咸寒区输水渠道冻融变形离心模拟系统

摘要

咸寒区输水渠道冻融变形离心模拟系统，包括离心机、模型箱、水循环制冷装置和温度控制器，所述模型箱由外箱、内箱和夹层填充材料组成，用于设置渠道模型；所述水循环制冷装置由若干串联的半导体制冷片和水冷装置组成，所述水冷装置包括水管、水泵和水箱；所述温度控制器，用于设定及监测模型箱内的环境温度，实现模拟真实现场环境温度；所述模型箱设置在离心机的吊篮中，所述半导体制冷片固定在模型箱内的顶部，所述水循环冷却装置设置在离心机转臂上；所述半导体制冷片的制冷板向下吸收渠道模型的热量，所述半导体制冷片的散热板通过水循环冷却装置散热。本发明解决了在超重力场作用下输水渠道冻胀-融沉过程模拟及测试的技术难题。

权利要求

1. 咸寒区输水渠道冻融变形离心模拟系统，包括离心机、模型箱、水循环制冷装置和温度控制器，其特征是，所述模型箱由外箱、内箱和夹层填充材料组成，用于设置渠道模型；

所述水循环制冷装置由若干串联的半导体制冷片和水冷装置组成，所述水冷装置包括水管、水泵和水箱；所述温度控制器设置在模型箱外部，用于设定及监测模型箱内的环境温度，实现模拟真实现场环境温度；

所述模型箱设置在离心机的吊篮中，所述半导体制冷片固定在模型箱内的顶部，所述水循环冷却装置设置在离心机转臂上；所述半导体制冷片的制冷板向下吸收渠道模型的热量，所述半导体制冷片的散热板通过水循环冷却装置散热。

2. 根据权利要求1所述的咸寒区输水渠道冻融变形离心模拟系统，其特征是，所述水冷装置中还设有风冷式冷凝器，风冷式冷凝器固定在离心机转臂上面。

3. 根据权利要求1所述的咸寒区输水渠道冻融变形离心模拟系统，其特征是，所述模型箱内设有渠道模型。

4. 根据权利要求1所述的咸寒区输水渠道冻融变形离心模拟系统，其特征是，所述咸寒区输水渠道冻融变形离心模拟系统还设有计算机控制系统，用于显示、记录和输出设备工作参数、土体不同深度的温度变化和位移变化，所述渠道模型内设有温度传感器和位移传感器，用于实时监测模型中温度和位移数值，传输至所述计算机控制系统。

5. 根据权利要求1所述的咸寒区输水渠道冻融变形离心模拟系统，其特征是，所述外箱采用不锈钢材料制成，所述内箱采用抗冻性航空有机玻璃制作，所述夹层填充材料为聚氨酯泡沫塑料。

说明书

咸寒区输水渠道冻融变形离心模拟系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种应用于土工离心机上的物理模型试验系统，具体是一种可以在离心机上实现冻融循环的模拟试验系统，专门用于模拟寒冷地区输水渠道的冻胀-融沉变形特性的研究。

背景技术

[0002] 我国北方寒冷地区分布有广阔的冻土，仅多年冻土面积就占国土面积的1/5强，当冻土深度超过0.5m时，就会发生明显的冻结融化作用，冻融作用会导致输水渠道渠基土变形，使得上覆输水渠道衬砌发生变位、隆起甚至损毁。我国寒冷地区渠道损坏的主要原因就是是渠基土的冻胀所致，因渠道冻胀破坏造成的损坏占渠道破坏总量的40%以上，每年用于处理渠道损坏的费用超过总维修费的60%，严重影响了渠道的正常运行。

[0003] 对输水渠道冻融特性的研究，目前主要是采用室内单元试验研究渠基土自身冻胀特性，少数学者采用了现场实测的方法，但前者在应力状态和时间模拟等方面和实际情况差别很大，只能用作渠基土单元体冻融基本规律的探讨，而现场实测需在现场建立试验监测段，费时费力、周期长，费用高。因此，在室内进行输水渠道冻融的物理模型试验是一种有效的研究方法。

[0004] 目前对输水渠道冻融特性进行研究的物理模拟试验方法，都是在常应力状态（1g）下进行试验，这种模拟方法主要存在两大不足：（1）由于岩土工程中土体自重应力常为主导因子，占据支配地位，而室内小型物理模型试验无法真实再现渠基土真实应力状态，使得试验结果和真实渠道的冻融情况相比仍有较大差别；（2）常应力状态下物理模型试验中，实现渠道冻融一般在几天甚至几小时内完成，而实际渠道的冻融往往经历几个月的时间，在渠道冻融的时间跨度模拟方面，1g常应力条件下的模型试验显然难以反应真实冻融时间跨度。在土工离心机上进行物理模型试验，一方面通过设置模型比尺N，不仅可以反应真实应力状态下的渠道冻融情况，并可以实现在离心机冻融模型箱内几个小时的时间跨度反应2
原型真实情况下的冻融时间跨度（原型真实冻融时间为模型箱时间的N倍）。因此，无论是应力状态还是渠道冻融所经历的时间跨度，在离心机上进行渠道冻融的物理模型试验，都能好的反应实际渠道冻融状况。

[0005] 在离心机上进行渠道冻融循环的模拟，关键是实现大幅度的温度变化区间（负40℃-30℃），目前在常应力状态下实现负温的方法主要有压缩机制冷和液氮制冷两种方法，压缩机制冷设备本身体积较大，不能倾斜翻转，且只能制冷，无法致热，不能适应离心机的工作环境；而液氮制冷，需要高压制冷设备，管路的连接非常复杂，也难以在离心机场下应用。本发明专利采用了一种利用帕尔贴效应的半导体制冷片作为制冷系统的方法，并采用循环水冷却系统带走热量，从而实现在超重力的离心力场渠道的冻融。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种可用于土工离心模型试验中的渠道冻融模拟系统及方法，该系统可以在高达50g的离心力场中工作，实现-40℃到30℃的温度变化环境，并可以多次冻融循环，为寒冷地区渠基土的冻胀-融沉特性的研究提供科学手段。 实现本发明目的的技术方案是：

[0007] 咸寒区输水渠道冻融变形离心模拟系统，包括离心机、模型箱、水循环制冷装置和温度控制器，所述模型箱由外箱、内箱和夹层填充材料组成，用于设置渠道模型；所述水循环制冷装置由若干串联的半导体制冷片和水冷装置组成，所述水冷装置包括水管、水泵和水箱；所述温度控制器设于模型箱外部，用于设定及监测模型箱内的环境温度，实现模拟真实现场环境温度；

[0008] 所述温度控制器，使用高精度智能化PID温度控制仪，既能显示温度又能控制温度，通过控制电路实现对制冷器制冷/制热自动转换控制；PID自整定功能具有自动计算降温速率和控制目标温度功能，达到预设温度后自动给出温度预设值区间，使制冷器在预设值区间内工作，确保设备持续制冷/制热。

[0009] 所述模型箱设置在离心机的吊篮中，所述半导体制冷片固定在模型箱内的顶部，所述水循环冷却装置设置在离心机转臂上；所述半导体制冷片的制冷板向下吸收渠道模型的热量，所述半导体制冷片的散热板通过水循环冷却装置散热。

[0010] 作为本发明的进一步改进，所述水冷装置中还设有风冷式冷凝器，风冷式冷凝器固定在离心机转臂上面，用于利用离心机旋转产生的风力进一步降低循环水水温。

[0011] 作为本发明的进一步改进，所述模型箱设置有双层结构，内部设有渠道模型。

[0012] 作为本发明的进一步改进，所述渠道模型内设置有专门的传感器支撑系统，用于安装温度传感器和位移传感器，所述咸寒区输水渠道冻融变形离心模拟系统还设有计算机控制系统，用于显示、记录和输出设备工作参数、土体不同深度的温度变化和位移变化。

[0013] 离心模型中冻融循环实现的技术关键在于超重力场下的快速热交换过程，该离心模型冻融模系统利用高强度不锈钢和高保温材料等制作模型箱，采用半导体热交换板快速制冷，在模型箱中模拟渠道断面，渠道中埋设传感器观测渠基土温度和冻胀-融沉变形，以解决在离心力场下冻融过程中的渠基土冻融变形测试难度。利用本发明建造的南京水利科学研究院的离心机冻融模拟试验系统，模拟了新疆地区输水渠道的冻胀融沉情况，试验时设置了不同的离心加速度，最高离心加速度达50 g，结果表明该系统可以用于寒区渠基土冻胀融沉特性的研究。

附图说明

[0014] 图1为本发明实施例1的结构示意图；

[0015] 图2为20g值条件下的渠道模型实验图；

[0016] 图3为渠道模型中传感器布置剖面图；

[0017] 图4为本发明实施例1的控制电路示意图；

[0018] 图中：1-离心机，2-温度控制器，3-水循环制冷装置，4-模拟箱，5-计算机控制系统，8-控制电缆，9-微控接头， 12-吊篮，31-半导体制冷片，32-水冷装置，100-道冻融变形离心模拟试验系统，321-水管，322-水泵，323-水箱，324-风冷式冷凝器， S-位移传感器，T-温度传感器。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图和实施例做进一步说明。

[0020] 如图1所示，咸寒区输水渠道冻融变形离心模拟系统100，包括离心机1、模型箱4、水循环制冷装置3、温度控制器2和计算机控制系统5，模型箱4由外箱、内箱和内外箱之间的夹层填充材料组成，模型箱4内设置渠道模型。水循环制冷装置3由若干串联的半导体制冷片31和水冷装置32组成，水冷装置32包括水管321、水泵322、风冷式冷凝器324和水箱323。温度控制器（图中未显示）用于设定及监测模型箱内的环境温度，实现模拟真实现场环境温度。

[0021] 水循环制冷装置3：采用半导体制冷片制冷，它不需要任何制冷剂，只需要通电即可实现快速降温和升温，且其体积小，没有滑动和旋转部件，特别适合在离心力场下连续工作。本发明采用12块半导体制冷片31，半导体制冷片31间串联连接。水冷装置由水管321、4个水泵322、2个冷凝器324和1个水箱323组成，半导体制冷片31固定在模型箱4内的顶部，冷量的传递由半导体制冷片31向下通过空气传递到渠道模型，因此，对渠基土冻结和融化过程的模拟是由土体表面自上而下的方式实现，和实际土体冻结的过程一致。水泵
322、风冷式冷凝器324和水箱323固定在离心机转臂11上，通过水管321连接到模型箱内部的半导体制冷片31散热板。试验过程中，半导体制冷片31降温过程中所产生的热量由水泵322和水箱323开启后的水循环所带走，并可根据制冷速率要求开启不同数量的水泵
322。风冷式冷凝器324设置在离心机臂上，利用离心机旋转产生的风进一步降低循环水的温度。

[0022] 半导体制冷片31是电流换能型片件，通过对输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。半导体制冷片31热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。

[0023] 模型箱4：模型箱4由外箱、内箱和内外箱之间的夹层填充材料组成。外箱为高强度不锈钢材料以保证有足够的刚度，能够在离心力场下安全使用；内箱由高抗冻性航空有机玻璃制作，具有良好的耐温变和高强度性能；夹层填充高保温隔热聚氨酯泡沫塑料材料。如此制作，外箱、内箱和中间填充材料组成的模型箱整体，暨满足强度和刚度的要求，又具有良好的保温隔热性能，模型箱4中布设温度传感器T和位移传感器S以测试冻融过程中渠基土的温度场和冻融变形。试验时模型箱4固定放置在离心机的吊篮12内，如图4所示，温度控制器2设于模型箱4的外部，用于设定及监测模型箱4内的环境温度，实现模拟真实现场环境温度。温度传感器、位移传感器的控制电缆8通过模型箱4顶部预留的孔穿出，经微控接头9与计算机控制系统5连接，传感器用于实时监测模型中温度、位移等工程参数。
计算机控制系统5用于显示和记录设备工作参数和土体不同深度温度变化和位移变化，并可将信息输出记录。

[0024] 利用该离心模型试验冻融模拟系统进行输水渠道渠基土冻融模拟过程研究的步骤如下：

[0025] （1）实验前的准备

[0026] ①根据所模拟渠道的断面尺寸，结合离心机的模型箱尺寸和最大离心加速度，确定合适的模型比尺N，根据相似准则，若原型的断面尺寸为A，则模型中的断面尺寸为A/N；

[0027] ②根据相似比尺，计算出模型渠道断面尺寸，将事先调配好含水率的土体按照干密度控制制作模型渠道；

[0028] ③在制作渠道模型的过程中，根据需要研究的温度场分布情况，在渠底和渠坡的不同深度埋设温度传感器，例如可在距原型渠底0.2m、0.5m、1.0m、2.0m等不同深度埋设；

[0029] ④对渠道表面混凝土衬砌板的模拟，由于实际的输水渠道，衬砌板都采用混凝土制作，厚度一般在10cm左右，结构型式有预制六棱块和现浇砼板，由于金属材料的比热容和混凝土材料相差较大，为了更真实的模拟渠道温度变化，因此，在模型渠道的表面铺设采用缩尺后的混凝土块来模拟真实渠道，模型箱4中的模型槽41内安装的渠道模型42如图2所示；

[0030] ⑤在渠道模型衬砌板铺设完成后，安装位移传感器和温度传感器。由于模型箱4上位移传感器的安装孔是垂直向下的，和渠道底面垂直，而和渠道边坡成一定角度，因此，对于所测得的渠道边坡的位移值，应该通过几何关系换算后才能得到坡面渠基土的冻胀位移。设坡面的坡角为θ，由位移计测得的竖向位移值为v，则根据几何关系可以换算得到坡面的冻胀位移为 。渠道中位移传感器S1，S2和温度传感器T1-T7的安装布置如图3。

[0031] （2）模拟渠道的单个冻结和融化过程

[0032] ①将含有制作完成的渠道、设置完毕的温度及位移传感器的模型箱进行装配，检查各测试元件的连接，安装好后其线缆应进行捆扎保护，防止离心力对其损坏；

[0033] ②对制冷器与模型箱体的缝隙采用聚氨酯泡沫塑料进行保温处理，然后用绝缘胶带将缝隙进行密封，防止冷量的散失；

[0034] ③检查水循环降温系统的连接，开启温度控制器，设定温度目标值并做好离心机的启动准备工作；2

[0035] ④开启数据采集系统，根据时间相似比尺t/N关系计算单次的冻结时间和融化时间，并通过温度控制器进行一个周期冻融温度和时间的设定；

[0036] ⑤启动离心机，进行温度和变形数据的采集，直至完成一个冻融周期的测试；

[0037] ⑥对试验采集到的温度、冻胀和融沉位移进行分析，总结渠道冻胀融沉位移的变化规律。

[0038] （3）模拟渠道的反复冻/融循环过程

[0039] ①关于实验前模型渠道的制作、模型箱的安装及离心机启动等内容参见上述（1）和（2）中的内容；

[0040] ②结合所研究的实际渠道工程的冻结融化气候条件，根据时间相似比尺，通过温度控制器控制反复冻融循环次数及冻融时间；

[0041] ③由于冻融循环周期较长会导致离心机室温度上升较快，当发现循环水系统中水箱温度上升很高（>25℃），则进行停机换水，停机期间需保证整个模型箱是密封的；

[0042] ④对试验采集到的温度、冻胀和融沉位移进行分析，总结渠道反复冻融情况下的位移变化规律。