雨标定板支架(18)通过螺栓孔(16)固定到模型箱(19)上；

旋转接头(6)的入水口和出水口分别连接输水管(5)，其中与旋转接头(6)的入水口连接的输水管(5)外接离心室外部水源(4)，与旋转接头(6)的出水口连接的输水管(5)进入离心室后沿离心机转臂布置，依次接入电磁阀(7)和流量计(10)、第一个水压传感器(11)、水压调节阀(12)和第二个水压传感器(11)，然后由分流器(8)连接支流管(9)，每根支流管(9)上个连接若干个雾化喷头(13)；雾化喷头(13)通过喷头固定孔(15)固定在雾化喷头固定板(14)上，雾化喷头固定板(14)通过螺栓固定在模型箱上(19)；在进行标定操作时，降雨标定板(17)通过螺栓固定在降雨标定板支架(18)上，降雨标定板支架(18)通过螺栓固定在模型箱(19)上，降雨标定板(17)上铺满试验所用土体，通过采用不同高度的降雨标定板支架(18)调节降雨标定板(17)内的土体距离雾化喷头(13)的距离。

所述的模拟降雨装置，所述的输水管(5)采用高强pu管，规格为tu10*6.5，外径10mm，内径6.5mm，可耐压力1mpa，，工作温度-5℃～100℃，其长度可按照试验具体需求布置。

所述的模拟降雨装置，所述的旋转接头(6)为360°旋转接头，一进一出型，适用于4-10mm气管，能够与输水管(5)相连接。

所述的模拟降雨装置，所述的雾化喷头(13)采用守望者fn喷嘴，工作压力6.9bar～11.8bar，平均颗粒直径40～28μm，喷雾形状为60°实心圆锥。

所述的模拟降雨装置，所述的雾化喷头固定板(14)采用铝合金板制作，其长度比所采用模型箱长40cm，其宽度比模型箱度20mm，两端布置两个螺栓孔用于将雾化喷头固定板(14)固定在模型箱上，中间布置若干大小与雾化喷头(13)相匹配的喷头固定孔(15)用于布置喷头。

所述的模拟降雨装置，所述的降雨标定板(17)采用铝合金板制作，其大小与所采用模型箱大小相匹配；中部矩形区域向下凹陷10cm，用于容纳土体，降雨标定板(17)的两个长边布置若干螺栓孔用于固定降雨标定板支架(18)。

所述的模拟降雨装置，所述的降雨标定板支架(18)采用铝合金板制作，用于固定标定板(17)，其形状为直角z字型。

根据所述的模拟降雨装置进行模拟降雨的方法，包括以下步骤：

第一步：布设输水系统；首先利用旋转接头将离心室外部水源接入离心室直至模型箱；在输水管上依次安装并固定电磁阀、流量计、水压传感器、调节阀；在模型箱上空利用分流器将输水管分流并连接支流管，分流数量根据试验需要确定；在支流管的末端连接雾化喷头，雾化喷头固定在雾化喷头固定板上，雾化喷头固定板通过螺栓固定在模型箱上；

第二步：标定喷头覆盖区域；根据实验选择所需高度的降雨标定板，在降雨标定板上安装固定该降雨降雨标定板支架，然后利用降雨标定板支架将降雨标定板固定在模型箱上；利用螺栓将雾化喷头固定板固定在模型箱上，并布设一个雾化喷头在模型箱的中部区域，并在降雨标定板上铺满试验所用土体；在重力条件下模拟降雨，通过测量标定板上土体的湿润区域确定在重力条件下单个雾化喷头的降雨覆盖区域；然后启动离心机并提高到试验所需转速，打开电磁阀进行降雨模拟后停机；停机后再次测量标定板上所铺设试验土体湿润区域则可以确定在试验条件下单个雾化喷头的降雨覆盖区域；通过对比两次降雨覆盖区域即可确定在试验过程中雾化喷头降雨区域的偏转量，以及在试验过程中雾化喷头位置与降雨覆盖区域之间的关系；根据该关系与试验所需要降雨覆盖面积，确定雾化喷头的数量及布设间距；

第三步：根据在监测过程中确定的雾化喷头覆盖面积与偏转量，结合试验所需降雨面积，确定各个雾化喷头固定板之间的布设间距，即雾化喷头的横向间距，以及各个雾化喷头在雾化喷头固定板上的固定间距，即雾化喷头的纵向间距，通过调节阀和水压传感器控制模拟雨滴的大小来实现不同强度的降雨，通过流量计控制模拟降雨的总降水量，来控制降雨历时。

本发明的优点如下：

本发明以较为简单的构件建立了一种能够在土工离心机中实现降雨的模拟装置，该装置结构简单、操作简便，能够配套各种尺寸的土工离心机模型箱，通过雾化喷头的雾化效果实现均匀降雨、从根源上消除了水滴过大对试验模型造成冲击的问题，能够通过调节阀控制水压以实现不同强度的降雨，通过降雨喷头的布置可以控制降雨区域。

附图说明

图1为降雨装置结构连接示意图；

图2为雾化喷头固定板设计图；

图3为降雨标定板和降雨标定板支架设计图；

图4为降雨标定板安装示意图；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

如图1所示：一种用于离心模型试验的模拟降雨装置，该降雨装置包括输水系统、降雨模拟系统和标定系统。其中，所述输水系统包括离心室外部水源、输水管、旋转接头、2个水压传感器、调节阀、电磁阀、流量计、分流器、支流管组成，所述降雨模拟系统包括雾化喷头和雾化喷头固定板，其中雾化喷头固定板上布置有若干喷头固定孔和2个螺栓孔。所述标定系统包括降雨标定板、降雨标定板支架。其中降雨标定板和降雨标定板支架上均布置有螺栓孔。

输水系统：为雾化喷头提供水源并调节水压。采用离心室外部水源作为水源，例如试验室内的自来水等水源。水通过输水管传输并连接各个部件，最后进入雾化喷头。由于离心室内模型箱、转臂等部件在试验过程中高速旋转，因此需要用到旋转接头。旋转接头的作用是连接在试验过程中高速旋转的离心室内部输水管和不旋转的外部输水管。电磁阀是输水管的开关。分流器的作用是分流水，将输水管中的水分流到各个支流管中，再由支流管为雾化喷头提供水。在具体试验过程中，输水管长度及布设、旋转接头位置、支流管长度及布设和电磁阀的布设根据离心室具体情况决定。

降雨模拟系统：包括雾化喷头和雾化喷头固定板。本发明采用的雾化喷头为上海守望者雾化喷头，在6.9bar～11.8bar的压力下雾化粒径20～40μm，喷雾形状为60°实心圆锥形，雾化极其均匀。第一个水压传感器的作用是监测输水管道内的水压，调节阀的作用是调节输水管中的水压，第二个水压传感器的作用是监测调节后的水压。通过两个水压传感器和调节阀可以控制输水管及支流管中的水压，进而控制雾化粒径。流量计的作用是监测模拟降水的水量，对降雨历时进行控制。通过水压调节和流量计的协同工作即可实现各强度的降雨模拟。

雾化喷头固定板的作用是布置并固定雾化喷头。雾化喷头固定板上布置的喷头固定孔大小与雾化喷头相适应，用于将雾化喷头固定。雾化喷头固定板有固定孔间距10cm、20cm、30cm等几种型号，可根据试验过程中雾化喷头形成的圆锥面积确定。雾化喷头固定板两端的螺栓孔用于将雾化喷头固定板固定在模型箱上。雾化喷头固定板沿模型箱长度方向布置，其间距取决于试验过程中雾化喷头形成的圆锥面积。

标定系统：降雨标定板的作用是在试验前确定在试验条件下模型雨滴的覆盖范围及模型雨滴对试验土体的冲击程度。降雨标定板如附图3所示，采用铝合金制作。降雨标定板为一矩形板，底部为凹槽状的容器。降雨标定板可以通过不同高度的降雨标定板支架和螺栓固定在模型箱上。

结合附图1～附图4，具体说明降雨的模拟方法。

第一步：布设输水系统。首先利用旋转接头将离心室外部水源接入离心室直至模型箱。在输水管上依次安装并固定电磁阀、流量计、水压传感器、调节阀。在模型箱上空利用分流器将输水管分流并连接支流管，分流数量根据试验需要确定。在支流管的末端连接雾化喷头，雾化喷头固定在雾化喷头固定板上，雾化喷头固定板通过螺栓固定在模型箱上。

第二步：标定喷头覆盖区域。在试验正式开始前，首先根据实验选择所需高度的降雨标定板之间，在降雨标定板上安装固定该降雨降雨标定板支架，然后利用降雨标定板支架将降雨标定板固定在模型箱上。利用螺栓将雾化喷头固定板固定在模型箱上，并在模型箱的中部区域布设一个雾化喷头，并在降雨标定板上铺满试验所用土体。在重力条件下模拟降雨，通过测量标定板上土体的湿润区域确定在重力条件下单个雾化喷头的降雨覆盖区域。然后启动离心机并提高到试验所需转速(图1中旋转接头以下部件都将在离心机带动下一起在水平面内转动)，打开电磁阀进行降雨模拟后停机。停机后再次测量标定板上所铺设试验土体湿润区域则可以确定在试验条件下单个雾化喷头的降雨覆盖区域。通过对比两次降雨覆盖区域即可确定在试验过程中雾化喷头降雨区域的偏转量，以及在试验过程中雾化喷头位置与降雨覆盖区域之间的关系。根据该关系与试验所需要降雨覆盖面积，确定雾化喷头的数量及布设间距。

第三步：根据在监测过程中确定的雾化喷头覆盖面积与偏转量，结合试验所需降雨面积，确定各个雾化喷头固定板之间的布设间距(即雾化喷头的横向间距)和各个雾化喷头在雾化喷头固定板上的固定间距(即雾化喷头的纵向间距，可通过采用不同间距的雾化喷头固定板控制)。通过调节阀和水压传感器控制模拟雨滴的大小来实现不同强度的降雨，通过流量计控制模拟降雨的总降水量，来控制降雨历时。设定完之后即可进行试验。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。