CN111337646B - 一种溃坝型泥石流动力演化全过程模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种溃坝型泥石流动力演化全过程模拟试验系统，包括：模型箱，设于离心机室内，用于模拟泥石流动力演化的全过程，包括储料箱、挡板、滑面、拦挡结构、电机，所述储料箱和拦挡结构分别设于滑面的上部和底部前侧，所述挡板可转动的设置在储料箱朝向滑面底的出口处，所述电机控制挡板的开启；数据采集系统，包括设置在模型箱内的传感器；高速摄像系统，设于离心机室内，包括高速摄像机和高亮LED光源。与现有技术相比，本发明具有模拟能力强、可真实再现泥石流动力演化全程、全自动化、远程控制化、使用简便、经济成本低等优势。

Description

一种溃坝型泥石流动力演化全过程模拟试验系统

技术领域

本发明涉及工程地质领域，尤其是涉及一种溃坝型泥石流动力演化全过程模拟试验系统。

背景技术

近年来，诸如泥石流等土体大变形流动地质灾害，因其具有巨大的冲击破坏效应以及难以预测等特点，造成了极大的经济财产损失和人员伤亡。目前此类地质灾害的致灾机制尚未完全解决，主要体现在泥石流启动、运动、冲击及堆积过程的动力演化机理不明，造成以上科学研究的难点之一在于缺乏科学有效的物理模拟手段。

目前，国内外相关研究多采用常规重力模型试验，在1g条件下开展泥石流动力演化过程试验，但是此类试验方法存在严重的尺寸效应问题，因为泥石流作为一种典型的复杂混合流体，1g重力条件下难以完美再现泥石流运动过程中产生的超孔隙水压力和粘滞阻力，这对泥石流动力演化过程影响极大。超重力离心试验平台越来越多地被用于研究岩土和地质问题，因为其提供的超重力离心场可还原原型应力条件，有效解决缩尺模型试验的尺寸效应问题。但是，此类试验条件并未有效应用于研究泥石流问题，究其原因在于，泥石流动力演化过程的离心模拟属于新兴课题，目前仍缺乏完备的试验系统。

此类试验系统的难点在于：

(1)超重力环境下，储料箱中的填土对挡板的侧向土压力较1g重力下呈几十倍增加，巨大的侧向压力下，如何在初始状态下保证挡板处于关闭紧锁状态，是该类试验系统第一大技术难点，而且随着模拟方量的增加，实现挡板紧锁的难度也会进一步大幅加大；

(2)挡板自身的重量也随着离心加速度的增加而剧增，导致其惯性加大，因此在超重力场下，如何提高挡板开启速度，是该类试验系统第二大技术难点；

(3)挡板快速开启后，如何避免挡板在巨大的惯性力下持续翻转造成装置的不可逆损伤，以及如何快速对挡板进行制动并固定，避免挡板在离心力作用下发生晃动以影响泥石流启动与流态，是该类试验系统的第三大技术难点；

(4)离心机室是封闭的环境，因此如何远程操控挡板开启模拟泥石流动力全过程，是该类试验系统的第四大技术难点；

(5)离心机室内多采用的是普通光源，这种光源对于常规照明是足够的，但是无法满足高速相机对光源的要求，因此如何人为的对高速摄像过程进行补光，是是该类试验系统的第五大技术难点。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种溃坝型泥石流动力演化全过程模拟试验系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种溃坝型泥石流动力演化全过程模拟试验系统，包括：

模型箱，设于离心机室内，用于模拟泥石流动力演化的全过程，包括储料箱、挡板、滑面、拦挡结构、电机，所述储料箱和拦挡结构分别设于滑面的上部和底部前侧，所述挡板可转动的设置在储料箱朝向滑面底的出口处，所述电机控制挡板的开启；

数据采集系统，包括设置在模型箱内的传感器；

高速摄像系统，设于离心机室内，包括高速摄像机和高亮LED光源。

优选的，所述挡板外侧的底部设有销子，所述挡板初始状态时闭合所述储料箱，并通过销子插入所述滑面固定，所述销子的顶部通过钢索与所述电机的丝杆连接，所述挡板的外侧通过拉簧与模型箱的顶部连接。

优选的，还包括限位固定器，所述限位固定器包括设置在所述模型箱的顶部的支撑杆，所述支撑杆竖直向下设置且末端设有电磁铁，所述挡板的外侧设有铁片，当所述挡板打开时旋转到支撑杆的下方，使得铁片被电磁铁吸附。

优选的，所述挡板上设有钢索导向器和销子固定器，所述钢索穿过所述钢索导向器与销子连接，所述销子的外侧通过螺纹与销子固定器连接。

优选的，所述销子包括套筒，所述套筒中设有销钉，所述销钉的外部套有压簧。

优选的，所述电机的丝杆为螺旋式丝杆。

优选的，所述电机通过支撑板设置在模型箱顶部的上侧，所述支撑杆的顶部与所述支撑板连接。

优选的，所述拉簧设有两根，每根拉簧的一端与位于挡板上的拉簧固定栓连接，另一端通过自带的拉环挂在设置于支撑板上的挂钩上。

优选的，所述传感器包括光电传感器、冲击力传感器和变形监测传感器，所述光电传感器设置在挡板前侧的滑面上，所述冲击力传感器和变形监测传感器均设置在所述拦挡结构处。

优选的，还包括挡板远程控制装置、数据采集装置和高速摄像远程控制系统，所述挡板远程控制装置与所述电机连接，所述数据采集装置与所述传感器连接，所述高速摄像远程控制系统分别与所述高速摄像机和高亮LED光源连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、真实再现泥石流动力演化全过程，并清晰准确的记录下来，可用于深入研究泥石流启动、运动、冲击及堆积机制，为此类地质灾害的防灾减灾提供科学依据。

2、模拟能力强，通过在储料箱中填入不同的土样，可模拟大规模不同方量的泥石流启动、运动、冲击及堆积全过程，适用范围广。

3、本发明采用销子固定挡板，依靠电机拉动销子控制挡板开启，因此解决了巨大的侧土压力作用下挡板难以有效固定及开启的难题。

4、本发明采用拉簧提高开门速度，且采用高强度轻质材料制作挡板主体，避免了超重力环境下由于挡板自身重力过大而导致挡板开启不彻底及开启速度不够。

5、本发明采用电磁铁作为限位固定器，快速有效对挡板进行制动并固定，避免晃动以影响泥石流启动，从而防止试验装置发生不可逆损伤。

6、本发明试验模拟系统组装简单，经济可靠，能够全自动化运行，大大提高了工作效率，具有很强的实用性，并且均可远程操作，有效确保了试验安全。

附图说明

图1为本发明试验模拟系统的整体示意图；

图2为本发明中挡板装置的结构示意图；

图3为本发明中销子中销钉伸出时的结构示意图；

图4为本发明中销子中销钉收缩时的结构示意图；

图5位本发明中限位固定装置的结构示意图；

图6为本发明中支撑板的结构示意图。

图中标注：

1、模型箱；2、滑面；3、储料箱；4、挡板；4-1、挡板主体；4-2、销子；4-2-1、销子固定器；4-2-2、销钉；4-2-3、套筒；4-2-4、压簧；4-3、钢索导向器；4-4、钢索；4-5、销孔；4-6、转轴；4-7、铁片；4-8、拉簧固定栓；5、拦挡结构；6、支撑板；7、高强度螺栓；8、电机；8-1、电机主体；8-2、螺旋式丝杆；9、支撑杆；10、电磁铁；11、拉簧；12、挂钩；13、光电传感器；14-1、高亮LED光源；14-2、高速摄像机；15-1、高速摄像远程控制系统；15-2、数据采集装置；15-3、挡板远程控制装置；16、冲击力传感器；17、变形监测传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本申请提出一种溃坝型泥石流动力演化全过程模拟试验系统，适用于超重力离心试验平台，包括：模型箱1，设于离心机室内，用于模拟泥石流启动、运动、冲击及堆积的动力演化全过程，包括储料箱3、挡板4、滑面2、拦挡结构5、电机8，储料箱3和拦挡结构5分别设于滑面2的上部和底部前侧，挡板4可转动的设置在储料箱3朝向滑面2底的出口处，电机8控制挡板4的开启；数据采集系统，包括设置在模型箱1内的传感器，以及与传感器连接的数据采集装置15-2，数据采集装置15-2设置在控制室内；高速摄像系统，设于离心机室内，包括高速摄像机14-2和高亮LED光源14-1，与模型箱1一起运动，高速摄像机14-2和高亮LED光源14-1分别都与设于控制室的高速摄像远程控制系统15-1连接，可保证在控制室内远程捕捉泥石流启动、运动及冲击破坏全过程图像；挡板远程控制装置15-3，与电机8连接，位于控制室内，用于在离心机正常运转情况下控制挡板4开启。

储料箱3用于在系统初始状态时储存土样，可模拟不同体积的泥石流。本实施例中，储料箱3通体采用高强度铝板制成，减轻了箱体重量，便于安装。储料箱3的箱体紧贴模型箱1壁，并进行防漏处理。

拦挡结构5可根据试验要求采用钢材、高分子材料或微粒混凝土制作。

挡板4用于释放土样，模拟溃坝型泥石流的启动。如图2所示，挡板4包括挡板主体4-1、转轴4-6、销子4-2、铁片4-7、拉簧固定栓4-8及钢索导向器4-3。挡板主体4-1采用高强度轻质材料，如低密度聚乙烯，减轻挡板主体4-1的重量，避免在超重力作用下，挡板4重量过大造成挡板4无法开启或者开启不完全。转轴4-6与储料箱3的箱体相连，保证挡板4可绕其自由旋转。销子4-2设在挡板4外侧的底部，挡板4初始状态时为图1中状态1，通过销子4-2插入滑面2固定，保证储料箱3紧紧闭合。销子4-2的顶部通过钢索4-4与电机8的丝杆连接，钢索4-4通过控制销子4-2控制挡板4开启。挡板4的外侧通过拉簧11与模型箱1的顶部连接，用与提高挡板4开启速度，避免影响泥石流流态。

钢索4-4穿过钢索导向器4-3与销子4-2连接，钢索导向器4-3采用螺丝固定于挡板主体4-1上，主要控制钢索4-4拉伸方向，保证销子4-2能在最短时间内被拉出，也具有避免销子4-2在偏向荷载拉伸下被拉坏的作用。挡板4上设有用于固定销子4-2的销子固定器4-2-1，销子固定器4-2-1采用螺丝固定于挡板主体4-1上，可以在挡板4开启后固定挡板4，防止挡板4在离心力作用下晃动及避免挡板4被拉坏。

如图3、4所示，销子4-2包括套筒4-2-3，套筒4-2-3主体具有特制的螺纹，可直接如螺丝般与销子固定器4-2-1连接，具有拆卸简便且牢固的优点。套筒4-2-3中设有销钉4-2-2，销钉4-2-2的外部套有压簧4-2-4，销钉4-2-2头部伸出套筒4-2-3约15mm，尾部与钢索4-4连接。如图4所示，拉动钢索4-4时，压簧4-2-4被压缩，销钉4-2-2收缩，从而作为开启挡板4的第一步；如图3所示，松开钢索4-4时，压簧4-2-4伸长，销钉4-2-2也同步复位，用以状态1下固定挡板4。

滑面2具有一定的角度，可根据试验条件进行定制。滑面2上钻有销孔4-5，深度约为5～8mm，方便销钉4-2-2插入以在状态1下固定挡板4。

模型箱1的顶部设有限位固定器，如图5所示，限位固定器包括设置在模型箱1的顶部的支撑杆9，支撑杆9竖直向下设置且末端设有两块电磁铁10，电磁铁10通过螺丝固定，支撑杆9的顶部焊接于支撑板6上。当挡板4打开时达到图1中状态2，此时挡板4旋转到支撑杆9的下方，使得铁片4-7被电磁铁10吸附，用于挡板4开启后辅助挡板4固定。通过电磁铁10与位于挡板4上的铁片4-7吸附在一起，一方面避免挡板4在拉簧11拉动作用下继续翻转破坏装置，另一方面避免了挡板4在超重力离心力作用下不断进行往复晃动，影响泥石流启动及流态。

如图6所示，电机8包括电机主体8-1及螺旋式丝杆8-2。电机8通过支撑板6设置在模型箱1顶部的上侧，电机主体8-1与支撑板6焊接在一起，保证了在超重力作用下的稳定性和安全性。螺旋式丝杆8-2的力度大，可有效避免在巨大侧向压力挤压下的销钉4-2-2难以拉动的问题。螺旋式丝杆8-2的头部与钢索4-4紧密连接，当丝杆收缩时，销钉4-2-2被拉动，挡板4进入开启阶段；当丝杆伸长时，销钉4-2-2被释放，用以状态1下固定挡板4。

电机8、限位固定器的控制器可通过离心机的转接装置转移至控制室内，保证试验操作员能在控制室内通过挡板远程控制装置15-3在离心机运转条件下控制挡板4开启。

支撑板6可采用高强度钢材，四个角通过高强度螺栓7固定于模型箱1顶部，用于为电机8、限位固定器以及拉簧11提供反力。

拉簧11设有两根，每根拉簧11的一端与位于挡板4上的拉簧固定栓4-8牢牢连接在一起，另一端通过自带的拉环挂在设置于支撑板6上的挂钩12上。拉簧11的刚度选择应结合挡板4的重量以及试验设计的超重力环境具体进行估算。拉簧11用以提高挡板4开启速度，避免影响泥石流启动及初始流态。挂钩12焊接在支撑板6上。

数据采集系统主要是结合离心机采集系统布设传感器。传感器包括光电传感器13、冲击力传感器16和变形监测传感器17。光电传感器13设置在挡板4前侧的滑面2上。当泥石流启动后流至光电传感器13的位置时，光电传感器13即产生信号，用以触发采集系统，数据采集系统及图像采集系统同步进行采集，保证两套采集系统数据的同步性，有利于数据分析。冲击力传感器16和变形监测传感器17均设置在拦挡结构5处，主要用于监测泥石流的动力冲击效应。

LED光源可选择高强度轻质塑料外壳的高亮LED光源14-1，避免在超重力环境下灯体被压碎造成试验事故。光源宜定制，最好为单灯珠光源，功率宜在200～300W以上。高速相机宜采用小型抗冲击加固版相机，物距应尽可能大，避免使用超广角镜头，因为超广角镜头拍摄的图片畸变较为严重，不利于后期进行图像分析。高速相机以黑白为佳，避免像素精度损失。

本系统的具体应用流程如下：

1)将模型箱1放置于离心机吊篮上合适的位置固定好，然后安装好滑面2、拦挡结构5以及储料箱3；

2)将挡板主体4-1与附属结构如销子4-2、钢索4-4、钢索导向器4-3等组装好，然后通过转轴4-6将挡板4与储料箱3连接；

3)给钢索4-4施加拉力，带动销钉4-2-2收缩，然后关闭挡板4，释放销钉4-2-2，并检查挡板4是否固定牢固；

4)将电磁铁10通过螺丝固定于支撑杆9上，通电检查电磁铁10是否正常工作；

5)用高强度螺栓7将支撑板6固定于模型箱1既定位置，检查电机8、限位固定器及拉簧挂钩12的位置是否合适，并确认支撑板6是否固定牢固；

6)开启电机8，适当伸长螺旋式丝杆8-2至合适位置后，将钢索4-4另一端固定在螺旋式丝杆8-2头部，然后反向转动电机8控制螺旋式丝杆8-2收缩至钢索4-4被初步拉紧的状态；

7)将两个拉簧11的一端固定于挡板4上的拉簧固定栓4-8上，然后拉动拉簧11，将另一端的拉环挂在位于支撑板6的拉簧挂钩12上，再次检查，确认销钉4-2-2未出现松动后进行下一步，至此完成状态1的设置；

8)将电机8和电磁铁10的引线通过离心机转接系统转接至控制室内，然后开启挡板远程控制装置15-3，通过丝杆收缩带动销钉4-2-2被拉动，当销钉4-2-2完全脱离销孔4-5时，挡板4在拉簧11的作用下迅速翻转，当挡板4运行到既定位置时，撞击在限位固定器上，同时电磁铁10与位于挡板4上的铁片4-7紧紧吸附在一起，然后关闭电机8，至此达到状态2；检查挡板4是否正常开启以及状态2下挡板4是否出现晃动等现象，确认无误后，再次重复以上步骤至状态1；

9)按照试验方案设计的泥石流体积，将土样填入储料箱3中，控制质量和填土高度，采用分层击实法，保证每个工况下初始状态时，土样都具有相同的密实度；

10)布设光电传感器13、冲击力传感器16以及变形监测传感器17，通过引线与离心机采集系统连接，设置好采集参数如采集触发点、采样频率、采样时间等；

11)将高速摄像机14-2接上微型计算机，打开相机和光源，调节好位置、光源亮度、相机焦距及光圈大小后，将二者分别固定牢固，然后将微型计算机固定于离心机转轴4-6附近，避免超重力场过大破坏计算机，再将微型计算机与高速摄像远程控制系统15-1连接，确保操作员可在控制室内控制高速相机以及实时观测泥石流动力演化过程；

12)再次检查安全问题，确认无误后关闭离心机室大门，待所有试验人员到达指定位置后，开始启动离心机，待离心机运转至设计的离心加速度并稳定一段时间后，开启挡板远程控制装置15-3的开关，待挡板4开启后，通过图像采集端观察泥石流动力演化全过程并记录，泥石流作用在拦挡结构5上的冲击力及结构变形通过数据采集装置15-2记录，泥石流停至运动后，关闭电机8但保持电磁铁10依旧处于工作状态，停止离心机运转；

13)保存传感器数据及图像数据，观察并记录泥石流堆积形态，然后检查装置是否完好，清理土样，关闭电磁铁10，准备开始下一组试验。

Claims (2)

1.一种溃坝型泥石流动力演化全过程模拟试验系统，其特征在于，包括：

模型箱（1），设于离心机室内，用于模拟泥石流动力演化的全过程，包括储料箱（3）、挡板（4）、滑面（2）、拦挡结构（5）、电机（8），所述储料箱（3）和拦挡结构（5）分别设于滑面（2）的上部和底部前侧，所述挡板（4）可转动的设置在储料箱（3）朝向滑面（2）底的出口处，所述电机（8）控制挡板（4）的开启；

数据采集系统，包括设置在模型箱（1）内的传感器；

高速摄像系统，设于离心机室内，包括高速摄像机（14-2）和高亮LED光源（14-1）；

所述挡板（4）外侧的底部设有销子（4-2），所述挡板（4）初始状态时闭合所述储料箱（3），并通过销子（4-2）插入所述滑面（2）固定，所述销子（4-2）的顶部通过钢索（4-4）与所述电机（8）的丝杆连接，所述挡板（4）的外侧通过拉簧（11）与模型箱（1）的顶部连接；

所述模拟试验系统还包括限位固定器，所述限位固定器包括设置在所述模型箱（1）的顶部的支撑杆（9），所述支撑杆（9）竖直向下设置且末端设有电磁铁（10），所述挡板（4）的外侧设有铁片（4-7），当所述挡板（4）打开时旋转到支撑杆（9）的下方，使得铁片（4-7）被电磁铁（10）吸附；

所述挡板（4）上设有钢索导向器（4-3）和销子固定器（4-2-1），所述钢索（4-4）穿过所述钢索导向器（4-3）与销子（4-2）连接，所述销子（4-2）的外侧通过螺纹与销子固定器（4-2-1）连接；

所述销子（4-2）包括套筒（4-2-3），所述套筒（4-2-3）中设有销钉（4-2-2），所述销钉（4-2-2）的外部套有压簧（4-2-4）；

所述电机（8）的丝杆为螺旋式丝杆（8-2）；

所述电机（8）通过支撑板（6）设置在模型箱（1）顶部的上侧，所述支撑杆（9）的顶部与所述支撑板（6）连接；

所述拉簧（11）设有两根，每根拉簧（11）的一端与位于挡板（4）上的拉簧固定栓（4-8）连接，另一端通过自带的拉环挂在设置于支撑板（6）上的挂钩（12）上；

所述传感器包括光电传感器（13）、冲击力传感器（16）和变形监测传感器（17），所述光电传感器（13）设置在挡板（4）前侧的滑面（2）上，所述冲击力传感器（16）和变形监测传感器（17）均设置在所述拦挡结构（5）处。

2.根据权利要求1所述的一种溃坝型泥石流动力演化全过程模拟试验系统，其特征在于，还包括挡板远程控制装置（15-3）、数据采集装置（15-2）和高速摄像远程控制系统（15-1），所述挡板远程控制装置（15-3）与所述电机（8）连接，所述数据采集装置（15-2）与所述传感器连接，所述高速摄像远程控制系统（15-1）分别与所述高速摄像机（14-2）和高亮LED光源（14-1）连接。

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