水工模型試驗教學平臺的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及水利工程教學工具技術領域，具體涉及一種水工模型試驗教學平臺。
【背景技術】
[0002] 21世紀是中國工程建設快速發展的世紀，進入新世紀，水利、水電、能源、交通等 大型工程的開發已成為我國經濟建設的重點。隨著國民經濟的持續發展和西部大開發戰略 的實施，我國迎來了大規模工程建設的高峰期，如三峽、龍灘、溪落渡、南水北調等大型水利 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發與地鐵工程建設等，正以前所未有的速度在全國進行。與此同 時，石油和天然氣儲存、核廢料處置、C02儲存、垃圾深埋以及石油、地熱和礦產資源的超深 開采等也已經納入國家總的發展規劃。這些大型工程建設項目一方面對加快我國國民經濟 發展、提高人民生活水平和保持社會可持續發展將起到重大的作用，同時開發這些大型工 程將面對大量的巖土開挖，涉及許多有關巖體強度破壞、變形失穩以及加固處理的問題。對 這些復雜的問題，一方面要借助理論分析、計算機數字模擬方法去研究；另一方面，更多地 要借助巖體地質力學模型試驗手段來解決。
[0003] 要進行地質力學模型試驗，必須有相應的模型試驗裝置，目前有關地質力學模型 試驗裝置的研究現狀如下：武漢大學研制出了平面應力試驗和立式平面應變試驗裝置。平 面應力試驗裝置主要由型鋼鋼板焊接成框架結構；立式平面應變試驗裝置由中部固定框架 和沿厚度方向的2個前、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生位移，從而達到平面應變的要求。該裝置已在部分水電 站地下廠房洞室群圍巖穩定與支護試驗中得到應用。清華大學李仲奎等研制成離散化三 維多主應力面加載試驗架系統，該系統主要由高壓氣囊、反推力板、限位千斤頂、垂直立柱、 封閉式鋼結構環梁、支撐鋼架和空氣壓縮機組成，試驗架內尺寸為：620cmX102cmX470 cm(長X寬X高），其規模在國內外同類型的三維地質力學模型試驗臺架裝置中是最大 的。總參工程兵科研三所研制有巖土工程多功能模擬試驗裝置，該試驗裝置具有雙向旋轉 功能，可圍繞模型平面旋轉360°，圍繞立面旋轉35°，為復雜地層的模型制作、模擬巖土 體的自重應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X寬X高），試驗時可控制模型的準平面應變條件。此外，中國礦 業大學、西南交通大學、長江科學研究院等單位也研制有一些地質力學模型試驗裝置。
[0004] 上述試驗臺架裝置存在的普遍問題是：（1)試驗臺架裝置尺寸固定，不能根據模 型試驗范圍進行有效調整；(2)試驗臺架裝置多用型鋼焊接而成，結構多以板梁式或框梁 式結構為主，在側向壓力作用下，臺架側向撓度變形通常較大，易造成試驗邊界條件的改 變。
【發明內容】
[0005] 為克服【背景技術】中存在的各缺點，本發明提供一種結構新穎、剛度大、整體穩定性 好、組裝靈活方便、尺寸可任意調整并能滿足不同規模模型試驗要求的用于教學演示的組 合式三維地質力學模型試驗裝置。
[0006] 本發明解決其技術問題所采用的方案是：一種水工模型試驗教學平臺，包括框架 和模擬壩體，以及主推動機構和壓力傳感器，在框架前側與模擬壩體正對的框架上固定有 水平導向套并匹配安裝有水平調節桿及鎖緊機構；在水平調節桿上豎向固定有豎向導向 套并匹配安裝有豎向調節桿及鎖緊機構；在所述水平調節桿末端安裝有豎向支撐桿或調節 缸，在所述豎向調節桿末端安裝有水平調節桿或調節缸；在各支撐桿或調節杠的末端分別 設置有壓力傳感器及叉頭，與叉頭配合安裝有支撐塊，支撐塊設置有轉軸，轉軸匹配套裝于 叉頭中，支撐塊與模擬壩體表面貼合。
[0007] 在模擬壩體正對的框架上或者在水平調節桿上或者在豎向調節桿上，安裝有水平 支撐桿或調節缸，水平支撐桿或調節缸的末端設置壓力傳感器和支撐塊，支撐塊與模擬壩 體表面貼合。
[0008] 在模擬壩體的兩側粘貼拉力傳感器片；或者，在所述框架的兩側設置側面水平導 向桿并套裝側面水平調節套及鎖緊機構，在側面水平調節套上垂直固定有支撐桿或調節缸 或伸縮套管，并在末端安裝有發散彈片，發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，壓力傳感器套裝于套管底部與插頭根部之間。
[0010] 所述側面水平導向桿的兩端設置有調節框架，調節框架與框架體之間通過U型座 連接，并設置鎖緊機構。
[0011] 在模擬壩體底部連接有基底平臺，基底平臺與模擬壩體底部之間活動連接；基底 與框架底部之間活動連接。
[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，用于對比 顯示各壓力傳感器數值。與各壓力傳感器并列設置有位置傳感器，控制器采集各壓力傳感 器和位置傳感器信號，通過圖形顯示位置形變量和壓力大小。
[0013] 本發明的有益效果是：本發明組裝靈活方便、對模擬壩體的壓力支撐點可以在三 維方向上任意調整，能滿足不同規模模型試驗要求的用于教學演示，直觀學習和了解三維 地質力學模型試驗。本發明結構新穎、剛度大、整體穩定性好，容易制造和隨意組裝，教學演 示效果非常好，適合推廣應用。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發明立體使用狀態示意圖； 圖2是本發明前側壓力檢測結構示意圖； 圖3是本發明側面壓力檢測結構示意圖； 圖4是圖3中局部放大結構示意圖； 圖5是本發明量測系統框圖。
[0015]圖中，標號1為框架體，2為主推力機構，3為墊板，4為水平導向套，5為水平調節 桿，6為豎向導向套，7為豎向調節桿，8為支座，9為支撐桿或調節缸，10為支撐塊，11為壓 力傳感器，12為轉軸，13為叉頭，14為固定座，15為模擬壩體，16為基底平臺，17為側面水 平導向桿，18為側面水平調節套，19為發散彈片，20為拉力傳感器片，21為調節框架，22為 U型座，23為鎖緊機構。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0017] 實施例1:如圖1和圖2所示的試驗教學平臺，組裝靈活方便，可以對模擬壩體15 的壓力支撐點可以在三維方向上任意調整。
[0018] 圖2中，在框架前側與模擬壩體15正對的框架上固定有水平導向套4并匹配安裝 有水平調節桿5及鎖緊機構23。在水平調節桿5末端安裝有豎向調節缸。
[0019] 在水平調節桿5上豎向固定有豎向導向套6并匹配安裝有豎向調節桿7及鎖緊機 構23。在豎向調節桿7末端安裝有水平調節缸。
[0020] 在各調節杠的末端分別設置有壓力傳感器11及叉頭13,與叉頭13配合安裝有支 撐塊10,支撐塊10設置有轉軸12,轉軸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] 參見圖3和圖4,在框架的兩側設置側面水平導向桿17并套裝側面水平調節套18 及鎖緊機構23,在側面水平調節套18上垂直固定有支撐桿或調節缸或伸縮套管，并在末端 安裝有發散彈片19,發散彈片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16,基底平臺16與模擬壩體15底部之間活動 連接；基底與框架底部之間活動連接。
[0023] 在模擬壩體15正對的框架上或者在水平調節桿5上或者在豎向調節桿7上，安裝 有水平支撐桿或調節缸，水平支撐桿或調節缸的末端設置壓力傳感器11和支撐塊10,支撐 塊10與模擬壩體15表面貼合。
[0024] 所述側面水平導向桿17的兩端設置有調節框架21，調節框架21與框架體1之間 通過U型座22連接，并設置鎖緊機構23。
[0025] 模型相似條件試驗 均質壩基模型試驗屬于結構模型試驗，必須滿足破壞試驗的相似要求，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及主要地質構造必須滿足幾何相似條 件； (2) 應力應變關系相似要求：原型與模型的應變相同，原型與模型材料的變形模量、應 力與應變關系以及抗壓、抗拉強度等滿足相似條件； (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保持相似。 根據以上條件，設^為原型與模型之間相同的物理量之比，由相似