一种地面沉降漏斗流固耦合相似材料模拟装置的制作方法

本技术涉及一种地面沉降漏斗流固耦合相似材料模拟装置，属于物理模拟实验装置。

背景技术：

1、水资源开采会导致上部覆岩的变形破坏，要研究其变形破坏规律与裂隙发育形态，常用的一种方法便是通过相似材料模拟实验来研究。但是，传统的相似实验模拟装置，一方面只能研究覆岩中没有水或是地表中没有水的情况下的破坏特征，进而忽略了天然岩层中含有水这一因素，因此得到的实验结果与实际情况差距较大；另一方面，结构复杂，不便于观察。如专利申请号为“201510672245.3”的“一种利用虹吸法的地面沉降观测装置及其观测方法”、专利申请号为“202222440600.2”的“一种地面沉降量的测量装置”等现有的设备及技术，已不能有效满足实际试验检测工作的需要。

2、因此，提供一种提高实验真实性和直观性的固液耦合三维相似材料模拟实验装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术上存在的不足，本实用新型提供一种地面沉降漏斗流固耦合流固耦合模拟装置及方法，以克服以上缺陷满足实际设备运行工作的需要。

2、为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：

3、一种地面沉降漏斗流固耦合相似材料模拟装置，包括承载底座、承载立柱、承载作业台、钢化玻璃实验箱、实验抽采管、调节阀、三维激光扫描装置、地质相似模拟材料及驱动电路，承载底座为横断面呈“冂”字形框架结构，承载底座上端面与钢化玻璃实验箱连接并同轴分布，同时承载底座上端面另通过承载立柱与承载作业台间连接，承载作业台位于钢化玻璃实验箱上方并与钢化玻璃实验箱同轴分布，三维激光扫描装置与承载作业台间连接，且三维激光扫描装置的光轴与钢化玻璃实验箱上端面相交，钢化玻璃实验箱为横断面呈矩形的闭合腔体结构，地质相似模拟材料位于钢化玻璃实验箱内，实验抽采管上半部嵌于钢化玻璃实验箱内并与钢化玻璃实验箱同轴分布，同时实验抽采管下端面对应的钢化玻璃实验箱底部设透孔，且实验抽采管下端面通过透孔位于钢化玻璃实验箱下端面外，且实验抽采管下端面与调节阀连接，实验抽采管侧壁均布若干导流口，各导流口轴线均与实验抽采管轴线垂直并相交，同时导流口中，至少三个导流口构成一个引流组，各引流组沿实验抽采管轴线从上向下均布，同时每个引流组内的各导流口均环绕实验抽采管轴线均布，驱动电路与承载作业台连接，并与三维激光扫描装置、调节阀和钢化玻璃实验箱电气连接。

4、进一步的，所述的钢化玻璃实验箱包括透明玻璃箱、透明压盖、筛孔管、增压泵、负压泵、引流管、压下机构、压力传感器，其中所述透明玻璃箱为横断面呈“凵”字形槽状结构，所述透明压盖嵌于透明玻璃箱内，与透明玻璃箱同轴分布并与透明玻璃箱内侧面相抵并滑动连接，且透明压盖下端面与似模拟材料上端面相抵，所述透明压盖下端面与一条筛孔管连接，且筛孔管环绕透明压盖轴线均布，同时实验抽采管和筛孔管对应的透明压盖处均设一个透孔，所述引流管共两条，各引流管的下端面分别通过一个透孔位于透明玻璃箱内，其中一条引流管下端面与实验抽采管上端面连通，另一条引流管下端面与筛孔管连通，同时两引流管上端面位于透明玻璃箱外并通过多通阀与增压泵连通，所述增压泵和多通阀均与承载底座连接，所述压下机构至少两个，各压下机构通过连接机构与透明玻璃箱上端面连接，下端面与透明压盖上端面通过压力传感器相抵，且各压下机构环绕透明玻璃箱轴线均布，并与透明玻璃箱轴线呈0°—60°夹角，所述负压泵与承载底座连接，并通过导流管与实验抽采管下端面的调节阀连通，同时所述增压泵、负压泵、压下机构、压力传感器均与驱动电路电气连接。

5、进一步的，所述的压下机构为电动伸缩杆、丝杠机构、液压伸缩杆、气压伸缩杆中的任意一种，同时所述压下机构通过连接机构与透明玻璃箱上端面铰接，且所述连接结构为铰链机构、棘轮机构及翻转机构中的任意一种。

6、进一步的，所述的实验抽采管包括缓存管、抽采管、密封堵头、密封环、连接架，其中所述缓存管、抽采管均为圆柱空心管状结构，所述缓存管包覆在抽采管外并与抽采管同轴分布，其中所述缓存管上端面比抽采管上端面高出至5毫米，缓存管内径比抽采管外径大至少5毫米，所述抽采管外设若干连接架并通过连接架与缓存管内侧面相抵并滑动连接，所述连接架为与抽采管同轴分布的轮辐状框架结构，各连接架包覆在抽采管外并与抽采管同轴分布，且各连接架均沿抽采管轴线方向均布，所述缓存管上端面与引流管连通，抽采管上端面与密封堵头连接，并通过密封堵头对抽采管上端面封堵，所述密封环嵌于缓存管下端面处并与抽采管外侧面连接，并由密封环对缓存管下端面封堵，同时抽采管下端面与调节阀连接，所述缓存管、抽采管侧壁均设导流口，且缓存管、抽采管管壁上的导流口间同轴分布，缓存管、抽采管间通过导流口连通。

7、进一步的，所述的导流口中，位于缓存管管壁处的导流口直径为抽采管管壁处导流口直径的1-2.5倍。

8、进一步的，所述的地质相似模拟材料沿钢化玻璃实验箱轴线方向从上向下分布为至少两层组分不同的仿真层，且每层仿真层内均设至少一个引流组。

9、进一步的，所述的承载底座顶部的上端面为横断面呈“凵”字形槽状结构，且钢化玻璃实验箱与承载底座上端面的槽底间连接，同时所述承载底座顶部的下端面另设至少两个环绕钢化玻璃实验箱轴线均布的震荡机构，各震荡机构均与驱动电路电气连接，并位于钢化玻璃实验箱外侧。

10、进一步的，所述的承载作业台为横断面呈矩形的板状结构，其下端面通过三轴位移台与三维激光扫描装置连接，同时承载作业台上端面另设一个水平传感器，所述三轴位移台和水平传感器与驱动电路电气连接；此外所述承载作业台与承载立柱间通过翻转机构铰接，同时承载立柱下端面另通过翻转机构与承载底座上端面铰接，且翻转机构与驱动电路电气连接。

11、进一步的，所述的驱动电路为以fpga芯片、dsp芯片为基础的电路系统。

12、一种地面沉降漏斗流固耦合相似材料模拟装置的试验方法，如下步骤：

13、s1，系统配置，首先根据待试验检测地质结构制备相应的地质相似模拟材料，并在将地质相似模拟材料状态在钢化玻璃实验箱内后对钢化玻璃实验箱进行封堵；然后将驱动电路与外部的监控系统间建立数据连接，同时将钢化玻璃实验箱与外部的供水系统和废水收集设备连通，即可完成系统配置；

14、s2，试验仿真，首先驱动钢化玻璃实验箱运行，由压下机构驱动透明压盖下行，增加地质相似模拟材料的压力，并由压力传感器对压力值进行检测，实现对实际地质结构受力状态仿真，然后驱动增压泵运行，由增压泵对外部供水系统的水体增压后通过筛孔管喷淋到地质相似模拟材料内，增加地质相似模拟材料的含水量，实现对实际地质结构含水量模拟仿真，并使地质相似模拟材料中的水在压力驱动下通过导流口渗流至实验抽采管内，并使实验抽采管内水体压力与地质相似模拟材料内水体压力一致；然后驱动调节阀运行，使实验抽采管内的水体从其下端面排出，并在水体排放过程中，另通过透明玻璃箱的负压泵对实验抽采管内水体进行抽采，仿真模拟现实中水资源抽采作业；同时在进行仿真模拟现实中水资源抽采作业中，另同步驱动增压泵和多通阀运行，一方面持续通过筛孔管向地质相似模拟材料进行水资源补充，模仿地下水流动供给；另一方面增压泵增压后的水体输送至实验抽采管内，对实验抽采管内水量也水压进行补充调整，对现实中水资源持续抽采仿真；

15、s3，数据采集，在进行s2步骤中，首先根据实际环境中水资源抽采的参数，对增压泵、压下机构运行状态进行同步调整；另一方面驱动三维激光扫描装置运行，由三维激光扫描装置对钢化玻璃实验箱内的地质相似模拟材料随实验抽采管进行水资源持续抽采后形变状态进行三维数据采集，实现对地质相似模拟材料上表面形变进行三维数据采集并建模，即可实现地面沉降漏斗流固耦合流固耦合模拟检测。

16、本实用新型与现有的技术相比，本实用新型在实验过程中可有效对各类地质结构、地下水抽采状态进行仿真作业，且仿真精度高，从而极大的提高了设备使用的灵活性和通用性，并有效提高检测作业结果的精度，同时在试验过程中，一方面便于直接观察试验过程中的结构变化，试验效果获取更加直观；另一方面另可对模拟的地质结构形变进行精确的三维数据采集并建模，从而极大的提高检测结果获取的精度和便捷性，同时另可实现对仿真地质变化结果进行三维动态建模仿真，进一步提高了试验结果精度的同时，另有效提高了试验结果获取的全面性和应用的灵活性。