[发明专利]一种基于透明土旋转水槽的海底滑坡演化过程模拟系统及实验方法

权利要求书

1.一种基于透明土旋转水槽的海底滑坡演化过程模拟系统，其特征在于，所述的海底滑坡演化过程模拟系统包括旋转水槽系统、透明土模拟系统、控制与数据采集系统，所述的旋转水槽系统通过控制高性能伺服电机(2)使旋转鼓槽(3)旋转，赋予试样不同速度，且旋转水槽的闭合U型槽能够实现试样滑动距离可控；所述的透明土模拟系统制备与真实海底土层物理力学特性相似的可视化试样与流体环境，达到试样演化过程的内部、外部、界面全程可视化；所述的控制与数据采集系统通过三维激光切片技术、工业相机与运动相机采集方法，达到演化全过程三维定量化的数据提取，三大系统协同工作；

所述的旋转水槽系统包括旋转水槽支撑框架(1)、高性能伺服电机(2)、旋转鼓槽(3)；所述的旋转水槽支撑框架(1)底部与地面固接；所述的高性能伺服电机(2)设于旋转水槽支撑框架(1)的中心处，与旋转鼓槽(3)通过多个刚性杆件连接，并与微型计算机(10)相连，微型计算机(10)为旋转鼓槽(3)提供不同稳定的或变化的旋转角速度；所述的旋转鼓槽(3)内层开口、外层封闭，其鼓槽截面为开口U型槽设计，旋转鼓槽(3)内部用于放置环境流体(6)与透明土试样(7)，旋转鼓槽(3)外层的透明内壁面为鼓槽外层内壁面(4)，用于模拟具有不同粗糙度的海床表面；

所述的透明土模拟系统包括示踪染色剂(5)、环境流体(6)、透明土试样(7)；所述的环境流体(6)为根据透明土制样技术并基于相似准则配置的用于模拟海水的物质；所述的透明土试样(7)通过透明土制样技术并基于相似准则配置、固结，用于模拟不同类型海底土层的物质；所述环境流体(6)和透明土试样(7)均通过示踪染色剂(5)染色制备出差异明显的不同颜色，并通过相机(9)进行识别，精确监测旋转鼓槽(3)旋转过程中透明土试样(7)内部演化情况与外部变化情况，以及透明土试样(7)与环境流体(6)界面的物质交换过程；

所述的控制与数据采集系统包括三组激光发射器(8)、三组相机(9)、微型计算机(10)；所述的激光发射器(8)与微型计算机(10)相连，在透明土试样(7)的空间三个方向布置，满足透明土技术所需的激光散斑技术要求；所述的三组相机(9)在透明土试样(7)的空间三个方向布置，相机(9)的布置方向与激光发射器(8)的布置方向相对，三组相机(9)均与微型计算机(10)相连，用于记录并捕捉透明土试样(7)的三维演化过程，通过数字图像处理技术定量化分析整个演化过程，确定试样与流体的速度与加速度演化过程并据此评估试样受力状态；所述的微型计算机(10)用于控制高性能伺服电机(2)、激光发射器(8)与相机(9)的工作与多种模式的转换，以及采集伺服电机(2)与相机(9)的数据与图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于透明土旋转水槽的海底滑坡演化过程模拟系统，其特征在于，所述的旋转鼓槽(3)的主体为有机玻璃，根据实际需要绘制网格定位线，并搭配钢骨架支撑。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于透明土旋转水槽的海底滑坡演化过程模拟系统，其特征在于，所述的每组相机(9)均包括一个工业相机、一个运动相机；工业相机用于结合激光发射器(8)的激光，基于PIV技术精确识别透明土试样(7)与环境流体(6)每个剖面粒子的速度场演化情况；运动相机用于拍摄整个实验过程滑坡体每个时刻的图片，记录滑坡体整体演化情况，并计算滑坡体速度、加速度与受力信息。

4.一种基于透明土旋转水槽的海底滑坡演化过程模拟实验方法，其特征在于，所述的模拟实验方法基于上述海底滑坡演化过程模拟系统实现，包括以下步骤：

第一步，首先，根据实验总体设计的要求，选择示踪染色剂(5)；然后，基于相似准则，根据透明土制样技术，配置用于模拟海水的环境流体(6)；配置具有示踪染色剂(5)的透明土浆料，通过透明土浆料固结具有物理力学特性相似的海底土层透明土试样(7)；最后，切削出满足总体实验设计要求的具体形状；

第二步，搭建旋转水槽支撑框架(1)、高性能伺服电机(2)与旋转鼓槽(3)，并检查、调试三部分装置；根据实验要求，确定鼓槽外层内壁面(4)的透明铺装材料；

第三步，放置透明土试样(7)于旋转鼓槽(3)内，并注入环境流体(6)；放置三个方向的激光发射器(8)、三个方向的相机(9)，并将其与微型计算机(10)相连，完成实验准备工作；

第四步，通过微型计算机(10)启动整个实验，按预定模式开展实验；旋转鼓槽(3)旋转过程中，通过旋转鼓槽(3)实现透明土试样(7)运动演化过程中距离不受限制，且槽外层内壁面(4)、环境流体(6)与透明土试样(7)存在相对运动；在不同的运动模式下及环境流体(6)的作用下，固态透明土试样(7)不断演化为流体状态；

旋转鼓槽(3)旋转过程中通过三个方向激光发射器(8)与三个方向相机(9)精确识别环境流体(6)与透明土试样(7)的三维演化过程；

第五步，完成实验后，断电并清理实验装置与场地，提取数据，开展分析；

通过制备具有不同物理力学特性的透明土试样(7)与环境流体(6)，改变透明土试样(7)的形状、大小，改变环境流体(6)的高度，改变槽外层内壁面(4)的粗糙度，实现不同海底滑坡演化过程的精确模拟。