[發(fā)明專利]寒區(qū)輸水渠道濕干凍融循環(huán)離心模擬系統(tǒng)及其模擬方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910402246.4
• 申請(qǐng)日: 2019-05-15
• 公開（公告）號(hào): CN110133218B
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡正銀;黃英豪;關(guān)云飛;高長勝;徐光明;張晨;曹永勇;韓迅;任國峰;顧行文;郭萬里;朱洵;朱銳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 水利部交通運(yùn)輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院
• 主分類號(hào): G01N33/24
• 分類號(hào): G01N33/24
• 代理公司: 北京潤川律師事務(wù)所 11643
• 代理人: 張超;周亮

本發(fā)明公開了一種寒區(qū)輸水渠道濕干凍融變形離心模擬系統(tǒng)及其模擬方法，所述系統(tǒng)包括：模型箱、水位升降裝置、風(fēng)干裝置、熱交換裝置、空氣內(nèi)循環(huán)裝置及數(shù)采溫控裝置。基于上述模擬系統(tǒng)的模擬方法為模擬方法包括如下步驟：實(shí)驗(yàn)設(shè)備的裝配；模擬渠道的單次濕干凍融過程和模擬渠道的反復(fù)濕干凍融循環(huán)過程。本申請(qǐng)的模擬系統(tǒng)的水位升降模擬與現(xiàn)場(chǎng)渠道通停水過程一致；且風(fēng)干過程也與現(xiàn)場(chǎng)干燥過程一致；制冷板位于模型箱內(nèi)部的頂部，冷量的傳遞是由制冷板通過風(fēng)機(jī)向下傳遞到模型渠底，對(duì)渠道模型凍融過程的模擬是由模型土體表面自上而下的方式實(shí)現(xiàn)，和實(shí)際土體凍融的過程一致。實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際情況的高度還原和模擬。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于土工離心機(jī)上的物理模型測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)，具體是一種可以在離心機(jī)上實(shí)現(xiàn)濕干凍融循環(huán)的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)及其模擬方法，用于模擬高寒地區(qū)輸水渠道變形劣化特性的測(cè)量研究。

背景技術(shù)

我國水資源時(shí)空分布不均，北方地區(qū)多為干旱、半干旱地區(qū)，因此一些長距離輸水工程及跨流域調(diào)水工程的實(shí)施緩解了北方水資源的供需矛盾。但位于北方高寒地區(qū)的渠道，特別是輸水明渠，易受不良地質(zhì)條件和極端氣候的影響，如季節(jié)性凍土區(qū)域的輸水渠道，每年春季通水，秋季停水，從水分和溫度變化的角度出發(fā)，渠基土每年經(jīng)歷反復(fù)的“濕干凍融”循環(huán)過程，使得渠基土上覆襯砌發(fā)生變位、隆起甚至滑塌，不僅耗費(fèi)了大量的人力財(cái)力，還嚴(yán)重影響了渠道的正常運(yùn)行。

對(duì)輸水渠道濕干凍融變形特性的研究，目前主要是采用室內(nèi)單元試驗(yàn)和圖像處理技術(shù)研究輸水渠道渠基土的物理力學(xué)特性和裂隙演化規(guī)律，但在應(yīng)力狀態(tài)、時(shí)空模擬等方面和渠道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況差別很大，只能用作渠基土單元體經(jīng)歷“濕干凍融”循環(huán)后進(jìn)行基本變化規(guī)律的探討。而對(duì)輸水渠道濕干凍融變形特性進(jìn)行研究的物理模擬試驗(yàn)方法，目前多是在常應(yīng)力狀態(tài)(1g)下進(jìn)行試驗(yàn)，這種模擬方法難以再現(xiàn)渠基土真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)和反應(yīng)真實(shí)凍融時(shí)間跨度。而在土工離心機(jī)上進(jìn)行輸水渠道經(jīng)歷濕干凍融循環(huán)的物理模型試驗(yàn)，無論是應(yīng)力狀態(tài)還是所經(jīng)歷的時(shí)間跨度，都更加貼近現(xiàn)場(chǎng)輸水渠道的真實(shí)狀況。

受限于條件、設(shè)備技術(shù)等，寒區(qū)工程離心模擬試驗(yàn)技術(shù)起步較晚，主要集中在北美及北歐、西歐等發(fā)達(dá)國家，而我國關(guān)于凍土離心模型試驗(yàn)研究開展極少，僅有數(shù)例，如中國專利申請(qǐng)CN104142356A公開了一種土工離心機(jī)凍融變形離心模擬系統(tǒng)，促進(jìn)了超重力場(chǎng)作用下輸水渠道凍脹-融沉過程模擬及測(cè)試技術(shù)，但其熱交換措施或設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)對(duì)于溫度變幅的精確控制，很難做到還原原型真實(shí)的氣溫變幅。當(dāng)試驗(yàn)需在離心機(jī)不停機(jī)狀態(tài)下完成輸水渠道濕干凍融循環(huán)過程的模擬時(shí)，該發(fā)明無法滿足試驗(yàn)需求。

在離心機(jī)上進(jìn)行渠道濕干凍融循環(huán)全過程的模擬，關(guān)鍵技術(shù)在于同時(shí)實(shí)現(xiàn)模型箱內(nèi)大幅度的干濕變化區(qū)間和溫度變化區(qū)間，而這種模擬方法在本領(lǐng)域中尚無先例。另外，在超重力場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)以上“濕干凍融”循環(huán)過程的方法不多，其中，實(shí)現(xiàn)水位升降的方法一般為氣壓驅(qū)動(dòng)的方式，即通過控制密封水箱內(nèi)氣壓從而進(jìn)行水位的升降，土體干燥方法主要是通過高溫光源使得模型土體中水分蒸發(fā)的方式，但考慮到本試驗(yàn)方法中試驗(yàn)箱密封且存在負(fù)溫階段，前者在常規(guī)模型箱結(jié)構(gòu)形式下易造成裝置損傷，后者的干燥效率又較低；另實(shí)現(xiàn)的負(fù)溫的方式主要有壓縮機(jī)制冷和液氮制冷兩種方式，前者設(shè)備體積較大，且只能制冷，無法制熱，后者需要高壓制冷設(shè)備，連接方式較為復(fù)雜，都難以適用離心模型試驗(yàn)中。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種可用于土工離心模型試驗(yàn)中的輸水渠道濕干凍融模擬系統(tǒng)及其模擬方法，該系統(tǒng)可以在高達(dá)50g的離心力場(chǎng)中工作，可實(shí)現(xiàn)-40℃到30℃的溫度變化環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)渠道中0-7.5m的水位升降過程模擬，并可以進(jìn)行多次濕干凍融循環(huán)，為高寒地區(qū)輸水渠道變形劣化特性的研究提供了有效的手段。

一種寒區(qū)輸水渠道濕干凍融循環(huán)離心模擬系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：模型箱、干濕系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；其中，

所述干濕系統(tǒng)，包括水位升降裝置、風(fēng)干裝置、干濕系統(tǒng)控制器；

所述熱交換系統(tǒng)，包括半導(dǎo)體熱交換裝置、空氣內(nèi)循環(huán)裝置、溫度控制系統(tǒng)。