具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照附图1-2，本实施例提供了一种模拟冰雹降落的试验方法，包括如下步骤：

步骤一，获得冰雹降落过程中的收尾速度V_雹：据近年冰雹灾害天气资料统计，冰雹一般从3～5km高空降落，冰雹平均直径2cm，最大直径6cm，持续时长5～50min。忽略风速等次要因素，仅考虑重力和空气阻力的影响，计算冰雹降落过程中的收尾速度。根据相关资料，空气阻力与速度的平方成反比，冰雹降落时力的平衡微分方程为：

解上述微分方程，令则：

式(1)可写为：

对式(4)两边积分，计算出冰雹收尾速度V_雹：

式中：k为风阻系数，其中c为空气阻力系数，对于球体，c＝0.5；ρ为空气密度，标准气压下ρ＝1.29kg/m³；S为球体投影面积；m为冰雹质量，其中，ρ_冰＝0.9×10³kg/m³；D为冰雹直径，v_尾为冰雹收尾速度V_雹；

不同尺寸的冰雹从5km高空降落时，收尾速度V_雹如表1所示：

表1不同直径冰雹降落收尾速度

降雹过程中，根据冰雹的直径将冰雹分为3级：1)轻雹，多数冰雹直径不超过0.5cm；2)中雹，多数冰雹直径介于0.5～2.0cm之间；3)重雹，多数冰雹直径介于2～6cm之间。考虑最不利因素，取冰雹降落高度为5km，冰雹直径为6cm，解得冰雹的收尾速度为33.07m/s。

步骤二，根据收尾速度V_雹通过无量纲分析法获得冰球降落过程中的收尾速度V_球：运用无量纲分析法，考虑应力σ、变形量s、冰雹质量m、冰雹收尾速度v_尾、土体重度γ，边坡高度h，边坡长度l这七个参数，取力F、长度L、时间T为基本量，列方程(12)得：

φ(σ,s,m,v,γ,h,l)＝0 (12)

根据各参数量纲，列矩阵得

根据π定量和量纲和谐要求，得方程组(13)：

取c、e、f、g为已知量，解方程组(13)得：

根据据公式(14)列π矩阵得：

解π矩阵得：

在模拟冰雹降落的试验方法中，设几何相似比C_h＝h_m:h_p＝1:λ，C_l＝l_m:l_p＝1:λ；冰球降落试验使用原状砂土，C_γ＝γ_m:γ_p＝1:1；选用自制等直径冰球来模拟冰雹，C_m＝m_m:m_p＝1:1；代入π关系式解得C_s＝s_m:s_p＝1:λ，C_σ＝σ_m:σ_p＝1:λ，C_v＝v_m:v_p＝1:λ²；式中，下标m代表模型相似比，下标p代表原型相似比，λ为模型几何相似常数；由此可知，当冰雹的收尾速度为v_尾时，则要求模拟冰雹所用等体积冰球收尾速度v＝v_尾/λ²，即冰球的收尾速度V_球＝V_雹/λ²。当冰雹降落高度为5km，冰雹直径为6cm时，冰雹的收尾速度为33.07m/s，冰球的收尾速度为33.07/λ²m/s。

步骤三，根据冰球的收尾速度V_球通过能量守恒定律获得冰球的平均降落高度h_球：在模拟冰雹降落的试验中，由于冰球的落距较小，此时空气阻力的影响可忽略不计，根据能量守恒定律公式(16)计算冰球到地面的降落高度

代入公式v＝v_尾/λ²，则：

当取边坡中点为边坡平均高度时，冰球的平均降落高度应为：

式中：H为冰球距边坡的平均降落高度，即为h_球；h为边坡高度。

步骤四：在边坡模型箱4中填筑边坡，布置测点，埋设测试元件，连接测试仪器；该步骤可得到边坡高度h，从而得到冰球的平均降落高度h_球。需要说明的是，该步骤可以在步骤一之前完成。

步骤五：根据前面步骤获得的冰球的平均降落高度h_球，通过自动升降机构3将冰雹收纳箱1-1调整到降落高度h_球上；

步骤六：将直径相同或拥有一定粒径级配的冰球装入冰雹收纳箱1-1；本实施例中，我们选取的是直径相同的冰球，即选取的冰球直径与冰雹的直径相同，例如计算冰球的收尾速度步骤中，我们是按照冰雹降落高度为5km，冰雹直径为6cm来计算冰雹的收尾速度和冰球的收尾速度，则本步骤中也应该是选用与冰雹相同直径的冰球(6cm)装入冰雹收纳箱1-1。

步骤七：根据对冰球降落密度和频率的要求首先调节下阀门1-2-2的打开数量和开孔大小，然后根据下阀门1-2-2的打开状态调节对应的上阀门1-2-1，使上阀门1-2-1和下阀门1-2-2的状态保持一致，冰球落下，与此同时，推拉冰雹收纳箱1-1驱使冰雹收纳箱1-1前后移动以便保证冰球顺利落下。在这个冰球降落过程中观察冰球冲击对边坡面的破坏情况；在冰球融化过程中，监测边坡中土体应力、位移和含水率的变化情况。

参照附图3和6，本发明还提供了上述模拟冰雹降落的试验方法的装置，包括由上至下依次设置的冰雹降落机构1、支架2、自动升降机构3和边坡模型箱4，自动升降机构3安装在边坡模型箱4上，边坡模型箱4为顶面无盖的长方体型，其中底面和一组相对的侧面使用钢板焊接，另一组相对的侧面使用透明的钢化玻璃作为观察窗，观察窗的四周放置有标尺，观察窗上画有黑色网格线，便于观察边坡土体的位移变化以及测试元件的埋设与标定。边坡模型箱4下端设置有排水孔，便于收集冰球融化后土体中水分的渗出量。为了保持边坡模型箱4的整体刚度，箱体四周用钢肋条加固。自动升降机构3的上端设有支架2，冰雹降落机构1包括冰雹收纳箱1-1和多个漏斗1-2，漏斗1-2设于冰雹收纳箱1-1的下端，且与冰雹收纳箱1-1相连通，冰雹收纳箱1-1设于支架2的上端，且沿支架2水平移动，冰雹收纳箱1-1的一面为透明钢化玻璃；漏斗1-2设于支架2内。自动升降机构3为由液压驱动的剪叉式升降机，具体为单剪叉升降机。

按照冰雹灾害天气资料统计的结果，冰雹的最大直径D为6cm，漏斗1-2的孔径设置不小于2D，上阀门1-2-1、下阀门1-2-2上均设置有刻度，用于精准调节漏斗1-2开孔大小，满足不同频率、不同粒径冰雹的降落要求。

参照附图4，漏斗1-2由上至下依次设有上阀门1-2-1和下阀门1-2-2。

上阀门1-2-1和下阀门1-2-2均为筛网，具体为具有一定刚度的铁网，上阀门1-2-1用来控制冰球降落的开始和停止，下阀门1-2-2用来控制漏斗1-2的开孔大小。

参照附图5，支架2的上端设有导轨5，导轨5内设有多个滚珠6，冰雹收纳箱1-1的下端开有与滚珠6相适配的滚槽，滚珠6沿导轨5滚动，以便使冰雹收纳箱1-1在导轨5上左右移动，导轨5的两端开有制动槽5-1，避免因冰雹收纳箱1-1滑动距离过大损坏漏斗1-2。冰雹收纳箱1-1通过滚珠6被支撑在导轨5上，通过推拉冰雹收纳箱1-1使得滚珠6带动冰雹收纳箱1-1前后移动，避免了冰球在漏斗1-2处架空和卡顿。

实施例一

首先，根据计算得到的冰雹收尾速度和相似比设计的结果，通过自动升降机构3将冰雹收纳箱1-1调节至预设高度。然后，在漏斗1-2的上阀门1-2-1全部关闭的状态下，控制下阀门1-2-2打开和关闭的数量，通过该步骤使所有处于打开状态的下阀门1-2-2的开孔保持一致，并进行固定。随后冰雹收纳箱1-1装入自制冰球，同一时间打开所有上阀门1-2-1，推拉冰雹收纳箱1-1的把手，使箱体在导轨5上移动，保证自制冰球自由下落时不出现卡顿、架空。在这过程中，采集试验相关数据，拍摄试验过程中坡面自制冰球的堆积情况和受冲击破坏形态，待冰球降落完成后，继续监测冰球融化过程中的相关数据。至此实现了不同降落密度的冰雹降落模拟。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：

对于不同降落频率的冰雹降落模拟，(1)冰雹连续降落模式中：根据冰雹降落对频率的要求，将下阀门1-2-2变换成不同大小的开孔，实现冰雹在不同降落频率时的连续降落模拟。(2)冰雹不连续降落模式中：根据冰雹降落对频率的要求，将下阀门1-2-2变换至不同大小的开孔后，间隔一定的时间切换上阀门1-2-1打开和关闭的状态，使得自制冰球随着上阀门1-2-1开合的状态不连续降落，直至试验结束，实现冰雹在不同降落频率时的不连续降落模拟。

实施例三

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：

根据模拟方案对冰雹直径的设定，在冰雹收纳箱1-1中装入直径相同或拥有一定粒径级配的自制冰球。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。