CN108801816B - 一种大当量地下浅埋***效应模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大当量地下浅埋***效应模拟装置，包括底座、容器罐、第一抽真空装置、爆源装置，爆源装置包括玻璃罩、导爆索、钢管、密封塞、电***、***、空气压力调节装置；底座作为整个模拟装置的支撑部件，安装在整个装置的最底端；容器罐安装在底座的一端；第一抽真空装置通过管道与容器罐相连；玻璃罩、电***均位于容器罐内，玻璃罩的底端通过密封塞进行密封，导爆索位于玻璃罩内；导爆索通过钢管穿出密封塞，并与电***的锥形端相接；电***的另一端与容器罐外部的***相连；玻璃罩底端与空气压力调节装置相连；本发明的模拟装置可重复开展不同参数条件下大比尺抛掷***效应模拟试验，操作简单、成本低。
Description
技术领域
本发明属于地下防护工程建设及防护技术和工程***研究领域，特别涉及一种大当量地下浅埋***效应模拟装置。
背景技术
随着各种***技术在交通、水利水电工程建设、能源和矿产资源的勘察与开发，地质灾害的防灾与减灾等领域的成功应用，工程***的规模不断扩大。当前很多的工程***方案，特别是复杂的装药配置方案拟定大多是基于几何相似的经验公式，而大量的***实践表明，在增大地下***规模时，必须考虑重力在抛掷弹坑形成过程中的作用，研制一种大当量工程***的模拟优化装置，不仅可以对***参数优化设计，提高***效率，而且可以对工程***的效果和效应进行科学的预测预报，具有重要的科学意义和工程应用价值。
对于地下***研究的天然岩体而言，由于其复杂的结构和构造特征，在***作用下岩石的运动、变形和破坏具有非协调非相容特性，物理过程复杂，影响因素众多。目前在理论分析上还存在很大困难，数值模拟也难以准确进行。现场实地试验虽然可针对特定条件进行研究，但研究周期长，且耗费大量人力物力，试验风险巨大，可重复性差，难以开展***研究。
采用相似物理模拟试验的方法可以真实、直观地反映地质构造和装药配置的空间关系，能够准确地模拟大当量地下浅埋***过程中各种影响因素对弹坑和鼓包形成的影响，使人们更容易全面把握***过程中岩体的运动、变形及破坏特性，是研究地下***问题，特别是地下核***问题的一种有效的方法。
当前，国内外主要的地下***物理模型试验装置主要有离心机***模拟装置和真空室***模拟装置。岳松林等在文献（岳松林，邱艳宇，王德荣等．岩石中***成坑效应的模型试验方法及对比分析 (J).岩石力学与工程学报，2014，33（9）：1925-1932）中指出，由于受到离心机加速度和吊篮模型箱尺寸的限制，土工***离心机模拟比尺有限，只适用于小当量和小比例埋深的抛掷***，真空室***模型试验装置可控性强，模拟适用范围广，在大当量大埋深地下***成坑现象模拟时具有明显的优势。国外最早的***真空模拟装置是由苏联地球物理研究所的M.A.Sadovskii和V. V. Adushkin等学者报道，20世纪70年代，苏联为了大型工程***的应用需求，制造出了真空室地下***模拟装置，该装置直径2.3m，高3m，体积12m3，模拟比尺从1:100到1:1000，真空室内可放置一到十个***源，可同时引爆或实施必要的延迟***，爆源装置采用球形镍铬丝金属栅格内置薄壁橡胶气囊做成的，通过低压电流加热镍铬丝来烧裂橡胶球达到释放压缩气体的目的。但是，该装置的起爆方式不仅镍铬丝的加热时间不可控，对于多组爆源的延期起爆无法做到精确的起爆控制，而且橡胶气囊很可能随机地从某处开一裂口造成气体喷出的不均匀，与地下抛掷***成坑物理过程不相符，对试验模拟结果造成影响。
综上，国内尚未有大当量地下***效应真空室模型试验装置的相关报道，已有的土工***离心机，尽管在小当量、浅埋深***模拟方面具有明显的优势，但是造价昂贵，试验成本高，也不适用于大规模工程***模拟。尽管国外真空室***模拟装置起步早，但是整套装置配置陈旧，自动化程度和量测技术落后，爆源装置的精确起爆控制也有待升级改进。大当量（0.1～100千吨）地下***效应模拟试验装置可填补国内此类装置的空白。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种大当量地下浅埋***效应模拟装置，以解决当前国内土工***离心机无法模拟大当量地下抛掷***现象的难题。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种大当量地下浅埋***效应模拟装置，包括底座、容器罐、第一抽真空装置、爆源装置，所述爆源装置包括玻璃罩、导爆索、钢管、密封塞、电***、***、空气压力调节装置；
所述底座作为整个模拟装置的支撑部件，安装在整个装置的最底端；所述容器罐安装在底座的一端；所述第一抽真空装置通过管道与容器罐相连；所述玻璃罩、电***均位于容器罐内，玻璃罩的底端通过密封塞进行密封，所述导爆索位于玻璃罩内，导爆索通过钢管穿出密封塞，且钢管底端密封；导爆索通过第一连接件与电***的锥形端相接；所述电***的另一端与容气罐外部的***相连；所述玻璃罩底端与空气压力调节装置相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
（1）采用楔块式卡箍连接结构实现了法兰盘和容器罐的开启和密闭连接，不仅承压密闭性能好，而且操作方便、自动化程度高。
（2）采用柔性导爆索传爆震碎玻璃罩壳的方式实现了爆源的精确起爆，不仅***效果好，而且安全可控，提高了模拟爆源的真实性和应用性。
（3）装置的试验参数如真空度、玻璃罩压力值、可调可控，模拟范围广，无需像土工离心机提供额外的加速度，在模拟大规模地下浅埋***成坑现象时具有明显的优势。
（4）通用性强：能够模拟球形装药和柱形装药条件下地下浅埋化学***抛掷现象，能够模拟不同地质地形条件、多层介质中抛掷***现象，并具备量测功能。
（5）相比于现有模拟装置采用离心机动辄几千万甚至上亿的制造成本，本发明装置造价成本低廉，相关的试验成果可广泛应用于钻地核武器成坑毁伤机制和大型工程***效果的预测预报。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明模拟装置总体结构示意图。
图2为真空容器罐结构主视图。
图3为真空容器罐结构右视图。
图4为爆源装置结构示意图。
图5（a-h）为***模拟试验变化***过程摄像机获取的图片。
图6为***成坑模拟试验结果图片。
实施方式
结合图1-4，本发明的一种大当量地下浅埋***效应模拟装置，包括底座1-1、容器罐1、第一抽真空装置3、爆源装置2；所述爆源装置2包括玻璃罩2-1、导爆索2-2、钢管2-3、密封塞2-4、电***2-6、***2-9、空气压力调节装置；
所述底座1-1作为整个模拟装置的支撑部件，安装在整个装置的最底端；所述容器罐1安装在底座1-1的一端；所述第一抽真空装置通过管道与容器罐1相连，用于对容器罐1做抽真空处理，以使容器罐1内的压力达到模拟工作所需的压力；所述玻璃罩2-1、电***2-6均位于容器罐1内，玻璃罩2-1的底端通过密封塞2-4进行密封，所述导爆索2-2位于玻璃罩2-1内，导爆索2-2通过钢管2-3穿出密封塞2-4，且钢管2-3底端密封；导爆索2-2通过第一连接件2-7与电***2-6的锥形端相接，以保证连接的稳定性；所述电***2-6的另一端与容器罐1外部的***2-9相连；所述玻璃罩2-1底端与空气压力调节装置相连，空气压力调节装置用于调节玻璃罩2-1内的空气压力达到实验所需要求；
作为对上述实施方式的进一步改进，所述导爆索2-2位于玻璃罩2-1内的一端拧成螺旋状，以增加导爆索2-2在玻璃罩2-1中心位置的长度，同时保证导爆索2-2在玻璃罩2-1的中心向四周传播冲击波的球形***效果。
进一步的，所述空气压力调节装置包括气针2-5、第二连接件2-10、电磁阀2-11、电池2-12、开关2-13、压力缓冲器2-15、球阀2-16、压力表2-17、第二真空计2-18、泄压安全阀2-19、第二空压机2-20、第二真空泵2-21；所述气针2-5穿过密封塞2-4与玻璃罩2-1相连，气针2-5通过第二连接件2-10与电磁阀2-11相连，电磁阀2-11另一端与压力缓冲器2-15相连；所述第二空压机2-20、第二真空泵2-21、压力表2-17、第二真空计2-18均通过球阀2-16与压力缓冲器2-15相连，压力缓冲器2-15上还安装有泄压安全阀2-19；球阀2-16用于控制空压机2-20或第二真空泵2-21与压力缓冲器2-15的接通或关闭；当压力缓冲器2-15与第二空压机2-20接通时，压力表2-17用于测量压力缓冲器2-15内压力，即测量玻璃罩2-1内的压力；当压力缓冲器2-15与第二真空泵2-21连通时，第二真空计2-18用于测量压力缓冲器2-15内的真空度，即测量玻璃罩2-1内的真空度；所述电池2-12通过开关2-13与电磁阀2-11相连，电池2-12通过开关2-13对电磁阀2-11通断电，以控制电磁阀2-11的开启和关闭。
根据试验需要，当玻璃罩2-1内部的气体压力超过大气压力时，关闭第二真空泵2-21和第二真空计2-18上相应的球阀2-16，打开第二空压机2-20、压力表2-17及开启开关2-13，对压力缓冲器2-15充气，达到所需压力时，停止充气，断开开关2-13，此时玻璃罩2-1内部充满一定量的气体，由***2-9引爆电***2-6，进而引爆导爆索2-2，导爆索2-2传爆产生的波击破击碎玻璃罩2-1，达到释放压缩气体的目的。当玻璃罩2-1内部的气体压力低于大气压力时，关闭第二空压机2-20和压力表2-17上相应的球阀2-16，开启第二真空泵2-21和第二真空计2-18上相应的球阀2-16及开启开关2-13，对压力缓冲器2-15抽气，达到所需真空度时，停止抽气，关闭开关2-13，此时玻璃罩2-1内部达到一定压力，由***2-9引爆电***2-6，进而引爆导爆索2-2，导爆索2-2产生的冲击波击碎玻璃罩2-1，达到释放气体的目的。
作为对上述实施方式的进一步改进，所述电***2-6、第一连接件2-7均安装在保护罩2-8内，避免***冲击波对周围环境造成破坏。
在一些实施方式中，所述玻璃罩2-1可以为球形、圆柱形、多边形或其他形状的腔体结构。
进一步的，所述第一抽真空装置包括第一真空泵3、第一真空计10；所述第一真空泵、第一真空计3均匀容器罐1相连，分别用于对容器罐1内进行抽真空处理和对真空度进行显示。所述真空泵3为滑片泵和罗茨泵组成的多级泵。
作为优选的实施方式，所述容器罐1为圆柱形腔体结构，采用卧式；在一些实施方式中，所述容器罐1也可以是立方体腔体结构、圆形腔体结构、多边形或其他形状的腔体结构，采用立式；容器罐1内设有箱体6，用于填充石英砂、土体等***模拟所需的埋设填充物9。
在一些实施方式中，所述容器罐1主体材质为复合钢板（不锈钢+容器板）、外部缠绕隔音材料层和玻璃钢层。
进一步的，所述容器罐1上设有第一法兰接管1-7、第二法兰接管1-9、第三法兰管1-12，用于连接各类管线；所述容器罐1的一端设有法兰盘1-13作为密封门；
作为对上述实施方式的进一步改进，整个模拟装置还包括自动密闭装置，用于自动将法兰盘1-13与容器罐1拧紧或松开，以减轻人工操作；所述自动密闭装置包括旋转卡箍1-4、气动伸缩杆1-15、第一空压机11；所述旋转卡箍1-4外圆的两端分别与气动伸缩杆1-15相铰连，气动伸缩杆1-15的另一端均固定在基座1-1上，并通过气管与第一空压机11相连；所述卡箍1-4内圆圆周上、法兰盘1-3外圆圆周上均匀的间隔设有楔块1-16，旋转卡箍1-4上的楔块1-16与法兰盘1-3上的楔块1-16倾斜方向相反；工作时，通过一端气动伸缩杆1-15的伸出，另一端气动伸缩杆1-15的缩短，带动旋转卡箍1-4的旋转，将卡箍1-4上的楔块1-16与法兰盘1-3上的楔块1-16紧密结合或分开，将法兰盘1-13与容器罐1拧紧或松开；
进一步的，旋转卡箍1-4旋转角度的大小由安装在气动伸缩杆1-15上面的磁性开关的位置控制，也可通过控制气动伸缩杆1-15的伸缩行程进行控制。
在另外一些实施方式中，所述自动密闭装置也可以采用液压伸缩杆，通过液压控制液压伸缩杆的伸缩将法兰盘1-13与容器罐1拧紧或松开。
作为对上述实施方式的进一步改进，整个模拟装置还包括快开门移动装置，可实现对容器罐1密封门的快速移开或对准；所述快开门移动装置包括移动小车1-3、导轨1-5、电机1-11；所述导轨1-5固定在基座1-1上；所述移动小车1-3安装在导轨1-5上，电机1-11安装在小车1-3上，在电机1-11的驱动下，移动小车1-3可在导轨1-5上做直线运动，运动方向平行于密封门的安装方向，即平行于法兰盘1-13的轴向；移动小车1-3的顶端与法兰盘1-13相连。
作为对上述实施方式的进一步改进，所述快开门移动装置还包括护栏1-10，所述护栏1-10固定在基座1-1上，并设置在移动小车1-3 的周围，起保护作用，以防止移动小车运动过程中对操作人员存在撞伤的风险。
作为对上述实施方式的进一步改进，整个模拟装置还包括图像采集装置，可实现整个***试验过程中的图像采集，所述图像采集装置包括高速摄像机4、计算机5、LED灯7；高速摄像机4安装在容器罐1的外端，并与计算机5相连，计算机5将高速摄像机4拍摄的图像进行存储；所述容器罐1设有观察窗，用于高速摄像机4进行拍摄；LED灯7的数量根据需要设定在容器罐1内的不同位置。进一步的，观察窗可以安装在容器罐1的密封门上，也可以设置在容器罐1的腔体上的不同位置上，以便不同位置进行拍摄观察。
进一步的，整个模拟装置外部设有控制柜8，所述控制柜主要用于控制各装置的供电、快开门移动小车1-3的开启关闭、旋转卡箍1-4的锁紧放松、真空泵组3的启动与关闭、空压机11的开闭、LED投光灯7的开闭等。
工作时，将爆源装置2放在箱体6内，箱体6内填充有石英砂或土体的填充物9，并将玻璃罩2-1覆盖；开启控制柜，为各装置供电，开启第一空压机11，为旋转卡箍1-4的锁紧做好准备；开启移动小车1-3，将法兰盘1-13移至容器罐1口，利用旋转卡箍1-4将法兰盘1-13锁紧，开启LED灯7，将高速摄像机4安装到位；启动第一真空泵3，对容器罐2内进行抽真空，当达到所需真空度时，开启第二空压机2-20或第二真空泵2-21对玻璃罩2-1进行充气或抽气处理，当达到指定压力值时，关闭电磁阀2-11；同时启动***2-9和高速摄像机4，对实验过程进行记录；实验结束后，打开第一真空泵泄气阀，待容器罐1内外气压平衡时，打开容器罐1，对***实验结果如成坑半径、体积等进行记录。同时，玻璃罩2-1内的螺旋状柔爆索2-2的长度可根据试验需要进行调节。
图5（a-h）、图6分别为填充石英砂后的***模拟过程中摄像机获取的图片及***成坑模拟试验结果图片，可以看出，本发明的***效应模拟装置能够有效的记录***过程中的现象，本发明可通过调节玻璃罩2-1内的压力与容器罐1内的真空度以实现模拟0.1～100千吨、埋深20～400m范围内的地下核***成坑和疏松鼓包现象，同时也可以用于工程***效果和效应的预测预报等科学问题的实验研究。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动、组合与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (8)
1.一种大当量地下浅埋***效应模拟装置，包括底座(1-1)、容器罐(1)、第一抽真空装置、爆源装置(2)，其特征在于，所述爆源装置(2)包括玻璃罩(2-1)、导爆索(2-2)、钢管(2-3)、密封塞(2-4)、电***(2-6)、***(2-9)、空气压力调节装置；
所述底座(1-1)作为整个模拟装置的支撑部件，安装在整个装置的最底端；所述容器罐(1)安装在底座(1-1)的一端；所述第一抽真空装置通过管道与容器罐(1)相连；所述玻璃罩(2-1)、电***(2-6)均位于容器罐(1)内，玻璃罩(2-1)的底端通过密封塞(2-4)进行密封，所述导爆索(2-2)位于玻璃罩(2-1)内，导爆索(2-2)通过钢管(2-3)穿出密封塞(2-4)，且钢管（2-3）底端密封；导爆索（2-2）通过第一连接件（2-7）与电***(2-6)的锥形端相接；所述电***(2-6)的另一端与容器罐(1)外部的***(2-9)相连；所述玻璃罩(2-1)底端与空气压力调节装置相连；
所述空气压力调节装置包括气针(2-5)、第二连接件(2-10)、电磁阀(2-11)、电池(2-12)、开关(2-13)、压力缓冲器(2-15)、球阀(2-16)、压力表(2-17)、第二真空计(2-18)、泄压安全阀(2-19)、第二空压机(2-20)、第二真空泵(2-21)；所述气针(2-5)穿过密封塞(2-4)与玻璃罩(2-1)相连，气针(2-5)通过第二连接件(2-10)与电磁阀(2-11)相连，电磁阀（2-11）另一端与压力缓冲器（2-15）相连；所述第二空压机（2-20）、第二真空泵（2-21）、压力表（2-17）、第二真空计（2-18）均通过球阀（2-16）与压力缓冲器（2-15）相连，压力缓冲器（2-15）上还安装有泄压安全阀(2-19)；所述电池(2-12)通过开关(2-13)与电磁阀(2-11)相连，电池(2-12)通过开关(2-13)对电磁阀(2-11)通断电；
所述第一抽真空装置包括第一真空泵(3)、第一真空计(10)；所述第一真空泵、第一真空计(10)均与容器罐(1)相连。
2.如权利要求1所述的大当量地下浅埋***效应模拟装置，其特征在于，所述电***(2-6)、第一连接件(2-7)均安装在保护罩(2-8)内。
3.如权利要求1所述的大当量地下浅埋***效应模拟装置，其特征在于，所述导爆索（2-2）位于玻璃罩（2-1）内的一端拧成螺旋状。
4.如权利要求1所述的大当量地下浅埋***效应模拟装置，其特征在于，还包括自动密闭装置，所述自动密闭装置包括旋转卡箍(1-4)、伸缩杆；所述旋转卡箍(1-4)外圆的两端分别与伸缩杆相连，伸缩杆的另一端均固定在底座(1-1)上；所述旋转卡箍（1-4）内圆圆周上、法兰盘（1-13）外圆圆周上均匀的间隔设有楔块（1-16），旋转卡箍（1-4）上的楔块（1-16）与法兰盘（1-13）上的楔块（1-16）倾斜方向相反。
5.如权利要求4所述的大当量地下浅埋***效应模拟装置，其特征在于，所述伸缩杆为液压伸缩杆或气动伸缩杆。
6.如权利要求1所述的大当量地下浅埋***效应模拟装置，其特征在于，还包括快开门移动装置，所述快开门移动装置包括移动小车(1-3)、导轨(1-5)、电机(1-11)；所述导轨(1-5)固定在底座(1-1)上；所述移动小车(1-3)安装在导轨(1-5)上，电机(1-11)安装在移动小车(1-3)上，在电机(1-11)的驱动下，移动小车(1-3)在导轨(1-5)上做直线运动，运动方向平行于法兰盘1-13的轴向方向；移动小车(1-3)的顶端与法兰盘（1-13）相连。
7.如权利要求1所述的大当量地下浅埋***效应模拟装置，其特征在于，还包括图像采集装置，所述图像采集装置包括高速摄像机(4)、计算机(5)、LED灯（7）；LED灯（7）位于容器罐（1）内部，高速摄像机(4)安装在容器罐(1)的外端，并与计算机(5)相连，计算机(5)将高速摄像机(4)拍摄的图像进行存储；所述容器罐(1)设有观察窗。
8.如权利要求1所述的大当量地下浅埋***效应模拟装置，其特征在于，所述玻璃罩（2-1）为球形、圆柱形、多边形或其他形状的腔体结构。
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