一种泥石流韧性防护结构的离心模型试验装置的制作方法

本发明涉及工程地质领域，尤其是涉及一种泥石流韧性防护结构的离心模型试验装置。

背景技术：

大陆强震对地表地质过程的影响是深远的。强震扰动区，即受近场和远场地震活动影响的地区，表生地质灾害可在相当长一段时间内保持较高的活动水平，并造成巨大的损失。例如，2008年汶川地震，一方面，同震触发的大量滑坡、崩塌灾害为后震型泥石流的孕育提供了丰富的物源；另一方面，强烈的地震扰动下，坡体被震裂、松动，形成了大量的不稳定斜坡。因此，在极端气候条件下，极易形成泥石流灾害，例如绵竹清平乡文家沟泥石流及汶川县映秀镇红椿沟泥石流等，造成数十人伤亡，直接或间接经济损失高达数亿元。

拦挡结构是目前泥石流灾害的主要防治工程措施。采用混凝土修筑的拦砂坝刚度大、整体性好，可有效降低泥石流的速度和流量。但是韧性，即受损后的可恢复性较差。一旦在泥石流巨大的冲击作用下发生破坏，往往只能重新修筑，经济成本和时间成本均较大，不利于灾后快速恢复重建。近年来，柔性防护结构，因其具有较高的冲击能量耗散效率且韧性程度高，在崩塌落石灾害防治中已经得到了广泛的应用。现有部分案例将其引入到泥石流灾害防治中，但由于泥石流冲击荷载与块石冲击荷载具有明显的差异性，且泥石流具有更为复杂流变学特性，因此目前更多的还是停留在研发试验阶段，尚未形成完备的设计规范。柔性结构主要包括支撑立柱、锚拉装置、横向钢索、耗能装置及面网，能量耗散装置是核心部件。关于柔性结构在泥石流防治设计中应用的研发工作面临的科学挑战主要表现在：泥石流与此类柔性结构的相互作用机理依然未被工程设计人员深刻认识。这一问题的解决受研究手段制约：

(1)基于原型尺度的柔性结构受泥石流冲击测试，试验成本十分巨大；

(2)基于中小尺度的测试，柔性结构的变形特性难以很好的保留，而且由于尺度效应，泥石流的流变学特性难以有效模拟。

因此，亟需开发有效的结构模型试验方法，推动新型泥石流防治工程结构的发展。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种泥石流韧性防护结构的离心模型试验装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种泥石流韧性防护结构的离心模型试验装置，包括：

底板，设置于离心机室内；

模型箱，一侧为透明面，设置于所述底板上，其内部用于模拟泥石流-拦挡结构相互作用过程；

滑面，设置在所述模型箱内的底部，包括倾斜段和水平段；

柔性拦挡结构，设置在模型箱内所述滑面的末端，并与滑面连接；

相机，通过相机支架固定于所述底板上，相机的镜头朝向所述模型箱的透明面，所述相机支架可支持相机水平和竖直方向的位置调节。

优选的，所述柔性拦挡结构包括立方体形的结构框架，所述结构框架在朝向滑面的一侧设有附着于第一水平钢索上的网片，所述结构框架中设有多条垂直于所述网片的第二水平钢索，所述第二水平钢索上分别设有拉力传感器或者高强度拉簧。

优选的，所述结构框架包括设置在模型箱底部的底梁，所述底梁通过与滑面锚固在一起，所述底梁在靠近滑面的一端的两侧设有两根立柱，在另一端的两侧设有两根竖直支杆，所述立柱与同侧的竖直支杆之间设有多根水平支杆。

优选的，所述立柱中固定有多个第一滑轮和第二滑轮，所述第一水平钢索两端分别通过第一滑轮与两根立柱连接，所述第二水平钢索的一端通过第二滑轮与立柱连接，另一端与对应立柱同侧的竖直支杆连接，并设有控位器。

优选的，所述第二水平钢索设置在水平支杆之间，设有高强度拉簧的所述第二水平钢索上还设有启动装置，所述启动装置与水平支杆刚性连接；高强度拉簧和启动装置组成可重复使用的耗能装置，启动装置的激发受第二水平钢索的拉力控制，在启动装置未激发之前，对第二水平钢索起固定作用，在启动装置激发后，第二水平钢索脱离启动装置后自由拉伸。

优选的，所述启动装置包括上下相对设置的固定板和压板，启动装置通过固定板与水平支杆刚性连接，所述固定板和压板之间通过丝杆将硅胶垫夹紧在两者之间，所述丝杠在压板和固定板之间设有压簧，所述丝杠在压板的一端设有定位器，所述硅胶垫中设有钢圈，所述启动装置通过钢圈套在第二水平钢索上。

优选的，设有高强度拉簧的所述第二水平钢索上还设有限位器，所述限位器位于第二水平钢索的一端并内置第二水平钢索可以自由通过的空心套筒。

优选的，设有高强度拉簧的所述第二水平钢索上还设有位移标记片。

优选的，所述水平支杆上设有激光位移计，所述激光位移计的光点打在位移标记片上。

优选的，所述高强度拉簧在一根第二水平钢索上至少设有两个。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、适用于超重力离心试验平台，可实现在原型应力场下研究泥石流与柔性拦挡结构的相互作用机制，解决了尺度效应问题，为结构设计提供科学依据。

2、利用超重力离心机的相似原理，降低了柔性拦挡结构的测试成本，并且本发明涉及的结构模型还具有重复使用、操作简单的优势。

3、极大地还原了柔性拦挡结构的重要变形特征，特别是三段式变形行为，因此可作为柔性结构测试的可靠手段。

4、结构模型功能齐全，可实现对柔性结构不同设计参数的研究，即研究刚度、耗能装置启动荷载和变形大小对柔性结构抵抗泥石流冲击作用的影响。

附图说明

图1为本发明装置的构造示意图；

图2为本发明装置的柔性拦挡结构的主视图；

图3为本发明装置的柔性拦挡结构的左视图；

图4为本发明装置的柔性拦挡结构的右视图；

图5为本发明装置的启动装置构造示意图；

图6为本发明装置的启动装置的工作示意图；

图7为本发明装置的结构力-位移的加载曲线。

图中标注：

1、底板；2、模型箱；3、透明面；4、滑面；5、泥石流；6、相机支架；7、相机；8、柔性拦挡结构；9、立柱；10、第一滑轮；11、第一水平钢索；12、网片；13、底梁；14、高强度螺栓；15、模型箱侧壁；16、拉力传感器；17、启动装置；18、2号拉簧；19、1号拉簧；20、激光位移计；21、位移标记片；22、空心套筒；23、限位器；24、模型箱箱底；25、压板；26、定位器；27、丝杆；28、压簧；29、钢圈；30、硅胶垫；31、第一水平支杆；32、竖直支杆；33、固定板；34、控位器，35、第二水平钢索，36、第二滑轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本申请提出一种泥石流韧性防护结构的离心模型试验装置，适用于超重力离心试验平台，包括：底板1、模型箱2、滑面4、柔性拦挡结构8、相机7和相机支架6。模型箱2设置于离心机室内的底板1上，用于模拟泥石流-拦挡结构相互作用过程，模型箱2设置有透明面3，具体为有机玻璃面，用于相机7捕捉泥石流5冲击过程并反演泥石流运动的速度场及柔性结构的变形。模型箱2和相机支架6固定于底板1上，相对距离的选择视相机7的焦距及分辨率而定。相机支架6可支持相机7水平和竖直位置调节，以更好的捕捉图像。滑面4包含倾斜段和水平段，与模型箱箱底24紧密连接。柔性拦挡结构8安装在倾斜滑面4的末端，通过螺栓与滑面4连接。本装置适用于超重力离心试验平台，可实现在原型应力场下研究泥石流与柔性拦挡结构的相互作用机制，解决了尺度效应问题，为结构设计提供科学依据。

如图2～4所示，柔性拦挡结构8包括立方体形的结构框架，结构框架在朝向滑面4的一侧设有附着于第一水平钢索11上的网片12，结构框架中设有多条垂直于网片12的第二水平钢索35，第二水平钢索35上分别设有拉力传感器16或者高强度拉簧。结构框架包括设置在模型箱2底部的底梁13，底梁13通过与滑面4锚固在一起，底梁13在靠近滑面4的一端的两侧设有两根立柱9，在另一端的两侧设有两根竖直支杆34，立柱9与同侧的竖直支杆34之间设有多根水平支杆31。立柱9中固定有多个第一滑轮10和第二滑轮36，第一水平钢索11两端分别通过第一滑轮10与两根立柱9连接，第二水平钢索35的一端通过第二滑轮36与立柱9连接，另一端与对应立柱9同侧的竖直支杆34连接，并设有控位器34。

如图2所示，给出了柔性拦挡结构8的主视图。立柱9与底梁13之间刚性连接，底梁13通过高强度螺栓14与滑面4锚固在一起，保证冲击荷载作用下结构的整体稳定性。第一滑轮10固定在立柱9上，第一水平钢索11穿过第一滑轮10，降低钢索拉伸时的阻力。网片12附着于第一水平钢索11，在泥石流冲击过程中，网片12作为荷载传递媒介将冲击力传递给第一水平钢索11。

如图3、4所示，给出了第二水平钢索35在侧面的连接和固定情况。第二水平钢索35主要包含四条，每一条通过第二滑轮36绕到侧面，在侧面连接拉力传感器16、启动装置17、高强度拉簧等。第二水平钢索35末端通过控位器34固定在竖直支杆32上，控位器34的作用在于调节第二水平钢索35的拉伸状态，使其在初始状态产生较小的预应力，避免拉伸变形监测不准。

第二水平钢索35设置在水平支杆31之间，设有高强度拉簧的第二水平钢索35上还设有启动装置17，启动装置17与水平支杆31刚性连接。高强度拉簧和启动装置17组成可重复使用的耗能装置，启动装置17的激发受第二水平钢索35的拉力控制，在启动装置17未激发之前，对第二水平钢索35起固定作用，在启动装置17激发后，第二水平钢索35脱离启动装置17后自由拉伸。

如图5、6所示，给出了启动装置17的工作原理。启动装置17包括上下相对设置的固定板33和压板25，启动装置17通过固定板33与水平支杆31刚性连接，固定板33和压板25之间通过丝杆27将硅胶垫30夹紧在两者之间，丝杠27在压板25和固定板33之间设有压簧28，丝杠27在压板25的一端设有定位器26，硅胶垫30中设有钢圈29，启动装置17通过钢圈29套在第二水平钢索35上。钢圈29用以扩大钢索横截面积，使其更好地与硅胶垫30接触。调节定位器26在丝杆27上的固定位置，改变压板25的位置从而压缩硅胶垫30并增大钢圈29与硅胶垫33的摩擦力。同时压板25施加的压力可由高强度的压簧28记录。启动装置17的激发受钢索拉力控制，当钢索拉力超过钢圈29与硅胶垫30之间的摩擦力时，钢圈29脱离硅胶垫30的约束而自由运动，至此启动装置17不再发挥作用。

高强度拉簧和启动装置17组成一个可重复使用的耗能装置。启动装置17与水平支杆31刚性连接。未激发之前，启动装置17相当于钢索固定端，第二水平钢索35的受冲击时的变形主要来源于1号高强度拉簧19，当启动装置17激发后，第二水平钢索35脱离启动装置17后自由拉伸，1号拉簧19和2号拉簧18同时发挥作用，形成串联效应，降低变形刚度，以模拟耗能装置的作用。

如图3和图4所示，限位器23的作用在于控制钢索的最大变形。限位器23内置空心套筒22，第二水平钢索35可以自由通过。第二水平钢索35上连接位移标记片21，其尺寸大于空心套筒22，因此当第二水平钢索35拉伸至一定变形后，由于限位器23对位移标记片21的限制，1号拉簧19和2号拉簧18即失去作用，结构的变形至此达到最大值，此后结构变形的刚度主要来源于第二水平钢索35自身的拉伸变形。第二水平钢索35拉力通过拉力传感器16记录，位移或者拉伸变形通过激光位移计20记录。位移标记片21随着钢索拉伸而运动，激光位移计20的光点打在位移标记片21上，即实现了钢索拉伸位移的监测。

如图7所示，柔性拦挡结构8具有典型的三段式变形特征，第一段对应着柔性拦挡结构8自身的变形特性，即耗能装置未激发之前的变形特性；第二段对应耗能装置激发之后，降低了结构的刚度，增大结构的变形能力，从而耗散冲击能量；第三段对应着耗能装置的作用被耗尽之后，结构的变形能力达到最大值，结构刚度表现为钢索自身的变形能力。

本装置通过改变1号拉簧19和2号拉簧18的刚度组合，可实现对不同刚度柔性结构的模拟；通过改变启动装置17的压板25的压力，可实现对柔性结构耗能装置不同水平触发荷载的模拟；通过改变限位器22的位置，可控制结构的最大变形，即实现对柔性结构不同变形大小的模拟。本装置利用超重力离心机的相似原理，降低了柔性拦挡结构8的测试成本，并且本装置涉及的结构模型还具有重复使用、操作简单的优势；极大地还原了柔性拦挡结构的重要变形特征，特别是三段式变形行为，因此可作为柔性结构测试的可靠手段；结构模型功能齐全，可实现对柔性结构不同设计参数的研究，即研究刚度、耗能装置启动荷载和变形大小对柔性结构抵抗泥石流冲击作用的影响。

本试验装置的具体应用流程如下：

1、首先安装柔性拦挡结构8的结构框架，将立柱9、底梁13、水平支杆31和竖直支杆32焊接在一起构成刚性连接，通过螺栓14将底梁13和滑面4的倾斜段连接起来，再将竖直支杆32和滑面4的水平段连接起来，以此保证柔性结构主体在泥石流冲击作用下整体稳定性。

2、将第二水平钢索35一端连接好控位器34，调整好位置，再将拉力传感器16安装在第二水平钢索35上，完成之后将第二水平钢索35分别绕过两个滑轮到另一侧，然后连接好两个高强度拉簧，同时保证2号拉簧18与安装启动装置17的位置之间预留有足够空间供2号拉簧18变形，具体视试验要求而定。

3、固定好启动装置17，将与第二水平钢索35加工在一起的钢圈29包裹在硅胶垫圈30里，调节定位器26在丝杆27上的位置带动压板25压缩硅胶垫30，从而增大钢圈29与硅胶垫30之间的摩擦阻力，同时记录压缩完成后压簧28的压缩量。

4、调节临近启动装置17的控位器34，使2号拉簧18产生一个较小的预应力，再调节远离启动装置17的控位器34，使1号拉簧19产生一个较小的预应力。

5、将位移标记片21安装在1号拉簧19的前端，根据位移标记片21的位置固定激光位移计20，使其光点刚好打在位移标记片21上，以此记录第二水平钢索35的拉伸变形。

6、根据位移标记片21的位置固定限位器23并将第二水平钢索35穿过空心套筒22，使第二水平钢索35能够在空心套筒22中自由运动；限位器23的位置是可以自由调节的，具体视试验对结构最大变形的需求而定，至此完成了柔性拦挡结构8的安装。

7、接下来进行柔性拦挡结构8加载变形特性的标定，主要对启动装置17的启动荷载和结构变形刚度的标定。首先进行静力加载，从主视方向缓慢的对单条第二水平钢索35施加准静态压力，同时采集拉力传感器16和激光位移计20的信号，直至结构达到最大变形，即在限位器23作用下无法进一步产生较大变形，然后停止加载。

8、分析拉力传感器16和激光位移计20的数据，绘制力-位移加载曲线，确定如图7所示的变形特征，得到几个关键参数，包括每一阶段变形的刚度、变形大小及第二阶段变形开始时的荷载即启动装置的激发荷载。

9、改变启动装置17中压簧28的压缩量，1号拉簧19和2号拉簧18的刚度组合及限位器23的安装位置，主要改变限位器23和位移标记片21之间的距离，重复步骤7和步骤8，从而获得结构参数激发荷载，刚度、变形大小与结构准静态加载变形特性的一一对应关系，供后续试验作为依据。

10、进行结构的动态加载测试，采用钢球冲击单条第二水平钢索35，然后采用和准静态加载测试相态的操作过程，获得动态加载下，结构参数激发荷载，刚度、变形大小与结构变形特性的一一对应关系，供后续试验作为依据。

11、测试完成后进行试验装置布置，将安装好的滑面4和柔性拦挡结构8整体放入模型箱2，然后对滑面4进行防漏处理，再选择丝网或柔性塑料板模拟柔性结构的网片12，具体视试验要求而定；网片12直接附着于第一水平钢索11上，二者之间采用强力胶合剂进行粘结。

12、将底板1安装在离心机吊篮的合适位置，采用高强度螺栓固定牢靠，再将模型箱2固定在底板1上的合适位置；然后再安装相机7，设置好相机焦距和光源。

13、根据试验需求，参照结构标定结构，设置结构的参数，完成后即可开启离心机进行泥石流对柔性拦挡结构8的冲击试验。

14、试验完成后，清理试验装置，恢复结构模型，重复同一试验工况或者进一步改变结构的参数开始新一个试验工况。