CN105527405A - 一种泥石流汇江物理模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及泥石流汇江物理模拟试验装置及试验方法，第一泥石流支沟沟槽水平低端、第二泥石流支沟沟槽的水平低端、泥石流主沟形成区沟槽的水平低端和泥石流主沟流通区沟槽的水平高端通过可活动橡胶带固定连接，还设有模拟降雨装置，宽度可变河流主河道槽和蓄水池均设在移动支撑装置上，蓄水池的出水口与宽度可变河流主河道槽的一端连接，宽度可变河流主河道槽的另一端与三角堰的一端连接，泥石流主沟流通区沟槽的水平低端通过泥石流主沟堆积区沟槽与宽度可变河流主河道槽的侧面连通，本发明能模拟泥石流暴发及汇江过程，研究不同固体物源、坡面角度、江水流速、泥石流堆积区与江河河道交汇角等因素对泥石流汇(堵)江的影响，操作简便。

Description

一种泥石流汇江物理模拟试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种泥石流汇江物理模拟试验装置及试验方法，属于地质工程及岩土工程领域，特别是涉及模拟暴雨激发泥石流发生过程、泥石流汇(堵)江的机制及影响因素等研究。

背景技术

泥石流是指斜坡上或沟谷中松散碎屑物质被暴雨或积雪、冰川消融水所饱和，在重力作用下，沿斜坡或沟谷流动的一种特殊洪流，具有爆发突然，历时短暂，来势凶猛和破坏力巨大等特点。而我国是世界上泥石流最为发育、数量最多、危害最严重的国家之一。

而泥石流汇江诱发灾害链很可能对国家的财产和人民的生命安全造成严重的威胁，当前，对于泥石流汇(堵)江物理模拟试验的研究还相对较少，多数为研究泥石流的监测预警方法及泥石流试验过程模拟装置等。如中国专利公开了“一种泥石流监测预警系统及方法(申请号公布号：CN105096533A，公开日期2015.11.25)”，通过恒阻大变形锚索、压电式力学传感器、数据采集及发射装置，提供了一种泥石流的监测预警及方法。如中国专利公开了“一种粘性泥石流试验模拟装置(授权公告号：CN203955277,授权公告日：2014.11.26)”，通过电机、搅拌器、圆筛、桶盖、圆筒、泥浆池、水槽和堆积板等，提供了一种泥石流的模拟试验装置。但是均没有涉及泥石流汇(堵)江机制的研究，因此，有必要对泥石流汇江后灾害链的形成过程及影响因素进行研究，给泥石流的治理提供一种可靠的依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种泥石流汇江物理模拟试验装置及试验方法，能够改善现有泥石流物理模拟试验装置及方法考虑汇江因素少，汇江结果观测单一等问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种泥石流汇江物理模拟试验装置,包括第一泥石流支沟沟槽、第二泥石流支沟沟槽、泥石流主沟形成区沟槽、泥石流主沟流通区沟槽、泥石流主沟堆积区沟槽、宽度可变河流主河道槽、三角堰、蓄水池、模拟降雨装置、数据采集装置和移动支撑装置，所述第一泥石流支沟沟槽、所述第二泥石流支沟沟槽、所述泥石流主沟形成区沟槽和所述泥石流主沟流通区沟槽均倾斜设置，所述第一泥石流支沟沟槽的水平低端、第二泥石流支沟沟槽的水平低端、所述泥石流主沟形成区沟槽的水平低端和所述泥石流主沟流通区沟槽的水平高端通过可活动橡胶带固定连接，所述第一泥石流支沟沟槽和所述第二泥石流支沟沟槽分别设置在所述泥石流主沟形成区沟槽的两侧，所述第一泥石流支沟沟槽、所述第二泥石流支沟沟槽、所述泥石流主沟形成区沟槽和所述泥石流主沟流通区沟槽的上方均设有所述模拟降雨装置，所述宽度可变河流主河道槽和所述蓄水池均设在所述移动支撑装置上，所述蓄水池的出水口通过可活动橡胶带与所述宽度可变河流主河道槽的一端连接，所述蓄水池的出水口上设有阀门，所述宽度可变河流主河道槽的另一端与所述三角堰的一端连接，所述泥石流主沟流通区沟槽的水平低端通过所述泥石流主沟堆积区沟槽与所述宽度可变河流主河道槽的侧面连通，所述数据采集装置设在所述移动支撑装置的周围。

本发明的有益效果是：本发明能模拟泥石流暴发及汇江过程，通过改变第一泥石流支沟沟槽、第二泥石流支沟沟槽、泥石流主沟形成区沟槽、泥石流主沟流通区沟槽的倾斜度以及模拟降雨装置的降水速度和蓄水池的出水速度，研究不同固体物源、坡面角度、江水流速、泥石流堆积区与江河河道交汇角等因素对泥石流汇(堵)江的影响，具有操作简便，观测简单，测试结果多样的特点。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述第一泥石流支沟沟槽、所述第二泥石流支沟沟槽、所述泥石流主沟形成区沟槽和所述泥石流主沟流通区沟槽的底部均通过均匀设置的液压千斤顶进行支撑。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过液压千斤顶对第一泥石流支沟沟槽、第二泥石流支沟沟槽、泥石流主沟形成区沟槽和泥石流主沟流通区沟槽，通过调节不同位置的液压千斤顶的升降来调节第一泥石流支沟沟槽、第二泥石流支沟沟槽、泥石流主沟形成区沟槽和泥石流主沟流通区沟槽的倾斜度，操作方便。

进一步，所述模拟降雨装置包括第一水泵、水管、喷头和智能电磁式流量计，所述第一水泵的输入端与外部水源连接，所述水泵的输出端与所述水管的一端连接，所述水管与所述第一水泵的连接端上设有阀门，所述水管通过模拟降雨系统支架支撑设在所述第一泥石流支沟沟槽、第二泥石流支沟沟槽、所述泥石流主沟形成区沟槽和所述泥石流主沟流通区沟槽的上方，所述水管上连通有均匀设置的所述喷头，所述喷头与所述水管之间设有所述智能电磁式流量计。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用第一水泵对水管进行供水，在通过智能电磁式流量计的控制，实现喷头出水量的可控性，可以根据需要改变模拟降雨装置的出水速度，有效地调节和控制降雨量和降雨速度，通过持续的模拟降雨增加泥石流固体物源的含水量，以此作为诱发泥石流的条件，当泥石流开始流动后可关闭模拟降雨系统来控制泥石流固体物源的含水量，也可继续模拟降雨，持续增加降水量，且降雨模拟系统中包含有智能电磁式流量计，智能电磁式流量计不仅能监测水流的速度以控制降雨量和降雨速度，而且能对降雨速度起到有效地调节和控制作用。通过调节不同的水流速度模拟不同的降雨量，对模拟地形经降雨在物源区形成不同大小的泥石流，以此来模拟不同降雨情况下的泥石流暴发过程。

进一步，所述泥石流主沟流通区沟槽的水平低端与所述泥石流主沟堆积区沟槽之间通过所述可活动橡胶带连接，所述泥石流主沟堆积区沟槽与所述宽度可变河流主河道槽之间通过可活动橡胶带连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：泥石流主沟堆积区沟槽通过可活动橡胶带与泥石流主沟流通区沟槽和宽度可变河流主河道槽连接，不仅能确保密封性，避免连接处的漏水，又能实现根据需要改变泥石流主沟流通区沟槽与宽度可变河流主河道槽之间的角度。

进一步，所述蓄水池的进水口通过管道与第二水泵的输出端连接，所述第二水泵的输入端与外部水源连接，所述蓄水池与所述第二水泵之间的管道上设有阀门。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过第二水泵向蓄水池内胶水，确保蓄水池内水源的充足。

进一步，所述宽度可变河流主河道槽包括两个L型槽板，两个所述L型槽板的水平段通过搭接嵌扣连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：宽度可变河流主河道槽采用两个L型槽板搭接嵌扣连接的方式，方便了宽度可变河流主河道槽的宽度调节。

进一步，所述数据采集装置包括高速摄像机，所述高速摄像机用于采集所述第一泥石流支沟沟槽、所述第二泥石流支沟沟槽、所述泥石流主沟形成区沟槽、所述泥石流主沟流通区沟槽和所述宽度可变河流主河道槽内的图像信息，所述所述第一泥石流支沟沟槽的长度方向上、所述第二泥石流支沟沟槽的长度方向上、所述泥石流主沟形成区沟槽的长度方向上、所述泥石流主沟流通区沟槽的长度方向上和所述宽度可变河流主河道槽的长度方向上均设有长度刻度，所述宽度可变河流主河道槽上设有深度刻度。

采用上述进一步方案的有益效果是：长度刻度、深度刻度以及高速摄像机的设置，方便拍摄泥石流过程，可计算泥石流的平均流速。

进一步，所述移动支撑装置为支撑小车，所述宽度可变河流主河道槽和所述蓄水池均设在所述支撑小车的顶部。

采用上述进一步方案的有益效果是：移动支撑装置采用支撑小车，通过移动支撑小车可调节泥石流主沟堆积区沟和宽度可变河流主河道槽的交会角。

进一步，所述第一泥石流支沟沟槽、所述第二泥石流支沟沟槽、所述泥石流主沟形成区沟槽、所述泥石流主沟流通区沟槽和所述宽度可变河流主河道槽的材质均为钢。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用钢为材料更加稳固。

进一步，所述泥石流主沟堆积区沟槽的底部设有用于支撑的枕木。

采用上述进一步方案的有益效果是：枕木的设置能确保泥石流主沟堆积区沟槽的稳定性。

一种泥石流汇江物理模拟试验方法，采用上述所述试验装置来试验泥石流汇江，包括以下步骤：

通过现场勘察，确定泥石流沟的地形地貌特征，从而确定所述第一泥石流支沟沟槽、所述第二泥石流支沟沟槽和所述泥石流主沟形成区沟槽的倾斜度；

步骤一，制备泥石流固体物源，并将泥石流固体物源堆放在所述第一泥石流支沟沟槽、所述第二泥石流支沟沟槽和所述泥石流主沟形成区沟槽内，所述泥石流固体物源主要为固体物源物质材料的细颗粒、粗颗粒，通过实地调研、勘察，了解泥石流的分布发育特征，记录泥石流沟内岩石的大小，按照比例缩放后选取适当的颗粒直径作为泥石流的固体物源，找到含杂质少，纯度及黏度均高的泥土，与按实际比例缩放的粒径选取的粗颗粒，搅拌均匀；

步骤二，开启所述模拟降雨装置，使得水与泥石流固体物源混合成泥浆，当泥浆开始流动后关闭所述模拟降雨装置，开启所述蓄水池的出水口的阀门，泥浆依次经过所述泥石流主沟流通区沟槽、所述泥石流主沟堆积区沟槽后流入到所述宽度可变河流主河道槽内；

步骤三，对水和泥石流固体物源的混合物的流动速度和堆积区范围以及堆积体积进行实时监测，对所述泥石流主沟堆积区沟槽内的泥浆进行采集并检测其含水量；通过模拟降雨系统，给予泥石流暴发的必要条件，诱发泥石流的暴发，泥石流暴发后，在此过程中进行数据监测，主要包括速度监测及堆积区范围及体积监测。速度监测采用高速摄像机记录泥石流进入堆积区到流出堆积区的时间，用长度除以该时间可得到堆积区平均流速。河道堆积体范围及体积监测。堆积体深度，水位雍高按河道边缘安装好的皮尺进行观测。堆积体的宽度及长度按照现场卷尺测得。堆积体堵江的形态以及堆积体的上下水位通过高清相机记录观测，在泥石流堆积区选取部分堆积物源，进行含水量的测量。分三次测量形成区物质的含水量，取平均值。测量方法：先称取一定质量的形成区物质，然后用酒精灯烧干测出干泥土的重量，最后计算出形成区物质的含水量；数据整理，根据所监测到的数据进行泥石流汇江的机制及影响因素的相关研究与分析。根据试验所采集数据，绘制泥浆量Q_m(ml)、砂质量Q_n(g)、交汇区体积V(cm³)、雍高水位H_W(m)的表格，泥石流与主河角的交汇角与堆积体的关系图，主河河流与泥石流流速比、流量比与堆积体的关系图，泥石流混合物含水率与堆积体的关系图，一次入汇固体物质总量与堆积体的关系图等等。

步骤四，采用控制变量法，单一改变第一泥石流支沟沟槽的倾斜角、第二泥石流支沟沟槽的倾斜角、所述泥石流主沟形成区沟槽的倾斜角、所述泥石流主沟流通区沟槽的倾斜角、所述第一泥石流支沟沟槽与所述泥石流主沟形成区沟槽之间的夹角、所述第二泥石流支沟沟槽与所述泥石流主沟形成区沟槽之间的夹角、所述模拟降雨装置的降水速度和蓄水池的出水速度中的一种，重复上述步骤一、步骤二和步骤三。

采用上述方案的有益效果是：本发明能模拟泥石流暴发及汇江过程，通过改变第一泥石流支沟沟槽、第二泥石流支沟沟槽、泥石流主沟形成区沟槽、泥石流主沟流通区沟槽的倾斜度以及模拟降雨装置的降水速度和蓄水池的出水速度，研究不同固体物源、坡面角度、江水流速、泥石流堆积区与江河河道交汇角等因素对泥石流汇(堵)江的影响，具有操作简便，观测简单，测试结果多样的特点。

进一步，所述步骤三中，所述泥石流主沟堆积区沟槽内泥浆的含水量的检测包括先称取一定质量的泥石流主沟堆积区沟槽内泥浆，然后用酒精灯烧干测出干泥土的重量，最后计算出形成区物质的含水量。

当泥石流支沟沟槽以及泥石流主沟形成区沟槽的堆放固体物源开始流动时，用高速摄像机记录泥石流的整个过程，记录泥石流从开始到堆积区所用时间t，浆料槽长度L为已知，且浆料槽上刻有刻度，通过高速摄像机记录泥石流浆料通过浆料槽某一段距离L'的时间t'。

所以泥石流整个过程中的平均速度的计算公式为：v＝L/t。

式中：v表示泥石流整个过程中的平均速度，单位为m/s。

L表示浆料槽长度，单位为m。

t表示泥石流从开始到堆积区所用时间，单位为s。

泥石流某一段距离内的平均速度的计算公式为：v'＝L'/t'。

式中：v'表示某一段距离内的平均速度，单位为m/s。

L'表示某一段距离长度，单位为m。

t'—泥石流通过某一段距离所用时间，单位为s。

在本发明中，V型形成区浆料槽纵向坡面角度通过液压千斤顶进行控制，然后通过罗盘等工具来确定的具体数值。

进一步地，为了更好的实现本发明，泥石流沟槽夹角是可变的，组成泥石流沟槽的两块钢板通过转动轴承连接并改变泥石流沟槽的夹角。

在本发明中，在V型泥石流主沟流通区区沟槽下方有一泥石流主沟堆积区沟槽，作为泥石流的堆积区。泥石流模拟过程结束后，等待一段时间，待泥石流在堆积区沟槽内堆积稳定后，在泥石流堆积区横向及纵向上选取n个点测量其厚度，通过大头针垂直插入泥石流堆积区，然后在大头针上记下记号，通过量测大头针插入堆积区的长度，可得某一点处泥石流堆积区的厚度h₁，h₂，h₃，......，h_n。U型泥石流主沟堆积区沟槽长度为l，宽度为d。

所以泥石流堆积区的厚度的计算公式为：

式中：表示整个堆积区的平均厚度，单位为m。

h_i表示某一测试点的厚度，单位为m。

n表示测试点的个数。

泥石流堆积区面积的计算公式：S＝l*d。

式中：S表示整个泥石流堆积区的面积，单位为m²。

l表示U型泥石流主沟堆积区沟槽长度，单位为m。

d表示U型泥石流主沟堆积区沟槽宽度，单位为m。

泥石流堆积体体积计算公式为：V＝S*h

式中：V表示泥石流堆积区沟槽堆积体体积，单位为m³。

S表示整个泥石流堆积区沟槽内堆积体的面积，单位为m²。

h表示整个堆积区的平均厚度，单位为m。

本发明中，泥石流固体物源入汇河流主河道的堆积面积以及堆积体体积，通过判断入汇的泥石流的运动形式，然后可用卷尺量测入汇堆积体的长度、宽度，用大头针量测堆积体的平均厚度，然后计算入汇泥石流的面积、体积等。而且泥石流沟口断面流量可以通过公式计算得到，公式如下：Q＝v_nbH_n

式中：v_n表示泥石流断面入汇流速，单位为m/s。

Q表示沟口断面流量，单位为m³/s。

b表示沟口的宽度，单位为m。

H_n表示泥石流平均泥深，单位为m。

在本发明中，U型河流主河道宽度是可变的，通过搭接嵌扣连接，设有3个不同宽度的嵌扣槽，来改变河流主河道宽度，嵌扣连接时需用防水胶带，以防止漏水。在河流主河道末尾出放置有一三角堰，通过测量三角堰的高度可计算出河流的流量。在河流主河道的开始部位与一蓄水池连接，可给予河流一个稳定的流量。

三角堰流量计算公式：

式中：Q表示流量(L/S)；

H表示堰流高度，单位为cm。

附图说明

图1为本发明试验装置的俯视图；

图2为本发明试验装置的侧视图；

图3为本发明试验装置中降雨模拟装置中水管、喷头和智能电磁式流量计的连接示意图；

图4为本发明试验装置中宽度可变河流主河道的结构示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、第一水泵，2、第一泥石流支沟沟槽，3、第二泥石流支沟沟槽，4、移动支撑装置，5、降雨模拟装置，6、水管，7、可活动橡胶带，8、泥石流主沟形成区沟槽，9、泥石流主沟流通区区沟槽，10、泥石流主沟堆积区沟槽，11、宽度可变河流主河道，12、三角堰，13、蓄水池，14、高速摄像机，15、阀门，16、喷头，17、智能电磁式流量计，18、模拟降雨系统支架，19、液压千斤顶，20、枕木，21、第二水泵，22、L型槽板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明试验装置包括第一泥石流支沟沟槽2、第二泥石流支沟沟槽3、泥石流主沟形成区沟槽8、泥石流主沟流通区沟槽9、泥石流主沟堆积区沟槽10、宽度可变河流主河道槽11、三角堰12、蓄水池13、模拟降雨装置5、数据采集装置和移动支撑装置4，所述第一泥石流支沟沟槽2、第二泥石流支沟沟槽3、所述泥石流主沟形成区沟槽8和所述泥石流主沟流通区沟槽9均倾斜设置，所述第一泥石流支沟沟槽2水平低端、第二泥石流支沟沟槽3的水平低端、所述泥石流主沟形成区沟槽8的水平低端和所述泥石流主沟流通区沟槽9的水平高端通过可活动橡胶带7固定连接，所述第一泥石流支沟沟槽2和所述第二泥石流支沟沟槽3分别设置在所述泥石流主沟形成区沟槽8的两侧，所述第一泥石流支沟沟槽2、所述第二泥石流支沟沟槽3、所述泥石流主沟形成区沟槽8和所述泥石流主沟流通区沟槽9的上方均设有所述模拟降雨装置5，所述宽度可变河流主河道槽11和所述蓄水池13均设在所述移动支撑装置4上，所述蓄水池13的出水口与所述宽度可变河流主河道槽11的一端连接，所述蓄水池13的出水口上设有阀门15，所述宽度可变河流主河道槽11的另一端与所述三角堰12的一端连接，所述泥石流主沟流通区沟槽9的水平低端通过所述泥石流主沟堆积区沟槽10与所述宽度可变河流主河道槽11的侧面连通，所述数据采集装置设在所述移动支撑装置4的周围。

所述第一泥石流支沟沟槽2、所述第二泥石流支沟沟槽3、所述泥石流主沟形成区沟槽8和所述泥石流主沟流通区沟槽9的底部均通过均匀设置的液压千斤顶19进行支撑。所述模拟降雨装置5包括第一水泵1、水管6、喷头16和智能电磁式流量计17，所述第一水泵1的输入端与外部水源连接，所述水泵的输出端与所述水管6的一端连接，所述水管6与所述第一水泵1的连接端上设有阀门15，所述水管6通过模拟降雨系统支架18支撑设在所述第一泥石流支沟沟槽2、第二泥石流支沟沟槽3、所述泥石流主沟形成区沟槽8和所述泥石流主沟流通区沟槽9的上方，所述水管6上连通有均匀设置的所述喷头16，所述喷头16与所述水管6之间设有所述智能电磁式流量计17。所述泥石流主沟流通区沟槽9的水平低端与所述泥石流主沟堆积区沟槽10之间通过所述可活动橡胶带7连接，所述泥石流主沟堆积区沟槽10与所述宽度可变河流主河道槽11之间通过可活动橡胶带7连接。所述蓄水池13通过管道与第二水泵21的输出端连接，所述第二水泵21的输入端与外部水源连接，所述蓄水池13与所述第二水泵21之间的管道上设有阀门15。所述宽度可变河流主河道槽11包括两个L型槽板22，两个所述L型槽板22的水平段通过搭接嵌扣23连接。所述数据采集装置包括高速摄像机14，所述高速摄像机14用于采集所述第一泥石流支沟沟槽2、所述第二泥石流支沟沟槽3、所述泥石流主沟形成区沟槽8、所述泥石流主沟流通区沟槽9和所述宽度可变河流主河道槽11内的图像信息，所述所述第一泥石流支沟沟槽2的长度方向上、所述第二泥石流支沟沟槽3的长度方向上、所述泥石流主沟形成区沟槽8的长度方向上、所述泥石流主沟流通区沟槽9的长度方向上和所述宽度可变河流主河道槽11的长度方向上均设有长度刻度，所述宽度可变河流主河道槽11上设有深度刻度。所述移动支撑装置4为支撑小车，所述宽度可变河流主河道槽11和所述蓄水池13均设在所述支撑小车的顶部。所述第一泥石流支沟沟槽2、所述第二泥石流支沟沟槽3、所述泥石流主沟形成区沟槽8、所述泥石流主沟流通区沟槽9和所述宽度可变河流主河道槽11的材质均为钢。所述泥石流主沟堆积区沟槽10的底部设有用于支撑的枕木20。第一泥石流支沟沟槽2、第二泥石流支沟沟槽3、泥石流主沟形成区沟槽8、泥石流主沟流通区沟槽9的夹角是可变的，组成第一泥石流支沟沟槽2、第二泥石流支沟沟槽3、泥石流主沟形成区沟槽8、泥石流主沟流通区沟槽9的两块钢板通过转动轴承来改变泥石流沟槽的夹角。

本发明试验方法为采用上述所述试验装置来试验泥石流汇江，包括以下步骤：

步骤一，设置所述第一泥石流支沟沟槽2、所述第二泥石流支沟沟槽3和所述泥石流主沟形成区沟槽8的倾斜度，通过现场勘察，确定泥石流沟的地形地貌特征，从而确定所述第一泥石流支沟沟槽2、所述第二泥石流支沟沟槽3和所述泥石流主沟形成区沟槽8的倾斜度；

步骤二，制备泥石流固体物源，并将泥石流固体物源堆放在所述第一泥石流支沟沟槽2、所述第二泥石流支沟沟槽3和所述泥石流主沟形成区沟槽8内，所述泥石流固体物源主要为固体物源物质材料的细颗粒、粗颗粒，通过实地调研、勘察，了解泥石流的分布发育特征，记录泥石流沟内岩石的大小，按照比例缩放后选取适当的颗粒直径作为泥石流的固体物源，找到含杂质少，纯度及黏度均高的泥土，与按实际比例缩放的粒径选取的粗颗粒，搅拌均匀；

步骤三，开启所述模拟降雨装置5，使得水与泥石流固体物源混合成泥浆，当泥浆开始流动后关闭所述模拟降雨装置5，开启所述蓄水池13的出水口的阀门15，泥浆依次经过所述泥石流主沟流通区沟槽9、所述泥石流主沟堆积区沟槽10后流入到所述宽度可变河流主河道槽11内；

步骤四，对水和泥石流固体物源的混合物的流动速度和堆积区范围以及堆积体积进行实时监测，对所述泥石流主沟堆积区沟槽10内的泥浆进行采集并检测其含水量；通过模拟降雨系统，给予泥石流暴发的必要条件，诱发泥石流的暴发，泥石流暴发后，在此过程中进行数据监测，主要包括速度监测及堆积区范围及体积监测。速度监测采用高速摄像机14记录泥石流进入堆积区到流出堆积区的时间，用长度除以该时间可得到堆积区平均流速。河道堆积体范围及体积监测。堆积体深度，水位雍高按河道边缘安装好的皮尺进行观测。堆积体的宽度及长度按照现场卷尺测得。堆积体堵江的形态以及堆积体的上下水位通过高清相机记录观测，在泥石流堆积区选取部分堆积物源，进行含水量的测量。分三次测量形成区物质的含水量，取平均值。测量方法：先称取一定质量的形成区物质，然后用酒精灯烧干测出干泥土的重量，最后计算出形成区物质的含水量；数据整理，根据所监测到的数据进行泥石流汇江的机制及影响因素的相关研究与分析。根据试验所采集数据，绘制泥浆量(ml)、砂质量(g)、交汇区体积(cm³)、雍高水位(m)的表格，泥石流与主河角的交汇角与堆积体的关系图，主河河流与泥石流流速比、流量比与堆积体的关系图，泥石流混合物含水率与堆积体的关系图，一次入汇固体物质总量与堆积体的关系图等等。

步骤五，采用控制变量法，单一改变第一泥石流支沟沟槽2的倾斜角、第二泥石流支沟沟槽3的倾斜角、所述泥石流主沟形成区沟槽8的倾斜角、所述泥石流主沟流通区沟槽9的倾斜角、所述第一泥石流支沟沟槽2与所述泥石流主沟形成区沟槽8之间的夹角、所述第二泥石流支沟沟槽3与所述泥石流主沟形成区沟槽8之间的夹角、所述模拟降雨装置5的降水速度和蓄水池13的出水速度中的一种，重复上述步骤二、步骤三和步骤四。

所述步骤四中，所述泥石流主沟堆积区沟槽10内泥浆的含水量的检测包括先称取一定质量的泥石流主沟堆积区沟槽10内泥浆，然后用酒精灯烧干测出干泥土的重量，最后计算出形成区物质的含水量。

在本发明的实施例中，以某泥石流为研究对象，通过实地工程地质考察，得到沟道堆积物多以块碎石和漂石为主，粒径一般为1～50cm，最大粒径在达2m。一方面考虑到野外现场的颗粒级配实际情况，泥石流类型为粘性泥石流，同时夹杂颗粒较大的石块；另一方面考虑室外实验条件，采取颗粒粒径按1：1000相似比，粗颗粒粒径应取0.63mm～5mm之间，这样既可以保证泥石流携带的颗粒粒径范围和级配相似性，同时也可以保证在整个实验过程中不会因为粒径过大而堵塞实验装置，粒径过小影响泥石流的流变特性。通过晾干后进行筛分，选取一定的粒径的砂石来作为模拟泥石流的粗颗粒。

本实施例中，第一泥石流支沟沟槽2和第二泥石流支沟沟槽3倾斜45°，泥石流主沟形成区沟槽8倾斜角15°、泥石流主沟流通区沟槽9倾斜角13°、泥石流主沟堆积区沟槽10倾斜角6°，粗糙度变化材料为木板，根据实际地形相似地模拟了一套泥石流汇江诱发灾害链物理模拟装置，它具备了泥石流的物源区、流通区、堆积区，能够好的模拟泥石流发生时的实际地形。。

在实验装置上堆放泥石流固体物源，先找到含杂质少，纯度及黏度均高的泥土，称量一定质量的土，按照实地颗粒级配称取一定质量的粗颗粒，混合搅拌均匀，堆放在泥石流支沟以及泥石流主沟形成区沟槽8内。通过模拟降雨系统，给予泥石流暴发的必要条件，诱发泥石流的暴发。

泥石流暴发后，在此过程中进行数据监测，主要包括速度监测及堆积区范围及体积监测。速度监测采用高速摄像机14记录泥石流进入堆积区到流出堆积区的时间，用长度除以该时间可得到堆积区平均流速。河道堆积体范围及体积监测。堆积体深度，水位雍高按河道边缘安装好的皮尺进行观测。堆积体的宽度及长度按照现场卷尺测得。堆积体堵江的形态以及堆积体的上下水位通过高清相机记录观测。然后在泥石流堆积区选取部分堆积物源，进行含水量的测量。分三组测量形成区物质的含水量，取平均值。测量方法：先称取一定质量的形成区物质，然后用酒精灯烧干测出干泥土的重量，最后计算出形成区物质的含水量。

在实验过程中通过控制变量法，改变影响泥石流汇江主要因素交汇角、泥石流与主河的流量比、流速比、一次入汇固体物质总量等，来研究石流汇江的机制。

通过本实施例试验结果的对比分析，在入汇泥石流容重相同情况下，随着交汇角的增加，交汇区堆积体体积增大，换言之，如果主河流量一定，则随着交汇角的增大，所需的堵江固体物源必将随着交汇角的增大而减小。在交汇角较小时，随着交汇角增大，堆积体体积变化量较小，从剖面上看，泥石流潜入主河形成潜入坝，从平面上看，堆积体形态为局部堆积。在交汇角较大时，随着交汇角增大，堆积体体积变化量较大。交汇角为90°时，泥石流潜入主河，抬高河床，大量固体物质堆积于河道，说明交汇角为90°是最容易形成堵江的条件。

通过本实施例试验结果的对比分析，对于流速比来说，大的流速代表了泥石流较短时间穿越主河，保证泥石流结构可以少受主河水流侵蚀和干扰。流速比相当于泥石流强度概念，流速比越小，主河作用越弱，堆积体就越容易形成。对于流量比来说，在其他条件相同条件下，流量比越大，主河冲刷作用越强，堆积体就越难以形成。

通过本实施例试验结果的对比分析，在固体物源不变的情况下，泥石流混合物含水率较小，堵河越明显。这是因为在充足物源条件下，水源越多，泥石流越容易携带泥沙，沟道堆积体越少，但当含水量超过某一定值时，泥石流冲击主河对岸，又会反作用堆积体，致使堆积体部分颗粒流失。

一次入汇固体总量表示泥石流入汇时流入主河固体物源总量，这个参数既与沟谷坡度、粗糙度以及泥石流本身流动性有关，又与物源总量和降雨量有关。泥石流入汇后，在流通区、堆积区内残留部分堆积体，在交汇区内又被主河带走部分颗粒，这就造成实际试验中是一次入汇固体总量很难测定的。为了方便对比，用固体物源总量代替一次入汇固体总量。

通过本实施例试验结果的对比分析，在同等水量情况下，固体物源总量与堆积体体积相关性较好，基本呈线性关系，其增长幅度也相对其他影响因素较大。本实施例中用固体物源总量与交汇区堆积体的关系侧面反映一次入汇固体总量与交汇区堆积体的关系。在充足水源条件下，对于同一种泥石流，一次入汇固体总量越大，汇入河道堆积体越多，越易于堵江。

本发明能模拟泥石流暴发及汇江过程，通过改变第一泥石流支沟沟槽2、第二泥石流支沟沟槽3、泥石流主沟形成区沟槽8、泥石流主沟流通区沟槽9的倾斜度以及模拟降雨装置5的降水速度和蓄水池13的出水速度，研究不同固体物源、坡面角度、江水流速、泥石流堆积区与江河河道交汇角等因素对泥石流汇(堵)江的影响，具有操作简便，观测简单，测试结果多样的特点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种泥石流汇江物理模拟试验装置,其特征在于，包括第一泥石流支沟沟槽(2)、第二泥石流支沟沟槽(3)、泥石流主沟形成区沟槽(8)、泥石流主沟流通区沟槽(9)、泥石流主沟堆积区沟槽(10)、宽度可变河流主河道槽(11)、三角堰(12)、蓄水池(13)、模拟降雨装置(5)、数据采集装置和移动支撑装置(4)，所述第一泥石流支沟沟槽(2)、所述第二泥石流支沟沟槽(3)、所述泥石流主沟形成区沟槽(8)和所述泥石流主沟流通区沟槽(9)均倾斜设置，所述第一泥石流支沟沟槽(2)的水平低端、第二泥石流支沟沟槽(3)的水平低端、所述泥石流主沟形成区沟槽(8)的水平低端和所述泥石流主沟流通区沟槽(9)的水平高端通过可活动橡胶带(7)固定连接，所述第一泥石流支沟沟槽(2)和所述第二泥石流支沟沟槽(3)分别设置在所述泥石流主沟形成区沟槽(8)的两侧，所述第一泥石流支沟沟槽(2)、所述第二泥石流支沟沟槽(3)、所述泥石流主沟形成区沟槽(8)和所述泥石流主沟流通区沟槽(9)的上方均设有所述模拟降雨装置(5)，所述宽度可变河流主河道槽(11)和所述蓄水池(13)均设在所述移动支撑装置(4)上，所述蓄水池(13)的出水口通过可活动橡胶带(7)与所述宽度可变河流主河道槽(11)的一端连接，所述蓄水池(13)的出水口上设有阀门(15)，所述宽度可变河流主河道槽(11)的另一端与所述三角堰(12)的一端连接，所述泥石流主沟流通区沟槽(9)的水平低端通过所述泥石流主沟堆积区沟槽(10)与所述宽度可变河流主河道槽(11)的侧面连通，所述数据采集装置设在所述移动支撑装置(4)的周围。

2.根据权利要求1所述的一种泥石流汇江物理模拟试验装置,其特征在于，所述第一泥石流支沟沟槽(2)、所述第二泥石流支沟沟槽(3)、所述泥石流主沟形成区沟槽(8)、所述泥石流主沟流通区沟槽(9)和所述宽度可变河流主河道槽(11)的材质均为钢,第一泥石流支沟沟槽(2)、所述第二泥石流支沟沟槽(3)、所述泥石流主沟形成区沟槽(8)和所述泥石流主沟流通区沟槽(9)的底部均通过均匀设置的液压千斤顶(19)进行支撑。

3.根据权利要求1或2所述的一种泥石流汇江物理模拟试验装置,其特征在于，所述模拟降雨装置(5)包括第一水泵(1)、水管(6)、喷头(16)和智能电磁式流量计(17)，所述第一水泵(1)的输入端与外部水源连接，所述第一水泵(1)的输出端与所述水管(6)的一端连接，所述水管(6)与所述第一水泵(1)的连接端上设有阀门(15)，所述水管(6)通过模拟降雨系统支架(18)支撑设在所述第一泥石流支沟沟槽(2)、第二泥石流支沟沟槽(3)、所述泥石流主沟形成区沟槽(8)和所述泥石流主沟流通区沟槽(9)的上方，所述水管(6)上连通有均匀设置的所述喷头(16)，所述喷头(16)的喷水方向是向下，所述喷头(16)与所述水管(6)之间设有所述智能电磁式流量计(17)。

4.根据权利要求1或2所述的一种泥石流汇江物理模拟试验装置,其特征在于，所述泥石流主沟流通区沟槽(9)的水平低端与所述泥石流主沟堆积区沟槽(10)之间通过所述可活动橡胶带(7)连接，所述泥石流主沟堆积区沟槽(10)与所述宽度可变河流主河道槽(11)之间通过可活动橡胶带(7)连接，泥石流主沟堆积区沟槽(10)的底部设有用于支撑的枕木(20)。

5.根据权利要求1或2所述的一种泥石流汇江物理模拟试验装置,其特征在于，所述蓄水池(13)的进水口通过管道与第二水泵(21)的输出端连接，所述第二水泵(21)的输入端与外部水源连接，所述蓄水池(13)与所述第二水泵(21)之间的管道上设有阀门(15)。

6.根据权利要求1或2所述的一种泥石流汇江物理模拟试验装置,其特征在于，所述宽度可变河流主河道槽(11)包括两个L型槽板(22)，两个所述L型槽板(22)的水平段通过搭接嵌扣(23)连接。

7.根据权利要求1或2所述的一种泥石流汇江物理模拟试验装置,其特征在于，所述数据采集装置包括高速摄像机(14)，所述高速摄像机(14)用于采集所述第一泥石流支沟沟槽(2)、所述第二泥石流支沟沟槽(3)、所述泥石流主沟形成区沟槽(8)、所述泥石流主沟流通区沟槽(9)和所述宽度可变河流主河道槽(11)内的图像信息，所述所述第一泥石流支沟沟槽(2)的长度方向上、所述第二泥石流支沟沟槽(3)的长度方向上、所述泥石流主沟形成区沟槽(8)的长度方向上、所述泥石流主沟流通区沟槽(9)的长度方向上和所述宽度可变河流主河道槽(11)的长度方向上均设有长度刻度，所述宽度可变河流主河道槽(11)上设有深度刻度。

8.根据权利要求1或2所述的一种泥石流汇江物理模拟试验装置,其特征在于，所述移动支撑装置(4)为支撑小车，所述宽度可变河流主河道槽(11)和所述蓄水池(13)均设在所述支撑小车的顶部。

9.一种泥石流汇江物理模拟试验方法，其特征在于，采用权利要求1至8任一项所述试验装置来试验泥石流汇江，包括以下步骤：

步骤一，制备泥石流固体物源，并将泥石流固体物源堆放在所述第一泥石流支沟沟槽(2)、所述第二泥石流支沟沟槽(3)和所述泥石流主沟形成区沟槽(8)内；

步骤二，开启所述模拟降雨装置(5)，使得水与泥石流固体物源混合成泥浆，当泥浆开始流动后关闭所述模拟降雨装置(5)，开启所述蓄水池(13)的出水口的阀门(15)，泥浆依次经过所述泥石流主沟流通区沟槽(9)、所述泥石流主沟堆积区沟槽(10)后流入到所述宽度可变河流主河道槽(11)内；

步骤三，对水和泥石流固体物源的混合物的流动速度和堆积区范围以及堆积体积进行实时监测，对所述泥石流主沟堆积区沟槽(10)内的泥浆进行采集并检测其含水量；

步骤四，采用控制变量法，单一改变第一泥石流支沟沟槽(2)的倾斜角、第二泥石流支沟沟槽(3)的倾斜角、所述泥石流主沟形成区沟槽(8)的倾斜角、所述泥石流主沟流通区沟槽(9)的倾斜角、所述第一泥石流支沟沟槽(2)与所述泥石流主沟形成区沟槽(8)之间的夹角、所述第二泥石流支沟沟槽(3)与所述泥石流主沟形成区沟槽(8)之间的夹角、所述模拟降雨装置(5)的降水速度和蓄水池(13)的出水速度中的一种，重复上述步骤一、步骤二和步骤三。

10.根据权利要求9所述的一种泥石流汇江物理模拟试验方法,其特征在于，所述步骤三中，所述泥石流主沟堆积区沟槽(10)内泥浆的含水量的检测包括先称取一定质量的泥石流主沟堆积区沟槽(10)内泥浆，然后用酒精灯烧干测出干泥土的重量，最后计算出形成区物质的含水量。