自动定位装置、方法及拱坝地质力学试验模型与流程

本发明属于小块体砌筑定位，尤其涉及一种应用于拱坝地质力学试验模型的自动定位装置、方法及拱坝地质力学试验模型。

背景技术：

1、拱坝地质力学试验模型是一种对拱坝的整体稳定性和加固处理措施效果进行评价的有效手段，它可以弥补数值模拟的不足并与数值模拟的结果进行对照，从而保障评价结果的准确性和真实性。一般采用250:1的几何相似比尺对原型缩小，从而进行三维地质力学模型试验。对于拱坝尤其是高拱坝，进行模型试验是十分必要的。

2、目前的拱坝地质力学试验模型主要采用小块体砌筑法，该方法将相似材料压制成小块体，用小块体逐块砌筑试验模型，能够较好地模拟岩体中的断层和节理裂隙等结构面。采用小块体砌筑的拱坝地质力学试验模型，用块体本身模拟岩体的变形特征，通过小块体间的低强度粘接来模拟裂隙岩体的强度特性，从而使得模型的受力变形特性接近实际岩体的变形特征。在拱坝地质力学试验模型的砌筑过程中，最关键的步骤就是要精准确定断层和节理裂隙在试验模型中的位置以及刻画拱坝的形态。

3、采用小块体砌筑技术砌筑三维地质力学试验模型，是根据设计单位提供的图纸(通常为包含有拱坝和岩体类别、断层和节理裂隙等关键地质信息的平切图)按照高程由低到高进行人工逐层砌筑。在每一层的砌筑过程中，传统的砌筑方法是人工使用吊锤进行定位，使用刻度尺进行量测，这种定位测量方法不仅费时费力，效率不高，而且还存在着一些不足：

4、首先，砌筑过程中，竖直悬挂的吊锤可能会受到气流扰动而发生晃动或偏移，从而影响定位精度；其次，吊锤每次移动后不免会在一个小范围内晃动，等待吊锤趋于稳定的过程增加了模型砌筑时间。此外，由于是人工读数，使用刻度尺进行量测的精度很大程度上取决于砌筑人员的量测水平，这就不可避免地会带来一定的测量和读数误差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种自动定位装置、方法及拱坝地质力学试验模型，以解决小块体砌筑技术中人工使用吊锤进行定位、使用刻度尺进行量测导致定位精度低、定位效率低的问题。

2、本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种自动定位装置，应用于拱坝地质力学试验模型的砌筑过程中，所述定位装置包括：

3、固定框架，其框定范围与拱坝地质力学试验模型的尺寸适配；

4、运动平台，设于所述固定框架的顶部；

5、激光测距仪，设于所述运动平台上，且用于在固定框架的不同位置时向下发射竖直激光束，以实现放样定位以及测量竖直激光束发射点与砌筑平面之间的距离；

6、控制系统，用于根据拱坝地质力学试验模型的不同高程平切图中的点坐标控制所述运动平台动作，从而调整所述激光测距仪在所述固定框架的位置。

7、进一步地，所述运动平台包括第一导轨、第二导轨、第三导轨、第一滑块、第二滑块、第三滑块、第一驱动机构以及第二驱动机构；所述第一导轨、第二导轨分别固定设于所述固定框架顶部的两侧，所述第一滑块设于所述第一导轨上且可沿所述第一导轨滑动，所述第二滑块设于所述第二导轨上且可沿所述第二导轨滑动；所述第三导轨的两端分别固定设于所述第一滑块、第二滑块上，所述第三滑块设于所述第三导轨上且可沿所述第三导轨滑动；所述激光测距仪设于所述第三滑块上；

8、所述第一驱动机构的输入端与所述控制系统连接，其输出端与第一滑块、第二滑块连接，且所述第一驱动机构用于在所述控制系统的控制下驱动所述第一滑块、第二滑块同步运动；所述第二驱动机构的输入端与所述控制系统连接，其输出端与第三滑块连接，且所述第二驱动机构用于在所述控制系统的控制下驱动所述第三滑块运动。

9、进一步地，所述第一驱动机构包括依次连接的第一伺服电机、第一联轴器、第一传动轴承第二联轴器、联动光杆、第三联轴器以及第二传动轴承；所述第一传动轴承、第二联轴器分别位于第一轴承座的两侧，所述第三联轴器、第二传动轴承分别位于第二轴承座的两侧，所述第一导轨的两端均设有所述第一轴承座，所述第二导轨的两端均设有所述第二轴承座；所述第一传动轴承与第一导轨上的履带传动连接，所述第二传动轴承与第二导轨上的履带传动连接；

10、所述第二驱动机构包括依次连接的第二伺服电机、第四联轴器以及第三传动轴承，所述第三传动轴承与所述第三导轨上的履带传动连接。

11、进一步地，所述第一导轨的两端均通过第一支座固定设于所述固定框架顶部的一侧，所述第二导轨的两端均通过第二支座固定设于所述固定框架顶部的另一侧，所述第三导轨的两端均通过第三支座固定设于所述第一滑块、第二滑块上。

12、进一步地，所述激光测距仪通过l型连接板设于所述第三滑块上。

13、进一步地，所述激光测距仪包括测距仪本体以及设于所述测距仪本体上的激光发射器和激光接收器，所述激光发射器的发射端、激光接收器的接收端均竖直向下设置。

14、基于同一构思，本发明还提供一种拱坝地质力学试验模型的砌筑方法，包括以下步骤：

15、根据拱坝的实际评价范围以及几何相似比尺确定拱坝地质力学试验模型的尺寸；

16、根据所述拱坝地质力学试验模型的尺寸调整拱坝的原始设计图，使拱坝不同高程平切图的范围和坐标与所述拱坝地质力学试验模型一致，得到拱坝地质力学试验模型的不同高程平切图；

17、安装如上所述的自动定位装置，并对所述自动定位装置进行调平，使所述自动定位装置处于水平位置；

18、将所述拱坝地质力学试验模型的不同高程平切图导入所述自动定位装置的控制系统中，或者在所述控制系统中进行拱坝地质力学试验模型尺寸的确定、拱坝地质力学试验模型的不同高程平切图的得到；

19、根据拱坝地质力学试验模型的不同高程平切图的坐标原点对所述自动定位装置的激光测距仪在固定框架中的位置进行初始化；

20、在按照拱坝地质力学试验模型的高程进行逐层砌筑过程中，对于每个需要进行放样定位的部位进行如下操作：

21、获取组成所述部位的不同点的坐标；

22、根据每个点的坐标控制所述自动定位装置的运动平台动作，从而调整所述激光测距仪在固定框架中的位置；

23、当所述激光测距仪到达与所述点的坐标对应的位置时，激光测距仪向下发射竖直激光束，根据所述竖直激光束在砌筑平面上的激光点确定所述点在拱坝地质力学试验模型中的准确定位，从而确定所述部位在拱坝地质力学试验模型中的准确定位。

24、进一步地，获取组成所述部位的不同点的坐标，具体实现过程为：

25、调用画图软件中的点坐标查询功能，获取组成所述部位的不同点的坐标。

26、进一步地，所述部位包括断层、节理裂隙、岩体类别分界线和拱圈线；

27、在某一高程平切图中，地基中的断层、节理裂隙和岩体类别分界线视为一条直线或折线，直线上的两个端点确定该直线或折线上的多个拐点确定该折线；

28、对于拱圈线，根据所述拱圈线对应的坐标轨迹控制所述激光测距仪移动，同时激光测距仪向下发射竖直激光束；由不同竖直激光束在砌筑平面上的激光点构成的光迹，根据光迹削掉砌筑块体的多余部分，雕刻出准确的拱坝形态。

29、进一步地，所述砌筑方法还包括：

30、在利用激光测距仪向下发射竖直激光束进行定位的同时，还测量竖直激光束发射点与砌筑平面之间的距离；

31、根据当前砌筑平面的高程得到所述距离的理论值，将所述距离的理论值与测量值进行比较，并根据比较结果进行砌筑的自动校核。

32、基于同一构思，本发明还提供一种拱坝地质力学试验模型，所述试验模型采用如上所述的砌筑方法进行砌筑。

33、有益效果

34、与现有技术相比，本发明的优点在于：

35、本发明所提供的一种自动定位装置，利用控制系统根据拱坝地质力学试验模型的不同高程平切图中的点坐标对运动平台进行控制，实现了激光测距仪位置的调整；在与点坐标对应的位置利用激光测距仪发射竖直激光束，即可实现点在拱坝地质力学试验模型中的准确定位，从而实现关键部位的准确定位；在拱坝地质力学试验模型的砌筑过程中，利用本发明的自动定位装置实现了关键部位的自动、准确定位，避免了传统人工测量定位方式定位精度差、定位效率低的问题，本发明利用激光进行自动定位测距，缩短了试验模型砌筑过程中放样定位所需时间，提高了放样定位效率和精度，进而提高了试验模型的砌筑效率，提高了试验模型的模拟准确性。

36、激光测距仪可在固定框架的框定范围内自由移动，对于传统人工放样定位方法中不便于测量的边角区域，本发明自动定位装置也可以实现快速、准确定位和测量。