CN107843714B - 泥石流试验用人工降雨模拟装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种泥石流试验用人工降雨模拟装置，能够模拟不同的降雨类型，并建立不同降雨类型下的泥石流启动模型，为泥石流预测预报提供依据。通过人工降雨装置来模拟降雨情况，通过降雨监测装置监测不同雨量下的土层变化情况，经控制装置录泥石流发生过程中的坡面径流、坡体内部径流、土体蠕滑变形情况及形成泥石流的时间，能够建立不同降雨类型下的泥石流启动模型。本发明中的压力控制阀可以对河水的固体颗粒和浮游植物等进行很好的过滤，节能环保，并可以延长喷头的使用寿命。

Description

泥石流试验用人工降雨模拟装置
技术领域
本发明涉及泥石流启动试验技术领域，具体是一种泥石流试验用人工降雨模拟装置及模拟方法。
背景技术
泥石流是一种饱含大量泥沙石块和巨砾的固液两相流体，具有暴发突然、搬运冲击淤埋能力强的特点，且有很大的破坏力，泥石流的性质决定了它的形成需要充足的水源。我国引发泥石流的水源主要来自暴雨，表现为当降雨量达到某一临界雨量值时就会形成灾害。所以，临界雨量的确定对研究泥石流形成机制、分析预测泥石流未来活动特点以及指导泥石流防治工程设计等方面均具有重要意义。
观测和统计资料表明，单沟泥石流和区域泥石流的发生都存在一个临界雨量阈值，该阈值可根据泥石流发生的灾害历史事件和地貌、地质、地形、土壤、植被等影响因素或者试验方法予以确定。近年来，降雨型泥石流发生雨量条件的研究以及基于降雨因素的灾害预测预报问题备受国内外诸多泥石流学者的关注，成为近十多年来泥石流研究的一个热点问题，众多地质灾害学者通过10min雨强，1h雨强，24h雨量，前n天有效雨量等降雨指标与泥石流发生关系的试验和统计，建立了一系列基于雨量和雨强的预测预报模型，在很大程度上推动了泥石流灾害预测预报问题的解决，并为我国防灾减灾工作做出了贡献。
然而，已有的泥石流预报模型多是基于统计数据建立的，泥石流多发于监测资料匮乏的偏远山区，已有的很多模型普适性无法满足防灾减灾的需要，根据下垫面条件开展泥石流启动原位试验或模型试验，进而根据下垫面条件确定各区域泥石流启动的雨量阈值，结合试验现象可以分析泥石流启动的特点、泥石流规模及堆积特征，分析泥石流成灾能力，评价潜在的影响范围，并建立泥石流启动模型，为今后泥石流预测预报提供依据。现有的泥石流启动人工降雨装置，结构设置较为单一，无法模拟区域点暴雨对泥石流启动的影响，且降雨条件无法调控，模拟降雨与实际降雨条件差异显著，导致获取的数据失真，建立的模型其精度无法满足防灾减灾需要。
在山区等偏远地区进行模拟降雨时，所用的水源多为当地的河流中的水，但河流中的水含有很多固体颗粒和浮游植物等，直接用来拟降雨，容易造成喷水装置的堵塞。
发明内容
本发明的目的在于提供一种泥石流试验用人工降雨模拟装置及模拟方法，能够模拟不同的降雨类型，并建立不同降雨类型下的泥石流启动模型，为泥石流预测预报提供依据。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
泥石流试验用人工降雨模拟装置，包括人工降雨装置、降雨监测装置及控制装置，所述人工降雨装置包括水箱、水泵、降雨支架及降雨喷头，降雨喷头设置于降雨支架上，降雨喷头经输水管道连接水箱，水箱与水泵相连；所述降雨监测装置采用雨量计，雨量计设置于降雨喷头下方，雨量计与控制装置相连。
优选地，所述降雨监测装置还包括定杆、测量杆、含水率传感器及位移传感器，所述定杆插入降雨区域外的土层中，定杆上部设置有拉伸传感器，测量杆插入降雨区域内的土层中，测量杆的顶部经钢丝连接拉伸传感器，所述含水率传感器及位移传感器均埋设于降雨范围内的土层中，拉伸传感器、含水率传感器及位移传感器的输出端均与控制装置相连。
优选地，所述降雨监测装置还包括摄像机，摄像机经降雨支架设置于降雨范围外，摄像机与控制装置相连。
优选地，所述降雨支架包括底座、升降油缸、支板、第一调节油缸及第二调节油缸，所述支板经升降油缸与底座相连，由升降油缸的伸缩带动支板升降，所述第一调节油缸的下端与支板铰接，另一端连接降雨喷头，第一调节油缸的中部与第二调节油缸的一端铰接，第二调节油缸的另一端与支板铰接，通过第一调节油缸和升降油缸的伸缩能够改变降雨喷头的高度，通过第二调节油缸的伸缩能够改变降雨喷头与水平面之间的倾斜角度。
优选地，所述水箱包括总水箱和若干个分水箱，总水箱经输水管道分别与各个分水箱相连，所述降雨支架和降雨喷头也有多个，各个降雨喷头分别设置于降雨支架上，各个分水箱分别经输水管道与降雨喷头相连。
优选地，所述总水箱及各个分水箱的出水口处均设置有压力控制阀，所述总水箱和分水箱上均设置有压力表和排气阀。
优选地，所述控制装置包括信号处理单元及单片机，信号处理单元的输入端分别与雨量计、摄像机、拉伸传感器、含水率传感器、位移传感器及压力表的输出端相连，信号处理单元的输出端与单片机相连，单片机的输出端分别与压力控制阀、排气阀、升降油缸、第一调节油缸及第二调节油缸相连。
优选地，还包括远程服务器，远程服务器经无线与单片机通信。
优选的，所述压力控制阀包括球阀体、球阀芯和微型发电机，球阀体的两端分别设置有左端盖和右端盖，左端盖和球阀芯之间设置有过滤网，微型发电机的微型涡轮卡接在过滤网与左端盖之间的阀体内壁上，微型发电机的电流输出端电性连接有蓄电池；球阀芯上连接有传动杆，传动杆与微调电机的输出轴通过齿轮啮合连接；球阀体内设置有压力传感器，压力传感器与控制器电性连接，控制器与微调电机电性连接；左端盖与过滤网之间的球阀体下端设置有排污装置。
本发明所涉及的未说明部分，如微型发电机、控制器等，均为现有技术中的常规技术手段，此处不再赘述。
利用上述泥石流试验用人工降雨模拟装置进行人工降雨模拟的方法，依次包括以下步骤：
（1）在野外选择合适坡面作为试验地点，利用罗盘测量坡面的坡度，并测定坡面土体的土体的密度、前期含水量及颗粒组成特征；
（2）划定试验区域，布置降雨支架，并调整降雨喷头方向，保证降雨均匀；
（3）在降雨区域内布置雨量计、测量杆、含水率传感器及位移传感器，在降雨区域外布置定杆、拉伸传感器及摄像机；
（4）打开人工降雨装置、降雨监测装置及控制装置，开始试验；
（5）分别记录实际降雨量、土壤含水率、土壤的位移量及拉伸传感器的拉伸量，并将检测到的数据发送至控制装置，控制装置根据采集到的数据，结合摄像机14拍摄的画面，判断是否发生泥石流，由单片机记录泥石流发生过程中的坡面径流、坡体内部径流、土体蠕滑变形情况及形成泥石流的时间；
（6）调节压力控制阀的开度，从而调节降雨喷头的喷雨量，模拟不同的降雨情况；
（7）重复步骤（5）及步骤（6），记录在不同降雨情况下泥石流的发生过程，并建立不同降雨情况下泥石流发生过程中的坡面径流、坡体内部径流、土体蠕滑变形情况及形成泥石流的时间。
本发明通过人工降雨装置来模拟降雨情况，通过降雨监测装置监测不同雨量下的土层变化情况，经控制装置录泥石流发生过程中的坡面径流、坡体内部径流、土体蠕滑变形情况及形成泥石流的时间，能够建立不同降雨类型下的泥石流启动模型；通过调节压力控制阀的开度，能够调整水箱内的压力大小，根据区域下垫面条件及降雨特征设置相应的压力，进而控制降雨类型，通过调整分水箱内部压力值，能够模拟区域点暴雨集中现象，通过关闭分水箱中的一个或多个，可以模拟大风天气下的降雨过程，也可通过重叠降雨区模拟暴风雨类型，模拟结果快速准确；降雨监测装置能够实时采集土壤的变化情况，从而准确检测到泥石流的启动时间及形成过程，为泥石流预测预报提供依据。本发明中的压力控制阀可以对河水的固体颗粒和浮游植物等进行很好的过滤，节能环保，并可以延长喷头的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明所述降雨支架的结构示意图；
图3为本发明的原理框图；
图4为实施例1中压力控制阀的结构示意图；
图5为实施例1中压力控制阀的俯视图；
图6为实施例1中球阀芯与传动杆连接处的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1至图6所示，本发明所述的泥石流试验用人工降雨模拟装置，包括人工降雨装置、降雨监测装置、控制装置及远程服务器，人工降雨装置用于实现人工降雨，降雨监测装置用于监测降雨量及土层的变化，控制装置用于控制人工降雨装置和降雨监测装置工作，控制装置经无线与远程服务器通信。
人工降雨装置包括电机1、水箱、水泵2、降雨支架11及降雨喷头12，水箱包括总水箱4和若干个分水箱8，在本实施例中，分水箱8有四个，总水箱4经水泵2连接电机，总水箱4还经输水管道3分别与各个分水箱8相连，降雨支架11和降雨喷头12也有四个，各个降雨喷头12分别设置于降雨支架11上，各个分水箱8分别经输水管道3与降雨喷头12相连，总水箱4及各个分水箱8的出水口处的输水管道3均设置有压力控制阀7，总水箱4和分水箱8上均设置有压力表5和排气阀6，通过调节压力控制阀7的开度，能够调整总水箱4和各个分水箱8的水压，从而调节降雨量，压力表5用于检测总水箱4及各个分水箱8内的压力值，排气阀6用于调节总水箱4和分水箱8内的压力，避免水箱内压力波动过大而对试验造成影响，压力表与控制装置的输入端相连，控制装置的输出端分别与压力控制阀7和排气阀6相连。
降雨支架包括底座11-1、升降油缸11-2、支板11-3、第一调节油缸11-5及第二调节油缸11-4，支板11-3经升降油缸11-2与底座11-1相连，由升降油缸11-2的伸缩带动支板11-3升降，第一调节油缸11-5的下端与支板11-3铰接，另一端连接降雨喷头12，第一调节油缸11-5的中部与第二调节油缸11-4的一端铰接，第二调节油缸11-4的另一端与支板11-3铰接，通过第一调节油缸11-5和升降油缸11-2的伸缩能够改变降雨喷头12的高度，通过第二调节油缸11-4的伸缩能够改变降雨喷头12与水平面之间的倾斜角度。升降油缸11-2、第一调节油缸11-5及第二调节油缸11-4分别与控制装置相连，升降油缸11-2、第一调节油缸11-5及第二调节油缸11-4均为现有油缸，其结构及工作原理不再赘述。此外，降雨喷头12与第一调节油缸11-5之间为可拆卸连接，在使用时可以更换不同规格的降雨喷头12，从而模拟从小雨到暴雨的不同类型的雨强。
降雨监测装置包括雨量计10、定杆、测量杆、含水率传感器、位移传感器及摄像机14，定杆插入降雨区域外的土层中，定杆上部设置有拉伸传感器，测量杆插入降雨区域内的土层中，测量杆的顶部经钢丝连接拉伸传感器，含水率传感器及位移传感器均埋设于降雨范围内的土层中，摄像机14经摄像机支架13设置于降雨范围外，雨量计10设置于降雨喷头12的下方，雨量计10、拉伸传感器、含水率传感器、位移传感器及摄像机14的输出端均与控制装置相连。
控制装置包括信号处理单元及单片机，信号处理单元的输入端分别与雨量计10、摄像机14、拉伸传感器、含水率传感器、位移传感器及压力表5的输出端相连，信号处理单元的输出端与单片机相连，单片机的输出端分别与压力控制阀7和排气阀6相连。
在本实施例中，电机1采用采用3kw汽油发电机，水泵2采用70米扬程变频恒压水泵，降雨支架11的总高度为3.5米，输水管道3采用高压橡胶水管，压力控制阀7采用电磁阀，压力控制阀7与输水管道3的连接处用密封胶带处理，防止漏水。
所述压力控制阀7包括球阀体701、球阀芯712和微型发电机，球阀体701的两端分别设置有左端盖702和右端盖703，左端盖702和球阀芯712之间设置有过滤网705，微型发电机的微型涡轮704卡接在过滤网705与左端盖702之间的球阀体701内壁上，微型发电机的电流输出端电性连接有蓄电池709；球阀芯712上连接有传动杆711，传动杆711与微调电机710的输出轴通过齿轮啮合连接；球阀体701内设置有压力传感器708，压力传感器708与控制器706电性连接，控制器706与微调电机710电性连接，控制器706、微调电机710均与蓄电池709电性连接；左端盖702与过滤网705之间的球阀体701下端设置有排污装置（排污管）707。
本发明中的压力控制阀8的球阀体的左端盖与进水端相连，水流通过带动微型涡轮进行发电，并储存在蓄电池中，蓄电池为微调电机和控制器提供电力；通过比较输入的降雨数据和阀体内的水流压力，控制器控通过微调电机控制压力控制阀的开合大小；水流的杂物通过过滤网进行过滤，积累到一定时间后通过排污装置排出。
一种利用泥石流试验用人工降雨模拟装置进行人工降雨模拟的方法，依次包括以下步骤：
（1）在野外选择合适坡面作为试验地点，利用罗盘测量坡面的坡度，并测定坡面土体的土体的密度、前期含水量及颗粒组成特征；
测定坡面土体的土体的密度、前期含水量及颗粒组成特征，能够根据坡面土体的特征选择降雨量，同时便于分析不同土质下的泥石流发生情况。
（2）划定试验区域，布置降雨支架11，并调整降雨喷头12方向，保证降雨均匀；
（3）在降雨区域内布置雨量计10、测量杆、含水率传感器及位移传感器，在降雨区域外布置定杆、拉伸传感器及摄像机14；
（4）打开人工降雨装置、降雨监测装置及控制装置，开始试验；
（5）分别记录实际降雨量、土壤含水率、土壤的位移量及拉伸传感器的拉伸量，并将检测到的数据发送至控制装置，控制装置根据采集到的数据，结合摄像机14拍摄的画面，判断是否发生泥石流，由单片机记录泥石流发生过程中的坡面径流、坡体内部径流、土体蠕滑变形情况及形成泥石流的时间；
（6）调节压力控制阀7的开度，从而调节降雨喷头12的喷雨量，模拟不同的降雨情况；
若区域存在暴雨集中或长时间大风降雨天气，可以通过调节分水箱8内的压力进行控制，也可以将各降雨喷头12的降雨区进行重叠，模拟暴风雨模式下的降雨过程。
（7）重复步骤（5）及步骤（6），记录在不同降雨情况下泥石流的发生过程，并建立不同降雨情况下泥石流发生过程中的坡面径流、坡体内部径流、土体蠕滑变形情况及形成泥石流的时间。
本发明结构简单，操作方便，能够模拟不同的降雨类型，并且能够在不同的降雨类型下检测泥石流发生过程中的坡面径流、坡体内部径流、土体蠕滑变形情况及形成泥石流的时间，检测结果快速准确，为泥石流预测预报提供依据。

Claims (6)

1.一种泥石流试验用人工降雨模拟装置，其特征在于：包括人工降雨装置、降雨监测装置及控制装置，所述人工降雨装置包括水箱、水泵、降雨支架及降雨喷头，降雨喷头设置于降雨支架上，降雨喷头经输水管道连接水箱，水箱与水泵相连；所述降雨监测装置采用雨量计，雨量计设置于降雨喷头下方，雨量计与控制装置相连；所述水箱包括总水箱和多个分水箱，总水箱经多个输水管道分别与各个分水箱相连，所述总水箱和分水箱上均设置有压力表和排气阀；所述降雨支架和降雨喷头也有多个，各个降雨喷头分别设置于降雨支架上，各个分水箱分别经多个输水管道与降雨喷头相连；所述总水箱及各个分水箱的出水口处均设置有压力控制阀；所述压力控制阀包括球阀体、球阀芯和微型发电机，球阀体的两端分别设置有左端盖和右端盖，左端盖和球阀芯之间设置有过滤网，微型发电机的微型涡轮卡接在过滤网与左端盖之间的阀体内壁上，微型发电机的电流输出端电性连接有蓄电池；球阀芯上连接有传动杆，传动杆与微调电机的输出轴通过齿轮啮合连接；球阀体内设置有压力传感器，压力传感器与控制器电性连接，控制器与微调电机电性连接；左端盖与过滤网之间的球阀体下端设置有排污装置。
2.如权利要求1所述的泥石流试验用人工降雨模拟装置，其特征在于：所述降雨监测装置还包括定杆、测量杆、含水率传感器及位移传感器，所述定杆插入降雨区域外的土层中，定杆上部设置有拉伸传感器，测量杆插入降雨区域内的土层中，测量杆的顶部经钢丝连接拉伸传感器，所述含水率传感器及位移传感器均埋设于降雨范围内的土层中，拉伸传感器、含水率传感器及位移传感器的输出端均与控制装置相连。
3.如权利要求2所述的泥石流试验用人工降雨模拟装置，其特征在于：所述降雨监测装置还包括摄像机，摄像机经降雨支架设置于降雨范围外，摄像机与控制装置相连。
4.如权利要求2或3所述的泥石流试验用人工降雨模拟装置，其特征在于：所述降雨支架包括底座、升降油缸、支板、第一调节油缸及第二调节油缸，所述支板经升降油缸与底座相连，由升降油缸的伸缩带动支板升降，所述第一调节油缸的下端与支板铰接，另一端连接降雨喷头，第一调节油缸的中部与第二调节油缸的一端铰接，第二调节油缸的另一端与支板铰接，通过第一调节油缸和升降油缸的伸缩能够改变降雨喷头的高度，通过第二调节油缸的伸缩能够改变降雨喷头与水平面之间的倾斜角度。
5.如权利要求4所述的泥石流试验用人工降雨模拟装置，其特征在于：所述控制装置包括信号处理单元及单片机，信号处理单元的输入端分别与雨量计、摄像机、拉伸传感器、含水率传感器、位移传感器及压力表的输出端相连，信号处理单元的输出端与单片机相连，单片机的输出端分别与压力控制阀、排气阀、升降油缸、第一调节油缸及第二调节油缸相连。
6.如权利要求5所述的泥石流试验用人工降雨模拟装置，其特征在于：还包括远程服务器，远程服务器经无线与单片机通信。
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