本發(fā)明涉及一種用于實(shí)時(shí)自動測量隧道突水試驗(yàn)過程顆粒流失的試驗(yàn)系統(tǒng)，屬于隧道工程地質(zhì)災(zāi)害模型試驗(yàn)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著交通和水利水電重大基礎(chǔ)設(shè)施工程的建設(shè)，我國已成為世界上隧道修建規(guī)模與難度最大的國家。特別是隨著重大工程建設(shè)重心向地形地質(zhì)極端復(fù)雜的西部山區(qū)與巖溶地區(qū)轉(zhuǎn)移，正在或即將修建大量的高風(fēng)險(xiǎn)深長隧道工程，建設(shè)過程中極易遭遇突水重大災(zāi)害，嚴(yán)重影響了隧道工程建設(shè)安全。

對于隧道突水模擬實(shí)驗(yàn)過程中土顆粒的收集分析，目前都是采取整體收集，并不能獲得不同時(shí)間點(diǎn)的土顆粒的顆粒級配，只能夠等突水過程結(jié)束后再進(jìn)行篩析分析，這樣不利于我們對實(shí)驗(yàn)過程的分析。

同時(shí)，目前大部分振動篩分裝置還需要人工操作，需要耗費(fèi)大量的人力，物力，而且后續(xù)的處理工作也是很繁瑣的。但本發(fā)明通過全自動化的測量減少科研人員工作量，將各種參數(shù)數(shù)據(jù)自動存儲并將數(shù)據(jù)上傳至指定接收系統(tǒng)，以便科學(xué)的對數(shù)據(jù)分析、對比、統(tǒng)計(jì)。

此外，傳統(tǒng)稱量裝置稱量歷史記錄不能存儲，使用者不方便后續(xù)的查詢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種自動篩分、自動稱量且能夠模擬隧道突水過程中土顆粒的流失情況和突水量的分布情況，同時(shí)可以隨時(shí)對稱量記錄進(jìn)行查詢分析的自動篩分稱量的系統(tǒng)。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種實(shí)時(shí)測量突水過程中顆粒流失的試驗(yàn)系統(tǒng)，包括振動篩分裝置、集水裝置、運(yùn)輸裝置、稱量裝置、采集運(yùn)算裝置，其中：

振動篩分裝置用于通過振動來篩分突水過程中流失的土顆粒；

集水裝置用于收集突水過程中流出的水、測量水的質(zhì)量并將測得的水的質(zhì)量傳給采集運(yùn)算裝置；

運(yùn)輸裝置用于將篩分出的土顆粒運(yùn)送到稱量裝置；

稱量裝置用于稱量篩分出的土顆粒的重量，并將測得的土顆粒的重量傳給采集運(yùn)算裝置；

采集運(yùn)算裝置用于控制所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行，輸入?yún)?shù)，并根據(jù)輸入的參數(shù)、傳回的水的質(zhì)量和土顆粒的重量計(jì)算不同粒徑顆粒的總的分布規(guī)律、每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)不同直徑顆粒的流失比重及水的流失量；

所述振動篩分裝置包括三個(gè)以上的振動篩箱、抽屜式支架和篩分振動臺；所述三個(gè)以上的振動篩箱放置于抽屜式支架上，所述抽屜式支架放置于篩分振動臺上，且所述抽屜式支架頂部設(shè)置有入水口；每個(gè)振動篩箱的側(cè)面均設(shè)置有土顆粒出口，而內(nèi)部均裝有篩網(wǎng)，且所述篩網(wǎng)的邊框與土顆粒出口相交接，同時(shí)所述振動篩箱從上到下按對應(yīng)的篩網(wǎng)的網(wǎng)格從大到小依次設(shè)置，且最下一層振動篩箱的側(cè)面底部設(shè)置有出水口；

所述集水裝置包括壓力傳感器、集水箱，所述壓力傳感器設(shè)置于集水箱的內(nèi)側(cè)底部，而所述篩分振動臺通過彈簧安裝在集水箱上；

所述運(yùn)輸裝置包括土顆粒運(yùn)輸通道、推子機(jī)構(gòu)和小平臺；所述土顆粒出口與土顆粒運(yùn)輸通道的入口端相連接，所述土顆粒運(yùn)輸通道的出口端與小平臺的入口端相連接，所述推子機(jī)構(gòu)用于將篩分裝置篩分的土顆粒推送至稱量裝置進(jìn)行稱量；

所述稱量裝置包括顆粒收集箱、電子秤和平臺支架；所述小平臺的出口端與所述顆粒收集箱的一端相接，所述顆粒收集箱設(shè)置于所述電子秤上，所述電子秤設(shè)置于平臺支架上；

所述采集運(yùn)算裝置包括控制器和電腦存儲設(shè)備，所述控制器用于控制所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行，所述電腦存儲設(shè)備用于存儲、計(jì)算電子秤及壓力傳感器所傳回的數(shù)據(jù)；所述電腦存儲設(shè)備與所述控制器連接，所述控制器與電子秤連接，所述控制器還與篩分振動臺、推子機(jī)構(gòu)以及壓力傳感器相連。

優(yōu)選的：篩分振動臺振動的頻率通過控制器進(jìn)行控制，并可以將篩網(wǎng)網(wǎng)格直徑參數(shù)及篩網(wǎng)數(shù)量輸入到通過控制器連接的電腦存儲設(shè)備，通過電腦存儲設(shè)備將參數(shù)輸入計(jì)算不同粒徑顆粒的總的分布規(guī)律和每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)不同直徑顆粒的流失比重。

優(yōu)選的：所述推子機(jī)構(gòu)包括毛刷、滑軌、傳動帶、伺服電機(jī)、一對張緊輪、主動輪、從動輪一和從動輪二；所述滑軌沿篩網(wǎng)、土顆粒運(yùn)輸通道和小平臺設(shè)置，所述主動輪固定在滑軌末端，從動輪一固定在滑軌起始端，從動輪二固定在土顆粒運(yùn)輸通道與小平臺交接處的滑軌上，所述主動輪通過傳動帶與從動輪一和從動輪二傳動連接，所述伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與主動輪傳動連接；所述毛刷與滑軌滑動連接，所述傳動帶的一端固定在一對張緊輪的其中一個(gè)上，所述傳動帶的另一端固定在一對張緊輪的另一個(gè)上；而所述張緊輪固定在毛刷上；從而實(shí)現(xiàn)毛刷從篩網(wǎng)到小平臺出口端的往復(fù)運(yùn)動；推子機(jī)構(gòu)推送的頻率通過控制器進(jìn)行控制。

優(yōu)選的：土顆粒運(yùn)輸通道、小平臺和篩網(wǎng)之間采取鉸接，使得土顆粒運(yùn)輸通道的傾斜角度根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。

優(yōu)選的：最下一層振動篩箱的底面設(shè)置有一定的傾角，且底面的較低端為出水口一側(cè)，底面的較高端為遠(yuǎn)離出水口一側(cè)。

優(yōu)選的：振動篩箱為長方體篩箱，篩網(wǎng)采用的是矩形篩網(wǎng)。

優(yōu)選的：篩網(wǎng)材質(zhì)均為不銹鋼材料，振動篩箱箱體為鐵質(zhì)。

優(yōu)選的：篩分振動臺包括電磁鐵。

優(yōu)選的：所述篩網(wǎng)、運(yùn)輸裝置、稱量裝置一一對應(yīng)設(shè)置；

一種實(shí)時(shí)測量突水過程中顆粒流失的試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

(1)將裝置置于突水位置下方，調(diào)整好需要的振動篩箱的個(gè)數(shù)和相應(yīng)篩網(wǎng)的規(guī)格和數(shù)量，通上電源使裝置隨時(shí)處于使用狀態(tài)，將篩網(wǎng)的網(wǎng)格直徑參數(shù)和篩網(wǎng)數(shù)量輸入到通過控制器連接的電腦存儲設(shè)備；

(2)突水開始發(fā)生，流失物從突水位置落入振動篩箱內(nèi)，在篩網(wǎng)上不斷振動，顆粒直徑小的落入下一級篩網(wǎng)上，而留下來的土顆粒將被推子推送到運(yùn)輸裝置里面；

(3)推子將相應(yīng)一級的土顆粒推送至稱量裝置中，電子秤記錄下土顆粒的質(zhì)量并將數(shù)據(jù)通過控制器傳輸?shù)诫娔X存儲設(shè)備上；

(4)出水口流出的水進(jìn)入集水箱，水的質(zhì)量由集水箱底部的壓力傳感器記錄下來，傳輸?shù)诫娔X存儲設(shè)備中；

(5)待突水情況完全停止不帶有流失物時(shí)，通過電子秤得到的質(zhì)量數(shù)據(jù)和壓力傳感器得到的水的質(zhì)量計(jì)算不同粒徑顆粒的總的分布規(guī)律、每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)不同直徑顆粒的流失比重和水的流失量。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：

1.在本裝置中各級振動篩箱擺脫傳統(tǒng)式圓形結(jié)構(gòu)，采用長方體結(jié)構(gòu)，像抽屜一樣可以自由開關(guān)。這樣就有利于我們隨時(shí)根據(jù)需要更換篩網(wǎng)規(guī)格，可以很輕松的控制篩網(wǎng)網(wǎng)格的大小和篩網(wǎng)的層數(shù)，實(shí)用性更強(qiáng)。

2.本發(fā)明通過將稱量裝置、集水裝置與電腦存儲設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的連續(xù)化，不僅能夠獲得連續(xù)的質(zhì)量變化，而且由于被存儲下來，還十分方便查詢與之后的數(shù)據(jù)分析、對比、統(tǒng)計(jì)操作，大大減少了工作量。

3.該裝置自動篩分，自動稱量，自動計(jì)算；土顆粒運(yùn)輸通道和小平臺以及篩網(wǎng)之間采取了鉸接，篩分振動臺包括電磁鐵，達(dá)到了結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，使用方便，拆卸簡易，達(dá)到提高篩分和稱量效率的目的。

4.該裝置不僅僅能用來測量模擬隧道突水試驗(yàn)不同固體顆粒流失分布情況，還可以用來測量其他固體顆粒的級配分析，使用范圍非常廣泛。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種實(shí)時(shí)測量突水過程中顆粒流失的試驗(yàn)系統(tǒng)；

圖2為本發(fā)明一種實(shí)時(shí)測量突水過程中顆粒流失的試驗(yàn)系統(tǒng)的篩分裝置和集水裝置；

圖3為本發(fā)明一種實(shí)時(shí)測量突水過程中顆粒流失的試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)輸裝置、稱量裝置與采集運(yùn)算裝置。

圖中：1-篩網(wǎng)，2-振動篩箱，3-篩分振動臺，4-土顆粒運(yùn)輸通道，5-推子機(jī)構(gòu)，6-顆粒收集箱，7-電子秤，8-小平臺，9-電腦存儲設(shè)備，10-控制器，11-出水口。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。

如圖1所示為一種實(shí)時(shí)測量突水過程中顆粒流失的試驗(yàn)系統(tǒng)，包括振動篩分裝置、集水裝置、運(yùn)輸裝置、稱量裝置、采集運(yùn)算裝置，其中：

振動篩分裝置用于通過振動來篩分突水過程中流失的土顆粒；

集水裝置用于收集突水過程中流出的水、測量水的質(zhì)量并將測得的水的質(zhì)量傳給采集運(yùn)算裝置；

運(yùn)輸裝置用于將篩分出的土顆粒運(yùn)送到稱量裝置；

稱量裝置用于稱量篩分出的土顆粒的重量，并將測得的土顆粒的重量傳給采集運(yùn)算裝置；

采集運(yùn)算裝置用于控制所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行，輸入?yún)?shù)，并根據(jù)輸入的參數(shù)、傳回的水的質(zhì)量和土顆粒的重量計(jì)算不同粒徑顆粒的總的分布規(guī)律、每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)不同直徑顆粒的流失比重及水的流失量；

如圖2所示，所述振動篩分裝置包括三個(gè)振動篩箱2、抽屜式支架和篩分振動臺3；所述三個(gè)振動篩箱2放置于抽屜式支架上，所述抽屜式支架放置于篩分振動臺3上，且所述抽屜式支架頂部設(shè)置有入水口；每個(gè)振動篩箱2的側(cè)面均設(shè)置有土顆粒出口，而內(nèi)部均裝有篩網(wǎng)，且所述篩網(wǎng)的邊框與土顆粒出口相交接，同時(shí)所述振動篩箱2從上到下按對應(yīng)的篩網(wǎng)的網(wǎng)格從大到小依次設(shè)置，且最下一層振動篩箱2的側(cè)面底部設(shè)置有出水口；而最下一層振動篩箱的底面設(shè)置有一定的傾角，且底面的較低端為出水口一側(cè)，底面的較高端為遠(yuǎn)離出水口一側(cè)；篩網(wǎng)1的層數(shù)以及篩網(wǎng)1的網(wǎng)格大小是可調(diào)的，并可以將篩網(wǎng)1網(wǎng)格直徑參數(shù)輸入到通過控制器10連接的電腦存儲設(shè)備9，通過電腦存儲設(shè)備9將參數(shù)輸入計(jì)算不同粒徑顆粒的總的分布規(guī)律和每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)不同直徑顆粒的流失比重。振動篩箱2為長方體篩箱，篩網(wǎng)1采用的是矩形篩網(wǎng)，像抽屜一樣可以自由開關(guān)。因?yàn)橛兴膮⑴c所以矩形篩網(wǎng)1材質(zhì)均為不銹鋼材料，振動篩箱2的箱體為鐵質(zhì)，而且為了防止振動篩箱2在篩分過程因?yàn)檎駝佣环€(wěn)定，篩分振動臺3通電后具有磁鐵效果，從而使裝置保持穩(wěn)定。

所述集水裝置包括壓力傳感器、集水箱，所述壓力傳感器設(shè)置于集水箱的內(nèi)側(cè)底部，而所述篩分振動臺3通過彈簧安裝在集水箱上；

如圖3所示，所述運(yùn)輸裝置包括土顆粒運(yùn)輸通道4、推子機(jī)構(gòu)5和小平臺8；所述土顆粒出口與土顆粒運(yùn)輸通道4的入口端相連接，所述土顆粒運(yùn)輸通道4的出口端與小平臺8的入口端相連接，所述推子機(jī)構(gòu)5用于將篩分裝置篩分的土顆粒推送至稱量裝置進(jìn)行稱量；所述推子機(jī)構(gòu)5包括毛刷、滑軌、傳動帶、伺服電機(jī)、一對張緊輪、主動輪、從動輪一和從動輪二；所述滑軌沿篩網(wǎng)1、土顆粒運(yùn)輸通道4和小平臺8設(shè)置，所述主動輪固定在滑軌末端，從動輪一固定在滑軌起始端，從動輪二固定在土顆粒運(yùn)輸通道與小平臺交接處的滑軌上，所述主動輪通過傳動帶與從動輪一和從動輪二傳動連接，所述伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與主動輪傳動連接；所述毛刷與滑軌滑動連接，所述傳動帶的一端固定在一對張緊輪的其中一個(gè)上，所述傳動帶的另一端固定在一對張緊輪的另一個(gè)上；而所述張緊輪固定在毛刷上；從而實(shí)現(xiàn)毛刷從篩網(wǎng)1到小平臺8出口端的往復(fù)運(yùn)動；增加小平臺8可以使得大的顆粒從土顆粒運(yùn)輸通道上落下時(shí)不至于直接沖擊顆粒收集箱，造成電子秤顯示過重。土顆粒運(yùn)輸通道4、小平臺8和篩網(wǎng)1之間采取鉸接，所述土顆粒運(yùn)輸通道4的傾斜角度是可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整的。

所述稱量裝置包括顆粒收集箱6、電子秤7和平臺支架；所述小平臺8的出口端與所述顆粒收集箱6的一端相接，所述顆粒收集箱6設(shè)置于所述電子秤7上，所述電子秤7設(shè)置于平臺支架上；所述篩網(wǎng)1、運(yùn)輸裝置、稱量裝置一一對應(yīng)設(shè)置；

所述采集運(yùn)算裝置包括控制器10和電腦存儲設(shè)備9，所述控制器用于控制所述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行，所述電腦存儲設(shè)備用于存儲、計(jì)算電子秤及壓力傳感器所傳回的數(shù)據(jù)；所述電腦存儲設(shè)備9與所述控制器10連接，所述控制器10與電子秤7連接，所述控制器10還與篩分振動臺3、推子機(jī)構(gòu)5以及壓力傳感器相連。

振動篩分裝置需要篩分的流失土顆粒由突水試驗(yàn)提供，其中要確保篩分裝置位于突水位置的下部，且盡量保證流失的水和土顆粒落在中間部分，根據(jù)篩分方案按不同要求靈活配置各種不同網(wǎng)格直徑的矩形篩網(wǎng)1，以滿足現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的需求；通過推子機(jī)構(gòu)5將在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)經(jīng)過本層篩網(wǎng)篩下的土顆粒運(yùn)送到各自的稱量裝置上去，其中這個(gè)推子機(jī)構(gòu)5的運(yùn)動頻率可以通過控制器10來進(jìn)行控制，篩分振動臺3的振動頻率可以通過控制器10來調(diào)節(jié)。

同時(shí)，突水的總量也是必不可少的數(shù)據(jù)，因此在篩分裝置的底部有個(gè)出水口，通過這個(gè)出水口收集突出的水，為了獲得突水過程中每個(gè)時(shí)間段的突水量，在最下一層振動篩箱的底面設(shè)置有一定的傾角，且在收集水的裝置下放置一個(gè)集水箱，使用壓力傳感器將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄、傳輸?shù)酱鎯υO(shè)備當(dāng)中，和顆粒的質(zhì)量一起分析計(jì)算。顆粒收集箱6置于電子秤7上，數(shù)據(jù)每隔5s記錄一次然后通過數(shù)字信號傳輸記錄下來。

一種實(shí)時(shí)測量突水過程中顆粒流失的試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

(1)將裝置置于突水位置下方，調(diào)整好需要的振動篩箱2的個(gè)數(shù)和相應(yīng)篩網(wǎng)1的規(guī)格和數(shù)量，通上電源使裝置隨時(shí)處于使用狀態(tài)，將篩網(wǎng)1的網(wǎng)格直徑參數(shù)和篩網(wǎng)1數(shù)量輸入到通過控制器10連接的電腦存儲設(shè)備9；

(2)突水開始發(fā)生，流失物從突水位置落入振動篩箱2內(nèi)，在篩網(wǎng)1上不斷振動，顆粒直徑小的落入下一級篩網(wǎng)1上，而留下來的土顆粒將被推子5推送到運(yùn)輸裝置里面；

(3)推子5將相應(yīng)一級的土顆粒推送至稱量裝置中，電子秤7記錄下土顆粒的質(zhì)量并將數(shù)據(jù)通過控制器10傳輸?shù)诫娔X存儲設(shè)備9上；

(4)出水口流出的水進(jìn)入集水箱，水的質(zhì)量由集水箱底部的壓力傳感器記錄下來，傳輸?shù)诫娔X存儲設(shè)備9中；

(5)待突水情況完全停止不帶有流失物時(shí)，通過電子秤得到的質(zhì)量數(shù)據(jù)和壓力傳感器得到的水的質(zhì)量計(jì)算不同粒徑顆粒的總的分布規(guī)律、每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)不同直徑顆粒的流失比重和水的流失量。

該系統(tǒng)不僅僅能用來實(shí)時(shí)自動稱量突水過程中不同粒徑顆粒的質(zhì)量，還可以用來測量其他固體顆粒的級配分析，只需根據(jù)篩分對象選用合適規(guī)格的篩網(wǎng)1。如果僅僅需要測量樣本的顆粒級配還可以將稱量裝置、集水裝置、運(yùn)輸裝置和采集運(yùn)算裝置取下，只留篩分裝置，篩分完畢后將各層篩網(wǎng)1上的顆粒倒入電子秤7上稱量即可。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。