构造地貌物理模拟实验装置及实验方法

摘要

本发明公开了一种构造地貌物理模拟实验装置及实验方法，实验装置包括离心机吊篮实验舱、构造变形装置、图像反射装置和地貌装置；离心机吊篮实验舱在实验时悬挂安装于鼓式离心机的悬臂上，实验舱底部的离心力最大为2500g；构造变形装置用于拉伸和挤压实验材料；图像反射装置的反射镜面板通过透明视窗反射实验箱内部图像；所述地貌装置可模拟降雨并回收废水，本装置还可对实验材料进行加热。实验舱舱壁及离心机悬臂上安装图像采集设备，可采集实验箱顶面及两个侧面图像。本发明实现了2500g超重力环境下的构造地貌物理模拟实验，实验箱尺寸大，承重高，并具备模拟降雨、加热和图像实时采集等多种实验功能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验装置及实验方法，尤其是构造地貌物理模拟实验的实验装置及方法。

背景技术

构造物理模拟实验是一种能够在实验室条件下对大尺度地质构造变形进行模拟研究的方法，具有广泛的适用性。当前对构造地貌演化过程的研究手段以数值模拟为主。然而，由于数值模拟方法的局限性，很难模拟拉张、挤压、走滑等复杂构造变形下的地貌演化。因此，物理模拟实验方法对构造地貌的演化过程有着不可替代的作用。近几十年来，国外学者利用离心机开展的超重力构造物理模拟实验，已在岩石圈裂谷拉张、洋中脊扩张机理、褶皱–冲断构造、走滑拉分构造、膏盐及岩浆底辟构造等研究领域方面取得了重要的进展。

产生超重力环境的离心机技术，一般可分为大型长臂离心机和小型鼓式离心机两种类型。目前国内外鼓式离心机实验舱尺寸小，承重低，构造物理模拟实验箱无动力驱动设备，不能精确控制变形速率，无法进行降雨模拟实验；转臂式的土工离心机最大加速度小于600g，只能在200g以下精确控制实验舱内的动力驱动装置，同时没有无构造地貌研究的相关实验舱装置。因此目前的鼓式离心机和长臂离心机无法满足构造地貌物理模拟的需要。

申请人一直致力于研究构造地貌的物理模拟实验，本申请人的一篇申请号为CN201811323854.8的专利公开了一种在常重力环境下模拟挤压、拉张、走滑等构造变形并实现同步模拟地貌演化过程的实验装置，具备精细降雨模拟装置。但此专利中的实验装置无法满足超重力环境的模拟实验，且功能单一。因此需要一种时在实验箱尺寸、模拟功能方面均有提高，可以实现超重力环境下构造地貌的物理模拟实验装置。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种可模拟降雨以及实时采集三面图像的超重力环境下构造地貌物理模拟实验装置及实验方法。

技术方案：本发明所述的构造地貌物理模拟实验装置包括离心机吊篮实验舱、构造变形装置、图像反射装置和地貌装置；所述离心机吊篮实验舱在实验时悬挂安装于鼓式离心机的悬臂上；所述构造变形装置包括用于拉伸和挤压实验材料的升降机构和平移机构；所述图像反射装置的反射镜面板通过透明视窗反射实验箱内部图像；所述地貌装置包括对实验材料模拟降雨的降雨器和降雨水管。

所述离心机吊篮实验舱包括吊篮侧板、吊篮底板和吊篮底部结构板；所述吊篮侧板上安装用于供电和供液的线路连接机构，上部设有用于连接离心机悬臂的吊篮吊装机构。

所述升降机构和平移机构包括升降装置、配合连接的升降滑轨和升降滑块、三角推板、配合连接的平移滑块和平移滑轨，还包括用于提供动力的液压缸。

所述地貌装置还包括降雨器支撑机构和地貌模拟装置总支撑；所述降雨器和降雨水管安装在降雨器支撑机构上，所述降雨器支撑机构连接地貌模拟装置总支撑。

所述地貌装置还包括用于排出和收集废水的排水槽、蓄水槽和回收吸水管。

本发明的实验装置还包括对实验材料进行加热的加热板和防止热量散失的隔热板，所述加热板和隔热板置于实验材料底部。

所述离心机吊篮实验舱侧面设有实验舱视窗，所述离心机的外舱壁上安装有用于采集实验箱侧面图像的高速图像采集装置。

所述离心机悬臂上安装有用于采集实验箱顶部图像及反射镜面板反射图像的实时监控相机。

本发明所述的构造地貌物理模拟实验方法包括如下步骤：

(a)布置实验材料及实验装置的各个机构；

(b)开启离心机运行至指定加速度，对液压缸供液和泄液带动升降装置和平移装置运动；

(c)开启降雨器进行模拟降雨，开启加热板加热实验材料；

(d)开启高速图像采集装置和实验实施监控相机，实时采集构造变形图像；

(e)停止离心机运转，关闭相关机构，取出实验箱。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)实验装置安装于鼓式离心机的悬臂上，实现了2500g超重力环境下构造地貌演化过程的物理模拟实验；(2)含镜面反射图像装置，结合图像采集设备，可实时捕捉实验箱顶面及两个侧面的构造变形图像；(3)具备供电、供液功能，可进行模拟降雨实验；(4)实验舱尺寸大，承重高，结构简单，节约成本。

附图说明

图1为本发明的实验装置的俯视图；

图2为本发明的实验装置的A向侧视图；

图3为本发明的实验装置的B向侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1-3所示，本发明的实验装置包括离心机吊篮实验舱、构造变形实验装置、图像反射装置、地貌装置和实验附件装置，所述造变形实验装置、图像反射装置、地貌装置和实验附件装置均安装于离心机吊篮实验舱内。

所述离心机吊篮实验舱包括两块吊篮侧板1、吊篮底板2、吊篮底部结构板3和实验舱视窗24，其尺寸大于400mm×400mm×300mm；吊篮侧板1上部设置有吊篮吊装机构23，用于连接离心机的悬臂；相比于传统的转盘式鼓式离心机，本实验装置将实验箱安装于离心机悬臂上，可在2500g超重力环境完成构造地貌物理模拟实验，实验箱尺寸大，承重高，相比于长臂式离心机结构简单，节约成本。

在两块吊篮侧板1上分别安装两个线路连接机构4，每块吊篮侧板1上的两个线路连接机构4沿吊篮吊装机构23对称，线路连接机构4为超重力特殊空压连接机构，用于为实验装置供电和供液。

所述构造变形实验装置包括实验箱框架机构16和实验箱底板机构18，实验箱框架机构16中放置实验材料17。构造变形实验装置还包括升降机构和平移机构，升降机构包括、升降装置7、升降滑轨8和升降滑块10；升降装置7顶端连接升降滑块10，三角推板顶端的横梁连接连接升降滑块10，升降滑块10与升降滑轨8配合，带动三角推板做竖直运动。平移机构包括平移连接板12、平移滑块13和平移滑轨14；平移连接板12与升降机构7连接，三角推板11顶端的横梁连接平移滑块13，平移滑块13与平移滑轨14配合，带动三角推板11做水平运动；线路连接机构4和吊篮布线槽结构5与液压缸6上的液压接口9连接，液压缸6内的液体增加和减少控制升降机构7的升高和降低，同时带动三角推板11对实验材料17拉伸和挤压运动。

所述图像反射装置包括反射镜面板21和镜面支撑机构22，反射镜面板21正对透明视窗15，反射实验箱内部材料的构造变形图像。

所述地貌装置包括降雨器28、降雨器支撑机构29、地貌模拟装置总支撑30和降雨水管31；降雨器28连接降雨水管31，降雨水管31通过离心机吊篮实验舱的线路连接机构4与离心机转臂上的管线连，降雨器28和降雨水管31布置于降雨器支撑机构29上，降雨器支撑机构29连接地貌模拟装置总支撑30，降雨水管31对实验箱内进行降雨模拟。

所述地貌装置还包括排水槽25、蓄水槽26和回收吸水管27，排水槽25用于将实验箱内多余的水排入蓄水槽26，蓄水槽26连接的回收吸水管27将水吸出，通过线路连接机构4吸出实验舱并通过管线吸出离心机。

所述实验附件装置包括加热板19和隔热板20；加热板19对实验箱底部的实验材料17进行加热，在实验材料17从底面到表面的垂直方向上温度梯度由高变低。

所述离心机的外舱壁上安装有高速图像采集装置，正对实验舱视窗24，实时采集构造变形的侧面图像；所述离心机两旋转臂中间位置的实验实时监控相机，实时采集构造变形的顶面图像，同时采集反射镜面板21内映射的构造变形相对的另一侧面图像。

实验方法：

(a)在常重力环境下，将实验装置的各个机构准备好，布置好实验材料17，通过吊篮吊装结构23将实验装置悬挂连接于离心机的悬壁上，将线路连接结构4余离心机悬臂上的相关线路连接，包括强电线路、弱电线路和油水管线等；通过线路连接机构4和吊篮布线槽结构5上的管线连接到液压接口9和加热板19。

(b)开启离心机运行至指定加速度值，通过外部供液和泄液控制液压缸6内的液体增加和减少，带动升降装置7和三角推板11运动。

(c)通过降雨器31对实验箱内进行降雨模拟，形成表面独特构造地貌。

(d)开启加热板19，对实验箱底部的实验材料进行加热。

(e)开启高速图像采集装置和实验实施监控相机，实时采集构造变形图像。

(f)停止离心机运转，取出实验箱，拆掉降雨相关装置，利用三维扫描仪和照相设备获取变形表面地表数据。实验过程中也可停止离心机运转，获取任意时刻实验箱内的变形表面地表数据。