水工模型試驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水利工程教學(xué)工具技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種水工模型試驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002] 21世紀(jì)是中國(guó)工程建設(shè)快速發(fā)展的世紀(jì)，進(jìn)入新世紀(jì)，水利、水電、能源、交通等 大型工程的開(kāi)發(fā)已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重點(diǎn)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略 的實(shí)施，我國(guó)迎來(lái)了大規(guī)模工程建設(shè)的高峰期，如三峽、龍灘、溪落渡、南水北調(diào)等大型水利 水電工程；西氣東輸、西電東送等大型能源工程；青藏鐵路、滬蓉高速公路等大型交通工程 以及城市大型地下空間開(kāi)發(fā)與地鐵工程建設(shè)等，正以前所未有的速度在全國(guó)進(jìn)行。與此同 時(shí)，石油和天然氣儲(chǔ)存、核廢料處置、C02儲(chǔ)存、垃圾深埋以及石油、地?zé)岷偷V產(chǎn)資源的超深 開(kāi)采等也已經(jīng)納入國(guó)家總的發(fā)展規(guī)劃。這些大型工程建設(shè)項(xiàng)目一方面對(duì)加快我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì) 發(fā)展、提高人民生活水平和保持社會(huì)可持續(xù)發(fā)展將起到重大的作用，同時(shí)開(kāi)發(fā)這些大型工 程將面對(duì)大量的巖土開(kāi)挖，涉及許多有關(guān)巖體強(qiáng)度破壞、變形失穩(wěn)以及加固處理的問(wèn)題。對(duì) 這些復(fù)雜的問(wèn)題，一方面要借助理論分析、計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬方法去研究；另一方面，更多地 要借助巖體地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)手段來(lái)解決。
[0003] 要進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，必須有相應(yīng)的模型試驗(yàn)裝置，目前有關(guān)地質(zhì)力學(xué)模型 試驗(yàn)裝置的研究現(xiàn)狀如下：武漢大學(xué)研制出了平面應(yīng)力試驗(yàn)和立式平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)裝置。平 面應(yīng)力試驗(yàn)裝置主要由型鋼鋼板焊接成框架結(jié)構(gòu)；立式平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)裝置由中部固定框架 和沿厚度方向的2個(gè)前、后井格式約束鋼架組成，前、后兩約束架用螺栓同中部框架連成整 體，保證了模型受載后在縱向不產(chǎn)生位移，從而達(dá)到平面應(yīng)變的要求。該裝置已在部分水電 站地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定與支護(hù)試驗(yàn)中得到應(yīng)用。清華大學(xué)李仲奎等研制成離散化三 維多主應(yīng)力面加載試驗(yàn)架系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由高壓氣囊、反推力板、限位千斤頂、垂直立柱、 封閉式鋼結(jié)構(gòu)環(huán)梁、支撐鋼架和空氣壓縮機(jī)組成，試驗(yàn)架內(nèi)尺寸為：620cmX102cmX470 cm(長(zhǎng)X寬X高），其規(guī)模在國(guó)內(nèi)外同類型的三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)臺(tái)架裝置中是最大 的。總參工程兵科研三所研制有巖土工程多功能模擬試驗(yàn)裝置，該試驗(yàn)裝置具有雙向旋轉(zhuǎn) 功能，可圍繞模型平面旋轉(zhuǎn)360°，圍繞立面旋轉(zhuǎn)35°，為復(fù)雜地層的模型制作、模擬巖土 體的自重應(yīng)力以及研究邊坡坡角的影響等提供了方便。該裝置允許的最大模型尺寸為160 cmX140cmX40cm(長(zhǎng)X寬X高），試驗(yàn)時(shí)可控制模型的準(zhǔn)平面應(yīng)變條件。此外，中國(guó)礦 業(yè)大學(xué)、西南交通大學(xué)、長(zhǎng)江科學(xué)研究院等單位也研制有一些地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)裝置。
[0004] 上述試驗(yàn)臺(tái)架裝置存在的普遍問(wèn)題是：（1)試驗(yàn)臺(tái)架裝置尺寸固定，不能根據(jù)模 型試驗(yàn)范圍進(jìn)行有效調(diào)整；(2)試驗(yàn)臺(tái)架裝置多用型鋼焊接而成，結(jié)構(gòu)多以板梁式或框梁 式結(jié)構(gòu)為主，在側(cè)向壓力作用下，臺(tái)架側(cè)向撓度變形通常較大，易造成試驗(yàn)邊界條件的改 變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為克服【背景技術(shù)】中存在的各缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)新穎、剛度大、整體穩(wěn)定性 好、組裝靈活方便、尺寸可任意調(diào)整并能滿足不同規(guī)模模型試驗(yàn)要求的用于教學(xué)演示的組 合式三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)裝置。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的方案是：一種水工模型試驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，包括框架 和模擬壩體，以及主推動(dòng)機(jī)構(gòu)和壓力傳感器，在框架前側(cè)與模擬壩體正對(duì)的框架上固定有 水平導(dǎo)向套并匹配安裝有水平調(diào)節(jié)桿及鎖緊機(jī)構(gòu)；在水平調(diào)節(jié)桿上豎向固定有豎向?qū)?套并匹配安裝有豎向調(diào)節(jié)桿及鎖緊機(jī)構(gòu)；在所述水平調(diào)節(jié)桿末端安裝有豎向支撐桿或調(diào)節(jié) 缸，在所述豎向調(diào)節(jié)桿末端安裝有水平調(diào)節(jié)桿或調(diào)節(jié)缸；在各支撐桿或調(diào)節(jié)杠的末端分別 設(shè)置有壓力傳感器及叉頭，與叉頭配合安裝有支撐塊，支撐塊設(shè)置有轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸匹配套裝于 叉頭中，支撐塊與模擬壩體表面貼合。
[0007] 在模擬壩體正對(duì)的框架上或者在水平調(diào)節(jié)桿上或者在豎向調(diào)節(jié)桿上，安裝有水平 支撐桿或調(diào)節(jié)缸，水平支撐桿或調(diào)節(jié)缸的末端設(shè)置壓力傳感器和支撐塊，支撐塊與模擬壩 體表面貼合。
[0008] 在模擬壩體的兩側(cè)粘貼拉力傳感器片；或者，在所述框架的兩側(cè)設(shè)置側(cè)面水平導(dǎo) 向桿并套裝側(cè)面水平調(diào)節(jié)套及鎖緊機(jī)構(gòu)，在側(cè)面水平調(diào)節(jié)套上垂直固定有支撐桿或調(diào)節(jié)缸 或伸縮套管，并在末端安裝有發(fā)散彈片，發(fā)散彈片的各支撐腳插入拉力傳感器片的四角部 位置。
[0009] 所述叉頭的根部被安裝于套管內(nèi)，壓力傳感器套裝于套管底部與插頭根部之間。
[0010] 所述側(cè)面水平導(dǎo)向桿的兩端設(shè)置有調(diào)節(jié)框架，調(diào)節(jié)框架與框架體之間通過(guò)U型座 連接，并設(shè)置鎖緊機(jī)構(gòu)。
[0011] 在模擬壩體底部連接有基底平臺(tái)，基底平臺(tái)與模擬壩體底部之間活動(dòng)連接；基底 與框架底部之間活動(dòng)連接。
[0012] 所述各壓力傳感器與控制器輸入端連接，控制器輸出端與顯示器連接，用于對(duì)比 顯示各壓力傳感器數(shù)值。與各壓力傳感器并列設(shè)置有位置傳感器，控制器采集各壓力傳感 器和位置傳感器信號(hào)，通過(guò)圖形顯示位置形變量和壓力大小。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明組裝靈活方便、對(duì)模擬壩體的壓力支撐點(diǎn)可以在三 維方向上任意調(diào)整，能滿足不同規(guī)模模型試驗(yàn)要求的用于教學(xué)演示，直觀學(xué)習(xí)和了解三維 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)新穎、剛度大、整體穩(wěn)定性好，容易制造和隨意組裝，教學(xué)演 示效果非常好，適合推廣應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1是本發(fā)明立體使用狀態(tài)示意圖； 圖2是本發(fā)明前側(cè)壓力檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明側(cè)面壓力檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是圖3中局部放大結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是本發(fā)明量測(cè)系統(tǒng)框圖。
[0015]圖中，標(biāo)號(hào)1為框架體，2為主推力機(jī)構(gòu)，3為墊板，4為水平導(dǎo)向套，5為水平調(diào)節(jié) 桿，6為豎向?qū)蛱祝?為豎向調(diào)節(jié)桿，8為支座，9為支撐桿或調(diào)節(jié)缸，10為支撐塊，11為壓 力傳感器，12為轉(zhuǎn)軸，13為叉頭，14為固定座，15為模擬壩體，16為基底平臺(tái)，17為側(cè)面水 平導(dǎo)向桿，18為側(cè)面水平調(diào)節(jié)套，19為發(fā)散彈片，20為拉力傳感器片，21為調(diào)節(jié)框架，22為 U型座，23為鎖緊機(jī)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0017] 實(shí)施例1:如圖1和圖2所示的試驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，組裝靈活方便，可以對(duì)模擬壩體15 的壓力支撐點(diǎn)可以在三維方向上任意調(diào)整。
[0018] 圖2中，在框架前側(cè)與模擬壩體15正對(duì)的框架上固定有水平導(dǎo)向套4并匹配安裝 有水平調(diào)節(jié)桿5及鎖緊機(jī)構(gòu)23。在水平調(diào)節(jié)桿5末端安裝有豎向調(diào)節(jié)缸。
[0019] 在水平調(diào)節(jié)桿5上豎向固定有豎向?qū)蛱?并匹配安裝有豎向調(diào)節(jié)桿7及鎖緊機(jī) 構(gòu)23。在豎向調(diào)節(jié)桿7末端安裝有水平調(diào)節(jié)缸。
[0020] 在各調(diào)節(jié)杠的末端分別設(shè)置有壓力傳感器11及叉頭13,與叉頭13配合安裝有支 撐塊10,支撐塊10設(shè)置有轉(zhuǎn)軸12,轉(zhuǎn)軸12匹配套裝于叉頭13中，支撐塊10與模擬壩體15 表面貼合。
[0021] 參見(jiàn)圖3和圖4,在框架的兩側(cè)設(shè)置側(cè)面水平導(dǎo)向桿17并套裝側(cè)面水平調(diào)節(jié)套18 及鎖緊機(jī)構(gòu)23,在側(cè)面水平調(diào)節(jié)套18上垂直固定有支撐桿或調(diào)節(jié)缸或伸縮套管，并在末端 安裝有發(fā)散彈片19,發(fā)散彈片19的各支撐腳插入拉力傳感器片20的四角部位置。
[0022] 在模擬壩體15底部連接有基底平臺(tái)16,基底平臺(tái)16與模擬壩體15底部之間活動(dòng) 連接；基底與框架底部之間活動(dòng)連接。
[0023] 在模擬壩體15正對(duì)的框架上或者在水平調(diào)節(jié)桿5上或者在豎向調(diào)節(jié)桿7上，安裝 有水平支撐桿或調(diào)節(jié)缸，水平支撐桿或調(diào)節(jié)缸的末端設(shè)置壓力傳感器11和支撐塊10,支撐 塊10與模擬壩體15表面貼合。
[0024] 所述側(cè)面水平導(dǎo)向桿17的兩端設(shè)置有調(diào)節(jié)框架21，調(diào)節(jié)框架21與框架體1之間 通過(guò)U型座22連接，并設(shè)置鎖緊機(jī)構(gòu)23。
[0025] 模型相似條件試驗(yàn) 均質(zhì)壩基模型試驗(yàn)屬于結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，必須滿足破壞試驗(yàn)的相似要求，即必須滿足以 下三方面的相似要求。
[0026] (1)幾何相似要求：原型與模型的幾何形態(tài)及主要地質(zhì)構(gòu)造必須滿足幾何相似條 件； (2) 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系相似要求：原型與模型的應(yīng)變相同，原型與模型材料的變形模量、應(yīng) 力與應(yīng)變關(guān)系以及抗壓、抗拉強(qiáng)度等滿足相似條件； (3) 荷載相似要求：原型與模型的荷載條件，如水壓力、自重及淤沙壓力等應(yīng)保持相似。 根據(jù)以上條件，設(shè)^為原型與模型之間相同的物理量之比，由相似