(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210799494.9 (22)申请日 2022.07.06 (71)申请人 水利部交通 运输部国家能源局南京 水利科学研究院 地址 210029 江苏省南京市 鼓楼区广州路 223号 (72)发明人 钟启明　陈生水　杨蒙　单熠博　 傅中志　吉恩跃　梅胜尧　张露澄　 陈小康　杜镇瀚　陈锦祎　 (74)专利代理 机构 南京千语知识产权代理事务 所(普通合伙) 32394 专利代理师 尚于杰　祁文彦 (51)Int.Cl. G01N 29/04(2006.01) G01N 29/14(2006.01)G01N 29/44(2006.01) G01N 21/84(2006.01) G01N 3/24(2006.01) G01N 3/12(2006.01) G01N 1/28(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种心墙坝溃坝离心试验 装置及方法 (57)摘要 本发明公开了一种模拟心墙坝溃坝的离心 模型试验装置及方法， 本发明通过离心机的 “时 空放大效应 ”， 可以在有限空间内进行与实际受 力和破坏形态相同的心墙坝溃坝模 型试验， 实现 心墙坝的溃坝试验。 通过在心 墙两侧布设应变片 组成半桥式电路， 将应变片电阻变化信号转化成 应力信号来监测心墙的受力及破坏过程； 同时利 用射频标签与读写器对下游水流堆石料的冲刷 过程进行记录， 明晰心墙坝下游 堆石料的冲刷路 径； 同时结合声发射传感器监测心 墙破坏的声音 信号， 以及高速高清摄像头来完整推断出心墙坝 的溃坝过程。 本发明可以较为真实的还原心墙坝 的溃坝过程， 为心墙坝的溃坝机理研究提供试验 基础。 权利要求书3页 说明书8页 附图4页 CN 115184461 A 2022.10.14 CN 115184461 A 1.一种模拟心墙坝溃坝的离心模型试验装置， 包括模型箱， 模型箱的一个侧壁开设有 进水口， 与进 水口相对的另一个侧壁开设有用于溢流的矩形堰， 其特征在于， 模 型箱内设置 心墙坝模 型， 模型箱内分别设置有用于观察心墙坝上、 下游 堆石料的高速高清摄像机， 在心 墙的上、 下游侧都规律布设有多个应变片， 每一个应变片都有单独的编号， 上、 下游相对位 置的一对应变片外接一对恒定电阻组成半桥电路， 每一个半桥电路通过应变片电路引出线 连接至离心机信息采集系统， 离心机信息采集系统再将数据传送至控制室； 在心墙两端与模型箱接触的其中一个外侧壁安装有声发射传感器， 声发射传感器位于 心墙端面于该模型箱侧壁的投影中， 声发射传感器的信号经 滤波、 放大后传送至控制室； 在心墙下游堆石料内分层规律埋设有透明塑料材质的示踪球， 示踪球内封装有标签， 位于矩形堰堰 口上方的模型箱内侧 壁设置有标签读写器； 随着水流的冲刷， 埋设在下游堆 石料中的示踪球， 暴露在读写器的工作区域， 读写器发出特定频率的射频信号， 带有能量的 射频信号会产生磁场， 使示踪球内的标签受到电磁场的作用， 将自身编码信息发送给读写 器， 读写器对接收到的信号进 行调节和解码， 记录示踪球暴露时间， 将信息存储至读写器内 部的存储单元， 并将信息传递至控制室。 2.根据权利要求1所述的模拟心墙坝溃坝的离心模型试验装置， 其特征在于， 通过不同 位置编号的应变片半桥式电路记录的压力信号， 以及各个位置信号结束时间， 反演心墙各 部分的受力变化及不同时段的破坏范围； 通过不同时间采集到的示踪球编号， 反演推 断出 不同时间内水下堆石料 的启动范围， 研究堆石料被水流冲刷的路径； 通过声发射传感器所 收集的突 发型声音信号数据， 结合高清摄像机的录摄视频和应变片半桥式电路所收集的心 墙破坏信号， 从而完整的确定水流漫顶后堆石料 的冲刷路径及心墙的破坏过程， 分析心墙 坝的溃坝机理。 3.根据权利要求1所述的一种 模拟心墙坝溃坝的离心模型试验装置， 其特征在于， 声发 射传感器的安装高度为心墙高度的1/2。 4.根据权利要求1所述的一种 模拟心墙坝溃坝的离心模型试验装置， 其特征在于， 应变 片选用KFWB‑5‑350‑C1‑23， 声发射传感器选用谐振式AE14 4S。 5.根据权利要求4所述的一种 模拟心墙坝溃坝的离心模型试验装置， 其特征在于， 示踪 球内封装抗金属标签， 标签型号为C116617S， 读写器为远距离RFID电子标签读写器， 型号为 UR6608， 读写器及标签工作频率 为860MHz～960MHz， 采用ISO/IE C18000‑6C协议。 6.一种心墙坝溃坝的离心模型 试验方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤1， 勘 察测量现场心墙坝的心墙材料及堆石料， 配置与现场心墙坝实际物理力学性 质相近的心墙坝模型； 结合相似准则确定 离心模型与实际心墙坝的相似比N； 步骤2， 根据确定的相似比N设计模型箱； 步骤3， 在模型箱内制备心墙坝离心模型； 将声发射传感器安装在模型箱有机玻璃外侧 壁， 声发射传感器与有机玻璃之间涂抹凡士林， 声发射传感器安装在心墙于模型箱侧 壁高 度的1/2处， 使声发射传感器位于心墙端面于该模型箱侧壁的投影中， 声发射传感器通过前 置放大器和门限比较器与离心机信息采集系统连接， 离心机信息采集系统将数据传输至控 制室进行记录分析； 在心墙的上、 下侧分层、 等距布设应变片， 对每一个应变片进行编号， 心墙上游侧和下 游侧相对位置的一对应变片外接一对恒定电阻组成半桥电路， 每一个半桥电路通过应变片权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115184461 A 2电路引出线连接至离心机信息采集系统， 应变片电路引出线从模型箱两侧引出， 测 量信号 通过滤波、 放大处 理后连接在离心机信息采集系统上； 步骤4， 根据心墙的尺寸及土料进行预试验， 对心墙不同破坏形式所对应的应变片信号 与声发射信号进行率定； 将步骤3布置好的模型箱装入吊篮， 对电路以及高速高清摄像机进行测试， 确保试验过 程中电路以及视频监测系统正常工作， 对离心机配重后逐级加速， 直至模型与实际情况处 于同一应力状态； 离心机到达目标加速度后， 开启供水系统， 模型上游开始蓄水， 水位逐渐 上涨， 心墙受到上游水压力的影响， 应变片产生微小变形， 应变片阻值发生变化， 阻值变化 引起半桥电路电压的变化， 测量信号通过滤波、 放大处理后在控制室将电压信号转化为数 字信号， 最终显示出应 变片所在位置的应力大小， 对心墙受力进行监测； 随着试验过程的发展， 心墙在漫顶水流的作用下逐渐被破坏， 具体的破坏范围由相应 位置的应变片反应； 当应变片处的信号消失时， 代表相应位置的心墙被破坏， 同时模型箱侧 壁的声发射传感器对心墙倒塌产生的突发型声发射信号进行捕捉， 记录信号产生的时间； 结合应变片、 声发射传感器的数据、 高速高清摄像机的视频对预试验中采集到数据进行分 析， 确定心墙倾倒和剪切两种破坏形式下， 应 变片采集到的应力 信息及声发射信号； 步骤5， 重新布置新的心墙坝模型， 在分层砌筑下游堆石料时， 每一层堆石料中埋设多 个透明塑料的示踪球， 每层示踪球的横向距离相等， 每层之间的纵向距离相等； 对每一个示 踪球进行编号， 每个示踪球内都装有写入其位置及编号信息的金属标签， 用隔绝胶水将示 踪球密封以达到防水的目的； 在下游堰口上方的模型箱顶板处， 安装远距离RFID电子标签 读写器； 将新布置好的模型箱装入吊篮， 对电路 以及高速高清摄像机进行测试， 确保试验过程 中电路以及视频监测系统正常工作， 对离心机配重后逐级加速， 直至模型与实际情况处于 同一应力状态； 离心机到达目标加速度后， 开启供水系统， 模型上游开始蓄水， 水位逐渐上涨， 对应位 置的应变片对心墙受力进 行监测并反应至控制室， 通过应变片反馈的数据得知心墙的受力 范围； 当某位置处应变片的信号消失， 代表该位置的心墙被破坏， 同时结合声发射传感器采 集到的突发型声发射信号， 和记录信号产生的时间； 根据步骤4预试验中率定得到的心墙破 坏形式与应 变片应力 信息及声发射信号关系， 可以确定该心墙的破坏形式； 当水位到达心墙坝顶部时， 水流开始漫顶， 下游堆石料被冲刷， 随着堆石料的冲刷， 示 踪球逐渐暴露， 示踪球暴露后， 读写器发出特定频率的射频信号， 从而在周围形成电磁场， 标签从电磁场中获得能量， 激活标签中的微芯片电路， 芯片转换电磁波， 将自身编号、 位置 等信息通过内置发送天线发送给读写器， 读写器对接 收的信号进行调节和解码， 之后送到 后台系统对示踪球暴露的位置、 编号、 时间等信息进 行记录， 由不同位置的示踪球的暴露时 间可以反推漫顶水流的冲刷范围， 通过下游示踪球位置变化及高速高清视频能确定心墙破 坏路径； 步骤6， 在视频监测系统中观察试验过程， 当通过高速高清摄像头观察到溃口不再继续 发展时， 或结合声发射传感器监测到长时间、 持续性的突 发型声音信号时， 推测心墙整体发 生剪切破坏而失去作用， 视为溃坝过程结束， 试验 结束后关闭供水系统， 提取声发射传感器 的信号、 应 变片的信号以及示踪球的射频信号， 对心墙坝溃坝过程进行分析。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115184461 A 3