[發明專利]一種模擬復雜雨洪條件下的基礎設施內部濕度場監測實驗系統

在審

• 申請號: 202211024943.9
• 申請日: 2022-08-25
• 公開（公告）號: CN115406812A
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: 喬亞寧;張舒悅;王亞新;司自超;金寧;谷甜甜;馬濤
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 北京博識智信專利代理事務所(普通合伙) 16067
• 代理人: 孫炎

1.一種模擬復雜雨洪條件下的基礎設施內部濕度場監測實驗系統，其特征在于，包括復雜雨洪模擬系統及復雜雨洪條件基礎設施內部濕度場監測系統；

所述復雜雨洪模擬系統包括水箱、馬氏瓶以及雨洪支架，所述馬氏瓶底部通過連接管與水箱底部連通，所述水箱上部設置開口，其內設置水泵，所述水泵通過輸水管連接雨落管，所述雨落管設置于雨洪支架上，所述雨落管底部設置數個雨落噴嘴，所述雨落噴嘴上設置流量調節旋鈕；所述復雜雨洪條件基礎設施內部濕度場監測系統設置于雨洪支架內并位于雨落噴嘴下部；

所述復雜雨洪條件基礎設施內部濕度場監測系統包括上部開口的模擬箱體，所述模擬箱體內由上至下依次設置瀝青混凝土層、基層石料層以及地基土層，所述地基土層內設置多組濕度傳感器，所述濕度傳感器通過信號發射器與計算機進行數據通信。

2.根據權利要求1所述的一種模擬復雜雨洪條件下的基礎設施內部濕度場監測實驗系統，其特征在于，所述水泵為恒流水泵，所述水泵、輸水管、雨落管的數量為多組，每個水泵分別通過一個智能開關控制，所述智能開關與計算機進行數據通信；所述雨落管等間距安裝于雨洪支架上，所述雨落噴嘴等間距安裝于雨落管下部。

3.根據權利要求1所述的一種模擬復雜雨洪條件下的基礎設施內部濕度場監測實驗系統，其特征在于，所述瀝青混凝土層、基層石料層與模擬箱體側壁之間設置土層空隙，所述土層空隙由地基土層填滿。

4.根據權利要求1所述的一種模擬復雜雨洪條件下的基礎設施內部濕度場監測實驗系統，其特征在于，所述模擬箱體遠離土層空隙的一側底部設置道路坡度墊片，使得模擬箱體形成2％縱向坡度，所述模擬箱體另一側底部設置排水口，所述排水口上設置排水控制閥。

5.根據權利要求1所述的一種模擬復雜雨洪條件下的基礎設施內部濕度場監測實驗系統，其特征在于，其實驗方法，包括以下步驟：

(1)通過查詢當地氣象資料，找到需要模擬的小時雨洪強度數據，選擇精確到每小時的平均雨洪強度，然后建立優化模型，以擬合的殘差平方和為目標函數，以泵的最大流量為約束條件，對每一條雨落管的雨洪流量大小和開閉小時進行優化，具體的，按照以下公式進行優化：

(1.1)設實際雨洪流量A＝[a₁,a₂,a₃,…a₂₄]^T

上式中a_i表示第i個小時的實際雨洪流量，單位為mm/h，1≤i≤24，且i為整數；

(1.2)5個水泵的限定流量為B＝[b₁,b₂,b₃,b₄,b₅]^T

上式中b_i表示第i個水泵的最大流量，單位為L/h，1≤i≤5，且i為整數；

(1.3)5個水泵的模擬合理流量為X＝[x₁,x₂,x₃,x₄,x₅]^T

式中x_i表示第i個水泵的模擬流量，單位為L/h，1≤i≤5，且i為整數；

(1.4)每個水泵的開啟關閉時間為

上式中y_i,j表示第i小時第j個水泵的開啟關閉狀態，其中y_i,j＝{0或1}；

1≤i≤24，1≤j≤5，且i、j為整數；

(1.5)模擬流量為矩陣Y、X相乘

則目標函數為min＝(YX-A)^T(YX-A)

約束條件為：

(1.6)根據目標函數與約束條件求出5個泵的模擬合理流量與每個泵的開啟關閉時間，從而讓模擬降雨盡可能符合實際降雨情況；

(2)通過單獨測定對雨落管的恒定雨洪模擬流量校準，具體包括以下步驟：

(2.1)將所對應的水泵置于一個盛有水的水桶內，水桶置于電子秤之上，用于測定水量的變化；

(2.2)通過噴嘴上的旋鈕調節水量大小，不斷校正流量，通過電子秤上的重量變化計算，直至測量時間內的雨洪流量在該設定的雨落管恒定值誤差范圍之內，誤差范圍為1.5％；此外，每條雨落管的開啟關閉時間均由智能開關確定；

(3)將模擬的基礎設施材料相關信息與雨洪強度隨時間變化數據輸入計算機的有限元分析軟件，使用計算機模擬雨洪條件下基礎設施內部的濕度場變化；根據計算機模擬的濕度變化規律，選擇對降雨變化最敏感的區域位置，作為安置基礎設施內部濕度傳感器的首選位置。