[发明专利]一种模拟复杂雨洪条件下的基础设施内部湿度场监测实验系统

权利要求书

1.一种模拟复杂雨洪条件下的基础设施内部湿度场监测实验系统，其特征在于，包括复杂雨洪模拟系统及复杂雨洪条件基础设施内部湿度场监测系统；

所述复杂雨洪模拟系统包括水箱、马氏瓶以及雨洪支架，所述马氏瓶底部通过连接管与水箱底部连通，所述水箱上部设置开口，其内设置水泵，所述水泵通过输水管连接雨落管，所述雨落管设置于雨洪支架上，所述雨落管底部设置数个雨落喷嘴，所述雨落喷嘴上设置流量调节旋钮；所述复杂雨洪条件基础设施内部湿度场监测系统设置于雨洪支架内并位于雨落喷嘴下部；

所述复杂雨洪条件基础设施内部湿度场监测系统包括上部开口的模拟箱体，所述模拟箱体内由上至下依次设置沥青混凝土层、基层石料层以及地基土层，所述地基土层内设置多组湿度传感器，所述湿度传感器通过信号发射器与计算机进行数据通信。

2.根据权利要求1所述的一种模拟复杂雨洪条件下的基础设施内部湿度场监测实验系统，其特征在于，所述水泵为恒流水泵，所述水泵、输水管、雨落管的数量为多组，每个水泵分别通过一个智能开关控制，所述智能开关与计算机进行数据通信；所述雨落管等间距安装于雨洪支架上，所述雨落喷嘴等间距安装于雨落管下部。

3.根据权利要求1所述的一种模拟复杂雨洪条件下的基础设施内部湿度场监测实验系统，其特征在于，所述沥青混凝土层、基层石料层与模拟箱体侧壁之间设置土层空隙，所述土层空隙由地基土层填满。

4.根据权利要求1所述的一种模拟复杂雨洪条件下的基础设施内部湿度场监测实验系统，其特征在于，所述模拟箱体远离土层空隙的一侧底部设置道路坡度垫片，使得模拟箱体形成2％纵向坡度，所述模拟箱体另一侧底部设置排水口，所述排水口上设置排水控制阀。

5.根据权利要求1所述的一种模拟复杂雨洪条件下的基础设施内部湿度场监测实验系统，其特征在于，其实验方法，包括以下步骤：

(1)通过查询当地气象资料，找到需要模拟的小时雨洪强度数据，选择精确到每小时的平均雨洪强度，然后建立优化模型，以拟合的残差平方和为目标函数，以泵的最大流量为约束条件，对每一条雨落管的雨洪流量大小和开闭小时进行优化，具体的，按照以下公式进行优化：

(1.1)设实际雨洪流量A＝[a₁,a₂,a₃,…a₂₄]^T

上式中a_i表示第i个小时的实际雨洪流量，单位为mm/h，1≤i≤24，且i为整数；

(1.2)5个水泵的限定流量为B＝[b₁,b₂,b₃,b₄,b₅]^T

上式中b_i表示第i个水泵的最大流量，单位为L/h，1≤i≤5，且i为整数；

(1.3)5个水泵的模拟合理流量为X＝[x₁,x₂,x₃,x₄,x₅]^T

式中x_i表示第i个水泵的模拟流量，单位为L/h，1≤i≤5，且i为整数；

(1.4)每个水泵的开启关闭时间为

上式中y_i,j表示第i小时第j个水泵的开启关闭状态，其中y_i,j＝{0或1}；

1≤i≤24，1≤j≤5，且i、j为整数；

(1.5)模拟流量为矩阵Y、X相乘

则目标函数为min＝(YX-A)^T(YX-A)

约束条件为：

(1.6)根据目标函数与约束条件求出5个泵的模拟合理流量与每个泵的开启关闭时间，从而让模拟降雨尽可能符合实际降雨情况；

(2)通过单独测定对雨落管的恒定雨洪模拟流量校准，具体包括以下步骤：

(2.1)将所对应的水泵置于一个盛有水的水桶内，水桶置于电子秤之上，用于测定水量的变化；

(2.2)通过喷嘴上的旋钮调节水量大小，不断校正流量，通过电子秤上的重量变化计算，直至测量时间内的雨洪流量在该设定的雨落管恒定值误差范围之内，误差范围为1.5％；此外，每条雨落管的开启关闭时间均由智能开关确定；

(3)将模拟的基础设施材料相关信息与雨洪强度随时间变化数据输入计算机的有限元分析软件，使用计算机模拟雨洪条件下基础设施内部的湿度场变化；根据计算机模拟的湿度变化规律，选择对降雨变化最敏感的区域位置，作为安置基础设施内部湿度传感器的首选位置。