CN105679167A - 一种新型泥石流物源溃坝实验水槽装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型泥石流物源溃坝实验水槽装置及其实现方法，包括支架，依次固定在支架上、且首尾相连的消力池和水槽，安装在消力池内部的溢流装置，安放在支架下方、用于向消力池供水的供水装置，以及放置在水槽出口、用于盛接泥水的废料池；所述溢流装置将消力池内部空间分隔为处理区和溢水区，所述处理区内设置有用于调整水流状态的花墙；所述溢流装置包括垂直焊接于消力池底部的竖向钢板和与该竖向钢板相切焊接的弧形钢板；所述供水装置包括提供水源的水箱，用于抽水的水泵以及用于输送水流的软管。本发明提高了实验过程中水流状态与真实情况的符合度，确保实验的顺利实施以及水力学参数的准确性。

Description

一种新型泥石流物源溃坝实验水槽装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种山地灾害动力学实验模型设施，具体涉及一种新型泥石流物源溃坝实验水槽装置及其实现方法。

背景技术

溃坝和泥石流是重大的自然灾害，严重影响了山区经济的发展，并威胁着人民的生命和财产安全，同时，它也严重威胁着社会的可持续发展。因此，国家对于山地灾害的研究十分关注和重视。

在实验室条件下，溃坝和泥石流问题的模拟通常会在水槽中进行，水箱和水槽之间用闸门隔开，水槽中部用泥沙堆料模拟坝体，通过闸门控制水的供给。但是，闸门打开的瞬间，水箱内水位较高，水流速度很大，流量也较大，随着水箱内的水位降低，水流速度逐渐减小，流量减小，导致实验条件和真实情况不符；而且，闸门无法做到完全止水，水箱蓄水过程中，不可避免出现闸门渗水与水槽内的物料混合，引起物料的初始参数变化，从而影响实验结果；人工开启闸门使实验重复性较差，误差较大，不利于实验顺利快捷的进行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型泥石流物源溃坝实验水槽装置及其实现方法，提高了水流状态与真实情况的符合度，确保实验的顺利进行以及获取准确的水动力学参数。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种新型泥石流物源溃坝实验水槽装置，包括支架，依次固定在支架上、且首尾相连的消力池和水槽，安装在消力池内部的溢流装置，安放在支架下方、用于向消力池供水的供水装置，以及放置在水槽出口、用于盛接泥水的废料池；所述溢流装置将消力池内部空间分隔为处理区和溢水区，所述处理区内设置有用于调整水流状态的花墙；所述溢流装置包括垂直焊接于消力池底部的竖向钢板和与该竖向钢板相切焊接的弧形钢板，该弧形钢板为特制钢板，能够进一步缓解水流速度；所述供水装置包括提供水源的水箱，从水箱内抽水的水泵，以及经水泵作用后将水箱内的水向消力池输送的软管。

优选地，所述花墙为砖砌镂空结构，且其高度高于溢流装置的高度。

进一步地，所述软管有三个端口，第一端口与水箱连接，第二端口与水泵连接，第三端口伸入消力池内，所述第三端口设置有水流开关。

优选地，所述第三端口为倒“T”型结构，由于泵入的水流速度较大，该倒“T”型出口可以调整水流的出口速度及方向，避免水流在垂直方向直接冲击消力池内水面，溅起较大波纹。

进一步地，所述废料池的底侧设置有实验用水排泄管道，且该排泄管道的入口设置有防止物料流失的过滤网，该过滤网的采用为能够阻止物料中细小颗粒的土工布制作而成。

进一步地，所述水槽倾斜安装在支架上，其倾斜角度为1°~15°，且其侧壁为透明钢化玻璃。

再进一步地，所述实验水槽装置还包括安装在水槽周围的摄像装置。

更进一步地，所述实验水槽装置还包括埋设在水槽内的传感器组件，与所述传感器组件连接的数据采集设备，以及与所述数据采集设备连接的PC机。

在上述基础上，本发明提供了该实验水槽装置的实现方法，包括以下步骤：

（1）流量标定：通过实验找到水泵压力值与水流量的对应关系；

（2）水槽堆料：在水槽的中部堆料模拟坝体，并在堆料内埋设传感器组；

（3）供水实验：根据步骤（1）找到的水泵压力与水流量的对应关系，调整水泵压力进行实验，当消力池内处理区的水位超过溢流装置高度时，溢水流入水槽，当水流经过堆料冲击时，埋设在堆料中的传感器组件采集数据并将数据传输至数据采集设备，同时堆料周围的摄像装置记录堆料溃决的过程；

（4）重复步骤（2）、（3），直至所有实验完成。

优选地，所述步骤（3）中，所述步骤（3）中，流入废料池内的实验用水通过排泄管道及时排出后，对留在废料池内的物料进行动力学参数研究。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明通过水泵的开关实现水槽内水的供应与断流，可有效防止渗水现象：打开水泵，水进入消力池内，经过状态调整再溢流进入水槽；关闭水泵，溢流即停止，避免出现渗水现象。同时，通过调整水泵压力大小，控制进入消力池内水的流量，即可控制溢流进入水槽内水的流量。

（2）本发明消力池内设置花墙，实现水流状态调整：从水箱内泵入的水处于紊流状态，经过花墙孔洞的时候，不能剧烈震荡，花墙使流量均匀分布在进水截面上，减少水流扰动。

（3）本发明消力池内溢流装置的设置，使经过花墙溢流的水以较缓的速度流入水槽，避免溢流直接冲击底板，溅起水花，造成进入水槽内的流量不均匀。

（4）本发明通过埋设在堆料里的传感器组件和安装在堆料周围的摄像装置实时采集溃坝过程中的水动力参数和坝体动态形貌，数据准确且全面。

（5）本发明的废料池设置有实验用水排泄管道和土工布过滤网，既便于实验用水的及时排除，又防止物料及其中的细小颗粒被水带走，造成物料的级配发生变化，影响物料力学参数研究的准确性；同时，留在废料池内的物料可以反复利用。

附图说明

图1为本发明的侧面示意图。

图2为本发明中消力池的内部结构图。

图3为本发明花墙断面示意图。

图4为本发明中传感器组件的分布图。

图5为本发明中水流量1.6L/s条件下部分位置的孔隙水压力对比图。

图6为本发明中水流量2.0L/s条件下部分位置的孔隙水压力对比图。

图7为本发明中水流量1.6L/s条件下部分位置的体积含水量对比图。

图8为本发明中水流量2.0L/s条件下部分位置的体积含水量对比图。

附图中的部分零部件名称为：

1-支架，2-消力池，3-水槽，4-废料池，5-水箱，6-水泵，7-软管，21-溢水装置，22-花墙，23-水流开关，41-排泄管道，42-过滤网。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1所示，本发明提供了一种新型泥石流物源溃坝实验水槽装置，用于模拟研究不同水流量下溃坝和泥石流的水动力学参数和微观动态形貌，从而得到溃坝和泥石流形成与水流量的相关性。本发明包括支架1、消力池2、水槽3、废料池4、水箱5、水泵6以及软管7。

所述支架1由左至右高度依次递减，以配合消力池2和水槽3的安装和稳固；所述水泵6通过软管7分别与水箱5、消力池2相连，所述软管7为三通软管，水泵6启动后将水箱5内的水泵入消力池2内；为了便于安装，所述消力池2的顶部和右侧均为开口结构，右侧与水槽3焊接，所述消力池2内设置有溢流装置21，该溢水装置21将消力池2内部空间分隔为处理区和溢水区的，所述处理区内设置有花墙22，水箱5内的水泵入消力池2后，经过花墙22调整，当处理区的水位高于溢水装置21的高度时发生溢流；所述溢流装置21包括垂直焊接于消力池2底部的竖向钢板和与该竖向钢板相切焊接的弧形钢板，溢出的水流沿着弧形钢板缓缓流入水槽3内，水槽3的出口下方安装有盛装泥水的废料池4。

如图2所示，所述软管7有三个端口，第一端口与水箱5连接，第二端口与水泵6连接，第三端口伸入消力池2内，所述第三端口设置有水流开关23，该水流开关23为半开状态，如此可以通过调整水泵6的压力控制进入消力池2内的水流量；而且，所述第三端口为倒“T”型结构，由于泵入的水流速度较大，该倒“T”型出口可以调整水流的出口速度及方向，避免水流在垂直方向直接冲击消力池内水面，溅起较大波纹。

如图3所示，本实施例中，花墙22为砖砌镂空结构，且花墙22的高度比溢流装置21高出5~10cm，从水箱内泵入的水处于紊流状态，经过花墙孔洞的时候，不能剧烈震荡，花墙使流量均匀分布在进水截面上，减少水流扰动；同时溢流装置的特制弧形钢板的设置使经过花墙溢流的水以较缓的速度流入水槽，避免溢流直接冲击底板，溅起水花，造成进入水槽内的流量不均匀。

本实施例中，水槽3与地面夹角约为15°，其顶端和底端均是开口结构，水槽的底端为泥水出口，其顶端为水流入口，为了保证水槽3的稳固，水槽3的底部至少设置有三组支架；为了便于观测水流状态，水槽3的侧壁采用透明钢化玻璃

为了便于对废料池4内的物料和水进行清理，所述废料池4的底侧设置有实验用水排泄管道41，且该排泄管道的入口设置有防止物料流失的过滤网42，该过滤网的材质为能够阻止物料中细小颗粒的土工布；所述排泄管道与实验室的排水系统连接，最终流入实验室内的沉淀池内，经土工布过滤的固体物料全部留在废料池内，以便进一步研究物料的级配关系及力学参数，而且可以再次使用。

所述实验水槽装置还包括安装在水槽3周围的摄像装置，摄像装置的位置由堆料位置决定，确保能够对堆料模拟溃坝。

所述实验水槽装置还包括埋设在水槽中部的传感器组件，与传感器组件连接的数据采集设备，以及与该数据采集设备连接的PC机。

下面对本发明的实验过程进行详细介绍。

（1）在泥石流和溃坝模拟实验前先进行水流流量标定，具体方法如下：

设定水泵压力在某个值，往消力池内泵水，水溢流后进水槽流入矩形废料池内，假设泵水时间为t，该时间段内废料池中收集的清水体积为V，则水槽单位时间内的流量Q=V/t，改变水泵的压力，重复上述过程，得到不同泵水压力对应的水槽流量对照表，如表1所示；

表1水泵压力与水流量对照表

（2）流量标定完成后，关闭水泵，清理废料池内的积水；在水槽的中部进行堆料模拟坝体，并将孔隙水压力传感器和体积水含量传感器分散埋设在堆料内，同时调整摄像装置的位置，并处于开启状态；本实施例中，为全面采集溃坝过程中坝体各位置的孔隙压力值，在泥沙堆料内埋设九个孔隙水压力传感器W1-W9和六个体积含水量传感器Q1-Q6，其具体位置分布如图4所示；

（3）根据步骤（1）找到的水泵压力与水流量的对照表，开启水泵并调整压力进行溃坝模拟实验，当水流对堆料产生作用时，埋设在堆料中的传感器组件采集数据并将数据传输至数据采集设备，同时堆料周围的摄像装置记录堆料溃决的过程，当堆料完全溃决是关闭水泵；

（4）重复步骤（2）、（3），直至所有实验完成。

所述步骤（3）中，流入废料池内的实验用水通过排泄管道及时排出后，对留在废料池内的物料进行动力学参数研究。

最后对采集的数据和溃坝动态视频进行分析，完成溃坝水动力参数与动态形貌的相关性分析。

本实施例以水流量1.6L/s和2L/s为例，分别模拟堰塞坝渗透破坏和漫顶溢流破坏两种溃坝模式，具体分析结果如下：

图5和图6为孔隙水压力传感器W1、W2、W5、W7在两种破坏模式下的孔隙水压力变化图，存在明显差异：渗透破坏和漫顶溢流破坏过程中，孔隙水压力明显增大；但对渗透破坏而言，孔隙水压力增大到最大值后，随着堰塞坝逐渐破坏，孔隙水压力缓慢减小；在漫顶溃决过程中，孔压达到最大值后，某一时间段内，上游坝体能保持最大孔压，当漫顶溢流导致坝体后部水头高度急剧下降后，孔压值则迅速减小，坝体其他位置孔压值达到最大值后，由于水流侵蚀，传感器被冲出，土体被水流带走，可认为这部分土体孔隙水压力值为0。

图7和图8为体积含水量传感器Q1、Q2、Q5在两种破坏模式下的体积含水量变化图，存在明显差异：在渗透破坏过程中，体积含水量有一个急剧增大的过程，然后基本上保持稳定，当下游坝坡失稳出现滑动之后，土体的渗流条件发生变化，体积含水量也随之变化。对于漫顶溢流破坏，由于蓄水到破坏的时间较短，土体来不及达到饱和即被水流冲蚀，体积含水量的变化不规律。

本发明通过设计一种新型泥石流物源溃坝实验水槽装置，通过调整水泵压力大小，控制进入消力池内水的流量，而且通过水泵的开关实现水槽内水的供应与断流，可有效防止渗水现象，与传统实验水槽相比，增强了实验进行的便利性，增强了水流状态与真实情况的符合度，提供全面、准确的水动力学数据。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型泥石流物源溃坝实验水槽装置，其特征在于，包括支架（1），依次固定在支架上、且首尾相连的消力池（2）和水槽（3），安装在消力池内部的溢流装置（21），安放在支架（1）下方、用于向消力池（2）供水的供水装置，以及放置在水槽（3）出口、用于盛接泥水的废料池（4）；所述溢流装置（21）将消力池（2）的内部空间分隔为处理区和溢水区，所述处理区内设置有用于调整水流状态的花墙（22）；所述溢流装置（21）包括垂直焊接于消力池（2）底部的竖向钢板和与该竖向钢板相切焊接的弧形钢板；所述供水装置包括提供水源的水箱（5），从水箱（5）内抽水的水泵（6），以及经水泵（6）作用后将水箱（5）内的水向消力池（2）输送的软管（7）。

2.根据权利要求1所述的一种新型泥石流物源溃坝实验水槽装置，其特征在于，所述花墙（22）为砖砌镂空结构，且其高度高于溢流装置的高度。

3.根据权利要求2所述的一种新型泥石流物源溃坝实验水槽装置，其特征在于，所述软管（7）有三个端口，第一端口与水箱（5）连接，第二端口与水泵（6）连接，第三端口伸入消力池（2）内，所述第三端口设置有水流开关（23）。

4.根据权利要求3所述的一种新型泥石流物源溃坝实验水槽装置，其特征在于，所述第三端口为倒“T”型结构。

5.根据权利要求4所述的一种新型泥石流物源溃坝实验水槽装置，其特征在于，所述废料池（4）的底侧设置有实验用水排泄管道（41），且该排泄管道（41）的入口设置有防止物料流失的过滤网（42）。

6.根据权利要求5所述的一种新型泥石流物源溃坝实验水槽装置，其特征在于，所述水槽（3）倾斜安装在支架（1）上，其倾斜角度为1°~15°，且其侧壁为透明钢化玻璃。

7.根据权利要求6所述的一种新型泥石流物源溃坝实验水槽装置，其特征在于，所述实验水槽装置还包括安装在水槽（3）周围的摄像装置。

8.根据权利要求7所述的一种新型泥石流物源溃坝实验水槽装置，其特征在于，所述实验水槽装置还包括埋设在水槽（3）内的传感器组件，与所述传感器组件连接的数据采集设备，以及与所述数据采集设备连接的PC机。

9.权利要求1~8任一项所述的实验水槽装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）流量标定：通过实验找到水泵压力值与水流量的对应关系；

（2）水槽堆料：在水槽的中部堆料模拟坝体，并在堆料内埋设传感器组；

（3）供水实验：根据步骤（1）找到的水泵压力与水流量的对应关系，调整水泵压力进行实验，当消力池内处理区的水位超过溢流装置高度时，溢水流入水槽，当水流经过堆料冲击时，埋设在堆料中的传感器组件采集数据并将数据传输至数据采集设备，同时堆料周围的摄像装置记录堆料溃决的过程；

（4）重复步骤（2）、（3），直至所有实验完成。

10.根据权利要求9所述的实现方法，其特征在于，所述步骤（3）中，流入废料池内的实验用水通过排泄管道及时排出后，对留在废料池内的物料进行动力学参数研究。