CN111811973A - 一种滚筒式泥石流冲刷实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滚筒式泥石流冲刷实验装置及实验方法，包括直立滚筒式实验槽本体、无级变速控制系统及数据采集和存储系统。所述直立滚筒式实验槽本体包括环状外圈、环状内圈和辐射状支撑肋，环状外圈外侧设置有环绕环状外圈的多组试样槽，直立滚筒式实验槽本体下方设有可回收泥石流样品的尾料池，直立滚筒式实验槽本体外围设有钢网式防护罩和加固杆。所述无级变速控制系统包括无级动力机构、控制器、传动机构和传动带保护罩。本发明能够实现室内泥石流连续供料和长历时冲刷磨蚀或大批量循环冲击，受测试样的材质、结构型式和尺寸可根据实际需要灵活调整，且样品受力工况与野外实际工况一致，能够获得较真实的模拟实验结果。

Description

一种滚筒式泥石流冲刷实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于岩土工程测试和地质灾害防治技术领域，特别涉及一种滚筒式泥石流冲刷实验装置及实验方法。

背景技术

泥石流是西部山区常见的地质灾害，泥石流形成条件的改变，使震区泥石流呈现出流体容重变高、物源级配变宽、携带颗粒粒径巨大、沟道纵坡更陡的趋势，导致泥石流的运动动力较震前更为强劲，冲刷和冲击能量更高，对排导槽等治理工程造成了严重的冲刷磨蚀和冲击损坏，缩减了治理工程的使用寿命，降低了其防治效益。在震后恢复重建中，震区泥石流沟道内修建了大量的排导槽和拦砂坝，未来防治工程受泥石流冲刷磨蚀的问题将显得更为紧迫和突出。

当前，泥石流冲刷磨蚀的室内模拟实验工作开展的较少。大部分模型实验装置仍沿用直线形水槽，槽体长度一般为3-9m，泥石流的供料池体积和槽体过流长度均有限，单次冲刷时长仅几秒至几十秒；加之缺乏能够实现泥石流尾料回收和循环泵送的砂石泥浆泵，无法实现连续供料。因此，实验中的过流时长严重受限，无法达到对受测试样产生磨蚀的效果，更难以测出泥石流对试样的磨蚀强度和磨蚀系数。

另一部分模型实现装置采用水平旋转桶，受测试样整体浸泡在泥石流样品(胡卸文等，一种泥石流沟床摩擦系数与磨蚀系数测试装置.201921493255.0)，通过电机带动夹具和试样旋转从而产生磨蚀，试样的受力工况是多个接触面同时承受泥石流冲刷，试件四周表面都会产生磨损，且试样棱角处存在应力集中现象，影响实验精度；或将试样固定于水平转桶底部(陈洪凯，梁丹.泥石流磨蚀系数测试装置ZL201620638352.4)，依靠桨叶驱动泥石流旋转实现对试样的磨蚀，这种工况下泥石流与试样的接触表面为非过流式，仅靠泥石流体旋转产生动能，且泥石流中的大颗粒由于重力作用会逐渐沉积于底部，从而造成颗粒级配的异常，并最终导致实验数据失真。

发明内容

为了解决现有技术存在的实验时长受限、模拟精度偏低和受力工况失真等方面的问题，本发明提供一种滚筒式泥石流冲刷实验装置及实验方法，旨在实现室内实验中连续循环供料和长历时冲刷、真实模拟治理工程在泥石流过流冲刷下的磨蚀工况的目标，并提出一种新的磨蚀系数计算方法。

为了实现上述目的，本发明是按照以下方式实现的：

一种滚筒式泥石流冲刷实验装置，包括直立滚筒式实验槽本体、无级变速控制系统及数据采集和存储系统。

所述直立滚筒式实验槽本体包括固定于背板上的环状外圈、环状内圈和位于内外圈之间、起连接和支撑作用的辐射状支撑肋，环状外圈外侧设置有环绕环状外圈的多组试样槽，直立滚筒式实验槽本体下方设有可回收泥石流样品的尾料池，直立滚筒式实验槽本体外围设有钢网式防护罩和加固杆，加固杆焊接于防护罩的框架底部左右边角，起支撑和增强稳定性的作用。

所述无级变速控制系统包括连接于主轴上的无级动力机构、控制器、传动机构和包覆于传动机构外侧的焊接式传动带保护罩，无级动力机构和控制器通过电缆相连，无级动力机构通过传动机构带动主轴旋转；无级变速控制系统与直立滚筒式实验槽本体通过主轴相连，主轴中部设置钢架支座及配重，变速控制器安装在钢架支座上；

所述数据采集和存储系统包括可测量泥石流体底面压力和正面冲击力的分布式压力传感器、断面式激光泥位传感器、孔隙水压力传感器、多通道数据采集仪、外接式大容量移动存储器和高速摄像机；分布式压力传感器和孔隙水压力传感器安装于环状外圈内侧壁面，承受泥石流的冲刷并采集信号；断面式激光泥位传感器安装于特制的悬臂式支架末端并伸入环状内圈的预留空腔，悬臂式支架包括悬臂式支架的竖向立柱、横向悬臂和横向悬臂末端的可调式夹具，悬臂式支架的竖向立柱安装在立柱底座上，悬臂式支架的竖向立柱与横向悬臂，以及悬臂式支架的横向悬臂与可调式夹具通过滑动式紧固件相连，通过调整可调式夹具的长度和角度，可改变泥位传感器的安装高度和角度；泥位传感器探头方向与竖直方向的夹角为0～60°；高速摄像机安装于直立滚筒式实验槽本体正面，透过环状内圈与环状外圈之间的透明玻璃记录实验过程中的各种现象；每种传感器各自通过专用的数据采集仪和传输线路连接到外接式大容量移动存储器进行实时存储。

由于泥石流样品在实验滚筒内可实现长历时循环流动，且泥石流与受测试样之间的接触关系和受力工况与野外泥石流排导槽实际运行工况一致，并有效避免了泥石流大颗粒集中沉积、受测试样棱角处应力集中等误差因素，因此本发明可为加强泥石流对治理工程磨蚀实验测试的真实性和准确性、减轻因实验装置的缺陷和实验方法的失真而导致的参数取值误差提供技术支持。

进一步地，环状外圈和环状内圈正面与辐射状支撑肋之间的空间以透明有机玻璃嵌入封闭并采用玻璃胶粘接固定，背面和外缘以钢板焊接封闭，环状内圈内部预留空腔作为物料入口和数据传感器入口，环状内圈半径R1与环状外圈半径R2的关系为：R1＝(0.25-0.75)R2。

进一步的，试样槽采用带有夹持装置的可调式钢板组成，试样槽顶板为带有滑轨的弧形钢板，试样槽底板和四周的试样槽侧板为带有连接螺栓的直板，每块试样槽顶板的左右两侧各有一根焊制在外缘钢板上的顶板滑轨f，顶板最大滑动距离的端部焊制有起限定滑动距离作用的顶板滑轨限位条f。受测试样的尺寸和受力面积通过钢板滑动调整，其材质和结构型式根据实际需要设计，多组受测试样之间采用不同方式进行组合并开展实验，单次实验的试样槽数量沿环状外圈设置1-6个。

试样槽顶板设计为与直立滚筒式实验槽本体环状外圈弧度一致、可沿滚筒转动方向滑动、横断面为L形的两片弧形钢板，其朝向试样槽内侧的弯折处带有螺孔；当两块顶板同时向试样槽内部方向滑动时，可在试样槽中线处闭合，并通过螺孔和螺栓互相连接在一起，从而可将试样槽完全封闭，此时试样槽中不装载试样，可开展泥石流运动学实验；或滑动部分距离，通过调整两块顶板之间的空隙大小，可以夹持不同尺寸的试样。每块顶板的左右两侧各焊制有一根顶板滑轨，最大滑动距离处的端部焊制有起固定滑动距离作用的顶板滑轨限位条。

进一步的，试样槽开口同时作为回收泥石流样品的尾料出口和滚筒清洗污水出口。

一种滚筒式泥石流冲刷实验装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤1.根据设计需求，确定受泥石流冲刷磨蚀或冲击影响的构筑物的材质、结构型式和试样尺寸，并设定过流面的初始面积A₀，制作出试样并按技术规范要求进行养护；

步骤2.根据现场勘查资料和研究目标，按照几何相似比和动力相似比的要求，配置具有不同容重、颗粒组成，泥深特征的泥石流样品，并确定受测混凝土试样的结构组合方式和安装角度；

步骤3.取出达到养护标准的受测试样并擦干称重，记录其初始质量M₀和初始厚度H₀，依次安装好受测试样、分布式压力传感器、断面式激光泥位传感器、孔隙水压力传感器、多通道数据采集仪、外接式大容量移动存储器和高速摄像机，最后载入预先配置好的泥石流样品，按照预定的转速启动实验装置，开始实验；

步骤4.当实验达到过流时间T_i，暂停实验装置旋转，取出受测试样并洗净、擦干和称重，记录其当前质量M_i、过流面当前面积A_i和当前断面平均厚度H_i，将试样放回试样槽并继续开展下一步的实验；

步骤5.当实验达到预定的总过流时间T_n或达到预定的磨蚀量，停止实验装置旋转和传感器数据采集，存储实验获取的槽底压力、孔隙水压力、泥位和其他实验参数，取出受测试样和泥石流样品，将试样洗净、擦干并称重，记录其终止质量M_n、过流面终止面积A_n和终止平均厚度H_n,冲洗实验装置，结束该组实验；

步骤6.分别按照以下公式计算受测试样在该组泥石流样品中的质量磨蚀系数f_m和体积磨蚀系数f_v：

其中，f_mi、f_vi分别为受测试样第i次被取出时的单次质量磨蚀系数和单次体积磨蚀系数，其计算方法分别为：

式(1)～式(4)中，磨蚀系数的定义为：过流结构表面上单位面积的结构材料在单位时间内的磨蚀重量损失和磨蚀厚度损失，其中M_i、A_i、H_i和T_i的单位分别取g、m²、mm和s；

步骤7.调整泥石流样品的容重、颗粒级配、泥深，或受测试样的类型和性状，或滚筒的旋转速度和持续时长，重复步骤1-步骤6，得到多种性质的泥石流体在多种工况下对受测试样的冲刷磨蚀系数。

进一步地，一种滚筒式泥石流冲刷实验方法，除可应用于泥石流磨蚀实验外，还可进行泥石流运动学、泥石流与防治工程相互作用等其他实验，包括但不限于泥石流在不同槽底结构中的流速分布、流态变化、槽底糙率与消能特征、泥石流对拦砂坝冲击力实验等。

本发明的有益效果：

(1)由于试样槽被创新性地设置于环状外圈周缘，试样安装固定后，只有顶面与泥石流体相接触而承受冲刷磨蚀，泥石流体能够持续处于正常流动状态，颗粒物质级配和运动方式均与野外保持一致，且避免了试样棱角处的应力集中带来的实验误差，因此可以模拟出真实的野外泥石流排导槽过流工况和受力状态，从而获得较好的实验精度和真实度。

(2)本发明提出的磨蚀系数的定义和计算公式为：过流结构表面上单位面积的材料在单位时间内的磨蚀重量损失和磨蚀厚度损失，该定义同时考虑了过流面积和磨蚀时间两个依赖性条件对磨蚀重量损失和磨蚀厚度损失的影响，更具有科学性和准确性。

(3)本发明公开的实验装置除可开展泥石流磨蚀实验外，还可开展泥石流运动力学和防治技术的其他实验，如将试样槽半封闭并装入拦砂坝模型，即可开展拦砂坝冲击力实验；将试样槽完全封闭或改装为新型槽底，即可开展泥石流流速与压力分布、槽底糙率等实验。实验内容和方法可根据研究目标灵活调整，具有良好的普适性。

附图说明

图1为本发明提供的一种滚筒式泥石流冲刷实验装置的正面结构示意图；

图2为本发明提供的一种滚筒式泥石流冲刷实验装置的侧面结构示意图；

图3(a)为本发明提供的一种滚筒式泥石流冲刷实验装置的试样槽结构立面图；

图3(b)为图3(a)的顶板闭合状态示意图；

图3(c)分别为本发明提供的一种滚筒式泥石流冲刷实验装置的试样槽结构平面图；

图4为本发明提供的一种滚筒式泥石流冲刷实验装置的安装激光泥位传感器的特制悬臂式支架立面图。

图中，1-环状外圈、2-环状内圈、3-辐射状支撑肋、4-试样槽、5-透明有机玻璃、6-钢网式防护罩、7-加固杆、8-尾料池、9-滚筒主轴、10-无级动力机构(包括无机变速电机和减速器)、11-钢架支座及配重、12-电机控制器、13-传动机构、14-传动带保护罩、15-钢板、16-环状内圈预留空腔；

a-试样槽顶板、b-试样槽侧板、c-试样槽底板、d-连接螺栓、e-顶板滑轨、f-顶板滑轨限位条；

17-悬臂式支架的竖向立柱、18-横向悬臂、19-立柱底座、20-滑动式紧固件、21-可调式夹具、22-激光泥位传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚、明白，下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的说明，以方便技术人员理解。

如图1-2所示，一种滚筒式泥石流磨蚀实验装置，包括直立滚筒式实验槽本体、无级变速控制系统及数据采集和存储系统。

所述直立滚筒式实验槽本体包括固定于背板上的环状外圈1、环状内圈2和位于环状内圈2与环状外圈1之间、起连接和支撑作用的辐射状支撑肋板3，环状外圈1外侧设置有环绕环状外圈1的多组试样槽4，直立滚筒式实验槽本体下方设有可回收泥石流样品的尾料池8，直立滚筒式实验槽本体外围设有钢网式防护罩6和加固杆7，钢网式防护罩6的内侧下方两对角处焊接连接加固杆7。

所述无级变速控制系统包括连接于主轴上的无级动力机构10，控制器、传动机构13和包覆于传动机构外侧的焊接式传动带保护罩14。无级动力机构10包括无级变速电机及减速器，无级动力机构10和控制器通过电缆相连，无级动力机构10通过传动机构13带动主轴旋转；无级变速控制系统与直立滚筒式实验槽本体通过主轴相连，主轴中部设置钢架支座及配重11，控制器安装在钢架支座上。

如图4所示，所述数据采集和存储系统包括可测量泥石流体底面压力和正面冲击力的分布式压力传感器、断面式激光泥位传感器22、孔隙水压力传感器、多通道数据采集仪、外接式大容量移动存储器和高速摄像机。分布式压力传感器和孔隙水压力传感器安装于环状外圈1内侧壁面，承受泥石流的冲刷并采集信号；断面式激光泥位传感器22安装于特制的悬臂式支架末端并伸入环状内圈预留空腔16，悬臂式支架包括悬臂式支架的竖向立柱17、横向悬臂18和横向悬臂18末端的可调式夹具21，悬臂式支架的竖向立柱17安装在立柱底座19上，悬臂式支架的竖向立柱17与横向悬臂18，以及悬臂式支架的横向悬臂18与可调式夹具21通过滑动式紧固件20相连，通过调整可调式夹具21的长度和角度，可改变泥位传感器的安装高度和角度；泥位传感器探头方向与竖直方向的夹角为0～60°；每种传感器各自通过专用的数据采集仪和传输线路连接到存储设备进行实时存储。

进一步地，环状外圈1和环状内圈2正面与辐射状支撑肋3之间的空间以透明有机玻璃嵌入封闭，背面和外缘以钢板15焊接封闭，环状内圈2内部预留空腔作为物料入口和数据传感器入口，环状内圈2半径R1与环状外圈1半径R2的关系为：R1＝(0.25-0.75)R2。

进一步的，试样槽4采用带有夹持装置的可调式钢板组成，试样槽顶板a为带有滑轨的弧形钢板，试样槽底板c和四周的试样槽侧板b为带有连接螺栓d的直板。

受测试样的尺寸和受力面积通过钢板滑动调整，其材质和结构型式根据实际需要设计，多组受测试样之间采用不同方式进行组合并开展实验，单次实验的试样槽4数量沿环状外圈设置1-6个，如图3(a)。

如图3(b)-3(c)，试样槽顶板a设计为与直立滚筒式实验槽本体环状外圈1弧度一致、可沿滚筒转动方向滑动、横断面为L形的两片弧形钢板，其朝向试样槽4内侧的弯折处带有螺孔；当两块顶板同时向试样槽4内部方向滑动时，可在试样槽4中线处闭合，并通过螺孔和螺栓互相连接在一起，从而可将试样槽4完全封闭，此时试样槽4中不装载试样，可开展泥石流运动学实验；或滑动部分距离，通过调整两块试样槽顶板a之间的空隙大小，可以夹持不同尺寸的试样。每块顶试样槽顶板a的左右两侧各焊制有一根焊制在外缘钢板上的顶板滑轨e，顶板最大滑动距离处的端部焊制有起限定滑动距离作用的顶板滑轨限位条f。进一步的，试样槽4开口同时作为回收泥石流样品的尾料出口和滚筒清洗污水出口。

一种滚筒式泥石流磨蚀实验装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤1.根据设计需求，确定受泥石流冲刷磨蚀或冲击影响的构筑物的材质、结构型式和试样尺寸，并设定过流面的初始面积A₀，制作出试样并按技术规范要求进行养护；

步骤2.根据现场勘查资料和研究目标，按照几何相似比和动力相似比的要求，配置具有不同容重、颗粒组成，泥深特征的泥石流样品，并确定受测混凝土试样的结构组合方式和安装角度；

步骤3.取出达到养护标准的受测试样并擦干称重，记录其初始质量M₀和初始厚度H₀，依次安装好受测试样、分布式压力传感器、断面式激光泥位传感器、孔隙水压力传感器、多通道数据采集仪、外接式大容量移动存储器和高速摄像机，最后载入预先配置好的泥石流样品，按照预定的转速启动实验装置，开始实验；

步骤4.当实验达到过流时间T_i，暂停实验装置旋转，取出受测试样并洗净、擦干和称重，记录其当前质量M_i、过流面当前面积A_i和当前断面平均厚度H_i，将试样放回试样槽并继续开展下一步的实验；

步骤5.当实验达到预定的总过流时间T_n或达到预定的磨蚀量，停止实验装置旋转和传感器数据采集，存储实验获取的槽底压力、孔隙水压力、泥位和其他实验参数，取出受测试样和泥石流样品，将试样洗净、擦干并称重，记录其终止质量M_n、过流面终止面积A_n和终止平均厚度H_n,冲洗实验装置，结束该组实验；

步骤6.分别按照以下公式计算受测试样在该组泥石流样品中的质量磨蚀系数f_m和体积磨蚀系数f_v：

其中，f_mi、f_vi分别为受测试样第i次被取出时的单次质量磨蚀系数和单次体积磨蚀系数，其计算方法分别为：

式(1)～式(4)中，磨蚀系数的定义为：过流结构表面上单位面积的结构材料在单位时间内的磨蚀重量损失和磨蚀厚度损失，其中M_i、A_i、H_i和T_i的单位分别取g、m²、mm和s；

步骤7.调整泥石流样品的容重、颗粒级配、泥深，或受测试样的类型和性状，或滚筒的旋转速度和持续时长，重复步骤1-步骤6，得到多种性质的泥石流体在多种工况下对受测试样的冲刷磨蚀系数。

进一步地，一种滚筒式泥石流冲刷实验方法，除可应用于泥石流磨蚀实验外，还可进行泥石流运动学、泥石流与防治工程相互作用等其他实验，包括但不限于泥石流在不同槽底结构中的流速分布、流态变化、槽底糙率与消能特征、泥石流对拦砂坝冲击力实验等。

实施例

某项目研究方案拟开展泥石流排导槽冲刷磨蚀的物理模型实验，泥石流容重范围为1.7～2.1g/cm³，颗粒级配采用粒径d≤2cm的野外泥石流原样，泥石流流速范围4～10m/s，过流时间为5～120min；排导槽试样设计为两组，每组3个试样，槽底结构型式分别为平底和“V”型槽底，试样底面尺寸均采用30cm×30cm，材料采用现浇C30混凝土。根据实验设计要求，优选采用本发明装置。按照以下步骤和方法开展实验。

步骤1.根据实验要求，制作2组共6件C30混凝土试样，其中3件试样顶面为带有弧形的平面，另3件试样顶面为两侧高、中心低的浅“V”型(两侧横向坡度根据要求设为15％)，试样底面尺寸均为30cm×30cm，因此两组试样顶面的过流面初始面积A₀分别为0.090m²和0.091m²。按照混凝土技术规范要求，将6件试样放入室温水中进行养护。

步骤2.根据研究目标，配置泥石流样品容重分别为1.7、1.9、2.1g/cm³(编号分别为1号、2号、3号)，颗粒组成为粒径d≤2cm的野外泥石流堆积物，流速设计为4、6、8、10m/s，泥深分别为10、20、30cm。过流时间设为5、10、30、60、90、120min。混凝土试样的结构组合方式为两组试件同时接受冲刷磨蚀测试，试样安装角度为顶面平行于滚筒外缘。各参数的不同取值经排列组合后，编为36个实验组次。

步骤3.试样养护达到28天，取出6个试样并擦干称重，分别记录其初始质量M₀₁、M₀₂、…、M₀₆和初始厚度H₀₁、H₀₂、…、H₀₆。依次安装好混凝土试样、分布式压力传感器、断面式激光泥位传感器、孔隙水压力传感器、多通道数据采集仪、外接式大容量移动存储器和高速摄像机，最后载入预先配置好的1号泥石流样品，按照第1组次实验的流速对应的转速，启动实验装置，开始实验。

步骤4.当实验达到第1个过流时间T₁＝5min，暂停实验装置旋转，取出受测试样并洗净、擦干和称重，记录6个试样的当前质量M₁₁、M₁₂、…、M₁₆，过流面当前面积A₁₁、A₁₂、…、A₁₆和当前断面平均厚度H₁₁、H₁₂、…、H₁₆，将试样放回试样槽并继续开展下一步的实验；

步骤5.当实验达到预定的该组次总过流时间T₆＝120min，停止实验装置旋转和传感器数据采集，存储实验获取的槽底压力、孔隙水压力、泥位和其他实验参数，取出受测试样和泥石流样品，将试样洗净、擦干并称重，记录其终止质量M₆₁、M₆₂、…、M₆₆，过流面终止面积A₆₁、A₆₂、…、A₆₆和终止断面平均厚度H₆₁、H₆₂、…、H₆₆，冲洗实验装置，结束该组次实验；

步骤6.按照权利要求书中的公式(1)～(4)，分别计算6个试样在该组次泥石流冲刷磨蚀下的质量磨蚀系数f_m和体积磨蚀系数f_v，并按算数平均数计算每组3个试样的平均质量磨蚀系数和平均体积磨蚀系数，即为第1组次实验测得的实验结果。

表1第1组实验工况下某试样经历6次冲刷的磨蚀数据列表

实验序号i	T<sub>i</sub>(s)	M<sub>i</sub>(g)	A<sub>i</sub>(m<sup>2</sup>)	H<sub>i</sub>(mm)	f<sub>mi</sub>g/(m<sup>2</sup>*s)	f<sub>vi</sub>(mm/s)
							0	0	21600	0.09	100	/	/
1	300	21530	0.09	100	2.59	0.00
							2	300	21380	0.09	99	5.56	0.33
3	1200	20945	0.09	97	4.03	0.17
							4	1800	20512	0.09	95	2.67	0.11
5	1800	20080	0.09	93	2.67	0.11
							6	1800	19440	0.09	90	3.95	0.17

根据本发明提供的计算公式(1)和(2)，计算得该试样在该组实验工况下的质量磨蚀系数f_m和体积磨蚀系数f_v分别为：

步骤7.按照第2组次实验的参数取值表，调整泥石流样品的容重、颗粒级配、泥深等参数取值，或滚筒的旋转速度和持续时长，重复步骤1-步骤6，得到第2组次测得的实验结果。以此类推，直到完成全部36组次的实验，即得到多种性质的泥石流体在多种工况下对受测试样的冲刷磨蚀系数。

最后说明的是，以上所述为本发明的优选实施方式，尽管通过上述优选实施例，已经对本发明进行了详细的说明，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种改变，而不偏离本发明的权利要求书所要求的的范围。

Claims (5)

1.一种滚筒式泥石流冲刷实验装置，其特征在于，包括直立滚筒式实验槽本体、无级变速控制系统及数据采集和存储系统；

所述直立滚筒式实验槽本体包括固定于背板上的环状外圈、环状内圈和位于内外圈之间、起连接和支撑作用的辐射状支撑肋，环状外圈外侧设置有环绕环状外圈的多组试样槽，直立滚筒式实验槽本体下方设有可回收泥石流样品的尾料池，直立滚筒式实验槽本体外围设有钢网式防护罩和加固杆；

所述无级变速控制系统包括连接于主轴上的无级动力机构、控制器、传动机构和包覆于传动机构外侧的焊接式传动带保护罩，无级动力机构和控制器通过电缆相连，无级动力机构并通过传动机构带动主轴旋转；无级变速控制系统与直立滚筒式实验槽本体通过主轴相连，主轴中部设置钢架支座及配重，变速控制器安装在钢架支座上；

所述数据采集和存储系统包括可测量泥石流体底面压力和正面冲击力的分布式压力传感器、断面式激光泥位传感器、孔隙水压力传感器、多通道数据采集仪、存储设备和高速摄像机；分布式压力传感器和孔隙水压力传感器安装于环状外圈内侧壁面，承受泥石流的冲刷并采集信号；断面式激光泥位传感器安装于特制的悬臂式支架末端并伸入环状内圈的预留空腔，悬臂式支架包括悬臂式支架的竖向立柱、横向悬臂和横向悬臂末端的可调式夹具，悬臂式支架的竖向立柱安装在立柱底座上，悬臂式支架的竖向立柱与横向悬臂，以及悬臂式支架的横向悬臂与可调式夹具通过滑动式紧固件相连，通过调整可调式夹具的长度和角度，可改变泥位传感器的安装高度和角度，泥位传感器探头方向与竖直方向的夹角为0～60°；高速摄像机安装于直立滚筒式实验槽本体正面；每种传感器各自通过专用的数据采集仪和传输线路连接到存储设备进行实时存储。

2.根据权利要求1所述的一种滚筒式泥石流冲刷实验装置，其特征在于，环状外圈和环状内圈正面与辐射状支撑肋之间的空间以透明有机玻璃嵌入封闭并采用玻璃胶粘接固定，背面和外缘以钢板焊接封闭，环状内圈内部预留空腔作为物料入口和数据传感器入口，环状内圈半径R1与环状外圈半径R2的关系为：R1＝(0.25-0.75)R2。

3.根据权利要求1所述的一种滚筒式泥石流冲刷实验装置，其特征在于，试样槽由带有夹持装置的可调式钢板组成，试样槽顶板为带有滑轨的弧形钢板，试样槽底板和四周的试样槽侧板为带有连接螺栓的直板，受测试样的尺寸和受力面积通过钢板滑动调整，其材质和结构型式根据实际需要设计，多组受测试样之间采用不同方式进行组合并开展实验，单次实验的试样槽数量沿环状外圈设置1-6个。

4.根据权利要求1所述的一种滚筒式泥石流冲刷实验装置，其特征在于，试样槽开口同时作为回收泥石流样品的尾料出口和滚筒清洗污水出口。

5.一种滚筒式泥石流冲刷实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.根据设计需求，确定受泥石流冲刷磨蚀或冲击影响的构筑物的材质、结构型式和试样尺寸，并设定过流面的初始面积A₀，制作出试样并按技术规范要求进行养护；

步骤2.根据现场勘查资料和研究目标，按照几何相似比和动力相似比的要求，配制具有不同容重、颗粒组成，泥深特征的泥石流样品，并确定受测混凝土试样的结构组合方式和安装角度；

步骤3.取出达到养护标准的受测试样并擦干称重，记录其初始质量M₀和初始厚度H₀,依次安装好受测试样、分布式压力传感器、断面式激光泥位传感器、孔隙水压力传感器、多通道数据采集仪、存储设备和高速摄像机，最后载入预先配置好的泥石流样品，按照预定的转速启动实验装置，开始实验；

步骤4.当实验达到过流时间T_i，暂停实验装置旋转，取出受测试样并洗净、擦干和称重，记录其当前质量M_i、过流面当前面积A_i和当前断面平均厚度H_i，将试样放回试样槽并继续开展下一步的实验；

步骤5.当实验达到预定的总过流时间T_n或达到预定的磨蚀量，停止实验装置旋转和传感器数据采集，存储实验获取的槽底压力、孔隙水压力、泥位和其他实验参数，取出受测试样和泥石流样品，将试样洗净、擦干并称重，记录其终止质量M_n、过流面终止面积A_n和终止平均厚度H_n,冲洗实验装置，结束该组实验；

步骤6.分别按照以下公式计算受测试样在该组泥石流样品中的质量磨蚀系数f_m和体积磨蚀系数f_v：

其中，f_mi、f_vi分别为受测试样第i次被取出时的单次质量磨蚀系数和单次体积磨蚀系数，其计算方法分别为：

式(1)～式(4)中，磨蚀系数的定义为：过流结构表面上单位面积的结构材料在单位时间内的磨蚀重量损失和磨蚀厚度损失，其中M_i、A_i、H_i和T_i的单位分别取g、m²、mm和s；

步骤7.调整泥石流样品的容重、颗粒级配、泥深，或受测试样的类型和性状，或滚筒的旋转速度和持续时长，重复步骤1-步骤6，得到多种性质的泥石流体在多种工况下对受测试样的冲刷磨蚀系数。

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