一种测量滚石动力参数的模型试验装置与试验方法

技术领域

本发明涉及滚石模拟技术领域，具体的说是一种测量滚石动力参数的模型试验装置及试验方法。

背景技术

滚石是山区常见的地质灾害，广泛分布在世界各地。高速运动的滚石对基础设施及正在进行中的工程建筑极为不利。滚石灾害具有高速度、高冲击能、高不确定性等运动特征。随着人类工程活动对自然环境的破坏程度加剧，滚石灾害发生的频率和强度也越来越大，尤其在高陡边坡、高山峡谷、构造发育和岩体破碎的我国西部山区，滚石的危害尤为强烈。

关于滚石的研究方法主要有：现场试验、理论分析、数值模拟分析、室内模型试验分析等。其中，现场试验试验难度大，数据不易获取，理论分析和数值模拟需要大量的参数，且建立的模型较实际简易，与实际有较大出入，因此，室内模型试验就成了研究滚石灾害的常用方法。现有的滚石运动模型一般模拟滚石在可变角度坡上的运动，通过高速摄像机记录滚石在滚动或碰撞前后的速度变化，以此来计算滚石的恢复系数。但现有的研究滚石运动特征的模型装置存在一定的局限，例如缺乏准确有效的滚石释放装置，实际上的滚石在发生时总会具有一定的初速度，地震或人为活动造成的滚石灾害中滚石常常具有较高的初速度，而现有的滚石模型并不能较好的模拟出这种情况。因此，急需设计出一种可以满足实际需求的滚石试验模型。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种测量滚石动力参数的模型试验装置及试验方法，操作简单，且能够对滚石的多种运动状态进行模拟。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：一种测量滚石动力参数的模型试验装置，包括依次设置的传送带、第一滑槽和第二滑槽，传送带、第一滑槽和第二滑槽各连接有多个升降支撑组件，且第一滑槽和第二滑槽均通过转动连接组件与升降支撑组件相连接，第一滑槽和第二滑槽各连接有一个角度测量组件，第一滑槽和/或第二滑槽的侧方设置有至少一个高速摄影机。

作为上述测量滚石动力参数的模型试验装置的进一步优化：所述升降支撑组件包括垂直设置且开口向上的套筒，套筒的底部连接有行走轮，套筒的侧部穿设有第一顶紧螺栓，套筒中伸缩设置有升降杆，升降杆的伸出端与所述传送带固定连接或者与所述转动连接组件相连接。

作为上述测量滚石动力参数的模型试验装置的进一步优化：所述转动连接组件包括两个与所述第一滑槽的底部或者所述第二滑槽的底部固定连接的连接板，两个连接板之间穿设有连接螺栓，所述升降杆伸入到两个连接板之间且连接螺栓穿过升降杆。

作为上述测量滚石动力参数的模型试验装置的进一步优化：所述第二滑槽的一端的中部穿设有连接杆，所述第一滑槽固定连接有两个延伸部，两个延伸部分别活动套设在连接杆的两端。

作为上述测量滚石动力参数的模型试验装置的进一步优化：所述角度测量组件包括与所述第一滑槽或者所述第二滑槽固定连接的固定盘，且固定盘与第一滑槽或者第二滑槽垂直，固定盘上设置有角度刻度，固定盘的中心处转动连接有摆杆，摆杆固定连接有重锤。

作为上述测量滚石动力参数的模型试验装置的进一步优化：所述第一滑槽的背侧固定连接有多个盒体，盒体上穿设有第二顶紧螺栓，盒体中可拆卸设置有磁性单元，磁性单元磁性吸附有障碍模型，障碍模型设置在第一滑槽中。

作为上述测量滚石动力参数的模型试验装置的进一步优化：所述传送带的上方设置有角度调节组件，角度调节组件包括并列设置的两个垂直板，垂直板的下端与传送带连接的所述升降支撑组件固定连接，两个垂直板的上端之间固定连接有水平板，水平板上穿设有转动轴，转动轴的一端固定连接有旋钮，且旋钮背向传送带，转动轴的两外一端固定连接有两个相互平行的导向板，且导向板与传送带垂直。

一种测量滚石动力参数的模型试验装置的试验方法，包括如下步骤：

S1、准备多个滚石模型；

S2、利用所述升降支撑组件调节所述传送带的高度使传送带高于所述第一滑槽，并且调节传送带的速度；

S3、在第一滑槽和所述第二滑槽中铺设坡体材料；

S4、利用升降支撑组件和所述角度测量组件调节第一滑槽和第二滑槽的倾斜角度；

S5、将滚石模型逐个投放到传送带上，传送带将滚石模型抛出后依次通过第一滑槽和第二滑槽，所述高速摄影机对滚石模型进行拍摄；

S6、利用升降支撑组件调节传送带的高度使传送带与第一滑槽的上端平齐；

S7、重复S5；

S8、计算滚石碰撞恢复系数和滚石滚动恢复系数。

作为上述测量滚石动力参数的模型试验装置的试验方法的进一步优化：S1中，所有所述滚石模型分为三组，第一组滚石模型的材质相同且直径互不相同，第二组滚石模型的质量相同且材质互不相同，第三组滚石模型的质量相同且形状互不相同。

测量滚石动力参数的模型试验装置的试验方法S8中，滚石碰撞恢复系数包括滚石法向碰撞恢复系数和滚石切向碰撞恢复系数，其中滚石法向碰撞恢复系数的计算方法为：

滚石切向碰撞恢复系数的计算方法为：

滚石滚动恢复系数的计算方法为：

其中v

有益效果：本发明可以对滚石从母岩滚落到坡面上以及从母岩坠落到坡面上这两种情况进行模拟试验，转动连接组件与升降支撑组件配合，保证在利用升降支撑组件来调节第一滑槽和第二滑槽的时候无需改变升降支撑组件与滑槽的连接点，简化了调节操作。角度测量组件则可以方便地对第一滑槽和第二滑槽的倾斜角度进行测量，以对不同倾斜角度的坡面进行模拟试验。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是第一滑槽和第二滑槽的连接方式示意图；

图3是升降支撑组件和转动连接组件的结构示意图；

图4是角度测量组件的结构示意图；

图5是模拟障碍组件的结构示意图；

图6是角度调节组件的结构示意图。

附图标记：1-滚石模型，2-传送带，3-升降支撑组件，4-第一滑槽，5-角度测量组件， 6-第二滑槽，7-转动连接组件，8-高速摄影机，9-延伸部，10-连接杆，11-行走轮，12-套筒，13-升降杆，14-第一顶紧螺栓，15-连接板，16-连接螺栓，17-固定盘，18-摆杆，19-角度刻度，20-重锤，21-障碍模型，211-冲击力传感器，212-挡板，213-数据收集装置，214-计算机， 22-磁性单元，23-盒体，24-第二顶紧螺栓，25-垂直板，26-水平板，27-旋钮，28-转动轴， 29-导向板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至6，一种测量滚石动力参数的模型试验装置，包括依次设置的传送带2、第一滑槽4和第二滑槽6，传送带2、第一滑槽4和第二滑槽6各连接有多个升降支撑组件3，且第一滑槽4和第二滑槽6均通过转动连接组件7与升降支撑组件3相连接，第一滑槽 4和第二滑槽6各连接有一个角度测量组件5，第一滑槽4和/或第二滑槽6的侧方设置有至少一个高速摄影机8。

本发明中，传送带2作为初始动力装置，在试验时驱动滚石模型1移动，为滚石模型1赋予初始动能，滚石模型1从传送带2上脱离之后进入到第一滑槽4中，然后依次沿第一滑槽4和第二滑槽6滚动，最终离开第二滑槽6，在滚动过程中高速摄影机8对滚石模型 1进行拍摄，通过滚石模型1的影像可以计算滚石模型1的速度和轨迹等数据，进而计算滚石模型1的恢复系数。升降支撑组件3可以调节传送带2、第一滑槽4和第二滑槽6的高度以及角度，根据传送带2与第一滑槽4之间的高度差，本发明可以对滚石从母岩滚落到坡面上以及从母岩坠落到坡面上这两种情况进行模拟试验，转动连接组件7与升降支撑组件3配合，保证在利用升降支撑组件3来调节第一滑槽4和第二滑槽6的时候无需改变升降支撑组件3与滑槽的连接点，简化了调节操作。角度测量组件5则可以方便地对第一滑槽4和第二滑槽6的倾斜角度进行测量，以对不同倾斜角度的坡面进行模拟试验。

升降支撑组件3具体的结构为：升降支撑组件3包括垂直设置且开口向上的套筒12，套筒12的底部连接有行走轮11，套筒12的侧部穿设有第一顶紧螺栓14，套筒12中伸缩设置有升降杆13，升降杆13的伸出端与传送带2固定连接或者与转动连接组件7相连接。当第一滑槽4和第二滑槽6的倾斜角度发生改变的时候，对应连接的多个升降支撑组件3下端之间的距离会发生变化，行走轮4与转动连接组件7配合能够实现在只需要调整升降支撑组件3的高度、无需对升降支撑组件3的上端和下端进行调节的效果，进一步简化了对第一滑槽4和第二滑槽6调节操作。此外，利用第一顶紧螺栓14将升降杆13顶紧到套筒12的内壁上，完成对升降支撑组件3高度的调节过程，简单快捷。

转动连接组件7具体的结构为：转动连接组件7包括两个与第一滑槽4的底部或者第二滑槽6的底部固定连接的连接板15，两个连接板15之间穿设有连接螺栓16，升降杆 13伸入到两个连接板15之间且连接螺栓16穿过升降杆13。因为在第一滑槽4和第二滑槽 6的调节过程中升降支撑组件3相对于第一滑槽4或者第二滑槽6的转动范围是有限的，不是任意自由度的，因此无需采用万向节等结构复杂且成本较高的装置，采用两个连接板15 与连接螺栓16配合结构更加简单。

为了使第一滑槽4和第二滑槽6能够模拟出更多的坡面角度，且滚石模型1在第一滑槽4和第二滑槽6之间不会发生跳动等影响试验结果的情况，第二滑槽6的一端的中部穿设有连接杆10，第一滑槽4固定连接有两个延伸部9，两个延伸部9分别活动套设在连接杆10的两端。

角度测量组件5具体的结构为：角度测量组件5包括与第一滑槽4或者第二滑槽6固定连接的固定盘17，且固定盘17与第一滑槽4或者第二滑槽6垂直，固定盘17上设置有角度刻度19，固定盘17的中心处转动连接有摆杆18，摆杆18固定连接有重锤20。在重锤20的作用，摆杆18始终垂直向下延伸，而在第一滑槽4和第二滑槽6的调节过程中，固定盘17会随第一滑槽4或者第二滑槽6同步转动，此时摆杆18与固定盘17的相对位置发生变化，摆杆18所遮挡住的角度刻度19的位置也发生变化，因此能够读出第一滑槽4或者第二滑槽6的角度，并且在调节过程中可以实时地测量出角度，方便快捷。

考虑到现实情况中坡面上可能会有很多会对滚石滚动产生影响的障碍，因此本发明进一步设置了模拟障碍组件，具体包括多个固定连接在第一滑槽4背侧的盒体23，盒体23上穿设有第二顶紧螺栓24，盒体23中可拆卸设置有磁性单元22，磁性单元22磁性吸附有障碍模型21，障碍模型21设置在第一滑槽4中，障碍模型21表面安装有若干均匀分布的冲击力传感器2101，冲击力传感器2101前方有挡板2102，冲击力传感器2101与数据收集装置2103相连接，数据收集装置2103与计算机2104相连接。在选定需要设置障碍的位置后，将障碍模型21放到第一滑槽4对应的位置，然后在障碍模型21对应的盒体23中装入磁性单元22并且利用第二顶紧螺栓24锁紧，磁性单元22将障碍模型21吸附在第一滑槽4 中，从而利用障碍模型21模拟出障碍物，以使本发明具有更强的模拟能力。根据实际情况，磁性单元22可以选择永磁体或者电磁铁，障碍模型21采用铁材料制成。冲击力传感器 2101用于在滚石模型1冲击到障碍模型21上的时候检测冲击力。

传送带2、第一滑槽4和第二滑槽6主要对滚石模型1的速度和轨迹进行模拟，但是难以对滚石模型1的角度进行模拟，因此传送带2的上方设置有角度调节组件，角度调节组件包括并列设置的两个垂直板25，垂直板25的下端与传送带2连接的升降支撑组件3固定连接，两个垂直板25的上端之间固定连接有水平板26，水平板26上穿设有转动轴28，转动轴28的一端固定连接有旋钮27，且旋钮27背向传送带2，转动轴28的两外一端固定连接有两个相互平行的导向板29，且导向板29与传送带2垂直。通过转动旋钮27可以带动转动轴28转动，转动轴28转动的过程中带动两个导向板29转动，在转动到需要的角度之后，可以将旋钮27固定，从而将两个导向板29的位置固定，在试验时将滚石模型1放到两个导向板29之间，即可利用导向板29对滚石模型1的角度进行控制。旋钮27的固定方式可以根据需要进行选择，例如在水平板26上开设有多个沿转动轴28的圆周方向均匀分布的插孔，并且插孔被旋钮27覆盖，在旋钮27上穿设有插销，利用插销与插孔配合即可将旋钮27固定好。

本发明还提供一种测量滚石动力参数的模型试验装置的试验方法，包括S1至S8。

S1、准备多个滚石模型1。S1中，所有滚石模型1分为三组，第一组滚石模型1的材质相同且直径互不相同，第二组滚石模型1的质量相同且材质互不相同，第三组滚石模型 1的质量相同且形状互不相同。三组滚石模型1能够模拟出各种不同的滚石模型1，提升了本发明的适用范围和结果精确度。

S2、利用升降支撑组件3调节传送带2的高度使传送带2高于第一滑槽4，并且调节传送带2的速度。

S3、在第一滑槽4和第二滑槽6中铺设坡体材料。坡体材料可以是泥土或者沙地等材料。

S4、利用升降支撑组件和角度测量组件5调节第一滑槽4和第二滑槽6的倾斜角度。

S5、将滚石模型1逐个投放到传送带2上，传送带2将滚石模型1抛出后依次通过第一滑槽4和第二滑槽6，高速摄影机8对滚石模型1进行拍摄。

S6、利用升降支撑组件3调节传送带2的高度使传送带2与第一滑槽4的上端平齐。

S7、重复S5。

S8、计算滚石碰撞恢复系数和滚石滚动恢复系数。S8中，滚石碰撞恢复系数包括滚石法向碰撞恢复系数和滚石切向碰撞恢复系数，其中滚石法向碰撞恢复系数的计算方法为：

滚石切向碰撞恢复系数的计算方法为：

滚石滚动恢复系数的计算方法为：

其中v

为了进一步研究滚石最终冲击到物体上的冲击力情况，方法还包括S9-S10。

S9、安装障碍模型及冲击力传感器、数据收集装置。

S10、将形状相同质量不同的滚石模型投放到传送带上，研究不同入射角度下滚石重量和速度对冲击力的影响。

最大冲击力的数值可用下列经验公式计算：

式中：M

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。