本发明涉及土工离心模型设备技术领域，特别涉及一种土工离心场内降雨和水位变化工况模拟装置及方法。
背景技术：
土工结构的荷载和应力主要由结构介质自身的重量产生，同时又支配着土工结构的变形和破坏，这是岩土工程的一个显著特点。人们常常通过现场试验和室内小比例尺物理模型试验去揭示和分析现象的本质和机理，以验证理论和解决工程实际问题。土工离心机是用于岩土工程物理模拟试验的一种试验设备，其基本原理为通过离心机转臂的旋转产生离心加速度，提供一个人造高重力场，将研究主体按照一定比尺建立模型，通过离心加速度增加土体自重应力使得原型与模型达到应力应变相等、变形相似，来对原型进行模拟试验。
例如：申请号为2015101217015的中国发明专利公开了一种土工离心机水位升降装置，通过所述进气管将由土工离心机系统提供的高压气体通入所述试验水箱，采用高压气体将水压入所述模型箱，控制通入高压气体的压力，实现所述模型箱内水位的平稳、反复升降。由于其仅仅模拟了水位变化这单一因素所造成的影响，而忽略了现实环境中多种因素引起的复杂工况所造成的影响，导致实验结果不能正确地反应工程实际问题。
技术实现要素：
本发明的一个目的是提供一种土工离心场内降雨和水位变化工况模拟装置，能够模拟多因数复杂工况，正确反应工程实际问题。
本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：一种土工离心场内降雨和水位变化工况模拟装置，包括由离心机驱动转动的模型箱，所述模型箱内设有模型，所述模型箱的上部设有储水箱，所述储水箱与所述模型箱之间设有输水管，所述输水管将所述储水箱内的水输送到所述模型箱内以控制所述模型箱内水位上升，所述模型的上方设有雾化喷头，所述雾化喷头模拟降雨过程将储水箱内的水喷洒于模型上；所述模型箱的下方设有集水箱，所述模型箱通过排水口将箱内的水排入所述集水箱内。
作为优选，所述输水管的一端连通于所述储水箱，另一端连通于所述模型箱的底部。
作为优选，所述输水管、所述水管与所述排水口均设有电磁阀开关。
作为优选，所述集水箱上设有排气管，所述集水箱通过所述排气管使所述集水箱内部与外部大气连通。
当集水箱为密闭空间时，由于大气压力的存在，模型箱内的水很难通过排水口将水排入集水箱中，导致实验过程中水位下降速度不可控，影响实验数据的准确性。通过设置排气管，使集水箱内部与外部的大气连通，保证了模型箱内的水顺利排入集水箱中，从而有效地控制水位下降速度，使实验参数一致，从而得到更为准确的实验数据。
作为优选，所述雾化喷头数量至少为六个，分成两排间隔安装在所述模型箱的箱顶上，所述雾化喷头设置在同一水平高度。
作为优选，所述雾化喷头到模型表面的距离至少为10cm。
作为优选，所述模型包括设置在所述模型箱底部的基层模型和设置在基层模型上表面的堆积层模型，所述基层模型设有斜坡，所述堆积层模型沿所述斜坡倾斜设置，所述堆积层模型的下端延伸至所述模型箱的底部；所述堆积层模型的表面及内部均设有激光位移传感器，所述堆积层模型与所述基层模型的分界处设有土压力传感器，所述堆积层模型的内部和所述模型箱的底部设有水压传感器。
本发明的另一个目的是提供一种土工离心场内降雨和水位变化工况模拟方法，包括以下步骤：
a、蓄水，在模型箱内预加水，使箱内水位至10cm；
b、分级加速，离心机转动，直至模型箱处于加速度为80g的离心环境；
c、水位上升，加速度至80g后，储水箱内的水通过输水管输送到模型箱的底部，使模型箱内的水位上升到预定水位；
d、降雨，水泵将储水箱内的水通过雾化喷头喷洒到模型表面，喷洒时间为27s，总喷洒速度为4.4kg/min；
e、水位下降，喷洒结束后，稳定转动5min，待模型变形稳定后，打开模型箱底部电磁阀开关，水由底部管口逐渐排入集水箱中，水位逐渐降低直至为零，然后关掉离心机。
作为优选，步骤b中，加速度由0g、20g、40g、60g、80g逐级提升，每升一级保持该加速度转动5min，待激光位移传感器、土压力传感器、水压力传感器等读数不发生变化后，开始提速到下一级。
作为优选，步骤c中，水位上升过程分两级进行，先加水至水位为15cm左右，关闭输水管上的电磁阀开关，待各传感器参数稳定后，再打开电磁阀开关，进行下一级加水，达到预定水位并稳定运行5min左右，预定水位为20cm。
本发明的有益效果：本发明能够模拟水位上升、降水、以及由降水引起的水位上升等复杂工况，提高了实验数据的准确性，通过设置雾化喷头，实现模型降雨区域的均匀覆盖，防止雨滴过大而冲毁坡面。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例的模拟方法步骤流程图；
图中：1-储水箱，2-模型箱，3-集水箱，4-模型，41-基层模型，42-堆积层模型，5-输水管，6-雾化喷头，7-排水口，8-电磁阀开关，9-激光位移传感器，10-土压力传感器，11-水压传感器。
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步的详细说明。本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后，可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例：如图1所示，一种土工离心场内降雨和水位变化工况模拟装置，包括由离心机驱动转动的模型箱2，模型箱2内设有模型4，模型4包括设置在所述模型箱2底部的基层模型41和设置在基层模型41上表面的堆积层模型42，所述基层模型41设有斜坡，所述堆积层模型42沿所述斜坡倾斜设置，所述堆积层模型42的下端延伸至所述模型箱2的底部。堆积层模型42的表面及内部均设有激光位移传感器9，所述堆积层模型42与所述基层模型41的分界处设有土压力传感器10，所述堆积层模型42的内部和所述模型箱2的底部设有水压传感器11。
模型箱2的上部设有储水箱1，所述储水箱1与所述模型箱2之间设有输水管5，所述输水管5将所述储水箱1内的水输送到所述模型箱2内以控制所述模型箱2内水位上升，输水管5的一端连通于所述储水箱1，另一端连通于所述模型箱2的底部。
模型的上方设有雾化喷头6，所述雾化喷头6模拟降雨过程将储水箱1内的水喷洒于模型4上。雾化喷头6数量至少为六个，分成两排间隔安装在所述模型箱2的箱顶上，所述雾化喷头6设置在同一水平高度。雾化喷头6到模型4表面的距离至少为10cm。
模型箱2的下方设有集水箱3，所述模型箱2通过排水口7将箱内的水排入所述集水箱3内。集水箱3上设有排气管，所述集水箱3通过所述排气管使所述集水箱3内部与外部大气连通。输水管5、所述水管与所述排水口7均设有电磁阀开关8。
如图2所示，一种土工离心场内降雨和水位变化工况模拟方法，包括以下步骤：
a、蓄水，在模型箱2内预加水，使箱内水位至10cm；
b、分级加速，离心机转动，加速度由0g、20g、40g、60g、80g逐级提升，每升一级保持该加速度转动5min，待激光位移传感器9、土压力传感器10、水压力传感器11等读数不发生变化后，开始提速到下一级，直至模型箱2处于加速度为80g的离心环境；分级加速是逐级提高边坡内部应力场，避免陡然加速使边坡产生破坏，同时分级加速稳定时可通过高速摄像机记录边坡断面照片，便于分析边坡内位移矢量变化过程；
c、水位上升，加速度至80g后，储水箱1内的水通过输水管5输送到模型箱2的底部，使模型箱2内的水位上升到预定水位；水位上升过程分两级进行，先加水至水位为15cm左右，关闭输水管5上的电磁阀开关，待各传感器参数稳定后，再打开电磁阀开关，进行下一级加水，达到预定水位并稳定运行5min左右，预定水位为20cm；此处分两级提高水位，是真实模拟现场实际工况水位提高过程，同时试验表明此试验装置可任意控制水位提高次数和提升高度；
d、降雨，水泵将储水箱1内的水通过雾化喷头6直接喷洒到模型4表面，喷洒时间为27s，总喷洒速度为4.4kg/min，其中雾化喷头6喷出的水雾颗粒粒径为30-50μm，对应现实中暴雨-特大暴雨情况，降雨时间为两天，降雨强度为232mm/d；
e、水位下降，雾化喷头6喷洒结束后，离心机稳定转动5min，待模型4变形稳定后，打开模型箱2底部电磁阀开关，水由底部排水口7逐渐排入集水箱3中，模型箱2水位逐渐降低直至为零，然后关掉离心机。