一种多维度-多物理场裂隙性黄土潜蚀机理物理模型实验装置的制作方法

1.本实用新型涉及地质灾害实验技术领域，特别涉及一种多维度
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多物理场裂隙性黄土潜蚀物理模型实验装置。


背景技术：

2.黄土潜蚀是指地表径流沿黄土大孔隙、节理裂隙等渗入黄土后，对黄土产生的渗透潜蚀、冲刷潜蚀、浸润湿陷和崩解等现象。由于黄土潜蚀的主控因素多样，包含土体性质、渗流通道和水动力条件三大类；形成机理及其复杂，包括水力侵蚀、重力侵蚀及两者复合侵蚀等类型，当前对其形成机理研究尚处于起步阶段。另外，受目前对土体内部潜蚀过程观测手段的限制，对潜蚀发生过程和潜蚀的地质模式研究几乎空白。以往进行黄土潜蚀物理模型试验时，主要考虑突涌、流土等情况，实验变量有：土体含水率、干密度等，上述这些物理模型试验从不同因素角度对黄土潜蚀的形成进行了模拟。但是均存在一个缺点，就是不能对黄土潜蚀过程直接进行观测。黄土潜蚀是发生在地面以下的土体内部侵蚀过程，对黄土潜蚀过程的直观观测是黄土潜蚀机理研究中的卡脖子问题。受当前地球物理探测技术精度限制，不能很好地对潜蚀过程中多物理场进行实时观测，而且现有物探技术价格昂贵，经济成本较高。
3.当下裂隙性黄土潜蚀物理模型实验方法较少，考虑的影响因素也仅限于土性方面，目前还没有一种是便于操作，同时考虑土性、通道和水动力条件三大主控因素，且同时可以监测潜蚀过程中土体内部的水分场、应力场、渗流场变化，又可以实时观测黄土潜蚀过程的物理模型试验装置。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种多维度-多物理场裂隙性黄土潜蚀物理模型实验装置，即基于“蜂箱原理”，提供了一种考虑空间二维、三维多维度的实验装置，通过改变间隔板的位置来改变土体模型的厚度，通过改变预制裂隙挡板的厚度来模拟不同裂隙开度，通过控制电磁流量计和阀门来控制潜蚀水流流量的大小，同时在模型中埋设多物理量传感器，来监测潜蚀过程中土体的应力场变化规律、坡体的渗流场及地表水流的入渗规律。
5.为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
6.一种多维度-多物理场裂隙性黄土潜蚀机理物理模型实验装置，包括数据和影像采集系统a、试验系统b及供水系统c，所述供水系统c向试验系统b注水，试验系统b根据实验设计改变土体模型厚度及裂隙开度，数据和影像采集系统a对试验过程数据进行采集、观察及记录。
7.所述供水系统c包括供水桶12，供水桶12底部设有水泵13，水泵13的出水口与供水管8进水端相连接，供水管8依次连通阀门11 与流量计10，与试验系统b顶部中间的进水孔
相通。
8.所述试验系统b包括模型箱3，模型箱3的底板16内壁设有若干底板卡槽18，模型箱3两侧内壁设有若干与底板卡槽18相适配的侧板卡槽24，底板卡槽18与侧板卡槽24之间可活动连接有厚度间隔板22，厚度间隔板22与模型箱3内壁之间且垂直于厚度间隔板22 与模型箱3内壁设有预制板23，模型箱3的底板16中间设置有出水孔17，出水孔17与底板16下方设置的排水槽15相连通，排水槽15 排水口下方设有泥沙池5。
9.所述数据和影像采集系统a包括多物理场传感器，多物理场传感器通过数据线穿过模型箱3侧壁设置的出线孔19与数据采集仪2数据输入端相连接，数据采集仪2数据输出端与电脑1的数据输入端相连接；数据和影像采集系统a还包括设置于模型箱3正前方的摄像机9，摄像机9将拍摄的影像数据传至电脑1进行分析处理。
10.所述底板卡槽18与侧板卡槽24等距设置。
11.所述预制板23的高度大于等于厚度间隔板22高度；预制板23 根据厚度间隔板22与模型箱3内壁之间间距设置不同宽度；预制板 23根据实验设计设置不同厚度，用于制作不同开度的裂隙4。
12.所述多物理场传感器包括若干从模型箱3底部向上依次分层安装的若干个孔压传感器21、土压力传感器7及水分传感器6。
13.所述模型箱3、厚度间隔板22及预制板23均为透明材质构成。
14.所述模型箱3正前方面板上绘制有正方形网格线20。
15.所述网格线20边长0.1-10cm。
16.本实用新型的有益效果在于：
17.通过将厚度间隔板22插入不同的底板卡槽18及与其适配的侧板卡槽24，从而改变模型厚度，厚度最小的时候近似于二维，厚度最大就是真三维，堆填出二维、三维等不同空间维度的模型，可以将复杂的黄土潜蚀三维过程简化为二维模型，在明晰二维维度的基础上，通过加大模型厚度，进而实现揭示符合实际三维维度裂隙黄土潜蚀机理的目的；通过埋设相应的传感器，可以监测裂隙性黄土潜蚀过程中水分场、应力场和渗流场等多物理场的变化规律；通过在模型箱3正前方绘制网格和架设摄像机9，可以全程记录裂隙黄土潜蚀全过程，弥补了以往模型实验不能观测潜蚀过程的最大缺憾。本模型实验装置操作便利，耐用可靠，尤其适用于裂隙性黄土潜蚀机理的物理模拟。
附图说明
18.图1为本实用新型的整体结构示意图。
19.图2为本实用新型的模型箱3的立体结构示意图。
20.图3为本实用新型的模型箱3的俯视图。
21.图4为本实用新型的模型箱3的底板16的立体图。
22.图5为本实用新型的模型箱3的侧视图。
23.图中：1、电脑；2、数据采集仪；3、模型箱；4、裂隙；5、泥沙池；6、水分传感器；7、土压力传感器；8、供水管；9、摄像机；10、流量计；11、阀门；12、供水桶；13、水泵；14、传感器连接线；15、排水槽；16、底板；17、出水孔；18、底板卡槽；19、出线孔；20、网格线；21、孔压传感器；22、厚度间隔板；23、预制板；24、侧板卡槽。
具体实施方式
24.下面通过附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
25.参照图1，一种多维度-多物理场裂隙性黄土潜蚀机理物理模型实验装置，包括数据和影像采集系统a、试验系统b及供水系统c，所述供水系统c向试验系统b注水，试验系统b根据实验设计改变土体模型厚度及裂隙开度，数据和影像采集系统a对试验过程数据进行采集、观察及记录。
26.所述供水系统c包括供水桶12，供水桶12底部设有水泵13，水泵13的出水口与供水管8进水端相连接，供水管8依次连通阀门11 与流量计10，与试验系统b顶部中间的进水孔相通。
27.参照图2至图5，所述试验系统b包括模型箱3，模型箱3的底板16内壁设有若干底板卡槽18，模型箱3两侧内壁设有若干与底板卡槽18相适配的侧板卡槽24，底板卡槽18与侧板卡槽24之间可活动连接有厚度间隔板22，厚度间隔板22与模型箱3内壁之间且垂直于厚度间隔板22与模型箱3内壁设有预制板23，模型箱3的底板16 中间设置有出水孔17，出水孔17与底板16下方设置的排水槽15相连通，排水槽15排水口下方设有泥沙池5。
28.参照图1，所述数据和影像采集系统a包括多物理场传感器，多物理场传感器通过数据线穿过模型箱3侧壁设置的出线孔19与数据采集仪2数据输入端相连接，数据采集仪2数据输出端与电脑1的数据输入端相连接；数据和影像采集系统a还包括设置于模型箱3正前方的摄像机，摄像机将拍摄的影像数据传至电脑1进行分析处理。
29.所述底板卡槽18与侧板卡槽24等距设置。
30.所述预制板23的高度大于等于厚度间隔板22高度；预制板23 根据厚度间隔板22与模型箱3内壁之间间距设置不同宽度；预制板23根据实验设计设置不同厚度，用于制作不同开度的裂隙4。
31.所述多物理场传感器包括若干从模型箱3底部向上依次分层安装的若干个孔压传感器21、土压力传感器7及水分传感器6；孔压传感器21用于监测实验过程中渗流场变化；土压力传感器7用于监测实验过程中应力场的变化规律；水分传感器6用于监测实验过程中水分迁移规律。
32.所述模型箱3、厚度间隔板22及预制板23均为透明材质构成。
33.所述模型箱3正前方面板上绘制有正方形网格线20，可以实现裂隙性黄土随时间潜蚀演化过程曲线的绘制。
34.所述网格线20边长0.1-10cm，优选3cm*3cm。
35.本实用新型的工作原理为：
36.使用时，按照从下至上、从左到右的顺序安装模型装置。在模型箱3中未堆土的情况下，重点检查供水管8是否漏水、电磁流量计 10、水泵13是否正常工作，然后向水箱12中注水备用，待准备工作完成后，关紧阀门11；在模型箱3中按照实验设计模型厚度和裂隙开度，将改变厚度的间隔板22和改变开度裂隙的预制板23安装在设计位置，然后进行堆土；在堆填过程中，按照实验设计从模型箱3底部向上依次分层布置若干个孔压传感器21、土压力传感器7及水分传感器6，连接好传感器的数据采集设备，调试备用；将泥沙池5放置到合适位置，一切就绪之后，打开摄像机9，调整至最佳拍摄角度，用于记录裂隙性黄土的潜蚀过程，然后打开开关11，将水流流量调节到实验要求流量，然后通入预制裂隙4中，预制裂隙4
在水流冲刷潜蚀和重力作用下不断扩宽，最终形成黄土洞穴；在模型箱3正前方面板上绘制网格25，可以实现裂隙性黄土随时间潜蚀演化过程曲线的绘制。
37.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。