CN109211522A - 泥石流泥舌沿程空间演化测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及一种泥石流泥舌沿程空间演化测量系统及测量方法，系统包括：泥舌形成装置，具有支架和输送沟槽；输送沟槽的出口端具有使泥石流形成泥舌的溢流口；泥舌观测装置，具有底端开口的箱体，出口端与箱体连通；尾料池装置，具有设置在箱体下方的尾料池本体，尾料池本体中设置有多个顶端开口的采样盒；测量装置，具有第一传感器、多个第二传感器和多个图像采集器；第一传感器设置在溢流口处；各第二传感器分别设置在各采样盒上；各图像采集器设置在箱体的外周；分析装置，与第一传感器、第二传感器和图像采集器电连接。本发明实施例的系统能够模拟泥石流形成的泥舌过坝下泄过程，克服了无法有效获取泥舌流体特性、运动特征参数问题。
Description
技术领域
本发明涉及实验装置技术领域，特别涉及一种泥石流泥舌沿程空间演化测量系统及测量方法。
背景技术
泥石流动力过程中具有十分强烈的冲刷作用，其中拦砂坝满库后泥石流过坝造成坝后冲刷是威胁拦砂坝安全运营的一种作用形式，极易致使坝基被冲刷后悬空而导致坝体垮塌等工程事故。如何保护坝基不被掏刷，成为制约泥石流拦砂坝安全设计的一个重要问题。泥石流坝后冲刷的长度、深度等参数是泥石流防治工程设计及施工的重要依据，其研究一直以来是泥石流防治工程的难点和重点。
目前为止，泥石流坝后冲刷坑参数的研究主要还是参考水利工程冲刷坑参数计算公式，在野外调查和模拟实验的基础上，结合泥石流的特点加以修正，建立了一些坝后冲刷坑的参数计算公式。泥石流过坝下泄形成的泥舌，具有巨大的冲击能量，是泥石流坝后冲刷的动力来源。当不同泥石流体、沟床、工程等条件下的泥石流翻过拦砂坝后，其泥舌在下泄过程中沿程空间断面的流体特性、运动特征的演化，具有不同的冲击力特征，这将直接影响其对下游沟道的冲刷作用，对坝后冲刷的过程有决定性影响。泥舌的内部流速分布、内部物质分布、纵横向扩散特征、与下游沟床的入射角、入射曲线、入射速度等流体特性、运动特征均是制约泥舌冲击特性和拦砂坝下游沟床冲刷研究的难点问题。并且，由于野外泥石流爆发突然且历时短暂，其本身具有的强大破坏能力以及其本身为非均质流体导致的不可观测性，使得现场实地对泥石流过坝泥舌在沿程空间的参数演化及冲击力的测量十分困难。
在背景技术中公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此其可能包含没有形成为本领域普通技术人员所知晓的现有技术的信息。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例希望提供一种泥石流泥舌沿程空间演化测量系统，以解决或缓解现有技术中存在的技术问题，至少提供一种有益的选择。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：
根据本发明的一个实施例，提供一种泥石流泥舌沿程空间演化测量系统，包括：
泥舌形成装置，具有支架和输送沟槽，所述输送沟槽设置在所述支架上；所述输送沟槽的出口端具有使泥石流形成泥舌的溢流口；
泥舌观测装置，具有底端开口的箱体，所述出口端与所述箱体连通；
尾料池装置，具有设置在所述箱体下方且可滑动的尾料池本体，所述尾料池本体中设置有多个顶端开口的采样盒；
测量装置，具有第一传感器、多个第二传感器和多个图像采集器；所述第一传感器设置在所述溢流口处；各所述第二传感器分别设置在各所述采样盒上；各所述图像采集器设置在所述箱体的外周；
分析装置，与所述第一传感器、所述第二传感器和所述图像采集器电连接。
在一些实施例中，还包括料斗，所述料斗与所述输送沟槽的进口端连通；所述料斗与所述进口端的接合处设置有闸门，所述闸门与所述分析装置电连接。
在一些实施例中，所述箱体的顶面和/或所述箱体的侧面开设有观察窗口。
在一些实施例中，还包括驱动机构，所述驱动机构与所述尾料池本体连接，用于带动所述尾料池本体相对所述输送管滑动；所述驱动机构与所述分析装置电连接。
在一些实施例中，所述驱动机构包括转动部和牵引绳，所述牵引绳的一端与所述尾料池本体连接，所述牵引绳的另一端与所述转动部连接，所述转动部通过所述牵引绳带动所述尾料池本体滑动。
在一些实施例中，各所述图像采集器分别设置在所述溢流口处、所述箱体的上方、所述箱体相对所述溢流口的一侧外部以及所述箱体垂直所述输送管长度方向的一侧外部。
在一些实施例中，所述第二传感器的受力检测部朝向所述箱体的所述底端开口设置。
根据本发明的另一个实施例，提供一种泥石流泥舌沿程空间演化测量方法，应用于上述任意实施例的系统，包括：
将所述输送沟槽输送泥石流的过程分隔为多个时间间隔；
通过各所述图像采集器测量各所述时间间隔内，泥石流流过所述溢流口的实际平均流速；
通过所述第二传感器测量各所述时间间隔内，不同位置处的所述采样盒受到的泥舌冲击力；
测量各所述时间间隔内，泥舌进入所述不同位置处的所述采样盒中的流量及容重；
测量各所述时间间隔内，泥舌下泄进入箱体内不同位置处的形态参数；所述形体参数至少包括纵横向上的厚度、抛射距离以及下游出射角参数；
所述分析装置根据各所述时间间隔内的所述实际平均流速、所述泥舌冲击力、所述流量、所述容重以及所述形态参数，分析所述泥舌的沿程空间演化特征。
在一些实施例中，还包括：
通过所述第一传感器测量各所述时间间隔内泥石流流过所述溢流口的流深；
根据各所述时间间隔内泥石流流过所述溢流口的流深，计算各所述时间间隔内所述溢流口的理论平均流速；
将同一所述时间间隔内所述溢流口的所述实际平均流速与所述理论平均流速对比，若所述实际平均流速与所述理论平均流速的数值误差在误差阈值范围内，则该所述时间间隔内测量的所述实际平均流速、所述泥舌冲击力、所述流量以及所述容重可作为计算分析数据使用。
在一些实施例中，依据式1计算第n个时间间隔内，泥石流流过所述溢流口的所述实际平均流速
式1为：
其中，为第n个时间间隔内泥石流流过所述溢流口的所述实际平均流速，m/s，Δtn为泥石流流过所述溢流口第n个时间长度，s，L为所述泥石流流经溢流口的运动位移，m；
依据式2计算第n个时间间隔内，泥舌进入所有所述采样盒的总流量Qn；式2为：Qn＝Qn,1+Qn,2+···+Qn,p+···Qn,t；
其中，Qn为第n个时间间隔内泥舌进入所有所述采样盒的总流量，m3，Qn,p为第n个时间间隔内进入不同位置处的所述采样盒的流量，m3，p＝1,2,3……，表示第n个时间间隔内不同位置对应的所述采样盒；
依据式3计算第n个时间间隔内，进入不同位置处的所述采样盒的容重(rn,p，Δtn)；
式3为：
其中，mn,p为第n个时间间隔内不同位置处的所述采样盒中泥石流的质量，kg，Qn,p为第n个时间间隔内进入不同位置处的所述采样盒的流量，m3，rn,p为第n个时间间隔内进入不同位置处的所述采样盒的容重，KN/m3，g为重力加速度，m/s2，取9.80；
依据式4计算第n个时间间隔内，泥石流流过所述溢流口的所述理论平均流速
式4为：
其中，为第n个时间间隔内泥石流流过所述溢流口的所述理论平均流速，m/s，Qn为第n个时间间隔内泥舌进入所有所述采样盒的总流量，m3，B为所述溢流口的宽度，m，hn为第n个时间间隔内泥石流流过所述溢流口的流深，m。
依据式5、式6、式7分别计算第n个时间间隔内，泥舌下泄过程中形态参数在沿程空间的纵向扩散率δ、横向收缩率η、下游出射角演变率ξ等参数演变特征。
式5：
其中，hn-i为第n个时间间隔内泥舌在纵向上沿程第i个截面厚度，m，hn为第n个时间间隔内泥石流流过所述溢流口的流深，m；
式6：
其中，Bn-i为第n个时间间隔内泥舌在横向上沿程第i个截面的宽度，m，B为所述溢流口的宽度，m；
式7：
其中，θn-i为第n个时间间隔内泥舌在纵向上沿程第i个截面的下游出射角角度，°，θ0为泥舌的出射角即水槽坡度，°。
本发明实施例由于采用以上技术方案，其具有以下优点：1、能够较好地模拟泥石流泥舌过坝下泄过程，克服了无法有效获取泥舌流体特性、运动特征参数等问题。2、可以实现形成泥舌、观测泥舌以及采集泥舌流体特性、运动特征参数全过程，是一套综合性、集成性实现泥石流过坝下泄过程研究的泥石流室内物理模型实验系统。3、可以实现测量不同断面泥舌的形态参数，也能测量泥舌下泄后不同点位的各种数据，包括冲击力以及与之对应点位的泥石流试样容重等数据。
上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。
附图说明
在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本发明公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本发明范围的限制。
图1为本发明实施例的泥石流泥舌沿程空间演化测量系统的立体结构图。
图2为本发明实施例的泥舌形成装置的侧视图。
图3为本发明实施例的溢流口的局部放大图。
图4为本发明实施例的泥舌观测装置的立体结构图。
图5为本发明实施例的闸门结构示意图。
图6为本发明另一实施例的泥石流泥舌沿程空间演化测量系统的立体结构图。
图7为本发明实施例的尾料池装置的立体结构图。
图8为本发明实施例的采样盒的结构图。
图9为本发明实施例的泥石流泥舌沿程空间演化测量方法的流程图。
图10为本发明实施例中的采样盒在尾料池本体中的放置示意图。
图11为本发明实施例的泥舌下泄过程中形态参数在沿程空间中的示意图。
图12为本发明实施例的泥舌下泄过程中形态参数在沿程空间中的示意图。
附图标记：
1：泥舌形成装置； 11：支架； 12：输送沟槽；
121：出口端； 122：进口端； 13：溢流口；
2：泥舌观测装置； 21：箱体； 211：支架；
212：侧板； 3：尾料池装置； 31：尾料池本体；
32：采样盒； 41：第一传感器； 42：第二传感器；
43：图像采集器； 5：分析装置； 51：采集单元；
52：分析单元； 6：料斗； 61：倾斜导向面；
7：闸门； 8:驱动机构； 81：转动部；
82：牵引绳； 811：电机； 812：转盘；
33：滑轮； 34：滑轨； 421：螺栓。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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和简化描述，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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
本发明实施例提供了一种泥石流泥舌沿程空间演化测量系统，如图1、图2、图6所示，包括：
泥舌形成装置1，具有支架11和输送沟槽12。输送沟槽12设置在支架11上。输送沟槽12具有出口端121和进口端122。出口端121处设置有溢流口13(如图3所示)，溢流口13用于使泥石流形成泥舌。需要说明的是，溢流口13的尺寸和口径形状可根据实验需要进行选择。例如，溢流口13的形状为呈渐扩或呈渐缩型。
泥舌观测装置2，具有底端开口的箱体21，出口端121与箱体21的内部连通。为了保证箱体21的强度，箱体21可由支架211和多个侧板212组成(如图4所示)。优选的，各侧板212采用透明材料制成，以便于对箱体21的内部泥舌运动过程进行观察和图像采集。各侧板212上还可设置网格，以便于对下泄过程中泥舌形态参数的分析计算。
尾料池装置3，具有设置在箱体21下方且可滑动的尾料池本体31。尾料池本体31中设置有多个顶端开口的采样盒32。采样盒32的顶端开口与箱体21的底端开口相对设置，以便于输送沟槽12的溢流口13处形成的泥舌能够经由箱体21的内部流入到各采样盒32中。
测量装置，具有第一传感器41、多个第二传感器42和多个图像采集器43。第一传感器41设置在溢流口13处。各第二传感器42分别设置在各采样盒32上。各图像采集器42设置在箱体21的外周。
分析装置5，与第一传感器41、第二传感器42和图像采集器43电连接。用于接收第一传感器41、第二传感器42和图像采集器43采集的数据，并对接收的数据进行分析处理，以计算分析泥舌的沿程空间演化特征。例如，确定泥舌在下泄过程中的流体特性、运动特征参数的演化特征，以及泥舌的纵横向扩散特征、与下游沟床的入射角、入射曲线等水力特性。
在一个实施例中，分析装置5的功能可集成在一个装置上实现，也可以分别由不同的装置实现。例如，分析装置5可包括采集单元51和分析单元52，采集单元51用于接收各第二传感器42采集的数据并发送至分析单元52。分析单元52用于接收采集单元51、第一传感器41以及图像采集器43的数据并进行分析计算。
在一个实施方式中，第一传感器41设置在溢流口13的顶部，且第一传感器41的测试部朝向输送管12的底部设置。第二传感器42设置在采样盒32的顶部开口处，且第二传感器42的受力检测部朝向箱体21的底端开口设置，用于测量泥舌的冲击力分布情况。各图像采集器43摄影方向包括溢流口13的底部位置；与溢流口13相对的正向位置(箱体21与溢流口13相对的侧板212的外部)，用于获取泥舌下泄过程中的正向图像；位于溢流口13两侧的侧向位置(箱体21位于溢流口13两侧的侧板212的外部)，用于获取泥舌下泄过程中的纵向图像。溢流口13的上方的顶部位置(箱体21的顶部侧板212的外部)，用于获取泥舌下泄过程中的俯视图像。整体上，鉴于在实验条件下成像装置距离泥舌水力特性，各图像采集器43远近选择不一而易造成拍摄存在误差问题，可设置多个各图像采集器43解决该问题。每个各图像采集器43获取的图像均可以用于相同的图像处理分析过程测算相同的参数指标，如测量泥舌某个断面的宽度、抛射位置等。但区分不同断面处调取所需图像用于分析，结果更为准确。
在一个可变化的实施例中，各图像采集器43分别设置在溢流口13处、箱体21的上方、箱体21相对溢流口13的一侧外部以及箱体21垂直输送管12长度方向的一侧外部。
在一个实施例中，第一传感器41采用超声波泥位计。优选的，采用声学传感器NWJ-70，采样频率为50赫兹。第二传感器42采用冲击力传感器，优选的，采用压阻式压力传感器JNBP-6，实现由压力转化为冲击力测量泥舌不同位置的冲击力。第二传感器42的有效受力面为直径2cm的圆面。图像采集器43采用摄像头或现有技术中的任意图像采集装置。
在一个实施例中，如图2、图5所示，还包括料斗6，料斗6与输送管12的进口端122连通，用于将预先配置好的泥石流试样通过料斗6装入到输送沟槽12中。料斗6的底部为倾斜导向面61，以便于泥石流试样更好的流入到输送沟槽12中。倾斜导流面61相对水平地面的倾斜角度可以为0°-45°。优选的，倾斜角度为0°-20°。
在一个可变化的实施方式中，料斗6与进口端122的接合处设置有闸门7，闸门7与分析装置5电连接，用于控制闸门7的开合及开合大小，以控制从料斗6中流进输送沟槽12中的泥石流试样的流速和流量。
在一个实施例中，箱体21的顶面和/或箱体21的侧面开设有观察窗口，以便于观察泥舌的形成的下泄过程。
在一个实施例中，还包括驱动机构8，驱动机构8与尾料池本体31连接，用于带动尾料池本体31相对输送管12滑动。驱动机构8与分析装置5电连接。
在一个实施例中，如图1所示，驱动机构8包括转动部81和牵引绳82。牵引绳82的一端与尾料池本体31连接，牵引绳82的另一端与转动部81连接，转动部81通过牵引绳82带动尾料池本体31滑动。优选的，转动部81可以包括电机811和转盘812(如图6所示)。电机811的输出轴与转盘812的中心连接，用于驱动转盘812转动。牵引绳82的另一端与转盘812固定，并在转盘812转动时能够缠绕在转盘812中。当牵引绳82在转盘812上收紧时，尾料池本体31向转盘812方向移动，当牵引绳82在转盘812上放长时，尾料池本体31向远离转盘812的方向移动。
在一个实施例中，驱动机构8与分析装置5电连接，分析装置5控制驱动机构8的运动。在一定时间内，控制驱动机构8带动尾料池本体31进行间歇性的往复前后运动。
例如，设定驱动机构8的一次动作过程的时间为0.5s。其中，拉动尾料池本体31一次移动的时间为0.1s，保持尾料池本体31停留的时间为0.4s。
在一个实施例中，在尾料池本体31的底部设置有多个滑轮33，以便于尾料池本体31滑动(如图1所示)。或是，在尾料池本体31的底部设置滑轨34，使尾料池本体31与滑轨34滑动连接，滑轨34还能够起到移动导向作用(如图6所示)。
在一个实施例中，如图7、图8所示，尾料池本体31设置有若干个规则排列的且可拆卸的采样盒32。第二传感器42通过螺栓421固定在采样盒32的顶部。其中，各采样盒32的尺寸和容量可采用不同规格的，也可采用相同规格的。可根据实验需要进行选择和替换。
在一个实施例中，料斗6、闸门7、输送沟槽12、溢流口13、箱体21的各观测窗以及采样盒32的规格尺寸均可根据需要进行调整和旋转，在此不做限定。
在一个具体的实施方式中，料斗6长50cm、宽40cm、高85cm，底部倾斜角度为45°。闸门7可控开口高度0cm-30cm，控制泥石流的补给及控制流量大小。输送沟槽12内宽25cm，内高30cm，有效长度为300cm。溢流口13采取矩形形状，长35cm、内宽15cm、高25cm。箱体21的正向观测窗长80cm、高110cm，侧向观测窗长200cm、高110cm，上方观测窗长160cm、宽80cm。尾料池本体31长190cm、宽140cm、高40cm。采样盒33的规格为截面长15cm×宽15cm、高40cm。
需要说明的是，泥石流试样在输送沟槽12中时为泥石流，从溢流口13流出时形成泥舌，泥舌下泄进入到采样盒32中后为泥石流。
本发明实施例提供了一种泥石流泥舌沿程空间演化测量方法，应用于上述任意实施例所述的系统，如图9所示，包括以下步骤：
S100：将泥石流流经输送沟槽12尾端溢流口13的过程分隔为多个时间间隔。
S200：通过各图像采集器43测量各时间间隔内，泥石流流过溢流口13的实际平均流速。
S300：通过第二传感器42测量各时间间隔内，不同位置处的采样盒32受到的泥舌冲击力。
S400：测量各时间间隔内，泥舌进入不同位置处的采样盒32中的流量及容重。
S500：测量各时间间隔内，泥舌下泄进入箱体21内不同位置处的形态参数；形体参数至少包括纵横向上的厚度、抛射距离以及下游出射角参数。
S600：分析装置5根据各时间间隔内的实际平均流速、泥舌冲击力、流量、容重以及下泄过程中的形态参数，分析泥舌的沿程空间演化特征。
在一个实施例中，还包括步骤：
通过第一传感器41测量各时间间隔内泥石流流过溢流口13的流深。
根据各时间间隔内泥石流流过溢流口13的流深，计算各时间间隔内溢流口13的理论平均流速。
将同一时间间隔内溢流口13的实际平均流速与理论平均流速对比，若实际平均流速与理论平均流速的数值误差在误差阈值范围内，则该时间间隔内测量的实际平均流速、泥舌冲击力、流量以及容重可作为计算分析数据使用。若实际平均流速与理论平均流速的数值误差不在误差阈值范围内，则获取的各参数作废，不能用于计算分析使用。通过数值比对能够了解所采集数据的精准性。
在一个实施例中，各图像采集器43通过获取的溢流口13处的泥舌流出时的运动影响，通过帧率分析方式，依据式1计算第n个时间间隔内，泥石流流过所述溢流口的所述实际平均流速
式1为：
其中，为第n个时间间隔内泥石流流过所述溢流口的所述实际平均流速，m/s，Δtn为泥石流流过所述溢流口第n个时间长度，s，L为所述泥石流流经溢流口的运动位移，m；
依据式2计算第n个时间间隔内，泥舌进入所有所述采样盒的总流量Qn；式2为：Qn＝Qn,1+Qn,2+···+Qn,p+···Qn,t；
其中，Qn为第n个时间间隔内泥舌进入所有所述采样盒的总流量，m3，Qn,p为第n个时间间隔内进入不同位置处的所述采样盒的流量，m3，p＝1,2,3……，表示第n个时间间隔内不同位置对应的所述采样盒；
依据式3计算第n个时间间隔内，进入不同位置处的所述采样盒的容重(rn,p，Δtn)；
式3为：
其中，mn,p为第n个时间间隔内不同位置处的所述采样盒中泥石流的质量，kg，Qn,p为第n个时间间隔内进入不同位置处的所述采样盒的流量，m3，rn,p为第n个时间间隔内进入不同位置处的所述采样盒的容重，kN/m3，g为重力加速度，m/s2，取9.80；
依据式4计算第n个时间间隔内，泥石流流过所述溢流口的所述理论平均流速
式4为：
其中，为第n个时间间隔内泥石流流过所述溢流口的所述理论平均流速，m/s，Qn为第n个时间间隔内泥舌进入所有所述采样盒的总流量，m3，B为所述溢流口的宽度，m，hn为第n个时间间隔内泥石流流过所述溢流口的流深，m。
依据式5、式6、式7分别计算第n个时间间隔内，泥舌下泄过程中形态参数在沿程空间的纵向扩散率δ、横向收缩率η、下游出射角演变率ξ等参数演变特征。
式5：
其中，hn-i为第n个时间间隔内泥舌在纵向上沿程第i个截面厚度，m，hn为第n个时间间隔内泥石流流过所述溢流口的流深，m；
式6：
其中，Bn-i为第n个时间间隔内泥舌在横向上沿程第i个截面的宽度，m，B为所述溢流口的宽度，m；
式7：
其中，θn-i为第n个时间间隔内泥舌在纵向上沿程第i个截面的下游出射角角度，°，θ0为泥舌的出射角即水槽坡度，°。
根据测量获得的泥舌下泄过程不同时间段、不同位置处的泥石流试样容重、流量、流速，泥舌冲击力、纵向扩散率、横向收缩率和下游出射角演变率便可以绘制各参数以Δtn为时间间隔的时序图，确定泥舌在下泄过程中的流体特性、运动特征参数的演化特征。
采上述泥石流泥舌沿程空间演化实验测量系统用于测量泥石流泥舌运动过程中流体特性、运动特征沿程时空变化特征以及下泄泥舌的冲击力特征，为更精确测量获得各参数以Δtn为时间间隔的时空变化特征，需在尾料池本体31中多布设采样盒32以及第二传感器42，或采用不同规格采样盒32灵活搭配使用，一般根据所需实验精度要求即可。在上述测量方法中，尾料池本体31以Δtn′为时间间隔拉动是较重要的技术操作内容，若拉动时间不一则会对下泄到采样盒32中的试样参数的测量会有影响。为此，对上述实验测量系统进一步优化，具体是对尾料池本体31加以优化，使尾料池本体31在实验过程中能以Δtn′为时间间隔停留取样、以ΔT间隔时间在泥舌观测装置2底部横向拉动，即Δt＝Δtn′+ΔT进而获得泥舌在下泄过程中的流体特性、运动特征参数的演化特征。
对尾料池装置的优化设计的具体技术方案是：
在尾料池本体31横向处添加一间歇式电动拉动转盘812拉动尾料池本体31。经这一优化后，在实验过程中，间歇式电动拉动转盘812可以通过设定拉动时间ΔT、停留时间间隔Δtn′，以保证尾料装置以Δtn′为时间间隔停留取样、以Δtn′间隔时间在泥舌观测装置2底部被横向拉动。
在一个应用实例中，测量泥石流泥舌流体特性、运动特征沿程空间演化参数。利用泥石流泥舌沿程空间演化测量系统实施，所测量得到的泥舌流体特性、运动特征参数是以间歇式电动拉动转盘812设定一次采样停留时间和拉动时间之和Δtn＝0.5s为间隔时间。
步骤一、前期准备
根据本实验研究目标，实验中泥石流样品最大粒径为2cm(Dmax≦2cm)，配制容重为19×103kN/m3，配制总量0.08m3。将配制好的泥石流试样后，装入料斗6内。调整输送水槽坡度为9°。
步骤二：测量泥石流过溢流口13段流深hn
开启料斗6底部闸门7使泥石流试样流出，同时读取超声波泥位计41的读数，记录试样通过溢流口13模型段流深的时刻变化序列(hn,Δtn)(n＝1,2,3…)。具体数据见表1。
步骤三：测量泥石流过溢流口13段平均流速
从图像采集器43获取泥石流通过溢流口13段内泥石流运动影像，通过帧率分析软件(Pinnacle Studio)，依据式(1)测量泥石流实验通过溢流口13段的时段平均流速具体数据见表1。
表1泥石流试样运动数据计算表
注：本次实验共持续4.0s；其中采样盒32停留接样时间共3.2s，拉动时间共0.8s，每次拉动、停留历时共0.5s。
步骤四：测量Δtn时段内不同位置处采样盒32(如图11)泥舌冲击力变化数据(Nn,p，Δtn)
从冲击力传感器42获取试样形成泥舌下泄后Δtn时段内作用于底部不同位置处的平均冲击力变化数据(Nn,p，Δtn)(p＝1,2,3…,表示Δtn内冲击力传感器对应的不同位置点)。具体见表2。
表2泥舌不同位置平均冲击力记录表(单位：kPa)
注：本次实验共持续4.0s；其中采样盒32停留接样时间共3.2s，拉动时间共0.8s，每次拉动、停留历时共0.5s。
步骤五：测量Δtn不同位置处泥石流的流量(Qn,p，Δtn)以及总流量Qn
测量不同位置处采样盒32中的泥石流的流量，并根据式(2)计算对应的Δtn时段内的总流量Qn。具体见表3。
表3泥舌不同位置流量记录表(单位：L)
| 编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 3 | 0 | 0.23 | 1.72 | 0.58 | 0.8 | 0.48 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 4 | 0 | 0.65 | 3.94 | 2.01 | 2.2 | 2.54 | 1.54 | 0 | 0 | 0 |
| 5 | 0 | 0.72 | 3.89 | 3.5 | 3.51 | 3.82 | 2.99 | 0.19 | 0 | 0 |
| 6 | 0 | 0.66 | 2 | 3.45 | 2.31 | 3.23 | 3.84 | 0.82 | 0 | 0 |
| 7 | 0 | 0.48 | 0.95 | 1.1 | 1.13 | 1.54 | 2.94 | 2.67 | 0 | 0 |
| 8 | 0 | 0.08 | 0.34 | 0.43 | 0.7 | 0.83 | 1.07 | 2.62 | 0 | 0 |
| 9 | 0 | 0 | 0.05 | 0.14 | 0.21 | 0.36 | 0.52 | 1.13 | 0.71 | 0 |
| 10 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.12 | 0.39 | 0.76 | 0 |
| 11 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 12 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 总流量 | 0 | 2.82 | 12.89 | 11.21 | 10.86 | 12.8 | 13.02 | 7.82 | 1.47 | 0 |
注：本次实验共持续4.0s；其中采样盒32停留接样时间共3.2s，拉动时间共0.8s，每次拉动、停留历时共0.5s。
步骤六：计算泥舌试样以Δtn为时间间隔不同位置处的容重(rn,p，Δtn)
测量有试样的采样盒32中试样的质量，并根据式(3)计算出不同位置处的容重(rn,p，Δtn)。具体数据见表4、表5。
表4泥舌不同位置采样盒收集的试样质量记录表(单位：kg)
| 编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 3 | 0 | 0.453 | 3.163 | 1.183 | 1.373 | 0.933 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 4 | 0 | 1.513 | 7.583 | 3.843 | 4.043 | 4.543 | 2.703 | 0 | 0 | 0 |
| 5 | 0 | 1.573 | 7.603 | 6.783 | 6.783 | 7.103 | 5.253 | 0.383 | 0 | 0 |
| 6 | 0 | 1.383 | 3.943 | 6.823 | 4.433 | 6.143 | 7.073 | 1.543 | 0 | 0 |
| 7 | 0 | 1.083 | 2.043 | 2.193 | 2.333 | 2.953 | 5.493 | 4.823 | 0 | 0 |
| 8 | 0 | 0.183 | 0.773 | 0.953 | 1.433 | 1.723 | 2.073 | 4.723 | 0 | 0 |
| 9 | 0 | 0 | 0.123 | 0.363 | 0.483 | 0.703 | 1.113 | 2.083 | 1.333 | 0 |
| 10 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.293 | 0.773 | 1.413 | 0 |
| 11 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 12 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 总流量 | 0 | 6.188 | 27.241 | 22.141 | 20.881 | 24.101 | 24.001 | 14.328 | 2.746 | 0 |
注：本次实验共持续4.0s；其中采样盒32停留接样时间共3.2s，拉动时间共0.8s，每次拉动、停留历时共0.5s。
表5泥舌不同位置试样容重记录表(单位：×103kN/m3)
注：本次实验共持续4.0s；其中采样盒32停留接样时间共3.2s，拉动时间共0.8s，每次拉动、停留历时共0.5s。
步骤七：计算泥石流试样过溢流口13段的平均流速
根据式(4)求出泥石流试样过溢流口13段的平均流速具体数据见表6。
步骤八：对比分析测量结果和计算结果
依式(1)、式(4)对比分析两者的精确性。
表6平均流速比对表
注：本次实验共持续4.0s；其中采样盒停留接样时间共3.2s，拉动时间共0.8s，每次拉动、停留历时共0.5s。
步骤九：计算分析泥舌下泄形态参数
以实验现象中泥舌下泄过程中2.5s-3.0s时间段内实验现象为测量对象，读取该时间段内某一时刻的泥舌纵向厚度、横向宽度、下游入射角等参数，根据式5、式6、式7计算并分析泥舌下泄形态参数演化特征。具体数据见表7。
表7泥舌下泄形态参数演化特征数据表
根据测量获得的泥舌下泄过程不同时间段、不同位置处的泥石流试样容重、流量、流速、泥舌冲击力，便可以绘制各参数以Δtn为时间间隔的时序图，确定泥舌在下泄过程中的流体特性、运动特征参数的演化特征。同时，根据成像装置记录的泥舌下泄过程，可以得到泥舌的纵横向扩散特征、与下游沟床的入射角、入射曲线等水力特性。
本发明实施例具有以下优点：1、能够较好地模拟泥石流泥舌过坝下泄过程，克服了无法有效获取泥舌流体特性、运动特征参数等问题。2、可以实现形成泥舌、观测泥舌以及采集泥舌流体特性、运动特征参数全过程，是一套综合性、集成性实现泥石流过坝下泄过程研究的泥石流室内物理模型实验系统。3、可以实现测量不同断面泥舌的形态参数，也能测量泥舌下泄后不同点位的各种数据，包括冲击力以及与之对应点位的泥石流试样容重等数据。4、通过超声波泥位计41、摄像机43、冲击力传感器42测量的泥舌在形成及运动过程整个过程中的指标，可用于测算泥舌的相关流体特性、运动特征参数(如容重、流速、在溢流口段过流流深、流量、冲击力等)。因此，可根据不同测量位点参数指标的变化测算泥舌运动过程中相关水力特性沿程空间变化特征以及下泄泥舌的冲击力特征。5、泥石流泥舌沿程空间演化测量系统可用于模拟泥石流淤满拦砂坝后越坝过流形成的泥舌下泄运动，可模拟拦砂坝坝前沟床有无侵蚀、堆积等情况下的泥石流过坝实验。当模拟拦砂坝坝前沟床无侵蚀、堆积情况时，即为床面无床砂实验；当需要模拟拦砂坝坝前沟床既有侵蚀又有沉积出现的情况时，即为拦砂坝坝前沟床物质与泥石流流体交互实验，则需要首先在水槽体底面铺设床砂。
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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种泥石流泥舌沿程空间演化测量系统，其特征在于，包括：
泥舌形成装置，具有支架和输送沟槽，所述输送沟槽设置在所述支架上；
所述输送沟槽的出口端具有使泥石流形成泥舌的溢流口；
泥舌观测装置，具有底端开口的箱体，所述出口端与所述箱体连通；
尾料池装置，具有设置在所述箱体下方且可滑动的尾料池本体，所述尾料池本体中设置有多个顶端开口的采样盒；
测量装置，具有第一传感器、多个第二传感器和多个图像采集器；所述第一传感器设置在所述溢流口处；各所述第二传感器分别设置在各所述采样盒上；各所述图像采集器设置在所述箱体的外周；
分析装置，与所述第一传感器、所述第二传感器和所述图像采集器电连接。
2.如权利要求1所述的泥石流泥舌沿程空间演化测量系统，其特征在于，还包括料斗，所述料斗与所述输送沟槽的进口端连通；所述料斗与所述进口端的接合处设置有闸门，所述闸门与所述分析装置电连接。
3.如权利要求1所述的泥石流泥舌沿程空间演化测量系统，其特征在于，所述箱体的顶面和/或所述箱体的侧面开设有观察窗口。
4.如权利要求1所述的泥石流泥舌沿程空间演化测量系统，其特征在于，还包括驱动机构，所述驱动机构与所述尾料池本体连接，用于带动所述尾料池本体相对所述输送沟槽滑动；所述驱动机构与所述分析装置电连接。
5.如权利要求4所述的泥石流泥舌沿程空间演化测量系统，其特征在于，所述驱动机构包括转动部和牵引绳，所述牵引绳的一端与所述尾料池本体连接，所述牵引绳的另一端与所述转动部连接，所述转动部通过所述牵引绳带动所述尾料池本体滑动。
6.如权利要求1所述的泥石流泥舌沿程空间演化测量系统，其特征在于，各所述图像采集器分别设置在所述溢流口处、所述箱体的上方、所述箱体相对所述溢流口的一侧外部以及所述箱体垂直所述输送沟槽长度方向的一侧外部。
7.如权利要求1所述的泥石流泥舌沿程空间演化测量系统，其特征在于，所述第二传感器的受力检测部朝向所述箱体的所述底端开口设置。
8.一种泥石流泥舌沿程空间演化测量方法，应用于如权利要求1-7任一项所述的系统，其特征在于，包括：
将所述输送沟槽输送泥石流的过程分隔为多个时间间隔；
通过各所述图像采集器测量各所述时间间隔内，泥石流流过所述溢流口的实际平均流速；
通过所述第二传感器测量各所述时间间隔内，不同位置处的所述采样盒受到的泥舌冲击力；
测量各所述时间间隔内，泥舌进入所述不同位置处的所述采样盒中的流量及容重；
测量各所述时间间隔内，泥舌下泄进入所述箱体内不同位置处的形态参数；所述形体参数至少包括纵横向上的厚度、抛射距离以及下游出射角参数；
所述分析装置根据各所述时间间隔内的所述实际平均流速、所述泥舌冲击力、所述流量以及所述容重，计算分析所述泥舌的沿程空间演化特征。
9.如权利要求8所述的泥石流泥舌沿程空间演化测量方法，其特征在于，还包括：
通过所述第一传感器测量各所述时间间隔内泥石流流过所述溢流口的流深；
根据各所述时间间隔内泥石流流过所述溢流口的流深，计算各所述时间间隔内所述溢流口的理论平均流速；
将同一所述时间间隔内所述溢流口的所述实际平均流速与所述理论平均流速对比，若所述实际平均流速与所述理论平均流速的数值误差在误差阈值范围内，则该所述时间间隔内测量的所述实际平均流速、所述泥舌冲击力、所述流量以及所述容重可作为计算分析数据使用。
10.如权利要求9所述的泥石流泥舌沿程空间演化测量方法，其特征在于，依据式1计算第n个时间间隔内，泥石流流过所述溢流口的所述实际平均流速
式1为：
其中，为第n个时间间隔内泥石流流过所述溢流口的所述实际平均流速，m/s，Δtn为泥石流流过所述溢流口第n个时间长度，s，L为所述泥石流流经溢流口的运动位移，m；
依据式2计算第n个时间间隔内，泥舌进入所有所述采样盒的总流量Qn；
式2为：Qn＝Qn,1+Qn,2+···+Qn,p+···Qn,t；
其中，Qn为第n个时间间隔内泥舌进入所有所述采样盒的总流量，m3，Qn,p为第n个时间间隔内进入不同位置处的所述采样盒的流量，m3，p＝1,2,3…，表示第n个时间间隔内不同位置对应的所述采样盒；
依据式3计算第n个时间间隔内，进入不同位置处的所述采样盒的容重(rn,p，Δtn)；
式3为：
其中，mn,p为第n个时间间隔内不同位置处的所述采样盒中泥石流的质量，kg，Qn,p为第n个时间间隔内进入不同位置处的所述采样盒的流量，m3，rn,p为第n个时间间隔内进入不同位置处的所述采样盒的容重，kN/m3，g为重力加速度，m/s2，取9.80；
依据式4计算第n个时间间隔内，泥石流流过所述溢流口的所述理论平均流速
式4为：
其中，为第n个时间间隔内泥石流流过所述溢流口的所述理论平均流速，m/s，Qn为第n个时间间隔内泥舌进入所有所述采样盒的总流量，m3，B为所述溢流口的宽度，m，hn为第n个时间间隔内泥石流流过所述溢流口的流深，m。
依据式5、式6、式7分别计算第n个时间间隔内，泥舌下泄过程中形态参数在沿程空间的纵向扩散率δ、横向收缩率η、下游出射角演变率ξ等参数演变特征。
式5：
其中，hn-i为第n个时间间隔内泥舌在纵向上沿程第i个截面厚度，m，hn为第n个时间间隔内泥石流流过所述溢流口的流深，m；
式6：
其中，Bn-i为第n个时间间隔内泥舌在横向上沿程第i个截面的宽度，m，B为所述溢流口的宽度，m；
式7：
其中，θn-i为第n个时间间隔内泥舌在纵向上沿程第i个截面的下游出射角角度，°，θ0为泥舌的出射角即水槽坡度，°。
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| CN109211522B (zh) | 2023-10-17 |
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