一种降雨模拟系统及方法

摘要

本发明公开了一种降雨模拟系统及方法，该系统包括：降雨装置，所述降雨装置包括分区降雨箱、止回阀、分向阀、降雨针头；供水装置，所述供水装置包括进水管路、水泵、供水管路、流量控制阀；控制装置，所述控制装置用于控制所述供水装置和所述降雨装置。本发明可自动控制降雨针头的开合及分区降雨箱分区独立降雨功能，能准确地同时模拟多区域稳定变雨强均匀降雨的试验条件，为岩土工程和环境工程相关研究提供可靠的试验参数。

权利要求

1.一种降雨模拟系统，其特征在于，包括，降雨装置，所述降雨装置包括分区降雨箱(18)、止回阀(13)、分向阀(14)、降雨针头(15)；所述止回阀(13)设置在所述分区降雨箱(18)的底部，所述分向阀(14)的第一出水口与所述降雨针头(15)相连，所述分向阀(14)的第二出水口与所述止回阀(13)相连；

供水装置，所述供水装置包括进水管路(1)、水泵(4)、供水管路(6)、流量控制阀；

所述进水管路(1)的一端与水源相连，所述进水管路(1)的另一端与所述水泵(4)的入口相连，所述水泵(4)的出口与所述供水管路(6)的入口相连；

所述供水管路(6)包括一级供水管路、至少两个第一二级供水管路、至少两个第二二级供水管路和至少两个三级供水管路；所述水泵(4)的出口与所述一级供水管路的入口相连，所述一级供水管路的出口与所述第一二级供水管路和第二二级供水管路的入口相连；所述第一二级供水管路连接所述分区降雨箱(18)的顶部的进水口，所述第二二级供水管路连接位于所述分区降雨箱(18)的底部的三级供水管路(17)；

所述流量控制阀包括至少两个第一流量控制阀(7)和至少两个第二流量控制阀(8)，所述第一流量控制阀(7)设置在所述第一二级供水管路，用于控制所述第一二级供水管路的开关，所述第二流量控制阀(8)设置在所述第二二级供水管路，用于控制所述三级供水管路(17)的开关；所述三级供水管路(17)连接所述分向阀(14)的进水口；

控制装置(12)，所述控制装置(12)用于控制所述供水装置和所述降雨装置。

2.根据权利要求1所述的降雨模拟系统，其特征在于，所述进水管路(1)上设置有水箱(2)、进水阀(3)和第一流量计(5)，所述水箱(2)用于存储所述水源的水，所述进水阀(3)用于控制所述进水管里的开关，所述第一流量计(5)用于监测所述进水管路(1)的总流量和瞬时流量；所述水泵(4)为变频泵。

3.根据权利要求2所述的降雨模拟系统，其特征在于，所述分区降雨箱(18)内设置有横向分隔板(23)和/或纵向分隔板(22)，所述横向分隔板(23)和/或纵向分割板用于所述分区降雨箱(18)的分区；

所述分向阀(14)的第一出水口与所述降雨针头(15)之间通过针头转换接头(16)相连；

所述止回阀(13)安装在所述分区降雨箱(18)的底部上设置的安装孔中，所述安装孔的孔径与所述止回阀(13)的外径相匹配；

所述分区降雨箱(18)还设置有排水管路(21)，所述排水管路(21)上设置有第二流量计(20)和排水阀(19)。

4.根据权利要求3所述的降雨模拟系统，其特征在于，所述分区降雨箱(18)设置有6个分区，所述第一二级供水管路、第二二级供水管路、第一流量控制阀(7)和第二流量控制阀(8)的数量均为6个。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的降雨模拟系统，其特征在于，还包括支撑装置，所述支撑装置包括升降支撑装置(9)与地脚螺栓(11)，所述升降支撑装置(9)用于支撑所述分区降雨箱(18)并调节所述分区降雨箱(18)的高度，所述地脚螺栓(11)用于将所述升降支撑装置(9)固定。

6.根据权利要求5所述的降雨模拟系统，其特征在于，所述升降支撑装置(9)为液压升降支撑装置(9)。

7.根据权利要求5所述的降雨模拟系统，其特征在于，还包括实验装置，所述实验装置设置在所述降雨装置的下方，所述实验装置包括承载平台(10)，所述承载平台(10)用于承载待试验的岩土体。

8.一种降雨模拟方法，其特征在于，所述方法包括：S1、布置如权利要求7所述的降雨模拟系统；

S2、控制所述供水装置进行供水，基于设定的供水总流量和第一流量计(5)监测的实际供水流量，当实际供水流量与理论供水总流量不同时，调节所述水泵(4)；

S3、当实际供水流量与设定的供水总流量相同时，基于所述分区降雨箱(18)的预设降雨区域和所述预设降雨区域的降雨强度，控制与所述预设降雨区域相对应的第一流量控制阀(7)的开度，进行降雨；

S4、关闭与所述预设降雨区域相对应的第一流量控制阀(7)，打开第二流量控制阀(8)与排水阀(19)，结束降雨，关闭水泵(4)，停止供水并排出降雨箱内的剩余水流。

9.根据权利要求8所述的降雨模拟方法，其特征在于，当所述分区降雨箱(18)的预设降雨区域改变时，控制与改变后的预设降雨区域相对应的第一流量控制阀(7)打开；当所述预设降雨区域的降雨强度改变时，调整所述与所述预设降雨区域相对应的第一流量控制阀(7)的开度。

10.根据权利要求8所述的降雨模拟方法，其特征在于，具体为，打开进水阀(3)、第一流量控制阀(7)、第二流量控制阀(8)，关闭降雨箱的排水阀(19)，调试降雨装置密封性能；

打开预定降雨区域的第一流量控制阀(7)，关闭其他区域的第一流量控制阀(7)；打开预定降雨区域的排水阀(19)，关闭全部区域的第二流量控制阀(8)，让预定降雨区域准备降雨；基于在程序界面输入的指定供水总流量Q，监测实际供水总流量Q实，调整Q实与Q一致；

监测预定降雨区域排水管路(21)的流量，待排水流量与进水流量一致且稳定后，关闭排水阀(19)与第二流量控制阀(8)，开始模拟人工降雨；

间隔预定时间改变一次降雨强度，并基于监测数据绘制预定降雨区域的降雨强度与降雨量曲线；

重复前述步骤至预定降雨区域降雨结束，关闭预定降雨区域的第一流量控制阀(7)与所有第二流量控制阀(8)，打开其他区域的第一流量控制阀(7)，模拟其他区域的人工降雨，并基于监测数据绘制其他区域的降雨强度与降雨量曲线；

打开第二流量控制阀(8)，停止降雨；关闭第一流量控制阀(7)，打开排水阀(19)排水。

说明书

一种降雨模拟系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及工程模拟技术领域，特别涉及一种降雨模拟系统及方法。

背景技术

[0002] 目前，因喷嘴式降雨装置自动化程度较高且易控制，故学者多采用喷嘴式降雨装置研究不同降雨条件下的边坡稳定性；而针管式人工降雨装置因其理论复杂且不易控制，
故研究应用较少，且传统的针管状人工降雨装置主要存在以下缺点：

[0003] 传统的针管状人工降雨装置通过供水管连接降雨箱，降雨箱底板开孔安装针的形式模拟降雨，该形式自动化程度低，且不能有效控制人工模拟降雨的开始与停止，从而对岩
土体试验模型产生扰动，影响试验结果。

[0004] 传统的针管式降雨装置控制因不能控制针头得开合，导致降雨强度的调控是一个随时间渐变的过程，渐变过程中的降雨强度难以用数学函数表达分析，造成试验结果存在
较大误差。

[0005] 传统的针管式降雨装置大多只能模拟单一区域降雨，或是模拟不同区域同等雨强降雨试验，不能实现降雨箱不同分区不同降雨强度的独立降雨功能。

发明内容

[0006] 为解决上述至少一个技术问题，本说明书实施例提供了一种降雨模拟系统及方法。

[0007] 一方面，本说明书实施例提供的一种降雨模拟系统，包括：

[0008] 降雨装置，所述降雨装置包括分区降雨箱、止回阀、分向阀、降雨针头；所述止回阀设置在所述分区降雨箱的底部，所述分向阀的第一出水口与所述降雨针头相连，所述分向
阀的第二出水口与所述止回阀相连；

[0009] 供水装置，所述供水装置包括进水管路、水泵、供水管路、流量控制阀；

[0010] 所述进水管路的一端与水源相连，所述进水管路的另一端与所述水泵的入口相连，所述水泵的出口与所述供水管路的入口相连；

[0011] 所述供水管路包括一级供水管路、至少两个第一二级供水管路、至少两个第二二级供水管路和至少两个三级供水管路；所述水泵的出口与所述一级供水管路的入口相连，
所述一级供水管路的出口与所述第一二级供水管路和第二二级供水管路的入口相连；所述
第一二级供水管路连接所述分区降雨箱的顶部的进水口，所述第二二级供水管路连接位于
所述分区降雨箱的底部的三级供水管路；

[0012] 所述流量控制阀包括至少两个第一流量控制阀和至少两个第二流量控制阀，所述第一流量控制阀设置在所述第一二级供水管路，用于控制所述第一二级供水管路的开关，
所述第二流量控制阀设置在所述第二二级供水管路，用于控制所述三级供水管路的开关；
所述三级供水管路连接所述分向阀的进水口；

[0013] 控制装置，所述控制装置用于控制所述供水装置和所述降雨装置。

[0014] 另一方面，本说明书实施例提供的一种降雨模拟方法，包括：

[0015] S1、布置如权利要求7所述的降雨模拟系统；

[0016] S2、控制所述供水装置进行供水，基于设定的供水总流量Q总和所述第一流量计监测的实际供水流量Q实际，当实际供水流量Q实际与理论供水总流量Q总不同时，调节所述水泵；

[0017] S3、当实际供水流量Q实际与设定的供水总流量Q总相同时，基于所述分区降雨箱的预设降雨区域和所述预设降雨区域的降雨强度，控制与所述预设降雨区域相对应的第一流量
控制阀的开度，进行降雨；

[0018] S4、关闭与所述预设降雨区域相对应的第一流量控制阀，打开第二流量控制阀与排水阀，结束降雨，关闭水泵，停止供水并排出降雨箱内的剩余水流。

[0019] 由以上本说明书实施例提供的技术方案可见，本发明实施例可自动控制降雨针头的开合及分区降雨箱分区独立降雨功能，能准确地同时模拟多区域稳定变雨强均匀降雨的
试验条件，为岩土工程和环境工程相关研究提供可靠的试验参数。

附图说明

[0020] 图1为本说明书一些实施例的降雨模拟系统的系统示意图。

[0021] 图2为本说明书一些实施例的分向阀、止回阀、降雨针头的安装示意图A。

[0022] 图3为本说明书一些实施例的降雨箱的排水阀安装示意图B。

[0023] 图4为本说明书一些实施例的降雨箱的底部的构造示意图。

[0024] 图5为本说明书一些实施例的降雨箱的分隔板的构造示意图。

[0025] 图6是本说明书一些实施例的液压升降支撑装置的示意图。

[0026] 图7是本说明书一些实施例的监测数据的示意图

[0027] 图8是本说明书一些实施例的降雨模拟方法的流程图。

[0028] 图9是本说明书一些实施例的基于边坡模型的降雨模拟方法的细化流程图。

[0029] 附图说明：1、进水管路；2、水箱；3、进水阀；4、水泵；5、第一流量计；6、供水管路；7、第一流量控制阀；8、第二流量控制阀；9、升降支撑装置；10、承载平台；11、地脚螺栓；12、控
制装置；13、止回阀；14、分向阀；15、降雨针头；16、针头转换接头；17、三级供水管路；18、分
区降雨箱；19、排水阀；20、第二流量计；21、排水管路；22、纵向分隔板；23、横向分隔板。

具体实施方式

[0030] 为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述
的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，
本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于
本说明书保护的范围。

[0031] 如图1至图6所示，本说明书一些实施例中提供了一种降雨模拟系统，包括降雨装置，降雨装置包括分区降雨箱18、止回阀13、分向阀14、降雨针头15；止回阀13设置在分区降
雨箱18的底部，分向阀14的第一出水口与降雨针头15相连，分向阀14的第二出水口与止回
阀13相连；供水装置，供水装置包括进水管路1、水泵4、供水管路6、流量控制阀；进水管路1
的一端与水源相连，进水管路1的另一端与水泵4的入口相连，水泵4的出口与供水管路6的
入口相连；供水管路6包括一级供水管路、至少两个第一二级供水管路、至少两个第二二级
供水管路和至少两个三级供水管路17；水泵4的出口与一级供水管路的入口相连，一级供水
管路的出口与第一二级供水管路和第二二级供水管路的入口相连；第一二级供水管路连接
分区降雨箱18的顶部的进水口，第二二级供水管路连接位于分区降雨箱18的底部的三级供
水管路17；流量控制阀包括至少两个第一流量控制阀7和至少两个第二流量控制阀8，第一
流量控制阀7设置在第一二级供水管路，用于控制第一二级供水管路的开关，第二流量控制
阀8设置在第二二级供水管路，用于控制三级供水管路17的开关；三级供水管路17连接分向
阀14的进水口；控制装置12，控制装置12用于控制供水装置和降雨装置。

[0032] 在本说明书一些实施例中，进水管路1上设置有水箱2、进水阀3和第一流量计5，水箱2用于存储水源的水，进水阀3用于控制进水管理的开关，第一流量计5用于监测进水管路
1的总流量和瞬时流量；水泵4为变频泵。

[0033] 在本说明书一些实施例中，分区降雨箱18内设置有横向分隔板23和/或纵向分隔板22，横向分隔板23和/或纵向分割板用于分区降雨箱18的分区；分向阀14的第一出水口与
降雨针头15之间通过针头转换接头16相连；止回阀13安装在分区降雨箱18的底部上设置的
安装孔中，安装孔的孔径与止回阀13的外径相匹配；分区降雨箱18还设置有排水管路21，排
水管路21上设置有第二流量计20和排水阀19。

[0034] 在本说明书一些实施例中，分区降雨箱18设置有6个分区，第一二级供水管路、第二二级供水管路、第一流量控制阀7和第二流量控制阀8的数量均为6个。

[0035] 在本说明书一些实施例中，降雨模拟系统还包括支撑装置，支撑装置包括升降支撑装置9与地脚螺栓11，升降支撑装置9用于支撑分区降雨箱18并调节分区降雨箱18的高
度，地脚螺栓11用于将升降支撑装置9固定。

[0036] 在本说明书一些实施例中，升降支撑装置9为液压升降支撑装置。

[0037] 在本说明书一些实施例中，降雨模拟系统还包括实验装置，实验装置设置在降雨装置的下方，实验装置包括承载平台10，承载平台10用于承载待试验的岩土体。

[0038] 另一方面，如图7、图8、图9所示，本说明书一些实施例还提供了一种降雨模拟方法，方法包括：

[0039] S1、布置降雨模拟系统；

[0040] S2、控制供水装置进行供水，基于设定的供水总流量Q总和第一流量计5监测的实际供水流量Q实际，当实际供水流量Q实际与理论供水总流量Q总不同时，调节水泵4；

[0041] S3、当实际供水流量Q实际与设定的供水总流量Q总相同时，基于分区降雨箱18的预设降雨区域和预设降雨区域的降雨强度，控制与预设降雨区域相对应的第一流量控制阀7的
开度，进行降雨；

[0042] S4、关闭与预设降雨区域相对应的第一流量控制阀7，打开第二流量控制阀8，结束降雨，关闭水泵4，停止供水系统。

[0043] 在本说明述的一些实施例中，方法还包括，当分区降雨箱18的预设降雨区域改变时，控制与改变后的预设降雨区域相对应的第一流量控制阀7打开；当预设降雨区域的降雨
强度改变时，调整与预设降雨区域相对应的第一流量控制阀7的开度。

[0044] 在本说明述的一些实施例中，打开进水阀3、第一流量控制阀7、第二流量控制阀8，关闭降雨箱18的排水阀19，调试降雨装置密封性能；打开预定降雨区域的第一流量控制阀
7，关闭其他区域的第一流量控制阀7；打开预定降雨区域的排水阀19，关闭全部区域的第二
流量控制阀8，让预定降雨区域准备降雨；基于在程序界面输入的指定供水总流量Q，监测实
际供水总流量Q实，调整Q实与Q一致；监测预定降雨区域排水管路21的流量，待排水流量与
进水流量一致且稳定后，关闭排水阀19与第二流量控制阀8，开始模拟人工降雨；间隔预定
时间改变一次降雨强度，并基于监测数据绘制预定降雨区域的降雨强度与降雨量曲线；重
复前述步骤至预定降雨区域的降雨模拟结束，关闭预定降雨区域的第一流量控制阀7与所
有第二流量控制阀8，打开其他区域的第一流量控制阀7，模拟其他区域的人工降雨，并基于
监测数据绘制其他区域的降雨强度与降雨量曲线；打开第二流量控制阀8，停止降雨；关闭
第一流量控制阀7，打开排水阀19排水。下面具体结合图1至图9，下面针对基于边坡模型数
据分析的降雨模拟方法具体解释如下：

[0045] 步骤1：按图1所示安装供水装置、控制装置、支撑装置与降雨装置。安装步骤如下：

[0046] ①安装图6所示伸缩支撑架，将伸缩架降到最低位置，在支撑架上安装分区降雨箱18，启动液压装置将分区降雨箱18顶升至指定降雨高度H。

[0047] ②如图4所示分区降雨箱18底板上按图2所示安装单向止回阀13、分向阀14、针头。

[0048] ③按图3所示在分区降雨箱18底部安装排水管路21、第二流量计20、排水阀19。

[0049] ④安装图5所示分区降雨箱18顶盖。

[0050] ⑤按图1所示，安装水箱2，水箱2出水口连接进水阀3的进水口，进水阀3的出水口连接变频泵的进水口，变频泵的出水口连接第一流量计5的进水口，第一流量计5的出水口
连接一级供水管路。

[0051] ⑥按图1所示，一级供水管路在分区降雨箱18处按分流6对二级供水管路，每对二级供水管路中的一支连接分区降雨箱18分区进水口，另一支连接三级供水管路17。

[0052] ⑦三级供水管路17连接分向阀14的进水口。

[0053] 步骤2：打开进水阀3、第一流量控制阀7、第二流量控制阀8，关闭分区降雨箱18的排水阀19，调试降雨装置密封性能。

[0054] 步骤3：打开1号区与6号区的第一流量控制阀7，关闭2～5号区的第一流量控制阀7；打开1号与6号区的排水阀19，关闭全部区域的第二流量控制阀8，让1号区与6号区准备降
雨。

[0055] 步骤4：在程序界面输入指定供水总流量Q，输入1号区进水流量Q1和6号区进水流量Q6。

[0056] 步骤5：监测实际供水总流量Q实，调整Q实与Q一致。

[0057] 步骤6：监测1号区与6号区排水管路21的流量，待排水流量与进水流量一致且稳定后，关闭排水阀19与第二流量控制阀8，开始模拟人工降雨。

[0058] 步骤7：降雨持续时间为30min，每10min改变一次降雨强度。

[0059] 步骤8：程序每10min记录一次降雨强度与降雨量，1号区的降雨强度为i1＝10mm/min、i2＝8mm/min、i3＝9mm/min，降雨量为Q1＝3ml/min、Q1＝4ml/min、Q1＝5ml/min。6号区的
降雨强度为i1＝4mm/min、i2＝5mm/min、i3＝6mm/min，降雨量为Q1＝2ml/min、Q1＝5ml/min、
Q1＝8ml/min。程序根据监测数据，自动绘制降雨强度折线图与降雨量折线图，如图7所示的
1号区与6号区对应曲线图。

[0060] 步骤9：重复步骤3～步骤8，关闭1号区与6号区的第一流量控制阀7与所有第二流量控制阀8，打开2～5号区的第一流量控制阀7，模拟2～5号区的人工降雨。程序自动记录2
～5号区与的降雨强度与降雨量，2号区降雨强度为i1＝8mm/min、i2＝7mm/min、i3＝6mm/
min，降雨量为Q1＝5ml/min、Q1＝6ml/min、Q1＝7ml/min；3号区降雨强度为i1＝10mm/min、i2
＝9mm/min、i3＝8mm/min，降雨量为Q1＝7ml/min、Q1＝8ml/min、Q1＝9ml/min；4号区降雨强
度为i1＝9mm/min、i2＝6mm/min、i3＝5mm/min，降雨量为Q1＝4ml/min、Q1＝5ml/min、Q1＝
6ml/min；5号区降雨强度为i1＝7mm/min、i2＝9mm/min、i3＝8mm/min，降雨量为Q1＝3ml/
min、Q1＝5ml/min、Q1＝6ml/min。程序根据监测数据自动绘制降雨强度与降雨量曲线，如图7
所示1～6号区域的降雨强度与降雨量曲线图形。

[0061] 步骤10：试验结束，打开第二流量控制阀8，停止降雨；关闭第一流量控制阀7，打开排水阀19排水。

[0062] 综上，本发明本系统利用分向阀的进水与出水独立工作功能、止回阀的阻止回流功能与降雨箱上下供水回路，控制分向阀与单向止流阀的不同开合情况，从而实现针头的
自动开关功能，解决了针孔式降雨装置自动化程度低的缺陷，还利用方案中的针头自动开
关功能，先关闭针头，打开降雨箱排水管将水流导出，待降雨箱中流量达到指定值且稳定
后，关闭排水管，打开针头，开始模拟降雨，有效的避免流量调节过程中因非稳定流量对试
验造成的误差。利用智能变频泵控制一级水管的供水总流量，利用流量电磁阀控制各分区
的供水流量，并利针头的自动开合功能，实现降雨箱内任意区域的变雨强降雨功能。本发明
可实时控制变频泵的频率、监测流量计的实测值、调节流量控制阀的开合程度，实现针管式
降雨装置的智能化控制，能准确地同时模拟多区域稳定变雨强均匀降雨的试验条件，为岩
土工程和环境工程相关研究提供可靠的试验参数。

[0063] 虽然上文描述的过程流程包括以特定顺序出现的多个操作，但是，应当清楚了解，这些过程可以包括更多或更少的操作，这些操作可以顺序执行或并行执行(例如使用并行
处理器或多线程环境)。本发明是参照根据本发明实施例的方法的流程图和/或方框图来描
述的。

[0064] 还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没
有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法或者设备所固有的要素。在没有更
多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法或
者设备中还存在另外的相同要素。

[0065] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实
施例而言，由于其基本相似于装置实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例
的部分说明即可。以上仅为本说明书的实施例而已，并不用于限制本说明书。对于本领域技
术人员来说，本说明书可以有各种更改和变化。凡在本说明书的精神和原理之内所作的任
何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的权利要求范围之内。