CN101699296A - 一种泥石流流速测量系统与测量方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥石流流速测量系统和测量方法及其应用。针对现有技术无法有效测量泥石流内部流速的问题，本发明提供的测量系统包括依次连接的测量装置、数据采集装置和数据处理装置，其测量装置包括至少一个冲击力传感器和至少一个静水压力传感器，冲击力传感器的受力面与泥石流流向垂直；静水压力传感器的受力面与泥石流流向平行；位于同一水平高度的一个冲击力传感器和一个静水压力传感器分别测量该水平高度的泥石流浆体原始冲击力和静水压力。本发明提供的测量方法依据测量系统获取的数据计算得到泥石流内部流速。本发明的测量系统结构简单，测量方法原理可靠、易于操作、测量结果准确性高，可以用于泥石流野外原型和室内实验的流速测量中。

Description

一种泥石流流速测量系统与测量方法及应用

技术领域

本发明涉及一种泥石流流速测量系统与测量方法，特别是涉及一种通过泥石流冲击力测量反演计算泥石流流速的测量系统与测量方法及其应用。

背景技术

泥石流是广泛分布于我国山区、危害比较严重的一种常见自然灾害。泥石流流速是泥石流运动力学的核心研究内容之一，是研究泥石流流变性质和运动机理的关键。它关系到泥石流流量、平均流速、冲击力、运动摩阻等重要工程设计参量的计算，一直是国内外泥石流研究人员和工程技术人员所渴望获取的重要基础数据。目前常用的泥石流流速测量方法主要有人工测量法、泥位推算法、雷达测量法、现场调查法和摄影测量和图像解析法等。这些方法都存在不同的缺陷，主要包括测量误差较大，对环境条件要求较高、不能全天候工作，测量中带有较多经验性和主观性，时效性差，以及只能测量泥石流流体的平均运动速度和表面速度等。测量方法的缺陷更加之泥石流本身的复杂特性，都使得泥石流流体内部流速与流速分布的测量难以实现。

泥石流内部流速测量的困难在于：(1)泥石流是水、粘土、砾石和空气混合在一起的多相体，高粘度，高容重，不透明，光线无法穿透；(2)泥石流冲击力和侵蚀能力巨大，安置在泥石流流路上的测量仪器极易被泥石流破坏；(3)泥石流的流态复杂多样，前部多为紊流，难以跟踪固定目标。这些特点使得通常的流体测量方法和普通的流体测量仪器无能为力。因此，目前在泥石流流速的研究中尚未有可以对泥石流流体内部流速进行测量，以及对泥石流流体垂向流速分布或者水平流速分布进行测量的技术和方法。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足提供一种泥石流流速测量系统和测量方法。该测量系统与方法能够实现对泥石流流体的内部流速和内部流速的垂向或水平分布的测量。并且该测量系统结构简单、建设成本低，测量方法运算方便、快捷、准确性高。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种泥石流流速测量系统，包括测量装置以及与测量装置依次连接的数据采集装置和数据处理装置，所述数据采集装置是一个数据采集器或者是配套安装有同步器的多个数据采集器，用于采集传感器感应到的信号；所述数据处理装置用于接收采集到的数据信号对数据信号进行加工处理计算；其特征在于：所述测量装置包括至少一个冲击力传感器和至少一个静水压力传感器，冲击力传感器的受力面与泥石流流向垂直；静水压力传感器的受力面与泥石流流向平行；位于同一水平高度的一个冲击力传感器和一个静水压力传感器构成一个传感器组。

上述测量系统可以根据测量目的的需要，在测量装置中安装多个传感器，安装方式包括：方式一，沿垂向不同水平高度安装多个传感器组；方式二，在同一水平高度并列安装多个传感器组。这样可以测量得出不同方向上泥石流浆体内部流速的数值变化。

使用时，将上述测量装置安装在泥石流观测沟内或者模拟泥石流发生的实验水槽中，冲击力传感器的受力面与泥石流流向垂直；静水压力传感器的受力面与泥石流流向平行。同时也可以在测量装置中增加固定传感器的基柱，首先根据测量目的将传感器成对固定在基柱的两个垂直面上，然后将基柱固定在泥石流观测沟内，并保证冲击力传感器的受力面与泥石流流向垂直，静水压力传感器的受力面与泥石流流向平行。

一种利用上述泥石流流速测量系统实现的泥石流流速测量方法，包括数据信号测量过程、数据信号采集传输过程、数据信号分析过程，其特征在于：经由如下步骤进行：

S1、测量泥石流的冲击力和静水压力

泥石流发生时，冲击力传感器测量泥石流的原始冲击力，静水压力传感器测量泥石流的静水压力P₀；

S2、数据信号采集传输

数据采集装置同时采集各个传感器产生的压力信号，并实时传输给数据处理装置；

S3、数据分析与计算

数据处理装置通过计算程序将接收到的信号采集装置传输的数据信号进行自动分析计算，并结合现场调查测得的泥石流密度数据，计算得出泥石流的流速。

上述测量方法中，S3的数据分析与计算步骤如下进行：

S31、分离泥石流浆体的冲压力P₁

利用计算程序将从信号采集装置传输到的泥石流原始冲击力信号作降噪处理，分离得到泥石流浆体冲压力P₁；

S32、计算泥石流浆体的动压强p

S321、将S31中分离得到的浆体冲压力P₁值与S1采集到的泥石流静水压力P₀值分别除以传感器的受力面面积，分别得到泥石流的冲压强p₁和静水压强p₀，

S322、通过冲压强p₁和静水压强p₀依公式1计算得到泥石流浆体的动压强p，

p(i)＝p₁(i)-p₀(i)    公式1

式中，p-泥石流浆体的动压强(Pa)，

      p₁-泥石流浆体的冲压强(Pa)，由S321计算得出；

      p₀-泥石流浆体的静水压强(Pa)，由S321计算得出；

      i为不同位置的传感器序号；

S33、计算泥石流的流速

通过泥石流浆体的动压强p和泥石流浆体密度ρ计算泥石流的流速u，计算公式如下：

$u\left(i\right)=A\sqrt{\frac{p\left(i\right)}{\mathrm{\ρ}}}$ 公式2

式中，u-泥石流的流速(m/s)；

ρ-泥石流浆体的密度(kg/m³)，由现场调查实测确定；

A-计算系数，经验值为

必要时配合现场调查实测数据加以修正；

i为不同位置的传感器序号。

上述“S31、分离泥石流浆体的冲压力P₁”步骤中，对原始冲击力信号所进行的降噪处理通常情况下选择滤波处理，由于不同泥石流具有不同的密度和颗粒体积，因此滤波的截止频率有所不同。本技术方案依据已知的泥石流龙头速度与单位体积内泥石流内颗粒的平均间距的比值确定截止频率的选择如表1所示。在某些情况下，滤波处理后的数据波形依然存在一些锯齿状的数据，无法有效完成后续步骤，则还可以对数据进行其它的一些降噪处理操作使压力信号更为光滑。如可进行多步滑动平均处理，其滑动平均的项数依据泥石流冲击过程的时间长短决定，即依据数据的长短决定。数据长，则滑动平均的步长就大一些，反之亦然。

表1低通滤波处理截止频率参数选择

公式2的适用中，计算系数A经验取值为

在必要情况下可结合现场实测的泥石流浆体表面流速值与计算所得表面流速值加以修正，修正方法如公式3。为此，本技术方案在优选条件下需要将一对传感器组安装在近泥石流浆体表面的位置用于测量泥石流浆体的表面流速。

公式3

本发明提供的泥石流内部流速测量系统与测量方法的原理在于：当具有一定初速度V₀的泥石流浆体正面碰撞上刚体时，与刚体表面部位接触的浆体速度降为0，其动能全部转化为冲击压能。测量系统安装时，将冲击力传感器安装在泥石流流向的迎水面，传感器受力面与泥石流流向垂直；在与迎水面垂直的侧面，并且与冲击力传感器同一水平高度的位置安装静水压力传感器，传感器受力面与泥石流流向平行。一个冲击力传感器与一个静水压力传感器为一对传感器。当泥石流经过时，泥石流浆体撞击到冲击力传感器受力面，传感器能测量得到泥石流浆体的原始的冲击力；同时，泥石流浆体经过静水压力传感器受力面，传感器测量得到泥石流的静水压力P₀。泥石流原始的冲击力包括泥石流浆体的冲压力P₁和大颗粒的撞击力，颗粒的撞击力是高频分量，浆体的冲压力P₁是低频分量。根据泥石流的固体体积浓度可以推算出浆体冲压力信号的截止频率的范围为50～100Hz。因此，将原始冲击力信号作50～100Hz的低通滤波后就得到泥石流浆体冲压力P₁。再由冲击压力P₁减去泥石流浆体的静水压力P₀就得到浆体的动压力P。然后根据不可压缩流体的Bernoulli方程，经过一定程度的修正，就可以由泥石流浆体的动压力得到泥石流的内部流速。

进一步地，将多对传感器布置在泥石流液体垂向不同深度的多个位置上，或者布置在与流向垂直面的水平方向的不同位置，就可以反演测出泥石流流体内部流速的垂直分布与水平分布特征。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：所述测量系统与方法突破了现有测量泥石流流速的技术和方法无法测量泥石流内部流速的局限性，并且能够测量到泥石流流体内部流速的垂直或水平分布。测量系统装置简单、材料造价经济，该方法原理可靠、易于操作、测量结果准确性高。本发明可以用于泥石流野外原型和室内实验的流速测量中。

附图说明

图1是泥石流流速测量系统示意图。

图2是图1中测量装置的局部放大图。

图3是带基柱的测量装置示意图。

图中标号如下：

1测量装置           132基柱侧面

11冲击力传感器      2数据采集装置

12静水压力传感器    3数据处理装置

13基柱              4实验水槽

131基柱正面

具体实施方式

下面结合附图，对本发明优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1、图2、图3所示，2009年8月4日在中国科学院东川泥石流观测研究站试验厅开展泥石流冲击力水槽实验测量泥石流流速。

(1)实验系统安装

实验系统包括模拟泥石流沟的实验水槽4以及相应的测量系统。测量系统包括由传感器及基柱13组成的测量装置1，以及与测量装置1依次连接的数据采集器和用于数据处理的计算机。

实验水槽4长约6m宽约30cm，横断面为长方形；水槽底板为钢板，侧壁为玻璃。

传感器基柱13固定安装在距离水槽尾部约1.8m处，基柱13为钢制长方体形，基柱13高度低于水槽高度约10cm。基柱正面131和基柱侧面132分别安装了8个冲击力传感器11和8个静水压力传感器12，传感器距离水槽底板的高度分别是1cm、3cm、5cm、7cm、9cm、11cm、13cm和15cm，基柱13上同一水平高度位置的冲击力传感器11和静水压力传感器12构成一个传感器组。位于15cm高度处的传感器组用于测量泥石流浆体的表面流速。传感器与数据采集器相连接，每一个传感器连接数据采集器的一个端口。数据采集器再连接到计算机。采集器同时采集各传感器产生的压力信号，并实时传输到计算机进行加工处理。

实验中选用的传感器是微型应变式土压传感器QSY系列，量程0～200kPa，灵敏度0.41±10％mV/V，非线性度≤0.5％。

实验所用泥石流体的最大粒径为2cm，密度为2019.5kg/m³。

(2)泥石流流速测量

实验一共重复了8组，本实施例以第5组实验为例说明本技术方案中泥石流流速测量方法的具体实现过程。泥石流流速测量按照如下步骤进行：

S1、测量泥石流的冲击力和静水压力P₀；

泥石流发生时，冲击力传感器11测量泥石流的原始冲击力，静水压力传感器12测量泥石流的静水压力P₀。

S2、数据信号采集与传输

数据采集器同时采集各个传感器产生的压力信号，并实时传输给计算机进行处理。

S3、数据分析与计算

计算机通过计算程序将接收到的信号采集器传输的数据信号进行自动分析计算，具体步骤包括：

S31、分离泥石流浆体的冲压力P₁

将冲击力传感器采集到的泥石流原始冲击力信号作低通滤波处理，得到泥石流浆体冲压力P₁。

滤波处理的截止频率根据表1进行选择。因为实验所用泥石流体密度大于2000kg/m³，所以滤波的截止频率为100Hz。

S32、计算泥石流浆体的动压强p

S321、泥石流的冲压强p₁和静水压强p₀

将步骤S31中分离得到的浆体冲压力P₁值与采集到的泥石流静水压力P₀值分别除以传感器的受力面面积，分别得到泥石流的冲压强p₁和静水压强p₀，具体结果见表2。

表2泥石流浆体的冲压强和静水压强(单位：kPa)

S322、计算泥石流浆体的动压强p

由表2中的冲压强p₁和静水压强p₀，根据公式(1)计算得到泥石流浆体的动压强p，结果见表3。

表3泥石流浆体的动压强(单位：kPa)

S33、计算泥石流的流速

由表3中的泥石流浆体的动压强p值，根据公式(2)，计算

时泥石流浆体不同深度的流速，结果见表4。

表4泥石流浆体流速(m/s)

S4、测量数据修正

S3计算所得的泥石流表面流速(CH15)为1.64m/s，实验实测的表面流速为1.0m/s，因此依公式3系数A取值加以修正，有：

根据A_修值重新依公式2计算得到泥石流浆体不同深度的流速，结果见表5。

表5修正后的泥石流浆体流速(m/s)

Claims (12)

1.一种泥石流流速测量系统，包括测量装置(1)以及与测量装置依次连接的数据采集装置(2)和数据处理装置(3)，所述数据采集装置(2)是一个数据采集器或者是配套安装有同步器的多个数据采集器，用于采集数据信号；所述数据处理装置(3)用于接收采集到的数据信号并对数据信号进行加工处理计算；其特征在于：所述测量装置(1)包括至少一个冲击力传感器(11)和至少一个静水压力传感器(12)，冲击力传感器(11)的受力面与泥石流流向垂直；静水压力传感器(12)的受力面与泥石流流向平行；位于同一水平高度的一个冲击力传感器(11)和一个静水压力传感器(12)构成一个传感器组。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述传感器组的安装方式为下列方式之一：

方式一：沿垂向不同水平高度安装多个传感器组；

方式二：在同一水平高度并列安装多个传感器组。

3.根据权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于：至少有一对传感器组安装在测量泥石流浆体表面流速的水平高度处。

4.根据权利要求3所述的测量设备，其特征在于：所述测量装置(1)还包括固定传感器的基柱(13)，基柱(13)包括相互垂直的正面(131)和侧面(132)；正面(131)安装有冲击力传感器(11)，侧面(132)安装有静水压力传感器(12)。

5.一种泥石流内部流速实验测量系统，包括泥石流沟模拟实验水槽(4)以及测量系统，所述测量系统包括测量装置(1)以及与测量装置依次连接的数据采集器和用于数据处理的计算机；其特征在于：

所述实验水槽(4)长5.5～6.5m宽20～40cm，横断面为长方形，水槽底板为钢板，侧壁为玻璃；

所述测量装置(1)包括传感器和传感器基柱(13)，传感器基柱(13)固定安装在距离实验水槽(4)尾部约1.8m处，基柱(13)为钢制长方体，基柱正面(131)与实验水槽(4)侧壁垂直，基柱侧面(132)与实验水槽(4)侧壁平行；基柱正面(131)安装有冲击力传感器(11)，基柱侧面(132)安装有静水压力传感器(12)，两类传感器距离水槽底板的高度分别是1cm、3cm、5cm、7cm、9cm、11cm、13cm和15cm，位于基柱(13)上同一水平高度位置的冲击力传感器(11)和静水压力传感器(12)构成一个传感器组。

6.一种泥石流流速测量方法，包括数据信号测量过程、数据信号采集传输过程、数据信号分析过程，其特征在于：经由如下步骤进行：

S1、测量泥石流的冲击力和静水压力

泥石流发生时，冲击力传感器(11)测量泥石流的原始冲击力，静水压力传感器(12)测量泥石流的静水压力P₀；

S2、数据信号采集传输

数据采集装置(2)同时采集各个传感器产生的压力信号，并实时传输给数据处理装置(3)；

S3、数据分析与计算

数据处理装置(3)通过计算程序将接收到的数据采集装置(2)传输的数据信号进行自动分析计算，并结合现场调查测得的泥石流密度数据，计算得出泥石流的流速。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：所述S3采用如下方法进行：

S31、分离泥石流浆体的冲压力P₁

利用计算程序将从信号采集装置传输到的泥石流原始冲击力信号做降噪处理，分离得到泥石流浆体冲压力P₁；

S32、计算泥石流浆体的动压强p

S321、将S31中分离得到的浆体冲压力P₁值与S1采集到的泥石流静水压力P₀值分别除以传感器的受力面面积，分别得到泥石流的冲压强p₁和静水压强p₀，

S322、通过冲压强p₁和静水压强p₀依公式1计算得到泥石流浆体的动压强p，

p(i)＝p₁(i)-p₀(i)                                        公式1

式中，p-泥石流浆体的动压强(Pa)，

p₁-泥石流浆体的冲压强(Pa)，由S321计算得出；

p₀-泥石流浆体的静水压强(Pa)，由S321计算得出；

i为不同位置的传感器序号；

S33、计算泥石流的流速

通过泥石流浆体的动压强p和泥石流浆体密度ρ计算泥石流的流速u，计算公式如下：

$u\left(i\right)=A\sqrt{\frac{p\left(i\right)}{\mathrm{\ρ}}}$ 公式2

式中，u-泥石流的流速(m/s)；

p-泥石流浆体的动压强(Pa)，由S32计算得出；

ρ-泥石流浆体的密度(kg/m³)，由现场调查实测确定；

A-计算系数，经验值为

必要时配合现场调查实测数据加以修正；

i为不同位置的传感器序号。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：所述S31中的降噪处理是滤波处理。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于：所述S31中的滤波处理按照如下对应关系选择截止频率：

10.根据权利要求8或9所述的测量方法，其特征在于：所述S31中的降噪处理还包括多步滑动平均处理。

11.根据权利要求7或8或9所述的测量方法，其特征在于：所述公式2中计算系数A值的修正方法如下：

公式3

12.根据权利要求1、2、4、6、7、8、9任一所述的测量系统或测量方法的应用，其特征在于：适用于泥石流的室内实验或野外观测。

Images