本發(fā)明公開了一種透明土石混合體水力侵蝕演化模擬系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法，一種透明土石混合體水力侵蝕演化模擬系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：環(huán)形槽內(nèi)裝有透明土石混合體試樣和環(huán)境流體，伺服電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架和攪拌葉片在環(huán)境流體中攪動(dòng)，透明土石混合體試樣被環(huán)境流體沖刷，激光器照射透明土石混合體試樣和環(huán)境流體，工業(yè)相機(jī)對(duì)透明土石混合體試樣和環(huán)境流體拍攝，拍攝圖像傳送至計(jì)算機(jī)處理，分析出透明土石混合體試樣的被侵蝕過程。本發(fā)明提供了一種針對(duì)土石混合體侵蝕的可控、可視、可測(cè)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法，解決了以往實(shí)驗(yàn)方法中存在的侵蝕過程不可見、數(shù)據(jù)采集困難等問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及地質(zhì)災(zāi)害與巖土工程可視化模型試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

我國(guó)西南地區(qū)第四紀(jì)地質(zhì)作用活躍，地表覆蓋有深厚的、以土石混合物為主要組成物質(zhì)的第四紀(jì)覆蓋層。隨著近年來(lái)一些大型甚至超大型水利水電工程的興建和投入運(yùn)營(yíng)，出現(xiàn)了眾多以土石混合體為載體的地質(zhì)災(zāi)害，如三峽庫(kù)區(qū)消落帶庫(kù)岸侵蝕、堆積體滑坡以及土石混合體堰塞壩潰決等，造成巨大的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。

由于這類土石混合體的失穩(wěn)時(shí)間難以預(yù)測(cè)，實(shí)際工程中也極難監(jiān)測(cè)，至今仍缺乏真實(shí)可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)。認(rèn)識(shí)土石混合物工程地質(zhì)體的失穩(wěn)機(jī)理、演化過程，對(duì)科學(xué)準(zhǔn)確地評(píng)判此類地質(zhì)體的穩(wěn)定性、可蝕性以及災(zāi)害預(yù)警等具有重要意義。目前，許多學(xué)者已開展了有關(guān)土石混合體侵蝕的試驗(yàn)。然而，由于巖土材料的不透明性質(zhì)，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段難以從細(xì)觀上分析土石混合體在水動(dòng)力作用下的介質(zhì)移運(yùn)、侵蝕啟動(dòng)過程、土石分離等特征。

因此，有必要研發(fā)一種可控、可視、可測(cè)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法來(lái)研究土石混合體侵蝕演化過程。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種可有效觀測(cè)、控制的土石混合體水力侵蝕演化過程的模擬系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術(shù)方案是這樣的，一種透明土石混合體水力侵蝕演化模擬系統(tǒng)，包括環(huán)形槽、支撐支架、旋轉(zhuǎn)支架、伺服電機(jī)、工業(yè)相機(jī)、激光器和計(jì)算機(jī)。

由透明有機(jī)玻璃制成的所述環(huán)形槽水平放置在試驗(yàn)臺(tái)上，環(huán)形槽內(nèi)設(shè)置有透明土石混合體試樣和環(huán)境流體，透明土石混合體試樣安裝到環(huán)形槽底部并浸泡在環(huán)境流體內(nèi)，透明土石混合體試樣和環(huán)境流體內(nèi)均添加有熒光劑。

所述試驗(yàn)臺(tái)上固定有支撐支架，支撐支架上連接有輸出軸豎直向下的伺服電機(jī)。

所述旋轉(zhuǎn)支架包括橫桿和兩個(gè)攪動(dòng)桿，橫桿水平設(shè)置在環(huán)形槽的正上方，伺服電機(jī)的輸出軸連接到橫桿的中點(diǎn)上，橫桿的兩端分別與兩個(gè)攪動(dòng)桿的上端連接，兩個(gè)攪動(dòng)桿的下端均連接有攪拌葉片。

所述攪拌葉片伸入環(huán)境流體內(nèi)，攪拌葉片的下端與透明土石混合體試樣的上端存在間隙，兩個(gè)攪拌葉片的連線穿過環(huán)形槽所在圓的圓心。

所述激光器安裝到電動(dòng)升降臺(tái)上，電動(dòng)升降臺(tái)固定在試驗(yàn)臺(tái)上且位于環(huán)形槽外側(cè)。

工作時(shí)，所述伺服電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)攪拌葉片攪動(dòng)環(huán)境流體。所述激光器向透明土石混合體試樣發(fā)射激光，電動(dòng)升降臺(tái)帶動(dòng)激光器上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，透明土石混合體試樣和環(huán)境流體內(nèi)的熒光劑在激光誘導(dǎo)下發(fā)出熒光，位于透明土石混合體試樣正上方的工業(yè)相機(jī)對(duì)透明土石混合體試樣進(jìn)行持續(xù)拍攝，并將捕捉到的圖像發(fā)送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過數(shù)字圖像處理技術(shù)定量分析透明土石混合體試樣的演化過程。

進(jìn)一步，所述透明土石混合體試樣呈扇環(huán)狀。

進(jìn)一步，所述透明土石混合體試樣由正十二烷、苯甲基硅油、無(wú)定型硅粉和不規(guī)則玻璃塊均勻混合并加載固結(jié)而成。

進(jìn)一步，所述環(huán)境流體為礦物混合油。

基于上述的一種透明土石混合體水力侵蝕演化模擬系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

1)制作所述環(huán)境流體和呈扇環(huán)狀的透明土石混合體試樣。其中所述透明土石混合體試樣和環(huán)境流體內(nèi)均添加有熒光劑。