CN107478779A - 一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型,包括滑体模型和进行试验的组合滑坡，所述组合滑坡包括支架、滑槽支架和设置于支架和滑槽支架之间的滑槽，所述的支架顶端设有电动葫芦，所述电动葫芦的下方位置固定有缆绳，所述缆绳沿着支架向下延伸，末端连接有料斗，所述料斗水平设置于滑槽的尾端位置，所述滑槽出口外侧设有用于记录各组试验下滑堆积后的运动距离和运动速度变化的底板，所述底板前部设置有用于采集滑坡运动堆积变化数据的正视高速摄像机；该模型试验方法可以研究流态化滑坡运动时不同流体对滑体物质的拖曳效应的流态化滑坡流体拖曳效应。
Description
技术领域
本发明涉及一种滑坡流体模型试验方法，尤其是一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型试验方法。
背景技术
高速远程滑坡通常具有运动速度快、运动距离远和破坏力大的特征，尤其是具有流态化特征的滑坡，难以预测防范，往往能造成人员和经济的巨大损失，人类难以捕捉到在现实中真实流态化滑坡的运动状态特征，难以对其观察研究，因此流态化动力分析一直是高速远程滑坡研究中的难点问题，数值反演模拟和物理模型试验是研究该类型滑坡的主要应用手段，但是流态化滑坡一般为多相流，其中包括有流体介质、固体介质和气体介质等，其中各种介质之间会发生相互作用，在二相流(流固)滑坡的运动过程中流体具有更强的运动特性，往往会对其他固体介质产生一种拖曳作用，这样会导致滑坡运动力更强，运动距离更远，影响范围更广，目前对于流态化滑坡的研究主要采用数值反演模拟的方法，但是数值模拟方法模拟滑坡运动仅仅是将滑体视为一相流进行研究，对于多相流的研究很难反映出多种介质之间的相互作用方式与作用力，很难考虑到流态化滑坡的水平拖曳作用，因此有必要提出一种物理模型试验方法，研究滑坡运动过程中的流体对固体的拖曳效应，为滑坡运动机理分析提供技术支持，更为该类型滑坡的预测防治提供科学依据。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种可以研究流态化滑坡运动时不同流体对滑体物质的拖曳效应的流态化滑坡流体拖曳效应的模型试验方法。
一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型,包括滑体模型和用于进行试验的组合滑坡，所述组合滑坡包括支架、滑槽支架和设置于支架和滑槽支架之间的滑槽，所述的支架顶端设有电动葫芦，所述电动葫芦的挂钩上挂有缆绳，所述缆绳沿着支架向下延伸，末端连接有料斗，所述料斗水平设置于滑槽的尾端位置，所述滑槽出口外侧设有用于记录各组试验下滑堆积后的运动距离和运动速度变化的底板，所述底板前部设置有用于采集滑坡运动堆积变化数据的正视高速摄像机，所述正视高速摄像机后面设有用于采集滑坡滑后堆积状态的三维激光扫描仪，所述滑槽包括滑槽侧板和滑槽底板，所述滑槽侧板的中间位置设有用于观测滑坡的微观特征的滑槽高速摄像机，所述滑槽上方设置有可以高速高清记录碎石颗粒的运动变化特性的俯视摄像机，所述滑槽的侧面上方位置设有可以高速高清记录碎石颗粒的运动变化特性的侧视高速摄像机。
作为优选，所述的料斗前部设有档板，所述档板为液压开关式挡板，所述料斗四周接缝处涂抹凡士林和打注玻璃胶的一种，所述料斗的尺寸大小为50cm×50cm×50cm，已避免料斗漏水。
作为优选，所述的滑槽侧板为标注有尺寸网格线条的透明侧板，所述的侧板高50cm。
作为优选，所述滑槽的尺寸为长300cm，宽50cm，所述的滑槽底板为不锈钢板。
作为优选，所述的底板为已经按尺寸划分好网格的浅色底板。
作为优选，所述的滑体模型由粒径为20～30cm的碎石子200kg、红色喷漆、蓝色喷漆、银色喷漆、水和泥浆制成的三种滑体材料。
本发明还要解决的另一技术问题为提供一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型的试验方法，具体包括以下步骤：
1)选取滑体模型材料：按重量选取将粒径为20～30cm的碎石子200kg、红色喷漆、蓝色喷漆、银色喷漆、水和泥浆，备用；
2)制作滑体模型：将将碎石子采用红色、蓝色和银色喷漆进行上色，待完全风干后将总量为200kg的碎石子根据不同颜色分别布置在料斗的前中后位置，视为材料一；在材料一放置好碎石子的条件下，将水注入碎石子体中，使水没过碎石子，视为材料二；在材料一放置好碎石子的条件下，注入泥浆，设置泥浆土水比为1:2，采用“注入-静置-注入”循环的方式为使泥浆充分填充于碎石子孔隙中，视为材料三；
3)布置设备：根据场地情况按实验要求布置好滑槽设备、三维激光扫描设备、高速摄像设备，然后堆积底板；
4)滑坡滑动：开启料斗前部的挡板，使滑坡下滑；
5)数据收集：通过三维激光扫描仪采集滑坡滑后堆积状态，通过高速摄像机采集滑坡运动堆积变化数据，可得到滑坡运动速度变化曲线；
6)数据分析：分析不同流体材料拖曳影响下碎石子的运动能力，将步骤2)中提到的三种材料模型在滑槽抬升至20°角度时下滑堆积的运动距离进行对比研究，提出在滑坡运动过程中不同流体对固体的拖曳效应，分析不同颜色碎石子的分布位置；
7)计算结果：滑坡运动中块石所受水平拖曳力由两部分提供速度差导致的流体压强和流体粘滞力，可根据公式计算得出，得到实验数据，其中，FD为块石所受水平拖曳力，CD为拖曳力系数；ρ为块石的密度，μ为块石的作用流速，Α为块石在垂直于来流方向的投影面积。
本发明有益效果为：本发明的一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型试验方法，由于在各个方位设置了高速摄像机和三维激光扫描设备，能完整获得流态化滑坡体下滑的运动堆积特征，通过视频分析可以直观重复的观察到流固两相物质之间相互作用方式，通过对比试验分析不同材料的下滑速度、运动距离、堆积特征，得到不同流体介质运载情况下的流体拖曳效应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为发发明的变角度组合滑槽侧视图。
图2为本发明的变角度组合滑槽俯视图。
图3为本发明的试验模型下滑堆积及结果分析图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
在本实施例中，需要理解的是，术语“上面”、“下面”、“顶端”、“前端”、“后端”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，在本具体实施方式中如未特别说明部件之间的连接或固定方式，其连接或固定方式均可为通过现有技术中常用的螺栓固定或钉销固定，或销轴连接等方式，因此，在本实施例中不再详述。
实施例1
如图1-2所示，一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型,包括滑体模型和用于进行试验的组合滑坡，所述组合滑坡包括支架1、滑槽支架2和设置于支架1和滑槽支架2之间的滑槽3，所述的支架1顶端设有电动葫芦4，所述电动葫芦4的挂钩5上挂有缆绳6，所述缆绳6沿着支架1向下延伸，末端连接有料斗7，所述料斗7水平设置于滑槽3的尾端位置，所述的料斗7前部设有档板8，所述档板8为液压开关式挡板，所述料斗7四周接缝处涂抹凡士林和打注玻璃胶的一种，所述料斗7的尺寸大小为50cm×50cm×50cm；所述滑槽3出口外侧设有用于记录各组试验下滑堆积后的运动距离和运动速度变化的底板9，所述底板9前部设置有用于采集滑坡运动堆积变化数据的正视高速摄像机10，所述的底板9为已经按尺寸划分好网格的浅色底板，所述正视高速摄像机10后面设有用于采集滑坡滑后堆积状态的三维激光扫描仪11，所述滑槽3包括滑槽侧板12和滑槽底板13，所述滑槽侧板12的中间位置设有用于观测滑坡微观特征的滑槽高速摄像机14，所述的滑槽侧板12为标注有尺寸网格线条的透明侧板，所述的滑槽侧板12高50cm，所述滑槽3的尺寸为长300cm，宽50cm，所述的滑槽底板13为不锈钢板，所述滑槽3上方设置有可以高速高清记录碎石颗粒的运动变化特性的俯视摄像机15，所述滑槽3的侧面上方位置设有可以高速高清记录碎石颗粒的运动变化特性的侧视高速摄像机16。
所述的滑体模型由粒径为20cm的碎石子200kg、红色喷漆、蓝色喷漆、银色喷漆、水和泥浆制成的三种滑体材料。
一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型的试验方法，具体包括以下步骤：
1)选取滑体模型材料：按重量选取将粒径为20cm的碎石子200kg、红色喷漆、蓝色喷漆、银色喷漆、水和泥浆，备用；
2)制作滑体模型：将碎石子采用红色、蓝色和银色喷漆进行上色，待完全风干后将总量为200kg的碎石子根据不同颜色分别布置在料斗7的前中后位置，视为材料一；在材料一放置好碎石子的条件下，将水注入碎石子体中，使水没过碎石子，视为材料二；在材料一放置好碎石子的条件下，注入泥浆，设置泥浆土水比为1:2，采用“注入-静置-注入”循环的方式为使泥浆充分填充于碎石子孔隙中，视为材料三；
3)布置设备：根据场地情况按实验要求布置好滑槽设备、三维激光扫描设备、高速摄像设备，然后堆积底板；
4)滑坡滑动：开启料斗7前部的挡板，使滑坡下滑；
5)数据收集：通过三维激光扫描仪11采集滑坡滑后堆积状态，通过高速摄像机采集滑坡运动堆积变化数据，可得到滑坡运动速度变化曲线；
6)数据分析：分析不同流体材料拖曳影响下碎石子的运动能力将步骤2)中提到的三种材料模型在滑槽抬升至20°角度时下滑堆积的运动距离进行对比研究，提出在滑坡运动过程中不同流体对固体的拖曳效应，分析不同颜色碎石子的分布位置；
7)计算结果：滑坡运动中块石所受水平拖曳力由两部分提供速度差导致的流体压强和流体粘滞力，可根据公式计算得出，得到实验数据，其中，FD为块石所受水平拖曳力，CD为拖曳力系数；ρ为块石的密度，μ为块石的作用流速，Α为块石在垂直于来流方向的投影面积。
实施例2
如图1-2所示，一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型,包括滑体模型和用于进行试验的组合滑坡，所述组合滑坡包括支架1、滑槽支架2和设置于支架1和滑槽支架2之间的滑槽3，所述的支架1顶端设有电动葫芦4，所述电动葫芦4的挂钩5上挂有缆绳6，所述缆绳6沿着支架1向下延伸，末端连接有料斗7，所述料斗7水平设置于滑槽3的尾端位置，所述的料斗7前部设有档板8，所述档板8为液压开关式挡板，所述料斗7四周接缝处涂抹凡士林和打注玻璃胶的一种，所述料斗7的尺寸大小为50cm×50cm×50cm，所述滑槽3出口外侧设有用于记录各组试验下滑堆积后的运动距离和运动速度变化的底板9，所述底板9前部设置有用于采集滑坡运动堆积变化数据的正视高速摄像机10，所述的底板9为已经按尺寸划分好网格的浅色底板，所述正视高速摄像机10后面设有用于采集滑坡滑后堆积状态的三维激光扫描仪11，所述滑槽3包括滑槽侧板12和滑槽底板13，所述滑槽侧板12的中间位置设有用于观测滑坡微观特征的滑槽高速摄像机14，所述的滑槽侧板12为标注有尺寸网格线条的透明侧板，所述的滑槽侧板12高50cm，所述滑槽3的尺寸为长300cm，宽50cm，所述的滑槽底板13为不锈钢板，所述滑槽3上方设置有可以高速高清记录碎石颗粒的运动变化特性的俯视摄像机15，所述滑槽3的侧面上方位置设有可以高速高清记录碎石颗粒的运动变化特性的侧视高速摄像机16。
所述的滑体模型由粒径为25cm的碎石子200kg、红色喷漆、蓝色喷漆、银色喷漆、水和泥浆制成的三种滑体材料。
一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型的试验方法，具体包括以下步骤：
1)选取滑体模型材料：按重量选取将粒径为25cm的碎石子200kg、红色喷漆、蓝色喷漆、银色喷漆、水和泥浆，备用；
2)制作滑体模型：将将碎石子采用红色、蓝色和银色喷漆进行上色，待完全风干后将总量为200kg的碎石子根据不同颜色分别布置在料斗的前中后位置，视为材料一；在材料一放置好碎石子的条件下，将水注入碎石子体中，使水没过碎石子，视为材料二；在材料一放置好碎石子的条件下，注入泥浆，设置泥浆土水比为1:2，采用“注入-静置-注入”循环的方式为使泥浆充分填充于碎石子孔隙中，视为材料三；
3)根据场地情况按实验要求布置好滑槽设备、三维激光扫描设备、高速摄像设备，然后堆积底板；
4)滑坡滑动：开启料斗7前部的挡板，使滑坡下滑；
5))数据收集：通过三维激光扫描仪11采集滑坡滑后堆积状态，通过高速摄像机采集滑坡运动堆积变化数据，可得到滑坡运动速度变化曲线；
6)数据分析：分析不同流体材料拖曳影响下碎石子的运动能力将步骤2)中提到的三种材料模型在滑槽抬升至20°角度时下滑堆积的运动距离进行对比研究，提出在滑坡运动过程中不同流体对固体的拖曳效应，分析不同颜色碎石子的分布位置；
7)计算结果：滑坡运动中块石所受水平拖曳力由两部分提供速度差导致的流体压强和流体粘滞力，可根据公式计算得出，得到实验数据，其中，FD为块石所受水平拖曳力，CD为拖曳力系数；ρ为块石的密度，μ为块石的作用流速，Α为块石在垂直于来流方向的投影面积。
实施例3
如图1-2所示，一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型试验方法,包括滑体模型和用于进行试验的组合滑坡，所述组合滑坡包括支架1、滑槽支架2和设置于支架1和滑槽支架2之间的滑槽3，所述的支架1顶端设有电动葫芦4，所述电动葫芦4的挂钩5上挂有缆绳6，所述缆绳6沿着支架1向下延伸，末端连接有料斗7，所述料斗7水平设置于滑槽3的尾端位置，所述的料斗7前部设有档板8，所述档板8为液压开关式挡板，所述料斗7四周接缝处涂抹凡士林和打注玻璃胶的一种，所述料斗7的尺寸大小为50cm×50cm×50cm；所述滑槽3出口外侧设有用于记录各组试验下滑堆积后的运动距离和运动速度变化的底板9，所述底板9前部设置有用于采集滑坡运动堆积变化数据的正视高速摄像机10，所述的底板9为已经按尺寸划分好网格的浅色底板，所述正视高速摄像机10后面设有用于采集滑坡滑后堆积状态的三维激光扫描仪11，所述滑槽3包括滑槽侧板12和滑槽底板13，所述滑槽侧板12的中间位置设有用于观测滑坡微观特征的滑槽高速摄像机14，所述的滑槽侧板12为标注有尺寸网格线条的透明侧板，所述的滑槽侧板12高50cm，所述滑槽3的尺寸为长300cm，宽50cm，所述的滑槽底板13为不锈钢板，所述滑槽3上方设置有可以高速高清记录碎石颗粒的运动变化特性的俯视摄像机15，所述滑槽3的侧面上方位置设有可以高速高清记录碎石颗粒的运动变化特性的侧视高速摄像机16。
所述的滑体模型由粒径为30cm的碎石子200kg、红色喷漆、蓝色喷漆、银色喷漆、水和泥浆制成的三种滑体材料。
一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型的试验方法，具体包括以下步骤：
1)选取滑体模型材料：按重量选取将粒径为30cm的碎石子200kg、红色喷漆、蓝色喷漆、银色喷漆、水和泥浆，备用；
2)制作滑体模型：将将碎石子采用红色、蓝色和银色喷漆进行上色，待完全风干后将总量为200kg的碎石子根据不同颜色分别布置在料斗的前中后位置，视为材料一；在材料一放置好碎石子的条件下，将水注入碎石子体中，使水没过碎石子，视为材料二；在材料一放置好碎石子的条件下，注入泥浆，设置泥浆土水比为1:2，采用“注入-静置-注入”循环的方式为使泥浆充分填充于碎石子孔隙中，视为材料三；
3)根据场地情况按实验要求布置好滑槽设备、三维激光扫描设备、高速摄像设备，然后堆积底板；
4)滑坡滑动：开启料斗7前部的挡板，使滑坡下滑；
5))数据收集：通过三维激光扫描仪11采集滑坡滑后堆积状态，通过高速摄像机采集滑坡运动堆积变化数据，可得到滑坡运动速度变化曲线；
6)数据分析：分析不同流体材料拖曳影响下碎石子的运动能力将步骤2)中提到的三种材料模型在滑槽抬升至20°角度时下滑堆积的运动距离进行对比研究，提出在滑坡运动过程中不同流体对固体的拖曳效应，分析不同颜色碎石子的分布位置；
7)计算结果：滑坡运动中块石所受水平拖曳力由两部分提供速度差导致的流体压强和流体粘滞力，可根据公式根据公式计算得出，得到实验数据，其中，FD为块石所受水平拖曳力，CD为拖曳力系数；ρ为块石的密度，μ为块石的作用流速，Α为块石在垂直于来流方向的投影面积。
根据图3得到本试验模型下滑堆积及结果数据表
| 材料 | 角度(°) | 水平堆积距离(cm) | 拖曳力作用 |
| 碎石子 | 20° | 240 | 无 |
| 碎石子加泥浆 | 20° | 430 | 粘滞力 |
| 碎石子加水 | 20° | 640 | 速度差 |
由图3以及以上数据表可知，以水为流体介质的滑体，由于水的冲击速度压强差，后部的滑体会被冲到前方，以泥浆为流体介质的滑体由于拖曳系数的影响，根据颜色分布，前中后碎石子位置顺序基本和滑前保持一致，证明以水为流体拖曳时，由于水的粘滞系数较小，流动性强，导致流体速度(公式中的μ2)导致压强差拖曳固体颗粒下滑，以泥浆为流体拖曳时，由于泥浆粘滞系数大(公式中的CD)，因此流动性也比较差，颗粒被拖曳更多是由于流体拖曳系数导致。
本发明的有益效果为：本发明的一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型试验方法，由于在各个方位设置了高速摄像机和三维激光扫描设备，能完整获得流态化滑坡体下滑的运动堆积特征，通过视频分析可以直观重复的观察到流固两相物质之间相互作用方式，通过对比试验分析不同材料的下滑速度、运动距离、堆积特征，得到不同流体介质运载情况下的流体拖曳效应。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型,包括滑体模型和进行试验的组合滑坡，其特征在于：所述组合滑坡包括支架、滑槽支架和设置于支架和滑槽支架之间的滑槽，所述的支架顶端设有电动葫芦，所述电动葫芦的挂钩上挂有缆绳，所述缆绳沿着支架向下延伸，末端连接有料斗，所述料斗水平设置于滑槽的尾端位置，所述滑槽出口外侧设有用于记录各组试验下滑堆积后的运动距离和运动速度变化的底板，所述底板前部设置有用于采集滑坡运动堆积变化数据的正视高速摄像机，所述正视高速摄像机后面设有用于采集滑坡滑后堆积状态的三维激光扫描仪，所述滑槽包括滑槽侧板和滑槽底板，所述滑槽侧板的中间位置设有用于观测滑坡的微观特征的滑槽高速摄像机，所述滑槽上方设置有可以高速高清记录碎石颗粒的运动变化特性的俯视摄像机，所述滑槽的侧面上方位置设有可以能高速高清记录碎石颗粒的运动变化特性的侧视高速摄像机。
2.如权利要求1所述的一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型，其特征在于：所述的料斗前部设有档板，所述档板为液压开关式挡板，所述料斗四周接缝处涂抹凡士林和打注玻璃胶的一种，所述料斗的尺寸大小为50cm×50cm×50cm。
3.如权利要求1所述的一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型，其特征在于：所述的滑槽侧板为标注有尺寸网格线条的透明侧板，所述的侧板高50cm。
4.如权利要求1所述的一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型，其特征在于：所述滑槽的尺寸为长300cm，宽50cm，所述的滑槽底板为不锈钢板。
5.如权利要求1所述的一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型，其特征在于：所述的底板为已经按尺寸划分好网格的浅色底板。
6.如权利要求1所述的一种流态化滑坡流体拖曳效应的模型，其特征在于：所述的滑体模型由粒径为20～30cm的碎石子200kg、红色喷漆、蓝色喷漆、银色喷漆、水和泥浆制成的三种滑体材料。
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2017
- 2017-08-23 CN CN201710731908.3A patent/CN107478779B/zh active Active
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