CN112304566B - 一种三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统及实验方法，所述泥石流沟槽模拟实验系统包括支撑装置、模型箱、多个模型柱体、柱体定位及高度调节装置、地表物料铺设装置、泥石流存贮箱以及废料收集池，其中，模型箱安装在支撑装置中；多个模型柱体固定安装在模型箱中；柱体定位及高度调节装置位于模型箱的底部并能够定位并改变模型柱体的高度以形成沟槽地形模型；地表物料铺设装置位于支撑装置顶部并能够将模拟沟槽地表的物料覆盖在模型柱体上表面；泥石流存贮箱和废料收集池分别设置在沟槽地形模型的上游和下游。本发明能够根据实际泥石流地形特征，自动生成具有复杂三维地形的泥石流缩尺模型，有利于开展泥石流相关模拟实验研究工作。

Description

一种三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统及实验方法

技术领域

本发明涉及泥石流模拟实验领域，具体来讲，涉及一种三维任意形态的泥石流沟槽实验系统及实验方法。

背景技术

泥石流为一种能量大、破坏力极强自然灾害。研究泥石流的启动机理、运动属性与淤积性质具有显著的现实意义和价值。通常泥石流的实验研究主要包含了现场调查、原位实验、室内物理模型实验以及数值模拟实验等。

发明人经分析发现，现有的泥石流实验模型均不能有效的模拟不同复杂情况下的泥石流产生过程。原位实验的实验数据虽较为合理可靠，但耗费大、实验周期长、环境条件还原难度高。而室内物理模型实验能够在一定程度上还原和模拟了不同条件下的泥石流产生过程，但因受条件限制，通常是以倾斜槽为主的一维或二维实验模拟，这类实验往往忽略了原始地形和地质的复杂条件，仅能够对特定情况的泥石流问题进行模拟。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于针对实际泥石流地形特征和研究需求设计一种三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统和实验方法。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统，所述泥石流沟槽模拟实验系统包括支撑装置、模型箱、多个模型柱体、柱体定位及高度调节装置、地表物料铺设装置、泥石流存贮箱以及废料收集池，其中，所述支撑装置具有框架结构；所述模型箱固定安装在框架结构的中部；所述多个模型柱体中的每个模型柱体均包括底座和设置在底座上且能够相对底座沿高度方向上升或下降的升降杆，所述多个模型柱体通过各自的底座固定在模型箱中，且所述多个模型柱体的升降杆以彼此相邻且平行的方式设置，以形成上表面呈台阶形的沟槽地形模型；所述柱体定位及高度调节装置设置在框架结构的下部，并能够定位所述多个模型柱体中的至少一部分且能够使所定位的模型柱体的升降杆上升或下降至预定高度；所述地表物料铺设装置设置在框架结构的顶部，并能够定位至少一部分模型柱体且能够根据各个模型柱体的地表状况需求将模拟泥石流沟槽地表的物料覆盖在对应的模型柱体顶部；所述泥石流存贮箱设置在沟槽地形模型的上游，所述泥石流存贮箱中装有泥石流浆体；所述废料收集池放置在沟槽地形模型的下游。

在本发明的一个示例性实施例中，所述升降杆可包括套壳、升降管和螺杆，其中，所述螺杆能够与所述柱体定位及高度调节装置配合，所述升降管套装在螺杆上并能够在螺杆转动时产生相对于螺杆的上升或下降运动，所述套壳套装在所述升降管的顶部，且为横截面平均直径为2～16cm的正多边形柱体。

在本发明的一个示例性实施例中，所述升降管下部的内壁上可设有与所述螺杆相匹配的螺纹，所述螺杆底部可设有凸环，所述底座的内壁可设有凹环，所述凸环和所述凹环的尺寸相互匹配。

在本发明的一个示例性实施例中，所述底座的外表面可设置有固定卯榫，相邻两个底座上的固定卯榫的形状和尺寸相互匹配，以实现所述多个模型柱体通过各自的底座固定在模型箱中。

在本发明的一个示例性实施例中，所述柱体定位及高度调节装置可包括平面定位机构和自动扳手，所述平面定位机构能够将自动扳手移动和定位至对应的模型柱体的下方，所述自动扳手能够向所述升降杆提供上升或下降的动力。

在本发明的一个示例性实施例中，所述平面定位机构可包括滑轨结构，所述滑轨结构包括两个相对设置的定轨、动轨以及驱动控制器，所述定轨分别与所述框架结构连接，所述动轨沿定轨的正交方向设置，所述驱动控制器能够使动轨沿定轨的长度方向滑动。

在本发明的一个示例性实施例中，所述地表物料铺设装置可包括吊装机构和铺设机构，所述吊装机构能够将铺设机构移动到需要覆盖地表物料的模型柱体的顶部，所述铺设机构能够储存并喷射模拟泥石流沟槽地表的物料，所述模拟泥石流沟槽地表的物料包括松散堆积物材料、类岩石材料和凝胶材料。

在本发明的一个示例性实施例中，所述泥石流沟槽模拟实验系统还包括基座和喷淋装置，所述基座安装在所述框架结构的底部，所述喷淋装置设置在所述框架结构的顶部。

在本发明的一个示例性实施例中，所述吊装机构可包括吊车和吊车轨道，每个吊车都设置有平台和第一固定接口，每个吊车轨道上都安装有驱动控制器。

在本发明的另一个示例性实施例中，所述平面定位机构可包括多驱全向运动小车，所述多驱全向运动小车能够在所述模型箱的底部移动。

本发明的另一方面提供了一种三维任意形态泥石流沟槽模拟实验方法，所述泥石流沟槽模拟实验方法采用如上所述的泥石流沟槽模拟实验系统实现，包括以下步骤：

沟槽数据准备；根据沟槽数据和缩尺比例计算每个模型柱体的高度值，然后控制柱体定位及高度调节装置移动到每个模型柱体的底部，使得模型柱体上升到指定高度，待所有模型柱体高度设定完成后，整体即形成所需的沟槽地形模型；使用吊装机构起吊铺设机构，并向沟槽地形模型的上表面铺设模拟泥石流沟槽地表的物料，铺设前或铺设过程中，在沟槽地形模型中埋设多个监测装置和数据采集装置；在泥石流沟槽模型的上游处通过吊装机构设置泥石流存贮箱，下游处放置废料收集池；检查实验系统后，开启监测装置和数据采集装置，开启泥石流存贮箱的阀门，进行泥石流流动与冲击过程实验；实验完成后，由上至下，由外及内，撤出监测装置、数据采集装置以及与吊装机构连接的装置，控制柱体定位及高度调节装置将模型柱体一一缩回放平，清理平台上的所有废弃物。

与现有技术相比，本发明的有益效果和优点包括以下内容中的至少一项：

(1)本发明能够根据实际泥石流地形特征或研究需要，自动生成具有复杂地形的泥石流缩尺模型，该泥石流缩尺模型三维形态任意可变，泥石流的孕育、产生、流通以及堆积过程的空间地形因素均可通过该模型进行实验模拟；

(2)沟床松散土石体的底部为类岩石材料，其刚度通过相似模型实验设计，能够较好产生泥石流流通过程中相关物质的动力反应特征；

(3)该实验系统能够涵盖传统泥石流实验槽的实验内容，并在实验维度上进行了极大的扩展，有助于扩展室内泥石流物理模型实验的研究，从而能够深入研究泥石流的形成机理、运动属性和致灾机理。

附图说明

图1示出了本发明的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统的一个示例性实施例的结构示意图；

图2示出了本发明的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统的一个示例性实施例中的支撑装置的结构示意图；

图3示出了本发明的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统的一个示例性实施例中的模型柱体的结构示意图；

图4示出了图3中的升降杆在升降前和升降后的状态示意图；

图5示出了本发明的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统的一个示例性实施例中的自动扳手的结构示意图；

图6示出了本发明的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统的一个示例性实施例中的滑轨结构的结构示意图；

图7示出了本发明的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统的一个示例性实施例中的吊装机构的结构示意图；

图8示出了本发明的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统的一个示例性实施例中的泥石流沟槽地形模型局部截面的示意图；

图9示出了本发明的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统的另一个示例性实施例中的多驱全向运动小车的结构示意图；

附图标记说明如下：

1-吊车，2-吊车轨道，3-支撑框架，4-模型柱体，5-模型箱，6-滑轨结构， 7-基座，8-自动扳手，9-套壳，10-升降管，11-螺杆，12-底座，13-固定卯榫， 14-定轨，15-动轨，16-步进电机，17-泥石流存贮箱，18-多驱全向运动小车。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例来详细说明本发明的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统和实验方法。本文中，“第一”和“第二”仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性或具有严格的顺序性。

本发明提供了一种三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统，所述泥石流沟槽模拟实验系统包括支撑装置、模型箱、多个模型柱体、柱体定位及高度调节装置、地表物料铺设装置、泥石流存贮箱以及废料收集池。

具体地，支撑装置具有框架结构。例如，支撑装置可以为多个支撑件固定连接构成的方形框架结构。

模型箱固定安装在框架结构的中部，且模型箱为中空柱体状结构。这里，模型箱的形状和尺寸与一定数量的模型柱体集合所形成的形状和尺寸相匹配，并能够稳定性固定和拆装模型柱体。且模型箱在安装好模型柱体后，能够满足实验模型的尺寸需求。

多个模型柱体中的每个模型柱体均包括底座和设置在底座上且能够相对底座沿高度方向上升或下降的升降杆。多个模型柱体通过各自的底座固定在模型箱中，且多个模型柱体的升降杆以彼此相邻且平行的方式设置，以形成上表面呈台阶形的沟槽地形模型。这里，模型柱体的数量根据研究问题规模大小确定。

升降杆可包括套壳、升降管和螺杆。螺杆能够与柱体定位及高度调节装置配合，升降管套装在螺杆上并能够在螺杆转动时产生相对于螺杆的上升或下降运动；套壳套装在升降管的顶部，且为横截面平均直径为2～16cm的正多边形柱体。

这里，套壳的材质可具有一定的润滑效果，用于保证模型柱体之间不因为过分挤压而产生过大的摩擦力，而影响升降效果。例如，套壳的材质可以为具有润滑效果的黄铜，套壳的横截面可以为正三角形，其横截面的平均直径可以为16cm，或者，套管的横截面可以为正方形，其横截面的平均直径可以为9cm，又或者，套壳的横截面可以为正六边形，其横截面的平均直径可以为2cm，由此可以保证多个模型柱体紧靠放置时能够无缝拼接整个平面。

升降管外形可为多边形柱体，内腔为圆柱体，升降管可位于套壳中并与套壳可拆卸连接。当升降管产生升降时，套壳和升降管一起发生升降运动。若模型柱体产生磨损，可以拆卸并替换升降管外的套壳。升降管也可与套壳固定连接，一体化形成升降杆的外壳并一起发生升降运动。

螺杆可为圆柱体且外表面设有梯形螺纹，升降管下部的内壁上可设有与所述螺杆相匹配的梯形螺纹，以实现螺杆与升降管螺纹连接。这里，梯形螺纹的螺距满足摩擦自锁的要求(轴向受力自锁)，模型柱体通过内部螺杆与升降管之间的摩擦自锁以实现模型柱体升降后锁定高度位置。

底座可为多边形柱体并具有中空的腔体，螺杆的下部固定在所述中空腔体中。其中，螺杆底部可设有凸环，底座的内壁可设有凹环，凸环和凹环的尺寸相互匹配，起到限位固定的作用，使得螺杆仅能相对底座发生定轴转动。

底座的外表面可设置有固定卯榫，相邻两个底座上的固定卯榫的形状和尺寸相互匹配，以实现所述多个模型柱体通过各自的底座固定在模型箱中。

另外，螺杆的底部两侧可设有凸笋，凸笋设置在凸环的下部，底座的底部留有方便柱体定位及高度调节装置伸入和扭转的空间。凸笋的形状和尺寸与柱体定位及高度调节装置(例如，自动扳手)相匹配，用于给螺杆施加扭矩和转角。这里，凸笋的形状和尺寸设置为便于柱体定位及高度调节装置(例如，自动扳手)锁定即可，例如，凸笋可为圆柱体，或者，圆棱角的长方体。

柱体定位及高度调节装置设置在框架结构的下部，并能够定位所述多个模型柱体中的至少一部分且能够使所定位的模型柱体的升降杆上升或下降至预定高度。这里，所述能够定位所述多个模型柱体中的至少一部分是指柱体定位及高度调节装置能够定位并移动到成为沟槽地形模型的模型柱体底部，从而实现将该部分的模型柱体调整至指定高度。

柱体定位及高度调节装置可包括平面定位机构和自动扳手。其中，平面定位机构能够将自动扳手移动和定位至对应的模型柱体的下方，自动扳手能够向所述升降杆提供上升或下降的动力。例如，自动扳手安装在平面定位机构上并能够通过平面定位机构进行平面移动可定位，当自动扳手定位并移动到目标模型柱体底部后，自动扳手能够自动上升并卡住螺杆底部凸笋，在步进电机驱动下由程序设定产生一定的转角，将升降管与套壳升起或下降一定的高度。这里，平面定位机构可设置多个，每个平面定位机构都能够同时定位多个模型柱体并互为备用，从而提高模拟效率且便于模型柱体的精确控制。

平面定位机构可以为滑轨结构，滑轨结构包括两个相对设置的定轨、动轨以及驱动控制器。定轨分别与框架结构连接，动轨沿定轨的正交方向设置，驱动控制器能够使动轨沿定轨的长度方向滑动，自动扳手安装在动轨上。例如，驱动控制器可以为步进电机，步进电机可分别安装在动轨和定轨上，在步进电机的驱动下，动轨能够沿定轨的长度方向滑动，自动扳手则能够沿动轨的长度方向滑动，从而实现使自动扳手在任意位置精确定位。

除了可以使用滑轨结构来实现平面移动和定位外，也可以采用其他任意一种能满足平面移动和定位功能需求的装置或设备。例如，平面定位机构也可以为多驱全向运动小车，所述多驱全向运动小车能够在所述模型箱的底部移动。

柱体定位及高度调节装置也可包括自动扳手，即在每一个模型柱体的下方均安装设置一个自动扳手，且自动扳手上都安装有驱动控制器，所述驱动控制器能够驱动自动扳手向上或向下移动并产生转角。通过计算机计算出每个模型柱体的高度值以及对应的坐标位置，然后发出信号指令控制自动扳手将对应坐标下的模型柱体调整至对应的高度。

另外，除了上述通过自动扳手为升降杆提供转动角和提升动力的方式来实现改变模型柱体高度外，也可通过其他方式(例如液压方式、气动方式等) 来为升降杆提供转动角和升降动力。例如，可在模型柱体底部设置液压缸，通过改变液压缸产生的液压力使螺杆向上或向下运动并产生转动角。

地表物料铺设装置设置在框架结构的顶部，并能够定位至少一部分模型柱体且能够根据各个模型柱体的地表状况需求将模拟泥石流沟槽地表的物料覆盖在对应的模型柱体顶部。这里，所述能够定位至少一部分模型柱体是指地表物料铺设装置能够定位移动到成为沟槽地形模型的模型柱体顶部从而对该部分的模型柱体铺设模拟泥石流沟槽地表的物料，而模型箱中的其余模型柱体则保持原状。

地表物料铺设装置可包括吊装机构和铺设机构，吊装机构能够将铺设机构移动到需要覆盖地表物料的模型柱体的顶部，铺设机构能够储存并喷射模拟泥石流沟槽地表的物料。

吊装机构可包括吊车和吊车轨道，每个吊车都设置有平台和第一固定接口，用于安装不同类型的设备，每个吊车轨道上都安装有驱动控制器。吊装机构的数量可为一个或多个，驱动控制器可以为步进电机。例如，吊装机构可包括三组吊车和吊车轨道，其中每个吊车轨道与支撑框架顶部固定连接，每个吊车轨道相互平行，吊车设置在吊车轨道上，通过程序步进电机能够进行自动控制空间位置和相关作业。

铺设机构可包括地表物料喷射装置，所述地表物料喷射装置由地表物料存贮箱、物料泵和地表物料喷射管组成。其中，地表物料存贮箱中装有用于模拟泥石流沟槽内物质的物料，物料泵用于为地表物料喷射管提供喷射的动力，地表物料喷射管安装在吊车的第一固定接口上。所述用于模拟泥石流沟槽内物质的物料可包括松散堆积物材料、类岩石材料和凝胶材料。其中，凝胶材料可取聚合物和石英砂，用于保证粘着性和刚度需求，并且与铜表面不会完全粘结，一定拉力下可以脱离。类岩石材料可以通过水泥、砂石、石膏、刚玉与水等物质进行调配。松散堆积物可以为土石。

泥石流存贮箱设置在沟槽地形模型的上游，泥石流存贮箱中装有泥石流浆体，用于模拟泥石流上游来源。泥石流存贮箱的上部可设有能够与吊装机构连接的第二固定接口，下部或侧壁可设有阀门。

废料收集池放置在所述沟槽地形模型的下游，废料收集池的容量足够大，用于存放流出的泥石流浆液。

此外，对于本发明的泥石流沟槽模拟实验系统而言，其还可在上述实施例的结构基础上，进一步包括基座和基础。所述基座安装在框架结构的底部，整个泥石流模型装置放置在基础上，使得装置整体重量能够通过基座传递至基础上，而基础又将重量传递至稳定性的地基上，以便增加支撑装置的稳定性。

所述泥石流沟槽模拟实验系统还可包括喷淋装置，喷淋装置设置在框架结构的顶部，用于实现降雨过程的模拟。例如，喷淋装置可以为淋雨喷头，淋雨喷头可与吊装机构的吊车连接。

本发明的另一方面提供了一种三维任意形态泥石流沟槽模拟实验方法，所述泥石流沟槽模拟实验方法采用如上所述的泥石流沟槽模拟实验系统实现，包括以下步骤：

(1)沟槽数据准备。

(2)根据沟槽数据和缩尺比例，通过程序计算每个模型柱体的高度值，然后控制柱体定位及高度调节装置移动到每个模型柱体的底部，使得模型柱体上升到指定高度，待所有模型柱体高度设定完成后，整体即形成所需的沟槽地形模型。

(3)使用吊装机构起吊铺设机构，并向沟槽地形模型的上表面铺设模拟泥石流沟槽地表的物料，铺设前或铺设过程中，在沟槽地形模型中埋设多个监测装置和数据采集装置。

(4)在泥石流沟槽模型的上游处通过吊装机构设置泥石流存贮箱，下游处放置废料收集池。

(5)检查实验系统后，开启监测装置和数据采集装置，开启泥石流存贮箱的阀门，进行泥石流流动与冲击过程实验。

(6)实验完成后，由上至下，由外及内，撤出监测装置、数据采集装置以及与吊装机构连接的装置，控制柱体定位及高度调节装置将模型柱体一一缩回放平，清理平台上的所有废弃物。

为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合附图和具体示例对其进行进一步说明。

示例1

在本发明的一个示例性实施例中，所述三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统可由支撑装置、模型箱、多个模型柱体、柱体定位及高度调节装置、地表物料铺设装置、泥石流存贮箱以及废料收集池构成。所述多个模型柱体中的每个模型柱体均包括底座和设置在底座上且能够相对底座沿高度方向上升或下降的升降杆。所述柱体定位及高度调节装置包括平面定位机构和自动扳手。所述地表物料铺设装置包括吊装机构和铺设机构，所述铺设机构包括地表物料喷射装置。

图1示出了本发明的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统的一个示例性实施例的结构示意图。

如图1所示，在本发明的一个示例性实施例中，三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统包括吊车1、吊车轨道2、支撑框架3、模型柱体4、模型箱5、滑轨结构6、基座7、自动扳手8。

其中，平面定位机构由滑轨结构6组成，吊装机构由吊车1和吊车轨道 2组成。吊车1滑动连接在吊车轨道2上，吊车轨道2固定安装在支撑框架3 顶部。多个模型柱体4紧紧相互靠紧，并彼此相互密封的安装固定在模型箱 5中。模型箱5固定于支撑框架3中。滑轨结构6位于模型箱5的底部，并与支撑框架3的纵向支撑件的下部固定连接。基座7分别与支撑框架3的纵向支撑件连接，用于支撑加固支撑框架3。自动扳手8固定安装在滑轨结构6 上，在滑轨结构6的驱动下，自动扳手8能够在模型箱5底部的平面内自由平移。

图2示出了本发明的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统的一个示例性实施例中的支撑装置的结构示意图。

如图2所示，支撑框架3为十二个支撑件相固定连接构成的长方体结构，支撑件包括四个纵向支撑件和八个横向支撑件。其中，两个纵向支撑件和两个横向支撑件相互连接构成支撑框架3的左侧；另外两个纵向支撑件和两个横向支撑件相互连接构成支撑框架3的右侧；另外四个横向支撑件连接构成一个方形框架，该方形框架与四个纵向支撑件的下部固定连接以实现将支撑框架3的左侧和右侧固定连接，该方形框架的中空结构即为所述支撑装置的第一轴向腔体。吊车1以及吊车轨道2安装在支撑框架3顶部的两个横向支撑件上，滑轨结构6安装在支撑框架3底部的两个横向支撑件上。

图3示出了本发明的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统的一个示例性实施例中的模型柱体的结构示意图。

如图3所示，模型柱体由升降杆、底座12和固定卯榫13构成，而升降杆由套壳9、升降管10以及螺杆11构成。其中，套壳9和升降管10的横截面为正方形，套壳9套装并固定在升降管10上。螺杆11安装在升降管10内部，且螺杆11与升降管10的下部螺纹连接，起到固定升降管10高度的作用。螺杆11的下部设置有圆柱体凸环，用于与底座12内壁的圆柱体凹环相匹配，起到限位固定的作用。螺杆11的底部两侧设有圆柱体凸笋，其尺寸形状与自动扳手相匹配。固定卯榫13设置在底座12的外壳上，相邻两个模型柱体上的固定卯榫13的形状尺寸相互匹配，可以使得模型柱体之间相互固定和精确安装。

图4示出了图3中的升降杆在升降前和升降后的状态示意图。

如图4所示，在未对模型柱体进行高度升降之前，螺杆11固定在底座 12上，螺杆11的上部完全安装在升降管10内部，螺杆11与升降管10下部的螺纹连接，且连接长度最长，当用自动扳手卡住螺杆11底部的凸笋并使得螺杆11相对底座12发生定轴转动后，螺杆11与升降管10下部的螺纹连接长度变短，从而使升降管10和套壳9一起升起一定的高度。

图5示出了本发明的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统的一个示例性实施例中的自动扳手的结构示意图。

如图5所示，自动扳手8上设置有与凸笋尺寸相匹配的凹槽，凹槽的横截面为圆形，且在步驱电机的驱动下该凹槽能够在竖直平面内上升或下降，在水平面内旋转一定的角度。

图6示出了本发明的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统的一个示例性实施例中的滑轨结构的结构示意图。

如图6所示，滑轨结构6由定轨14、动轨15以及步进电机16组成。其中，定轨14的数量为两个，动轨15的数量为一个，步进电机16的数量为三个。两个定轨14分别安装在支撑框架底部的两个横向支撑件上，动轨15的两端分别与两个定轨14滑动连接，自动扳手8安装在动轨15上，步进电机 16分别安装在定轨14和动轨15上，用于驱动动轨15沿定轨14的长度方向滑动、以及自动扳手8沿动轨15的长度方向滑动。

图7示出了本发明的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统的一个示例性实施例中的吊装机构的结构示意图。

如图7所示，吊装机构由两组吊车1和吊车轨道2组成。两组吊车1和吊车轨道2平行设置在支撑框架3的顶部。每个吊车都设置有平台和第一固定接口，每个吊车轨道上都安装有步进电机。

其中一组吊装机构的吊车1上的第一固定接口与泥石流存贮箱17的第二固定接口连接，通过控制吊装机构能够将泥石流存贮箱17搁置在所述沟槽地形模型的上游，用于模拟泥石流上游来源。泥石流存贮箱17的侧壁设置有阀门。

铺设机构可包括地表物料喷射装置，所述地表物料喷射装置由地表物料存贮箱、物料泵和地表物料喷射管组成。另一组吊装机构的吊车1上的第一固定接口可安装地表物料喷射管，用于将凝胶材料、类岩石材料以及松散堆积物材料铺设在模型柱体上。

另外，本示例性实施例的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统还包括废料收集池。废料收集池放置在所述沟槽地形模型的下游，用于存放流出的泥石流浆液。

为了进一步阐明本示例性实施例所述的泥石流沟槽模拟实验系统的使用方法和原理，下面通过实验模拟泥石流在平面V形延伸的U形截面沟槽内的运动过程来说明该实验系统的使用方法。

所述泥石流沟槽模拟实验方法包括以下步骤：

(1)沟槽数据准备，这里需要获得三维地形高程数据(即DEM数据)、基岩刚度参数、松散覆盖层的厚度以及物理力学性质参数等。

(2)根据沟槽数据和缩尺比例，通过程序计算每个模型柱体的高度值，然后控制自动扳手移动到每个模型柱体的底部，使得模型柱体上升到指定高度，待所有模型柱体高度设定完成后，整体即形成所需的沟槽地形模型。这里，可将沟槽的DEM数据输入控制计算机，计算机根据原始地形数据和缩尺比例计算出每个模型柱体的高度值。然后控制滑轨结构的电机系统，将自动扳手依次移动到每一个模型柱体的底部，自动扳手中的步进电机根据信号指令将模型柱体中的螺杆旋转一定的角度，使得模型柱体上升到指定高度。将所有的模型柱体高度设定完成后，整体可形成在平面V形延伸的U形截面沟槽地形模型。

(3)使用吊车控制地表物料喷射装置向沟槽地形模型依次铺设凝胶材料、类岩石材料和松散覆盖物。具体来讲，在吊车上安装地表物料喷射管，并开启位于地表的物料泵，依次加入准备好的凝胶砂浆材料、类岩石材料和松散覆盖物，控制吊车上喷管位置向沟槽地形模型依次铺设凝胶材料、类岩石材料和松散覆盖物。铺设前或铺设过程中，在沟槽地形模型中埋设多个监测装置和数据采集装置。这里，类岩石材料的刚度系数与基岩刚度相符合，松散覆盖土石材料的颗粒级配以及物理力学性质与实测参数相符合。

图8示出了本发明的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统的一个示例性实施例中的泥石流地形模型局部截面的示意图。如图8所示，凝胶材料铺设在最底层，其次是类岩石材料，最后将松散堆积物材料铺设在上层，铺设完成后，沟槽地形模型的上表面由台阶形转变为曲面形态。

(4)在泥石流沟槽模型的上游处设置泥石流存贮箱，下游处放置废料收集池。这里，泥石流存贮箱可通过吊车搁置在泥石流沟槽模型的上游。

(5)检查实验系统后，在系统安全、完善情况下，开启监测装置和数据采集装置，开启泥石流存贮箱的阀门，进行泥石流流动与冲击过程实验。

(6)实验完成后，由上至下，由外及内，撤出监测装置、数据采集装置以及与吊车连接的装置，控制自动扳手将模型柱体一一缩回放平，清理平台上的所有废弃物。最后修理维护设备准备下次实验。

示例2

在本发明的一个示例性实施例中，所述三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统可由支撑装置、模型箱、多个模型柱体、多驱全向运动小车、自动扳手、吊装机构、地表物料铺设装置、泥石流存贮箱、喷淋装置以及废料收集池构成。

其中，支撑装置为十个支撑件固定连接构成的长方体结构，支撑件包括四个纵向支撑件和六个横向支撑件。其中，两个纵向支撑件和一个横向支撑件相互连接构成支撑框架的左侧；另外两个纵向支撑件和一个横向支撑件相互连接构成支撑框架的右侧；另外四个横向支撑件连接构成一个方形框架，该方形框架与四个纵向支撑件的下部固定连接以实现将支撑框架的左侧和右侧固定连接，该方形框架的中空结构即为所述支撑装置的第一轴向腔体。支撑框架的纵向支撑件上连接有基座，用于支撑加固支撑框架。

多个模型柱体紧紧相互靠紧，并彼此相互密封的安装固定在模型箱中。模型箱固定于支撑框架的第一轴向腔体中。所述多个模型柱体中的每个模型柱体均包括底座和设置在底座上且能够相对底座沿高度方向上升或下降的升降杆。每个模型柱体的升降杆都包括套壳、升降管以及螺杆。套壳和升降管的横截面为正六边形，套壳装在升降管上，并与升降管固定。螺杆插入升降管内，并与升降管的下部螺纹连接，螺杆下部设置有凸环，用于与底座的凹环匹配以固定螺杆。底座的外壳设置有固定卯榫，多个模型柱体通过固定卯榫进行相互固定。

所述柱体定位及高度调节装置包括多驱全向运动小车和自动扳手。多驱全向运动小车放置在模型箱的底部，自动扳手固定安装在多驱全向运动小车上，在多驱全向运动小车的驱动下，自动扳手能够在模型箱底部的平面内自由平移。图9示出了本发明的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统的另一个示例性实施例中的多驱全向运动小车的结构示意图。如图9所示，多驱全向运动小车18设置有驱动控制器，用于提供驱动力。

铺设机构可包括地表物料喷射装置，所述地表物料喷射装置由地表物料存贮箱、物料泵和地表物料喷射管组成。吊装机构包括三组吊车和吊车轨道，吊车滑动连接在吊车轨道上，吊车轨道安装在支撑框架顶部的两个横向支撑件上，三组吊车轨道相互平行。其中，一组吊车和泥石流存贮箱连接，用于将泥石流存贮箱放置在泥石流沟槽地形模型的上游；一组吊车和地表物料喷射装置连接，用于将凝胶材料、类岩石材料以及松散堆积物材料喷射至模型柱体的上表面；另一组吊车和喷淋装置连接，用于在模型柱体上方喷射水滴，以实现模拟降雨过程。

废料收集池放置在泥石流沟槽地形模型的下游，用于收集上游流出的泥石流浆液。

为了进一步阐明本示例性实施例所述的泥石流沟槽模拟实验系统的使用方法和原理，下面通过实验模拟泥石流在沟槽内的运动过程来说明该实验系统的使用方法。

所述泥石流沟槽模拟实验方法包括以下步骤：

(1)沟槽数据准备，这里需要获得三维地形高程数据(即DEM数据)、基岩刚度参数、松散覆盖层的厚度以及物理力学性质参数等。

(2)根据沟槽数据和缩尺比例计算每个模型柱体的高度值，然后控制自动扳手移动到每个模型柱体的底部，使得模型柱体上升到指定高度，待所有模型柱体高度设定完成后，整体即形成所需的沟槽地形模型。这里，可将沟槽的DEM数据输入控制计算机，计算机根据原始地形数据和缩尺比例计算出每个模型柱体的高度值。然后控制多驱全向自动小车，将自动扳手依次移动到每一个模型柱体的底部，自动扳手中的步进电机根据信号指令将模型柱体中的螺杆旋转一定的角度，使得模型柱体上升到指定高度。将所有的模型柱体高度设定完成后，整体可形成在所需的沟槽地形模型。

(3)使用吊车控制地表物料喷射装置向沟槽地形模型依次铺设凝胶材料、类岩石材料和松散覆盖物。具体来讲，在吊车上安装地表物料喷射管，并开启位于地表的物料泵，依次加入准备好的凝胶砂浆材料、类岩石材料和松散覆盖物，控制吊车上喷管位置向沟槽地形模型依次铺设凝胶材料、类岩石材料和松散覆盖物。铺设前或铺设过程中，在沟槽地形模型中埋设多个监测装置和数据采集装置。

(4)通过吊车在泥石流沟槽模型的上游处设置泥石流存贮箱，并在下游处放置废料收集池。然后在吊车上放置喷淋装置，用于模拟降雨过程。

(5)检查实验系统后，在系统安全、完善情况下，开启监测装置和数据采集装置，打开喷淋装置，开启泥石流存贮箱的阀门，进行降雨状态下泥石流流动与冲击过程实验。

(6)实验完成后，由上至下，由外及内，撤出监测装置、数据采集装置以及与吊车连接的装置，控制自动扳手将模型柱体一一缩回放平，清理平台上的所有废弃物。最后修理维护设备准备下次实验。

综上所述，本发明的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统及实验方法的优点可包括：

(1)能够根据实际泥石流地形特征或研究需要，输入数字高程模型 (DEM)数据和地层岩性数据，自动生成具有复杂三维地形的泥石流缩尺模型，该泥石流缩尺模型三维形态任意可变，泥石流的孕育、产生、流通以及堆积过程的空间地形因素均可通过该模型进行实验模拟；

(2)沟床松散土石体的底部为类岩石材料，其刚度通过相似模型实验设计，能够较好产生泥石流流通过程中相关物质的动力反应特征；

(3)该实验系统能够涵盖传统泥石流实验槽的实验内容，并在实验维度上进行了极大的扩展，有助于扩展室内泥石流物理模型实验的研究，从而能够深入研究泥石流的形成机理、运动属性和致灾机理，为泥石流灾害的防治提供科学的依据和指导。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (10)

1.一种三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统，其特征在于，所述泥石流沟槽模拟实验系统包括支撑装置、模型箱、多个模型柱体、柱体定位及高度调节装置、地表物料铺设装置、泥石流存贮箱以及废料收集池，其中，

所述支撑装置具有框架结构；

所述模型箱固定安装在所述框架结构的中部；

所述多个模型柱体中的每个模型柱体均包括底座和设置在底座上且能够相对底座沿高度方向上升或下降的升降杆，所述多个模型柱体通过各自的底座固定在所述模型箱中，且所述多个模型柱体的升降杆以彼此相邻且平行的方式设置，以形成上表面呈台阶形的沟槽地形模型；

所述柱体定位及高度调节装置设置在所述框架结构的下部，并能够定位所述多个模型柱体中的至少一部分且能够使所定位的模型柱体的升降杆上升或下降至预定高度；所述柱体定位及高度调节装置包括至少一个自动扳手，所述自动扳手能够向所述升降杆提供上升或下降的动力；

所述地表物料铺设装置设置在所述框架结构的顶部，并能够定位至少一部分模型柱体且能够根据各个模型柱体的地表状况需求将模拟泥石流沟槽地表的物料覆盖在对应的模型柱体顶部；

所述泥石流存贮箱设置在所述沟槽地形模型的上游，所述泥石流存贮箱中装有泥石流浆体；

所述废料收集池放置在所述沟槽地形模型的下游。

2.根据权利要求1所述的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统，其特征在于，所述升降杆包括套壳、升降管和螺杆，其中，所述螺杆能够与所述柱体定位及高度调节装置配合，所述升降管套装在螺杆上并能够在螺杆转动时产生相对于螺杆的上升或下降运动，所述套壳套装在所述升降管的顶部，且为横截面平均直径为2～16cm的正多边形柱体。

3.根据权利要求2所述的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统，其特征在于，所述升降管下部的内壁上设有与所述螺杆相匹配的螺纹，所述螺杆底部设有凸环，所述底座的内壁设有凹环，所述凸环和所述凹环的尺寸相互匹配。

4.根据权利要求1所述的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统，其特征在于，所述底座的外表面设置有固定卯榫，相邻两个底座上的固定卯榫的形状和尺寸相互匹配，以实现所述多个模型柱体通过各自的底座固定在模型箱中。

5.根据权利要求1所述的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统，其特征在于，所述柱体定位及高度调节装置还包括平面定位机构，所述平面定位机构能够将自动扳手移动和定位至对应的模型柱体的下方。

6.根据权利要求5所述的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统，其特征在于，所述平面定位机构包括滑轨结构，所述滑轨结构包括两个相对设置的定轨、动轨以及驱动控制器，所述定轨分别与所述框架结构连接，所述动轨沿定轨的正交方向设置，所述驱动控制器能够使动轨沿定轨的长度方向滑动。

7.根据权利要求5所述的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统，其特征在于，所述平面定位机构包括多驱全向运动小车，所述多驱全向运动小车能够在所述模型箱的底部移动。

8.根据权利要求1所述的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统，其特征在于，所述地表物料铺设装置包括吊装机构和铺设机构，所述吊装机构能够将铺设机构移动到需要覆盖地表物料的模型柱体的顶部，所述铺设机构能够储存并喷射模拟泥石流沟槽地表的物料，所述模拟泥石流沟槽地表的物料包括松散堆积物材料、类岩石材料和凝胶材料。

9.根据权利要求1所述的三维任意形态的泥石流沟槽模拟实验系统，其特征在于，所述泥石流沟槽模拟实验系统还包括基座和喷淋装置，所述基座安装在所述框架结构的底部，所述喷淋装置设置在所述框架结构的顶部。

10.一种三维任意形态泥石流沟槽模拟实验方法，其特征在于，所述泥石流沟槽模拟实验方法采用如权利要求1至9中任意一项所述的泥石流沟槽模拟实验系统实现，包括以下步骤：

沟槽数据准备；

根据沟槽数据和缩尺比例计算每个模型柱体的高度值，然后控制柱体定位及高度调节装置移动到每个模型柱体的底部，使得模型柱体上升到指定高度，待所有模型柱体高度设定完成后，整体即形成所需的沟槽地形模型；

使用吊装机构起吊铺设机构，并向沟槽地形模型的上表面铺设模拟泥石流沟槽地表的物料，铺设前或铺设过程中，在沟槽地形模型中埋设多个监测装置和数据采集装置；

在泥石流沟槽模型的上游处通过吊装机构设置泥石流存贮箱，下游处放置废料收集池；

检查实验系统后，开启监测装置和数据采集装置，开启泥石流存贮箱的阀门，进行泥石流流动与冲击过程实验；

实验完成后，由上至下，由外及内，撤出监测装置、数据采集装置以及与吊装机构连接的装置，控制柱体定位及高度调节装置将模型柱体一一缩回放平，清理平台上的所有废弃物。

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