三维可视化降雨边坡渗流流径时空变动的模型试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及水文观测技术领域，具体涉及一种三维可视化降雨边坡渗流流径时空变动的模型试验装置。


背景技术：

2.受天气变化和环境因素的影响，各土工结构物的边坡部分常处于丰沛的降雨环境下。雨水不仅会沿着边坡的坡面运移，形成表面径流，由于边坡表面存在一定的渗透性，部分雨水也会通过渗流的方式进入到边坡填土的内部，形成渗流场。渗流场的发展，将改变边坡填土的相关力学特性，影响边坡整体的稳定性和承载特性，可能会导致滑坡、山洪等严重的边坡灾害。降雨条件下边坡内部渗流流径的时空发展，是相关工况下的水文信息和数据的重要部分，也是预防相关灾害的数据基础，为建设韧性城市打下良好的铺垫。
3.为了满足在可控的降雨和泄流复杂工况下，对边坡内部渗流流径时空变动的三维可视化测量，本实用新型提供了一种三维可视化降雨边坡渗流流径时空变动的模型试验装置，借助三维光学成像，通过灰度处理和三维重塑技术，观察边坡内部渗流场的时空发展。


技术实现要素：

4.本实用新型为了克服以上技术的不足，提供了一种三维可视化降雨边坡渗流流径时空变动的模型试验装置。
5.本实用新型克服其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种三维可视化降雨边坡渗流流径时空变动的模型试验装置，至少包括：
7.降雨泄流模型箱，其内部设有三维可视化可塑边坡机构，所述降雨泄流模型箱用于模拟多种不同工况下的可视化边坡，控制坡脚的不同泄流边界条件；
8.可控降雨机构，安装于降雨泄流模型箱的上方，所述可控降雨机构用于通过有色染料模拟降雨过程并控制试验过程中降雨强度的大小；以及，
9.光学三维流径时空测量机构，用于采集光学图像，对采集的光学图像进行灰度处理和三维重塑，完成对边坡内部渗流流径的时空演变测量。
10.进一步地，所述降雨泄流模型箱至少包括上方开口的箱体，所述箱体至少包括底座、固定于底座上方的第一框架以及设于第一框架四周的侧板，底座上设有过滤网，箱体内设有排水管和设置于排水管上的排水管阀，排水管上端的排水管口与底座的上表面齐平。
11.进一步地，所述排水管的下端连接至集水箱，用于收集从排水管排出的雨水。
12.进一步地，所述侧板采用透明材质，实现可视化试验的要求。
13.进一步地，所述三维可视化可塑边坡机构至少包括透明土填料以及覆盖于透明土填料上方的可渗透明覆盖层，透明土填料可拆式设置于过滤网的上方，排水管口与透明土填料的坡脚处齐平。
14.进一步地，所述可控降雨机构至少包括第二框架和安装于第二框架上方的水管且水管连接至供水源，水管与供水源之间设有流量控制计，水管上安装有若干个均匀分布的
降雨喷头。
15.进一步地，所述第二框架的四周设置有挡雨帷幕，可以防止雨水的飞溅和流出，避免产生试验误差。
16.进一步地，所述第一框架、底座、第二框架和过滤网均采用不锈钢材质，不锈钢的强度比较大，以保证试验装置的稳固性。
17.进一步地，所述光学三维流径时空测量机构至少包括三台光学摄像机和上位机，每台光学摄像机的输出端与上位机的输入端连接。
18.进一步地，三台光学摄像机包括俯视光学摄像机、第一侧视光学摄像机和第二侧视光学摄像机，俯视光学摄像机通过横杆固定于降雨泄流模型箱上且俯视光学摄像机的镜头面对可渗透明覆盖层的上表面，第一侧视光学摄像机和第二侧视光学摄像机中的其中一台的镜头面对透明土填料的一个侧面、另外一台的镜头面对透明土填料坡脚的一侧。
19.本实用新型的有益效果是：
20.本实用新型的试验装置，建立了可研究渗流流径的边坡缩尺模型，能够调整降雨强度、泄流条件、边坡工况等参数，对边坡内部渗流流径的时空发展进行三维可视化观测，操作方便，结构简单，且能满足重复试验的要求。
附图说明
21.图1为本实用新型实施例所述的三维可视化降雨边坡渗流流径时空变动的模型试验装置的整体结构示意图。
22.图2为本实用新型实施例所述的可控降雨机构的结构示意图。
23.图3为本实用新型实施例所述的三维可视化可塑边坡机构的结构示意图。
24.图4为本实用新型实施例所述的光学三维流径时空测量机构的结构示意图。
25.图5为本实用新型实施例所述的降雨泄流模型箱的结构示意图。
26.图中，1、第二框架，2、水管，3、降雨喷头，4、挡雨帷幕，5、流量控制计，6、供水源，7、可渗透明覆盖层，8、透明土填料，9、横杆，10、俯视光学摄像机，11、第一侧视光学摄像机，12、第二侧视光学摄像机，13、上位机，14、第一框架，15、侧板，16、底座，17、排水管，171、排水管口，18、排水管阀，19、集水箱，20、过滤网，21、支撑杆。
具体实施方式
27.为了便于本领域人员更好的理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本实用新型的保护范围。
28.如图1-5所示，本实施例提供了一种三维可视化降雨边坡渗流流径时空变动的模型试验装置，至少包括降雨泄流模型箱、可控降雨机构和光学三维流径时空测量机构。具体地：
29.本实施例中，整个模型试验装置的整体尺寸是1.5m
×
0.5m
×
1.8m，包括0.3m高的可控降雨机构和1.5m高的降雨泄流模型箱，该尺寸为优选尺寸，并不作为对本实用新型所述的试验装置的尺寸的限制。
30.本实施例中，所述降雨泄流模型箱的其内部设有三维可视化可塑边坡机构，所述降雨泄流模型箱用于模拟多种不同工况下的可视化边坡，控制坡脚的不同泄流边界条件。
如图1和4所示，所述降雨泄流模型箱至少包括上方开口的箱体，所述箱体至少包括底座16、固定于底座上方的第一框架14以及设于第一框架四周的侧板15，底座16上设有过滤网20，箱体内设有排水管17和设置于排水管上的排水管阀18，排水管上端的排水管口171与底座16的上表面齐平，所述排水管17的下端连接至集水箱19，排水管17和排水管阀18控制了边坡坡脚的泄流边界条件，能实现对各种泄流情况的模拟。优选地，所述第一框架14和底座16均采用不锈钢材质，强度比较大，保证降雨泄流模型箱的稳固性；本实施例所述的过滤网20也采用不锈钢材质，且过滤网上有纵横交错的支撑杆21以加强过滤网的强度，过滤网20保证了边坡底部的排水条件，同时满足承载要求。所述侧板15采用透明材质，优选有机玻璃，有机玻璃的壁厚采用1cm，保证模型箱刚度的同时，还能实现三维可视化试验的要求。
31.本实施例中，所述光学三维流径时空测量机构用于采集光学图像，对采集的光学图像进行灰度处理和三维重塑，完成对边坡内部渗流流径的时空演变测量。如图1和3所示，所述三维可视化可塑边坡机构至少包括透明土填料8以及覆盖于透明土填料上方的可渗透明覆盖层7，透明土填料8可拆式填筑在过滤网20的上方，排水管口171与透明土填料8的坡脚处齐平，即，位于同一水平面。进一步地，所述透明土填料8可采用玻璃微珠等透明土材料；所述可渗透明覆盖层7可采用多孔透明树脂等材料，用于模拟边坡表面渗透性较小的覆盖层，且不影响试验的可视化。
32.本实施例中，所述可控降雨机构安装于降雨泄流模型箱的上方，所述可控降雨机构用于通过有色染料模拟降雨过程并控制试验过程中降雨强度的大小。所述可控降雨机构至少包括第二框架1和安装于第二框架上方的水管2且水管连接至供水源6，水管1与供水源6之间设有流量控制计5，水管上安装有若干个均匀分布的降雨喷头3。另外，所述供水源6与集水箱19连接，流入供水源6形成循环使用。所述第二框架1均采用不锈钢材质，强度比较大，保证可控降雨机构的稳固性。所述第二框架1的四周设置有挡雨帷幕4，防止雨水的飞溅和流出，避免产生试验误差。通过流量控制计5控制雨水的流量大小，使得水从供水源6流入水管2，经由图1和图2示出的等间距分布的降雨喷头3流入箱体内实现降雨的模拟，但降雨喷头3并不局限于本实施例所述的分布方式，只要能保证降雨均匀即可。
33.本实施例中，所述光学三维流径时空测量机构至少包括三台光学摄像机和上位机13，每台光学摄像机的输出端与上位机13的输入端连接。本实施例优选采用三台光学摄像机，三台光学摄像机包括俯视光学摄像机10、第一侧视光学摄像机11和第二侧视光学摄像机12，俯视光学摄像机10通过横杆9固定于降雨泄流模型箱上且俯视光学摄像机10的镜头面对可渗透明覆盖层7的上表面，第一侧视光学摄像机11和第二侧视光学摄像机12中的其中一台的镜头面对透明土填料8的一个侧面、另外一台的镜头面对透明土填料8坡脚的一侧，第一侧视光学摄像机11和第二侧视光学摄像机12均通过支架固定，如图1和5所示，即，三台光学摄像机分别为俯视、正视和侧视角度拍摄三维可视化可塑边坡机构，三台光学摄像机采集的光学图像传输至上位机13，进行数据处理。
34.本实施例所述的三维可视化降雨边坡渗流流径时空变动的模型试验装置的工作原理：首先，将过滤网20放置于降雨泄流模型箱的底部，然后填筑透明土填料8，在透明土填料上放置可渗透明覆盖层7，形成所需的模拟边坡模型。安装横杆9，调试俯视光学摄像机10、第一侧视光学摄像机11和第二侧视光学摄像机12。将第二框架1安装在第一框架14上。调整排水管阀18的开闭，控制坡脚处的泄流边界条件。完成所有的准备工作后，开启流量控
制计5，有色染料模拟的雨水从供水源6出发，从均匀分布的降雨喷头3喷出，掉落在可渗透明覆盖层7上，其中一部分雨水将顺着边坡流下，经由排水管口17，进入到集水箱19中，流入供水源6形成循环使用，另一部分雨水穿过可渗透明覆盖层7，进入到透明土填料8中，有色染料模拟的雨水将在透明土填料8中留下渗流流径，由俯视光学摄像机10、第一侧视光学摄像机11和第二侧视光学摄像机12采集任一时间点的光学图像，传至上位机13中，通过灰度处理和三维重塑的技术，完成降雨模拟边坡内渗流流径的三维时空演变观测。需要进行重复试验时，只需要调整透明土填料8、排水管阀18的开闭和流量控制计5即可，操作简单。
35.以上仅描述了本实用新型的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本实用新型的保护范围。