[发明专利]咸寒区输水渠道冻融变形离心模拟系统

说明书

技术领域

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

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。 

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。 

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N²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。 

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

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： 

咸寒区输水渠道冻融变形离心模拟系统，由离心机、模型箱、水循环制冷装置和温度控制器组成，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；所述温度控制器包括温度控制器和传感器，用于冻融循环时温度和时间的设定以及温度数据的采集和传输；

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。

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。 

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。 

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。 

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。