CN108009371B - 一种泥石流运动的底床阻力测算方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种泥石流运动的底床阻力测算方法及其应用。所述测算方法首先在水槽中部底床设置组合了两个压力传感器和一个拉力传感器的剪力盒，然后采集剪力盒的内置盒质量、剪力盒放置坡度、进行水槽实验前的拉力传感器和压力传感器测量值，接着进行水槽实验，并采集泥石流经过时两个压力传感器和一个拉力传感器的测量值，最后计算得到泥石流运动的底床阻力。本发明的泥石流运动底床阻力测算方法通过组合两个压力传感器和一个拉力传感器，能够直接测量并计算得到泥石流在运动过程中的底床阻力，为验证泥石流运动阻力模型以及认识泥石流运动、堆积机理提供可靠的数据，且本发明的剪力盒结构简单，能方便地用于泥石流动力学实验。

Description

一种泥石流运动的底床阻力测算方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种泥石流运动的底床阻力测算方法，及其在泥石流动力学实验中的应用。
背景技术
泥石流是山区常见的地质灾害，常常威胁山区人民的生命和财产安全。为了减轻泥石流灾害带来的损失，诸如拦挡坝等防治工程常被用来调节物质和能量，而这些工程措施的设计需要对泥石流的运动有较为深入的认识。
泥石流之所以会形成很大灾害的一个主要原因是这些颗粒物质的运动具有超强流动特性。这种超强运动性表现为很高的运动流速和很远的冲出距离。高速使得其具有很强的冲击力，对沿程的结构物具有极强的冲击破坏力；超远的冲出距离使得危害的范围大大增加。因此，对泥石流运动的阻力特性的研究是非常重要的一个研究课题。由于直接测量泥石流运动阻力存在困难，目前泥石流运动阻力的确定主要是基于一些理论推导，而缺乏针对泥石流运动阻力的直接测量计算，使得对泥石流运动的认识存在很大的局限性。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种在泥石流动力学实验中测算泥石流运动的底床阻力的方法，该方法能够通过泥石流水槽实验直接测量并计算得到泥石流运动的底床阻力，为验证泥石流运动阻力模型以及认识泥石流运动、堆积机理提供可靠的数据。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
泥石流运动的底床阻力的确定是研究泥石流运动及动力学特性的关键要素。为了能直接测量得到测算泥石流运动底床阻力所需参数，本发明设计了一个剪力盒。具体而言，本发明提出一种泥石流运动的底床阻力测算方法，具体步骤如下：
(一)设置水槽，将剪力盒设于水槽中部的底床中央位置。所述剪力盒包括一个外置盒和一个设于外置盒内的内置盒；内置盒底面与外置盒底面之间通过动滑轮连接，内置盒在外置盒内能自由滑动；内置盒顶面与外置盒顶面位于同一平面、且通过柔性防水布料相连接，内置盒顶面为剪力板；内置盒内设有支架(用于支撑能测量泥石流总压力的压力传感器A)，支架上设有与剪力板无缝相连的压力传感器A；内置盒的上游端通过拉力传感器与外置盒连接，内置盒的下游端通过压力传感器B与外置盒连接。
(二)通过实际测量，确定内置盒的质量m、单位kg；通过现场调查，确定剪力盒放置坡度θ、单位°，由于野外泥石流沟道流通段的自然坡度为0-20°之间，因此水槽坡度为0-20°之间，剪力盒放置坡度θ一般为0°-20°；采集没有泥石流经过剪力板时拉力传感器的测量值f0拉、单位N；采集没有泥石流经过剪力板时压力传感器B的测量值f0压、单位N。
(三)配制相应容重和粘度的泥石流进行水槽实验，采集泥石流经过剪力板时拉力传感器的测量值f拉、单位N，泥石流经过剪力板时压力传感器B的测量值f压、单位N，及泥石流经过剪力板时压力传感器A的测量值σ1、单位N。
(四)通过以下公式确定泥石流运动的底床阻力f泥
Figure BDA0001507198130000031
式中，f泥—泥石流运动的底床阻力，单位N；
f压—泥石流经过剪力板时压力传感器B的测量值，单位N，由步骤(三)确定；
f拉—泥石流经过剪力板时拉力传感器的测量值，单位N，由步骤(三)确定；
m—内置盒(2)的质量，单位kg，由步骤(二)确定；
g—重力加速度，取值9.8m/s2；
θ—剪力盒放置坡度，单位°，由步骤(二)确定；
σ1—泥石流经过剪力板时压力传感器A的测量值，单位N，由步骤(三)确定；
f0压—没有泥石流经过剪力板时压力传感器B的测量值，单位N，由步骤(二)确定；
f0拉—没有泥石流经过剪力板时拉力传感器的测量值，单位N，由步骤(二)确定。
所述泥石流运动的底床阻力测算方法适用于泥石流动力学实验中测量泥石流运动的底床阻力。本发明的主要技术思想：当泥石流向下运动时，对内置盒做受力分析得
mgsinθ-(mgcosθ+σ1)μ+f泥-f压-f拉＝0 公式1
公式1中，m为内置盒的质量，单位kg；g为重力加速度，取g＝9.8m/s2；θ为剪力盒放置坡度，单位°；σ1为泥石流经过剪力板时压力传感器A的测量值，单位牛顿；μ为内置盒与外置盒之间的滑动摩擦系数；f泥为泥石流运动的底床阻力，单位牛顿；f压为泥石流经过剪力板时压力传感器B的测量值，单位牛顿；f拉为泥石流经过剪力板时拉力传感器的测量值，单位牛顿。
在测量泥石流底床运动阻力之前，需要用公式2对内置盒底面的滑动摩擦进行标定，如下式所示，
Figure BDA0001507198130000041
公式2中，μ为内置盒与外置盒之间的滑动摩擦系数；θ为剪力盒放置坡度，单位°；m为内置盒的质量，单位kg；g为重力加速度，取g＝9.8m/s2；f0压为没有泥石流经过剪力板时压力传感器B的测量值，单位牛顿；f0拉为没有泥石流经过剪力板时拉力传感器的测量值，单位牛顿。
结合公式1和公式2可以计算得到泥石流底床的运动阻力f泥，如下式所示，
Figure BDA0001507198130000042
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过组合两个压力传感器和一个拉力传感器，能够直接测量并计算得到泥石流在运动过程中的底床阻力，且本发明的剪力盒结构简单，能方便地用于泥石流动力学实验。
附图说明
图1是实施例中泥石流动力学实验示意图。
图2是剪力盒的纵坡面结构示意图
图中标号如下：
1 外置盒 2 内置盒
3 动滑轮 4 柔性防水布料
5 剪力板 6 支架
7 压力传感器A 8 拉力传感器
9 压力传感器B 10 水槽
11 剪力盒 12 闸门
13 料斗
θ 剪力盒放置坡度
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例作进一步的描述。
如图1、图2所示。采用本发明的测算方法在泥石流动力学实验中测算泥石流运动的底床阻力，具体步骤如下：
第一步，搭建泥石流动力学实验所需装置，如图1所示，其中水槽10长6m、宽0.4m、水槽10坡度为10°，将剪力盒11设于水槽10中部的底床、距闸门12位置3.0m处。所述剪力盒11包括一个外置盒1和一个设于外置盒1内的内置盒2；内置盒2底面与外置盒1底面之间通过动滑轮3连接，内置盒2在外置盒1内能自由滑动；内置盒2顶面与外置盒1顶面位于同一平面、且通过柔性防水布料4相连接，内置盒2顶面为面积S＝0.01m2的剪力板5；内置盒2内设有支架6，支架6上设有与剪力板5相连的压力传感器A7；内置盒2的上游端通过拉力传感器8与外置盒1连接，内置盒2的下游端通过压力传感器B 9与外置盒1连接。
第二步，通过实际测量，确定内置盒2的质量m为0.1kg；通过现场调查，确定剪力盒11放置坡度θ为10°；采集没有泥石流经过剪力板5时拉力传感器8的测量值f0拉为0.020N；采集没有泥石流经过剪力板5时压力传感器B 9的测量值f0压为0.015N。
第三步，配制实验用泥石流进行水槽实验，泥石流流体密度为1700kg/m3，方量为0.19m3，置于料斗13中，提拉闸门12释放泥石流。采集泥石流经过剪力板5时拉力传感器8的测量值f拉为0.752N，泥石流经过剪力板5时压力传感器B 9的测量值f压为0.478N，及泥石流经过剪力板5时压力传感器A7的测量值σ1为13.328N。
第四步，通过以下公式确定泥石流运动的底床阻力f泥
Figure BDA0001507198130000061
计算得到泥石流运动的底床阻力f泥为1.360N。
进一步，将得到的泥石流运动的底床阻力f泥除以剪力板5的面积S就可得到泥石流运动底床的剪应力τ，即
Figure BDA0001507198130000062
实验过程中实测泥石流运动流速为3.0m/s，泥深为0.08m。
将流体密度为1700kg/m3、方量为0.29m3的泥石流置于料斗13中，再次进行水槽实验，即再次进行上述方法的第三步和第四步；采集泥石流经过剪力板5时拉力传感器8的测量值f拉为0.784N，泥石流经过剪力板5时压力传感器B 9的测量值f压为0.481N，及泥石流经过剪力板5时压力传感器A7的测量值σ1为19.992N；计算得到泥石流运动的底床阻力f泥为1.535N；进一步计算得到泥石流运动底床的剪应力τ＝153.5Pa，实测泥石流运动流速为5.2m/s，泥深为0.12m。
假定泥石流体为宾汉流体，即
Figure BDA0001507198130000063
式中τ为泥石流底床剪应力，τb为泥石流体屈服应力，η为泥石流体粘滞系数，u为泥石流流速，h为泥石流流深。将两次实验测量数据代入宾汉模型分别得
Figure BDA0001507198130000064
及
Figure BDA0001507198130000065
联立两个方程得τb＝23.5Pa，η＝1.0Pa·s。
采集水槽实验所用泥石流样品进行室内流变实验，得到泥石流体屈服应力为22.7Pa，泥石流体粘滞系数为0.96Pa·s，这一结果与上述水槽实验得到的流变参数几乎一致。因此，可以验证本发明的泥石流运动的底床阻力测算方法能够用于泥石流动力学实验中流变参数的确定。

Claims (3)

1.一种泥石流运动的底床阻力测算方法，其特征在于：所述泥石流运动的底床阻力测算方法步骤如下：
(一)将剪力盒(11)设于水槽(10)中部的底床；所述剪力盒(11)包括一个外置盒(1)和一个设于外置盒(1)内的内置盒(2)，内置盒(2)底面与外置盒(1)底面之间通过动滑轮(3)连接、内置盒(2)在外置盒(1)内能自由滑动，内置盒(2)顶面与外置盒(1)顶面位于同一平面、且通过柔性防水布料(4)相连接，内置盒(2)顶面为剪力板(5)，内置盒(2)内设有支架(6)，支架(6)上设有与剪力板(5)相连的压力传感器A(7)，内置盒(2)的上游端通过拉力传感器(8)与外置盒(1)连接，内置盒(2)的下游端通过压力传感器B(9)与外置盒(1)连接；
(二)通过实际测量，确定内置盒(2)的质量m、单位kg；通过现场调查，确定剪力盒(11)放置坡度θ、单位°；采集没有泥石流经过剪力板(5)时拉力传感器(8)的测量值f0拉、单位N；采集没有泥石流经过剪力板(5)时压力传感器B(9)的测量值f0压、单位N；
(三)进行水槽实验，采集泥石流经过剪力板(5)时拉力传感器(8)的测量值f拉、单位N，泥石流经过剪力板(5)时压力传感器B(9)的测量值f压、单位N，及泥石流经过剪力板(5)时压力传感器A(7)的测量值σ1、单位N；
(四)通过以下公式确定泥石流运动的底床阻力f泥
Figure FDA0002679574530000011
式中，f泥—泥石流运动的底床阻力，单位N；
f压—泥石流经过剪力板(5)时压力传感器B(9)的测量值，单位N，由步骤(三)确定；
f拉—泥石流经过剪力板(5)时拉力传感器(8)的测量值，单位N，由步骤(三)确定；
m—内置盒(2)的质量，单位kg，由步骤(二)确定；
g—重力加速度，取值9.8m/s2；
θ—剪力盒(11)放置坡度，单位°，由步骤(二)确定；
σ1—泥石流经过剪力板(5)时压力传感器A(7)的测量值，单位N，由步骤(三)确定；
f0压—没有泥石流经过剪力板(5)时压力传感器B(9)的测量值，单位N，由步骤(二)确定；
f0拉—没有泥石流经过剪力板(5)时拉力传感器(8)的测量值，单位N，由步骤(二)确定。
2.根据权利要求1所述泥石流运动的底床阻力测算方法，其特征在于：剪力盒(11)放置坡度θ为0°-20°。
3.根据权利要求1所述泥石流运动的底床阻力测算方法，其特征在于：适用于泥石流动力学实验。
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