CN105004508A - 泥石流沿程演化实验测量系统及参数测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实验系统。针对现有实验装置无法模拟泥石流自然性态、泥石流真实运动过程中性态参数时空变化特征难以还原与测算的缺陷，本发明首先提供了一种泥石流沿程演化实验测量系统。系统包括试样配置输出装置、试样流通控制装置、取样回收装置、性态测量装置。测量系统搅拌水土混合物配制泥石流试样，泥石流试样在槽体中模拟泥石流运动过程。槽体内布置应力传感器、试样配置输出装置中布置激光水位仪。取样回收装置还可以包括由间歇式电动转盘旋转角度取样装置。本发明还提供利用该实验系统实现的泥石流试样沿程演化参数测算方法，计算泥石流试样运动过程中相关性态参数如密度、体积比浓度、输沙率等的沿程时空变化特征。

Description

泥石流沿程演化实验测量系统及参数测算方法

技术领域

本发明涉及一种研究用实验系统，特别是涉及一种泥石流沿程演化运动实验测量系统，以及泥石流试样沿程演化参数测算方法。属于试验机械、测量技术领域。

背景技术

泥石流(体积比浓度S_v≥0.27，见费祥俊,舒安平.泥石流运动机理与灾害防治[M].清华大学出版社有限公司,2004.p13)尤其粘性泥石流(密度大于1.5g/cm³)是一种多相流体，属于非均质、非恒定的非牛顿流体，且内含大量泥沙石块，流体性质与流动特征随时空变化显著。泥石流的沿程演化特征是泥石流研究的核心问题，也是泥石流灾害防治的理论基础。真实泥石流运动过程中，泥石流会侵蚀挟带途经床面的松散土层，且随着运动速度的降低和泥沙饱和度的增大，其中所挟颗粒又会发生沉积。因此，泥石流的运动过程是一个侵蚀与沉积交替出现的过程，也是一个变体积，变浓度，变挟沙量的过程。所以泥石流沿程演化过程中泥石流体积比浓度和输沙率变化问题是泥石流动力过程的重要特征。

由于野外泥石流暴发的骤然性和本身浆体浑浊导致的不可观测性，使得即使现场实地测量泥石流沿程演化参数(包括体积比浓度和输沙率)的时空变化也非常困难，故目前围绕泥石流沿程演化过程中泥石流体积比浓度和输沙率变化问题多基于室内实验开展。尽管目前已开展有较多实验研究，但普遍存在两方面主要缺陷：其一，研究都是基于清水或低含沙水流(密度小于1.2g/cm³)对床面松散物质侵蚀沉积开展的，即以实验模拟的清水或低含沙水流替代实验模拟的泥石流作为研究对象。这势必造成实验数据与实际数据间的差异，限制了实验研究结果的应用推广。其二，对泥石流动力过程的分析几乎均建立在泥石流运动过程中体积一定的基础上，即忽略了泥石流动力过程中与沟床床面、侧岸的物质交互作用。所以泥石流沿程演化特征方面的研究成为目前泥石流研究的难点。为采用实验系统研究泥石流沿程演化性态特征，需首先解决室内实验条件下模拟野外泥石流自然性态的技术问题。

申请号为2011100479949、公开号为CN 102147325 A的中国发明专利申请公开了一种非恒定泥石流实验装置。该装置包括储水箱、盛放土石料的料斗、倾斜设置且倾斜角可调的槽体、承接槽体来料的集料池，槽体的进口高于出口，储水箱的出水口与槽体的进口连接。该装置是利用储水箱中的水与料斗内的土石料在槽体进口处汇合，从而形成实验用的模拟泥石流流体。该装置明显的缺陷在于：仅仅依靠水与土石料在槽体进口处的自然汇合，并不能有效模拟出泥石流的自然性态，即模拟其多相、非均质、非恒定的非牛顿流体特征。

申请号为2014202317986、授权公告号为CN 203965277U的中国实用新型专利公开了一种粘滞性泥石流实验模拟装置，包括一个制作泥石流的搅拌桶。该搅拌桶包括电机、搅拌器、圆筒、桶盖和圆筒底座，电机固定在桶盖上，搅拌器与电机连接并伸入圆筒内。实验开始时在圆筒内按比例加入土壤、砂砾和水。然后固定桶盖，打开电机，5～10分钟后泥石流搅拌成型。再将搅拌桶取下，倒出桶内泥石流。在实验使用中，该装置至少存在两方面缺陷：其一、泥石流配置装置(即搅拌桶)是独立的，泥石流搅拌成型后再填入物料槽，会出现由于操作时间差与土样自然沉降原因而无法真实模拟泥石流自然性态；其二、由于泥石流浆体性质导致流体浑浊程度高，该测量装置无法观测到泥石流与沟床床面物质交互过程，因而更无法测算泥石流体积比浓度沿程演化这一重要特征参数。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种泥石流沿程演化实验测量系统，使之可较好模拟泥石流包括稀性、亚粘性、强粘性泥石流(大于1.8g/cm³)性态，测算泥石流与沟床床面物质交互过程中引起的体积比浓度沿程演化。进一步地，本发明还提供基于该系统实现的泥石流试样沿程演化参数测算方法。

为实现上述目的，本发明首先提供一种泥石流沿程演化实验测量系统，其技术方案如下：

一种泥石流沿程演化实验测量系统，包括依次连接的试样配置输出装置、试样流通控制装置、取样回收装置，其特征在于：所述泥石流运动实验系统还包括泥石流性态测量装置；

所述试样流通控制装置主体是槽体，所述槽体是两端开口的长槽型结构，前端高于后端；槽体前端与试样配置输出装置相接，槽体后端与取样回收装置相接；

所述试样配置输出装置包括物料桶，物料桶内腔有竖直中心转轴，中心转轴底部有搅拌叶，中心转轴上部与旋转电机转轴连接；所述物料桶桶壁下部开口，开口处布置闸门，闸门与槽体前端相接；

所述泥石流性态测量装置包括布置在物料桶上沿的激光水位仪；所述激光水位仪探头朝向物料桶内腔，激光水位仪与上位数据采集分析中心连接。

上述泥石流沿程演化实验测量系统的试样配置输出装置用于在物料桶中通过搅拌水土混合物制备泥石流试样。泥石流试样经闸门进入槽体，在槽体中向下运动模拟泥石流运动过程，最终进入取样回收装置。利用激光水位仪可以测量物料桶内泥石流试样水位变化，计算进入槽体的泥石流试样的流量。槽体模拟泥石流流通区，其与地面夹角一般设计为θ≤40°。

进一步地，上述泥石流沿程演化实验测量系统中，泥石流性态测量装置还包括与上位数据采集分析中心连接的应力传感器。应力传感器布置在槽体底部，应力传感器受力面朝向槽体上方。应力传感器测量泥石流试样在运动过程中对槽体底部施加的压力指标，可用于测算泥石流试样的相关性态参数(如密度、体积比浓度、输沙率等)。当将多个应力传感器沿槽体径向布置在槽体底部时，则可根据不同测量位点上的应力参数变化测算泥石流试样运动过程中相关性态参数的沿程时空变化特征。

进一步地，上述泥石流沿程演化实验测量系统中还包括成像装置。具体是，在槽体侧向和在槽体正上方分别有成像装置，成像装置与上位数据采集分析中心连接。两个成像装置位点的选择是在于：在槽体侧向处，成像装置用于获取泥石流试样沿沟道运动过程侧视图像。在槽体正上方，成像装置用于获取泥石流试样沿沟道侵蚀运动过程俯视图像。整体上，设置多个成像装置可以解决由于在实验条件下成像装置距离测量系统硬件距离较近，所能拍摄区域有限，存在拍摄死角的问题。每个成像装置获取的图像均可用于相同的图像处理分析过程测算相同的指标，如测量泥石流试样运行距离等。但区分不同位点调取所摄图像用于分析，结果更为准确。

在优化设计下，上述泥石流沿程演化实验测量系统中，闸门是杠杆闸门，包括闸门体。闸门体通过拉索与杠杆联接。由于模拟泥石流真实性态的土样密度大，为保证流态稳定所采用土样量多，所以施加在闸门上的侧压力非常大，现有技术中采用的普通闸门形式极易造成闸门开启不畅，影响实验进行，也影响对泥石流状态的有效模拟。采用杠杆闸门由于杠杆平衡原理，便可以保证即使大密度、大体积实验中，闸门也可人为轻易开启。搅拌叶设计为弓形，弓背向上。弓型搅拌叶底部距离物料桶底的最小高度小于实验中泥石流试样涉及颗粒的最大粒径。

上述泥石流沿程演化实验测量系统可用于模拟泥石流在排导槽等混凝土建筑物中运动，无床面侵蚀仅有沉积现象出现的情况，即为床面无床砂实验。当需要模拟泥石流在普通山区沟道运动时，既有侵蚀也有沉积现象出现的情况，即为物质与泥石流床面交互实验，则需要首先在槽体底面铺设床砂。床砂是实验中用于制备泥石流样品的土样或者不同粒径的石英砂。

基于上述泥石流沿程演化实验测量系统，本发明还提供一种由其实现的泥石流试样沿程演化参数测算方法，其技术方案如下：

一种利用上述泥石流沿程演化实验测量系统实现的泥石流试样沿程演化参数测算方法，其特征在于：依如下步骤实施：

步骤S1、前期准备

根据实验研究目标设计泥石流样品密度，预备实验获取干土样颗粒特征数据，根据干土样颗粒特征确定满足泥石流样品密度的干土样与水用料比例；

向物料桶中加入水与干土样混合物，设置中心转轴转速40转/min～50转/min，干土样与水搅拌均匀形成泥石流试样；

步骤S2、测量试样流量出流流量Q_n

读取激光水位仪读数，记录物料桶内初始水位h₀；

开启闸门使试样出流，同时读取激光水位仪变化读数，记录试样出流时物料桶内水位时刻变化序列(h_n，Δt_n)(n＝1,2,…)；

依式1、式2计算泥石流试样出流流量Q_n

Δh₁＝h₁-h₀,Δh₂＝h₂-h₁….Δh_n＝h_n-h_n-1   式1

$Q_n=\frac{{\mathrm{\Δh}}_n}{{\mathrm{\Δt}}_n}{\mathrm{\πr}}^2$    式2

式中，Q_n—Δt_n时刻泥石流试样出流流量，m³/s，

(h_n，Δt_n)—泥石流试样出流时物料桶内水位时刻变化序

列，步骤S2确定，

r—物料桶内径，m；

步骤S3、测量槽体内试样流速

从成像装置获取槽体内试样运动影像，利用帧率分析软件测量泥石流试样运动距离S_n，依式3计算泥石流试样时刻出流速度(v_n，Δt_n)：

$v_n=\frac{S_n}{{\mathrm{\Δt}}_n}$    式3

式中，v_n—Δt_n时刻泥石流试样速度，m/s，

S_n—Δt_n时刻泥石流龙头行进距离，m，由成像装置获取影像分析确定，

Δt_n—时间间隔，s，由步骤S2确定；

步骤S4、计算槽体内试样过流流深变化(H_n，Δt_n)

依式4计算槽体内过流流深变化(H_n，Δt_n)

$H_n=\frac{Q_n}{v_n\·B}$    式4

式中，H_n—Δt_n时刻试样的流深，m，

B—槽体宽度，m，

v_n—Δt_n时刻泥石流试样速度，m/s，由步骤S3确定，

Q_n—Δt_n时刻泥石流试样出流流量，m³/s，由步骤S2确定；

步骤S5、测量应力变化数据(N_n，Δt_n)

从应力传感器获取试样运动过程中槽体内沿程应力变化数据(N_n，Δt_n)；

步骤S6、计算泥石流试样以Δt_n为时间间隔的沿程演化特征参数

分别依式5、式6、式7计算试样密度ρ、体积比浓度S_v、输沙率G_b：

${\mathrm{\ρ}}_n=\frac{N_n}{H_n\·B\·b\·g\·cos\mathrm{\θ}}$    式5

$G_{bn}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_S({\mathrm{\ρ}}_n-{\mathrm{\ρ}}_w)Q_n}{({\mathrm{\ρ}}_S-{\mathrm{\ρ}}_w)}$    式6

$S_{vn}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_n-{\mathrm{\ρ}}_w}{{\mathrm{\ρ}}_S-{\mathrm{\ρ}}_w}$    式7

式中，ρ_n—Δt_n时刻泥石流试样密度，kg/m³，

N_n—Δt_n时刻应力传感器测值，N，步骤S5确定，

θ—槽体与地面夹角，°，

B—槽体宽度，m，

b—压力传感器有效测量宽度，m,

G_bn—Δt_n时刻泥石流试样输沙率，kg/s，

ρ_S—试样泥砂固体颗粒密度，kg/m³，取值2.65，

ρ_w—清水密度，kg/m³，取1.0，

S_vn—Δt_n时刻泥石流试样体积比浓度。

根据测量获得的槽体内泥石流试样密度{ρ_n}、体积比浓度{S_vn}、输沙率{G_b}，便可绘制各参数以Δt_n为时间间隔的时序图，确定泥石流试样在运动过程中运动参数的演化特征规律。

在上述测量方法中，中心转轴转速控制在40转/min～50转/min是较重要的技术操作内容。在实验模拟条件下，由于泥石流实验样品中颗粒粒径跨度大，所含大颗粒砂石易因为沉积造成水石分离，而细颗粒成分又易导致搅拌不均匀。因此为了保证实验模拟试样与野外泥石流性态的一致性，物料供应平稳且不沉淤，经反复实验计算，确定搅拌叶转速需要控制在40转/min～50转/min，才能保证实验模拟的顺利进行。在此转速之下，大颗粒成分易沉积且易搅拌不匀，此转速以上，所含颗粒易损坏搅拌叶。

采用本发明上述泥石流沿程演化实验测量系统用于测量泥石流试样运动参数演化特征，为测量获得各参数以Δt_n为时间隔的时序变化特征，须在槽体底部尽可能密布应力传感器。但在槽体底部较密集地安装应力传感器会影响测量系统用于模拟泥石流在普通山区沟道运动。在普通山区沟道运动情形下，泥石流流通区会同时发生侵蚀与沉积现象，为模拟这类泥石流运动，开展床面物质与泥石流交汇交互实验，则需要首先在槽体底面铺设床砂。但由于床砂铺设需要避开应力传感器受力面，因此槽体底部较密集地安装应力传感器则限制本发明实验测量系统用于这种模拟研究。同时，对于槽体出口末端位置，由于床面和应力传感器贴合度的限制，即便铺设了应力传感器，出口处也较难准确地测量得到泥石流试样的性态参数。为此，本发明对上述实验测量系统进一步优化，具体是对取样回收装置加以优化设计，使槽体出口末端处可以对出口处的泥石流试验取样，然后配合常规土工实验对取样得到样品进行分析，得到此位置处的泥石流试样性态数据。该数据用于对依式5、式6和式7计算所得数据进行补充，由此获得系统运动过程中完整的泥石流试样性态参数，用以绘制完整演化时序图。

对取样回收装置的优化设计的具体技术方案是：

取样回收装置包括一旋转托架。旋转托架中心轴与旋转电机转轴及间歇式电动转盘旋转角度控制装置电连接，旋转托架上可以布置取样杯。自槽体出口端流出的泥石流试样直接进入取样杯。经这一优化后，在测量过程中，间歇式电动转盘旋转角度控制装置控制旋转托架转速通过设定旋转托架转动间隔时间、取样停留时间，可以实现以时间间隔ΔT取样，进而获得泥石流试样运动过程中运动参数间隔时间ΔT上的沿程演化特征。通过自动取样回收装置控制取样时间，则可以减少槽体底部传感器的布置数量。一般根据槽体长度采用一定间距的等距布置即可。

取样回收装置还包括一个尾料池，旋转托架布置在尾料池中。未进入取样杯的泥石流试样进入尾料池。尾料池中的泥石流试样静置24小时，待砂石沉积后，打开尾料池壁上部的泄流小孔泄流清水，可以方便回收试样。

利用上述增加了自动取样回收装置的测量系统，以上述测量方法为基础，可以实现对泥石流试样参数沿运动过程中以ΔT为时间间隔的演化特征规律。是在步骤S1～步骤S6之后设置自动取样频率，计算该频率时间间隔条件下的泥石流试样参数沿运动过程的演化特征规律。具体是：

步骤S1～步骤S6同前；

步骤S7、设置自动取样频率

调节间歇式电动转盘旋转角度控制装置，设置取样回收装置的自动取样时间间隔ΔT；

步骤S8、计算泥石流试样以ΔT为时间间隔的沿程演化特征参数

依时间间隔取样，再根据土工实验计算试样样品密度ρ、体积比浓度S_v、输沙率G_b，分别获得参数数据集泥石流试样密度{ρ_n}、体积比浓度{S_vn}、输沙率{G_b}，绘制各参数以ΔT为时间隔的时序图，确定泥石流试样参数沿运动过程的演化特征规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明提供了一种泥石流沿程演化实验测量系统。该系统能够较好模拟泥石流包括稀性、亚粘性、强粘性泥石流性态，模拟泥石流自然性态下的运动过程，克服了现有技术无法有效在室内条件下模拟自然性态泥石流的技术缺陷。(2)本发明泥石流沿程演化实验测量系统可以观测泥石流与沟床床面物质交互过程中引起的体积比浓度沿程演化，进一步配合间歇式旋转取样装置，可以方便设定取样时间，控制研究所需要的参数间隔期。测量系统适用性更广。(3)本发明还提供利用该测量系统实现的泥石流试样沿程演化参数测算方法。

附图说明

图1是测量系统整体结构示意图。

图2是杠杆闸门的细部示意图。

图3是取样回收装置结构示意图。

图4是测量系统整体结构俯视示意图。

图5是测量系统整体结构侧向示意图。

图6-1、图6-2、图6-3是泥石流体积比浓度沿程演化示意图。

附图中的数字标记分别是：

1试样配置输出装置 11物料桶 12中心转轴 13搅拌叶131弓背 14闸门 141闸门体 142拉索 143杠杆 144滑轮15升降支架 16起重葫芦 2试样流通控制装置 21槽体211侧壁22倾斜调节支架 3取样回收装置 31旋转托架 32取样杯33间歇式电动转盘旋转角度控制装置 34尾料池 4泥石流性态测量装置 41激光水位仪 42上位数据采集分析中心 43应力传感器5成像装置

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1～图5所示，加工一种泥石流沿程演化实验测量系统。

图1是测量系统整体结构示意图，图2是杠杆闸门的细部示意图。泥石流沿程演化实验测量系统，包括依次连接的试样配置输出装置1、试样流通控制装置2、取样回收装置3、泥石流性态测量装置4。试样流通控制装置2主体是槽体21；槽体21是两端开口的长槽型结构，两端分别布置在升降支架15和倾斜调节支架22上，前端高于后端。槽体21侧壁211由透明材料加工成。

试样配置输出装置1包括物料桶11。物料桶11布置在升降支架15上，其上方布置起重葫芦16，用于起吊物料桶11。物料桶11内腔有竖直中心转轴12，中心转轴12底部有搅拌叶13，中心转轴12上部与旋转电机转轴电连接。搅拌叶13呈弓型，弓背131向上。物料桶11桶壁下部开口，开口处布置闸门14，闸门14与槽体21前端相接。闸门14是杠杆闸门，其闸门体141通过拉索142、滑轮144与杠杆143联接。

泥石流性态测量装置4包括激光水位仪41与应力传感器43。激光水位仪41布置在物料桶11上沿，其探头朝向物料桶内腔。应力传感器43有多个，径向布置在槽体21底部，其受力面朝向槽体21上方。激光水位仪41、应力传感器43分别与上位数据采集分析中心42连接。上位数据采集分析中心42将数据处理后形成水位-时间曲线、应力-时间曲线在显示器上实时显示。激光水位仪41、应力传感器43、上位数据采集分析中心42间都设置电连接，由电力控制箱进行同步控制，以提高测量数据的精度和可靠度。

图3是取样回收装置结构示意图。取样回收装置3包括旋转托架31、尾料池34。旋转托架31中心轴与间歇式电动转盘旋转角度控制装置33及旋转电机转轴电连接。取样回收装置3还包括取样杯32，取样杯32可以放置在旋转托架31上。取样杯32与槽体21后端相接。转托架31布置在尾料池34中，未进入取样杯32的泥石流试样进入尾料池34中。

图4是测量系统整体结构俯视示意图，图5是测量系统整体结构侧向示意图。第一成像装置5布置在槽体21侧方，成像角度与槽体21垂直；第二成像装置5布置在槽体21正上方处。

本实施例中，物料桶11内径r＝45cm、高120cm，桶壁下部开口宽40cm。闸门14可控开口高度0cm～40cm。槽体21长400cm、宽度B＝30cm。

本实施例中，应力传感器43包括四组电阻式带状应力传感器43，第一电阻式带状应力传感器43布置在距离槽体21前端50cm处，第二、第三、第四电阻式带状应力传感器43分别以间距100cm沿槽体21径向布置在槽体21底部。应力传感器43具体采用超薄型电阻式应力传感器FSR408，传感器有效测量宽度b＝6.3mm。应力传感器数据采集处理系统是flexiforce senor有线薄膜压力传感器系统，直接将电阻值读取为应力值，并可设置读取时间0.01s～1min。传感器测量面长L＝609.6mm，宽b＝6.3mm，有效测量面积为L×b＝609.6mm×6.3mm，数据读取时间间隔设置为Δt_n＝1s。

激光水位仪41是光学传感器ODSL 30，水位读取时间间隔设置为Δt_n＝1s。

旋转托架31采用间歇式电动转盘旋转角度控制装置33控制。间歇式电动转盘旋转角度控制装置33工作状态下，设置间隔采样时间ΔT＝3s，一次采样时间1s。取样杯32是容积10L透明塑料刻度杯。

调整槽体21与地面夹角θ＝15°。

实施例二

测量泥石流试样沿程演化参数。利用实施例一所得泥石流沿程演化实验测量系统(但不使用取样回收装置3)实施，所测量得到的泥石流试样沿程演化参数是以应力传感器43中设置的数据读取时间Δt_n＝1s为间隔时间。

实验初期条件：根据本实验研究目标，设计实验中泥石流样品密度为1.56×10³kg/m³。实验土样采用彭州市龙门山镇干家沟泥石流直接取样晒干筛分使用、实验涉及最大粒径为2cm(D_max≤2cm)。通过前期土样预备实验数据计算出，为使泥石流样品密度＝1.56×10³kg/m³，制备需要的V_干土样：V_水＝1:1。

图6-1、图6-2、图6-3是泥石流体积比浓度沿程演化示意图。测量过程中，每一带状应力传感器43所在位置即是一个测量断面。

步骤S1、前期准备

向物料桶11中加入体积为0.044m³干家沟土样、0.044m³清水；设置中心转轴12转速40转/min～50转/min，物料桶11内混合物搅拌均匀形成泥石流试样，泥石流试样密度1.56×10³kg/m³。

步骤S2、测量试样流量出流流量Q_n

待泥石流样品搅拌均匀后，关闭电机，停止搅拌叶转动。开启激光水位仪41、应力传感器43、成像装置5、上位数据采集分析中心42、旋转托架31。

读取激光水位仪41读数，记录物料桶11内初始水位h₀＝1.476m；

开启闸门14使试样出流，同时读取激光水位仪41变化读数，记录试样出流时物料桶11内水位时刻变化序列(h_n，Δt_n)(n＝1,2,…,Δt_n＝1s)，依式1、式2计算泥石流试样出流流量Q_n。具体数据见表1。

步骤S3、测量槽体内试样流速

从成像装置5获取槽体21内试样运动影像，利用帧率分析软件(Windows Live Movie Maker)测量泥石流试样运动距离，依式3计算泥石流试样时刻出流速度(v_n，Δt_n)。具体数据见表1。

步骤S4、计算槽体21内试样过流流深变化(H_n，Δt_n)

依式4计算槽体21内过流流深变化(H_n，Δt_n)。具体数据见表1。

表1泥石流试样运动数据计算表

注：本次实验共持续16s

步骤S5、测量应力变化数据(N_n，Δt_n)

从应力传感器43获取试样运动过程中槽体21内沿程应力变化数据(N_n，Δt_n)。具体数据见表2、表3。

步骤S6、计算泥石流试样以Δt_n为时间间隔的沿程演化特征参数

分别依式5、式6、式7计算第二根传感器和第三根传感器断面试样密度ρ、体积比浓度S_v、输沙率G_b。具体数据见表2、表3。

表2泥石流试样沿程演化特征参数(断面2)

注：本次实验共持续16s

表3泥石流试样沿程演化特征参数(断面3)

注：本次实验共持续16s

实施例三

本实施例测量泥石流试样沿程演化参数。利用实施例一所得泥石流沿程演化实验测量系统实施。根据间歇式电动转盘旋转角度控制装置33工作状态设置，间隔采样时间ΔT＝3s，一次采样时间1s。因此所测量得到的泥石流试样沿程演化参数是以ΔT＝3s为间隔时间。其与实施例二相同之处不再重复，其不同之处在于自步骤S61。

步骤S1～步骤S6同实施例一。

步骤S7、设置自动取样频率

设置取样回收装置3的自动取样时间间隔ΔT＝3s。在取样杯32中依时间间隔取样。

步骤S8、计算泥石流试样以ΔT为时间间隔的沿程演化特征参数依时间间隔取样，采用土工实验分别测量试样密度ρ、体积比浓度S_v、输沙率G_b，对比槽体内泥石流试样密度{ρ_n}、体积比浓度{S_vn}、输沙率{G_b}，确定泥石流试样参数沿运动过程的演化特征规律。取样杯32中样品测量结果具体数据见表4。

表4泥石流试样沿程演化特征参数(取样杯样品)

注：本次实验共持续16s

Claims (10)

1.一种泥石流沿程演化实验测量系统，包括依次连接的试样配置输出装置(1)、试样流通控制装置(2)、取样回收装置(3)，其特征在于：所述泥石流运动实验系统还包括泥石流性态测量装置(4)；

所述试样流通控制装置(2)主体是槽体(21)，所述槽体(21)是两端开口的长槽型结构，前端高于后端；槽体(21)前端与试样配置输出装置(1)相接，槽体(21)后端与取样回收装置(3)相接；

所述试样配置输出装置(1)包括物料桶(11)，物料桶(11)内腔有竖直中心转轴(12)，中心转轴(12)底部有搅拌叶(13)，中心转轴(12)上部与旋转电机转轴连接；所述物料桶(11)桶壁下部开口，开口处布置闸门(14)，闸门(14)与槽体(21)前端相接；

所述泥石流性态测量装置(4)包括布置在物料桶(11)上沿的激光水位仪(41)；所述激光水位仪(41)探头朝向物料桶内腔，激光水位仪(41)与上位数据采集分析中心(42)连接。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：所述泥石流性态测量装置(4)还包括与上位数据采集分析中心(42)连接的应力传感器(43)；所述应力传感器(43)布置在槽体(21)底部，应力传感器(43)受力面朝向槽体(21)上方。

3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于：所述泥石流性态测量装置(4)的激光水位仪(41)与应力传感器(43)采用电力同步控制。

4.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于：所述应力传感器(43)是多个，沿槽体(21)径向布置在槽体(21)底部。

5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于：所述槽体(21)侧壁(211)是透明材料加工成；在槽体(21)侧向和在槽体(21)正上方分别有成像装置(5)；所述成像装置(5)与上位数据采集分析中心(42)连接。

6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于：所述闸门(14)是杠杆闸门，包括闸门体(141)；所述闸门体(141)通过拉索(142)、滑轮(144)与杠杆(143)联接；所述搅拌叶(13)呈弓形，弓背(131)向上。

7.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于：所述槽体(21)与地面夹角α＜40°。

8.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于：所述槽体(21)底面铺设床砂，床砂不遮盖应力传感器(43)；所述床砂是土样或者不同粒径的石英砂。

9.一种利用权利要求7所述的泥石流沿程演化实验测量系统实现的泥石流试样沿程演化参数测算方法，其特征在于：依如下步骤实施：

步骤S1、前期准备

根据实验研究目标设计泥石流样品密度，预备实验获取干土样颗粒特征数据，根据干土样颗粒特征确定满足泥石流样品密度的干土样与水用料比例；

向物料桶(11)中加入水与干土样混合物，设置中心转轴(12)转速40转/min～50转/min，干土样与水搅拌均匀形成泥石流试样；

步骤S2、测量试样流量出流流量Q_n

读取激光水位仪(41)读数，记录物料桶(11)内初始水位h₀；

开启闸门(14)使试样出流，同时读取激光水位仪(41)变化读数，记录试样出流时物料桶(11)内水位时刻变化序列(h_n，Δt_n)(n＝1,2,…)；

依式1、式2计算泥石流试样出流流量Q_n

Δh₁＝h₁-h₀,Δh₂＝h₂-h₁....Δh_n＝h_n-h_n-1     式1

$Q_n=\frac{{\mathrm{\Δh}}_n}{{\mathrm{\Δt}}_n}{\mathrm{\πr}}^2$             式2

式中，Q_n—Δt_n时刻泥石流试样出流流量，m³/s，

(h_n，Δt_n)—泥石流试样出流时物料桶(11)内水位时刻变化序列，步骤S2确定，

r—物料桶内径，m；

步骤S3、测量槽体内试样流速

从成像装置(5)获取槽体(21)内试样运动影像，利用帧率分析软件测量泥石流试样运动距离S_n，依式3计算泥石流试样时刻出流速度(v_n，Δt_n)：

$v_n=\frac{S_n}{{\mathrm{\Δt}}_n}$           式3

式中，v_n—Δt_n时刻泥石流试样速度，m/s，

S_n—Δt_n时刻泥石流试样行进距离，m，由成像装置(5)获取影像分析确定，

Δt_n—时间间隔，s，由步骤S2确定；

步骤S4、计算槽体(21)内试样过流流深变化(H_n，Δt_n)

依式4计算槽体(21)内过流流深变化(H_n，Δt_n)

$H_n=\frac{Q_n}{v_n\·B}$          式4

式中，H_n—Δt_n时刻试样的流深，m，

B—槽体(21)宽度，m，

v_n—Δt_n时刻泥石流试样速度，m/s，由步骤S3确定，

Q_n—Δt_n时刻泥石流试样出流流量，m³/s，由步骤S2确定；

步骤S5、测量应力变化数据(N_n，Δt_n)

从应力传感器(43)获取试样运动过程中槽体(21)内沿程应力变化数据(N_n，Δt_n)；

步骤S6、计算泥石流试样以Δt_n为时间间隔的沿程演化特征参数

分别依式5、式6、式7计算试样密度ρ、体积比浓度S_v、输沙率G_b：

${\mathrm{\ρ}}_n=\frac{N_n}{H_n\·B\·b\·g\·cos\mathrm{\θ}}$        式5

$G_{bn}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_S({\mathrm{\ρ}}_n-{\mathrm{\ρ}}_w)Q_n}{({\mathrm{\ρ}}_S-{\mathrm{\ρ}}_w)}$         式6

$S_{vn}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_n-{\mathrm{\ρ}}_w}{{\mathrm{\ρ}}_S-{\mathrm{\ρ}}_w}$            式7

式中，ρ_n—Δt_n时刻泥石流试样密度，kg/m³，

N_n—Δt_n时刻应力传感器测值，N，步骤S5确定，

θ—槽体(21)与地面夹角，°，

B—槽体(21)宽度，m，

b—压力传感器有效测量宽度，m，

G_bn—Δt_n时刻泥石流试样输沙率，kg/s，

ρ_S—试样泥砂固体颗粒密度，kg/m³，取值2.65，

ρ_w—清水密度，kg/m³，取1.0，

S_vn—Δt_n时刻泥石流试样体积比浓度。

10.根据权利要求9所述的测算方法，其特征在于：

所述泥石流沿程演化实验测量系统中，所述取样回收装置(3)包括旋转托架(31)，旋转托架(31)中心轴与旋转电机转轴及间歇式电动转盘旋转角度控制装置(33)电连接；所述取样回收装置(3)还包括可以放置在旋转托架(31)上的取样杯(32)；

所述实施步骤中，在步骤S6后继续实施步骤S7、步骤S8；

步骤S7、设置自动取样频率

间歇式电动转盘旋转角度控制装置(33)，设置取样回收装置(3)的自动取样时间间隔ΔT；

步骤S8、计算泥石流试样以ΔT为时间间隔的沿程演化特征参数依时间间隔取样，再根据土工实验，计算试样样品密度ρ、体积比浓度S_v、输沙率G_b。