我国降雨型地质灾害多发,给人民的生命财产造成了巨大损失,在“一带一路”等基础设施大规模建设的背景下,边坡工程防灾任务更加严峻。自然边坡与工程边坡高度多在数十米至百米级别,常重力试验难以再现极端环境下大尺度边坡灾变过程。因此,利用超重力离心机施加的离心加速度再现原型边坡应力场后进行降雨模拟成为了研究降雨条件下边坡稳定性的重要手段。但在现有离心机降雨模拟试验的研究当中,缺少对离心模拟超重力环境下雨滴运动过程的正确理解,同时对离心机降雨模拟过程中降雨覆盖范围、空气阻力的影响、降雨模拟冲刷效应和降雨均匀性等问题研究不足,导致了现有离心机降雨模拟试验的分析缺乏较为客观的理论基础。本文基于现有研究情况对离心模拟超重力环境下雨滴的运动轨迹、降雨覆盖范围、受空气阻力影响下的降雨模拟过程进行了研究。在此基础上针对降雨模拟对模型的冲刷效应、离心机内雨滴的极限下落距离、降雨模拟的均匀性等离心机降雨模拟过程中重要的影响因素进行了系统分析,并根据上述影响因素对离心机降雨模拟试验提出了试验工况建议。同时,本文根据新的试验需求研制了一种新型机载降雨模拟装置。基于以上基础,论文取得了以下成果和结论:(1)利用非惯性系与惯性系相结合的方法分析了离心机内雨滴的运动过程,描述了离心模拟超重力的本质及其对离心机试验中雨滴下落过程的影响。结果表明,利用离心机转动产生的离心力来模拟超重力会对物体运动过程产生一定的附加影响:该影响会随着雨滴下落距离的增加而增大,使离心模拟超重力略大于理想超重力。(2)对现阶段存在的几个主要的离心机中雨滴受力分析方法进行了对比并提出了推荐方法,同时分析了不考虑空气阻力等外力作用下降雨模拟覆盖范围随N值、下落距离、喷出速度的变化规律。结果表明,当N值变化时,降雨覆盖范围会随N值增大而逐渐减小,同时圆心位置会逐渐向y’轴(离心机圆周运动切线方向)负方向偏移;当雨滴下落距离变化时,下落距离越大,降雨覆盖范围沿y’轴的拉长程度越大,圆心位置向y’轴负方向偏移程度越大;当雨滴喷出速度变化时,喷出速度越大,降雨覆盖范围越趋向常重力下的覆盖范围。已有方法与本文推荐方法相比存在较大的偏差,下落轨迹长半轴最大相对误差达170%,可见本文分析结论在一定程度上对相关试验有着借鉴意义。(3)本文计算了在N值、下落距离和喷出速度变化时考虑空气阻力等外力作用下的离心机降雨模拟过程的相关结果。通过分析可以得到:在绝大多数离心机降雨模拟工况下,雨滴主要受压差阻力的作用;同时,考虑空气阻力等外力下的降雨覆盖范围与不考虑空气阻力时相比变化规律基本相似;但是由于在考虑外力作用下,空气阻力的分量相当于给雨滴施加了一个指向离心机旋转中心的“向心力”,所以导致雨滴会有一定程度上随离心机旋转的趋势,使得在考虑空气阻力等外力作用下的离心机降雨覆盖范围相比于不考虑外力下会更接近于常重力状态下的覆盖范围。(4)本文根据相关试验,创新性地分析了离心机内降雨模拟过程中雨滴对边坡模型的冲击作用、雨滴下落的极限距离和降雨模拟的均匀性。同时,根据分析提出了离心机降雨模拟试验的工况范围参考建议判据:离心机内喷嘴到边坡模型表面的距离不应超过雨滴下落极限安全距离;雨滴的最终落地速度不应超过降雨冲击能量要求的限制速度;同时为保证降雨均匀性,试验中N值、雨滴速度、下落距离等工况应使降雨覆盖范围保持15%～30%的重叠面积。(5)根据分析,创新性地建议了一种新型离心机机载降雨模拟装置。该装置通过设计以空气雾化喷嘴、圆形雾化喷嘴、方形雾化喷嘴三角形紧密布置的喷嘴组和可伸缩式的喷嘴连接方式,满足了不同N值下的多雨强的降雨需求,同时极大程度地减小了科氏力对降雨模拟的影响,为相关试验提供了更好的基础。