一种应用于土工离心机的模拟滑坡及泥石流的实验装置的制作方法

本发明属于土工离心机用实验装置技术领域，具体涉及一种应用于土工离心机的模拟滑坡及泥石流的实验装置。

背景技术：

在自然环境中，山体或者人造坝体受水流侵蚀、地质运动及人类活动的影响会出现垮塌、滑流等现象，从而引发滑坡、泥石流等地质灾害。该类地质灾害若发生在偏远地区，会造成自然环境的变迁；若发生在工程施工现场、城镇和村庄等人口聚集地，会导致重大人员和财产损失。为了降低滑坡及泥石流灾害带来的损失，研究人员需要对该灾害发生的机理、过程等进行研究，以提高灾害预报的准确性、研究相应的预防及处理措施。由于现实世界中，滑坡体及泥石流体积巨大，直接开展针对实物的研究耗时较长、实验费用巨大、危险性较大、不可控因素较多。因此，在实际工程领域，研究人员通常将土工模型安装在土工离心机上，利用土工离心机高速旋转产生的缩尺效应，以体积较小的土工模型模拟巨型滑坡体和泥石流的原型特征。

为了构建满足缩尺效应的滑坡体模型和泥石流模型，实现模型在土工离心机上的安装，以及布置相应的传感器进行数据测试，研究人员需要研制相应的实验装置(或实验舱)。目前，国内外相关研究机构基于模型箱结构研制了泥石流模拟装置和滑坡模拟装置，该类装置可在150g离心机加速度下运行，其结构通常如图1所示。图1中示出了坡体模型21；漏斗22；模型箱箱壁23；斜板24；泥石流模型25，模型箱的正面采用有机玻璃(便于观察和摄像)，其余面采用轻质合金制造，箱体内安装斜板以构建不同角度的斜坡。当进行滑坡模拟实验时，将土模型固定在模型箱内斜板上后再将模型箱整体安装在土工离心机上，可研究不同边坡角度、坡体形状及材质等发生滑坡的机理(测试传感器安装在模型箱壁或者斜板上)；当进行泥石流模拟实验时，需要在模型箱顶部安装自带搅拌装置的漏斗(防止模型在离心机转速未达到要求时发生沉积)，当离心机转速达到实验要求时，打开漏斗阀门，释放泥石流模型，可研究其在不同坡体上的流动特性等。

装置中模拟斜坡的斜板要求在试验之前就安装完毕(否则模型无法安装)，且整个试验过程中无法改变斜坡的倾斜角度。因而，在单次试验过程中，要使坡体发生滑坡的难度较大，往往需要通过多次实验才能掌握坡道角度对特定滑坡体的影响，实验的效率低下。

为了解决以上问题我方研发出了一种应用于土工离心机的模拟滑坡及泥石流的实验装置。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种应用于土工离心机的模拟滑坡及泥石流的实验装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种应用于土工离心机的模拟滑坡及泥石流的实验装置，包括：

实验舱；实验舱包括固定滑槽、用于保持和释放滑坡及泥石流模型的活动滑槽，固定滑槽和活动滑槽对接；

用于控制活动滑槽的倾斜角度的驱动装置。

本发明的有益效果在于：

本发明的一种应用于土工离心机的模拟滑坡及泥石流的实验装置，将现有技术中的实验舱分为了固定滑槽和活动滑槽，通过驱动装置的作用可以对活动滑槽的倾斜角度(滑坡坡角)进行实时动态调节，便于实验的进行和掌握滑坡发生的规律，提高实验的效率。

附图说明

图1为现有技术中滑坡、泥石流模拟实验装置的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明中液压控制单元的详图；

图4为本发明中实验舱的结构示意图；

图5为本发明中滑坡实验部件的结构示意图；

图6为本发明中泥石流实验部件的结构示意图。

图中：1-实验舱；2-升降控制油路；3-旋转接头；4-液压控制单元；5-供水管路；6-闸门控制油路；7-搅拌控制油路；8-供水单元；9-活动滑槽；10-液压缸；11-液压缸连接轴；12-销轴；13-底座；14-固定滑槽；15-喷淋装置；16-挡板；17-液压胀套；18-液压马达；19-电磁铁；20-搅拌器；21-坡体模型；22-漏斗；23-模型箱箱壁；24-斜板；25-泥石流模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例1，如图2和图4所示；

一种应用于土工离心机的模拟滑坡及泥石流的实验装置，包括：

实验舱1；实验舱1包括固定滑槽14、用于保持和释放滑坡及泥石流模型的活动滑槽9，固定滑槽14和活动滑槽9对接；

用于控制活动滑槽9的倾斜角度的驱动装置。

本实施例中的驱动装置可以为电机系统、液压系统、气动系统等；驱动装置一般采用控制某部件的伸缩从而将活动滑槽9的一端顶高或者拉低，从而达到对活动滑槽9的倾斜角度(滑坡坡角)进行实时动态调节的目的；

通过固定滑槽14和活动滑槽9的组合从而形成一个完整的实验坡道；

实验舱1安装在土工离心机的吊篮内，驱动装置的某一部分亦安装在吊篮内；

实施例2，如图2、图3和图4所示；

本实施例与实施例1的区别在于：驱动装置为液压缸10，液压缸10的活塞杆与活动滑槽9上远离固定滑槽14的一端可转动连接。

本实施例中，还采用到液压控制单元4、升降控制油路2和旋转接头3，液压控制单元4主要由油箱、液压泵、换向阀、流量控制阀、分流阀等组成(此部分为现有技术，在此不做敷述)，液压控制单元4通过升降控制油路2经离心机主轴上的旋转接头3连接到液压缸10；

本实施例中，还采用到液压缸连接轴11、销轴12、底座13，底座13安装在土工离心机的吊篮内，底座13形成为第一端凸起的配合固定滑槽14的安装高度的形状，固定滑槽14安装在底座13的第一端，在底座13的第二端上安装有铰座，在活动滑槽9底部亦安装有铰座，液压缸10的缸体底部通过耳轴可转动安装在底座13的铰座上，液压缸10的活塞杆通过销轴12与活动滑槽9上的铰座可转动连接；

优选采用两个液压缸10；通过两个液压缸10活塞杆的同步伸长和缩短以改变活动滑槽9的倾斜角度，从而实现滑坡体坡角的动态调节；采用双缸并推的方案，是为了保证离心场下运动的平稳性、提高抗离心载荷能力，液压缸10采用了纤维增强式柱塞缸(即缸体内侧为高强度合金，外侧通过碳纤维等复合材料进行增强)，以降低结构重量，提高活塞杆的刚度(防止离心力作用下因活塞杆发生变形而卡滞)。

实施例3，如图2和图4所示；

本实施例与实施例1的区别在于：固定滑槽14安装在土工离心机的吊篮内；

固定滑槽14的底部包括倾斜设置的倾斜段和水平设置的水平段，倾斜段的较高位置靠近活动滑槽9；

固定滑槽14的侧面设置有缺口，活动滑槽9从缺口处伸入固定滑槽14；

固定滑槽14的侧面为透明材料制成。

固定滑槽14的侧面优选采用透明的有机玻璃，其余采用轻质高强度合金制造；

固定滑槽14优选通过一销轴与活动滑槽9相连，从而保证活动滑槽9可以自由转动，亦避免了活动滑槽9出现较大的移动范围，如此处不采用此结构，本申请亦能工作，但是此种情况下是靠活动滑槽9的重心偏移来实现活动滑槽9的下端始终伸入固定滑槽14，但不可避免可能会因为驱动装置的驱动速度过快导致活动滑槽9脱离固定滑槽14的情况发生。

优选地，固定滑槽14与活动滑槽9的接触位置设置密封结构以防止模型泄漏。

实施例4，如图2和图4所示；

本实施例与实施例3的区别在于：固定滑槽14的倾斜段宽度大于活动滑槽9的宽度；固定滑槽14的水平段宽度大于固定滑槽14的倾斜段宽度。

本实施例解决了现有技术的问题：采用模型箱作模拟试验装置，坡体上下宽度均是等宽的，箱体壁面会阻碍滑坡体的横向运动，而实际发生滑坡或者泥石流时，滑坡体的下游通常比上游更宽。因而，传统试验装置无法真实模拟滑坡和泥石流发生之后的运动情况，进而无法评估危害程度和影响范围；

而本实施例中滑坡和泥石流发生后的运动模拟过程不受或者少受实验舱1空间的约束，减少对滑坡和泥石流流动的影响，达到研究滑坡和泥石流运动规律及掌握其下游运动形式的目的，更加真实的再现了滑坡和泥石流的运动过程；

实施例5，如图5所示；

本实施例与实施例1-4任一项的区别在于：当进行滑坡模拟实验时，活动滑槽9包括主槽体和滑坡实验部件；

主槽体的三侧封闭、一侧设置有开口，主槽体设置有开口的一端与固定滑槽14对接，主槽体的侧面为透明材料制成；

滑坡实验部件包括安装在主槽体顶部并作用于主槽体内滑坡模型的喷淋装置15，供水单元8向喷淋装置15供水。

具体地，供水单元8主要由水箱、水泵等组成(此部分为现有技术，在此不做敷述)，供水单元8通过供水管路5、离心机自带的旋转接头3后连接到喷淋装置15，以实现对降雨的模拟，还可通过调节流量控制喷出水雾的大小，从而达到研究降雨变化对边坡稳定性的影响的目的；

优选地，活动滑槽9整体采用轻质高强度合金制造，其一面采用透明的有机玻璃以方便观察；

实施例6，如图6所示；

本实施例与实施例1-4任一项的区别在于：当进行泥石流模拟实验时，活动滑槽9包括主槽体和泥石流实验部件；

主槽体的三侧封闭、一侧设置有开口，主槽体设置有开口的一端与固定滑槽14对接，主槽体的侧面为透明材料制成；

泥石流实验部件包括用于对主槽体内泥石流模型进行搅拌的搅拌器20、用于对主槽体内泥石流模型进行保持和释放的闸门。

将泥石流模型直接放置在活动滑槽9内比起传统的漏斗释放，更贴近现实，更能真实的反应实际情况。

实施例7，如图6所示；

本实施例与实施例6的区别在于：搅拌器20通过液压马达18驱动。

优选地，液压马达18安装在活动滑槽9外部，搅拌器20横向可转动的安装在活动滑槽9内部，搅拌器20的转轴一端与液压马达18的输出转轴固定连接。

液压马达18带动搅拌器20进行旋转(通过改变搅拌器20的形状和安装位置可在保证搅拌效果的同时减少对模型流动的干扰)以保证泥石流模型不会在离心力的作用下发生沉积。

液压控制单元4通过搅拌控制油路7经离心机主轴上的旋转接头3与液压马达18实现控制连接。

本实施例解决了现有技术的问题：泥石流模拟时，需要单独配置一个漏斗，漏斗上加装单独的螺旋桨和电机等。离心机转速未达到试验要求转速前，漏斗上的螺旋桨需不断搅动泥浆(防止泥浆沉积)；试验开始时，漏斗上的阀门将模型释放到斜板上，然后泥浆在离心场下沿斜坡流动从而实现对泥石流的模拟。而实际中，泥石流通常是整体沿斜坡运动，该种模拟方式与实际情况相去甚远，真实度不够。

实施例8，如图6所示；

本实施例与实施例6的区别在于：闸门包括转轴和与主槽体内部尺寸匹配的挡板16，挡板16和转轴的侧壁固定连接，在主槽体的顶部设置有用于转轴可转动安装的安装座，转轴的一端套装有一用于转轴固定与否的液压胀套17，液压胀套17固定在主槽体上。

优选地，在挡板16四周与主槽体的接触处安装有密封胶条，以防止泥石流模型泄漏；

具体地，通过液压胀套17对闸门的转轴施加的摩擦力保证离心力作用下闸门不会发生误开、泄漏；此为闸门的第一道释放保护；液压控制单元4通过闸门控制油路6经离心机主轴上的旋转接头3与液压胀套17实现控制连接。

实施例9，如图6所示；

本实施例与实施例8的区别在于：在主槽体上还设置有电磁铁19，挡板16由铁磁性材料制成；在挡板16封挡泥石流模型时，电磁铁19用于对挡板16吸紧。

挡板16通过电磁铁19的吸附作用以保证其关闭到位，为闸门的第二道释放保护；二道释放保护，确保了泥石流模型可以在300g离心加速度场下不发生泄漏，不发生沉积，保证了模型的真实性。

当液压胀套17释放液压油、电磁铁19断电后，闸门在离心力作用下自动开启并释放泥石流模型。

本申请中滑坡实验部件、泥石流实验部件的结构设计确保了滑坡、泥石流模拟实验装置可在300g离心加速度场下安全使用。解决了传统的滑坡、泥石流模拟试验装置是基于模型箱进行改进的，坡道(即斜板)采用两点固定，使得装置承载能力有限，无法适用于离心加速度更高的试验的问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。