CN112785817A - 一种叶轮式泥石流流速及泥位监测预警装置及应用方法 - Google Patents

一种叶轮式泥石流流速及泥位监测预警装置及应用方法 Download PDF

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胡卸文
郑锐杰
杨相斌
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赵立明
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    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Abstract

本发明公开了一种叶轮式泥石流流速及泥位监测预警装置及应用方法，该装置包括支架系统、泥石流流速监测系统、泥石流泥位监测和电路系统；支架系统起到支撑受力与安装调整的作用；泥石流流速监测系统通过随泥石流流体一起转动的叶轮式设备，采用同速转轮的方式测量泥石流的流速；泥石流泥位监测系统通过随泥石流泥位变化而偏转的转页，改变电路中的电阻大小，将泥石流泥位信息转化为电流信号；电路系统通过电流监测仪，实时测得泥石流体内部流速和泥石流泥位，计算泥石流累计冲出量及峰值流量，启动后端预警装置。本发明装置可以同时测得泥石流流速和泥位，灵活可调，便于拆卸安装，自动化程度高，太阳能供电，节约成本；方法易于理解，方便实施。

Description

一种叶轮式泥石流流速及泥位监测预警装置及应用方法
技术领域
本发明属于泥石流灾害的预警及防治领域，具体涉及一种叶轮式泥石流流速及泥位监测预警装置及应用方法。
背景技术
泥石流是中国山区常见多发的一种地质灾害，具有突发性，速度快，能量大，破坏力极强，携带物质体积大等特点。因此，常常会对泥石流发生的城镇，村庄造成较大的经济损失和人员伤亡。泥石流流速与泥位是泥石流防治工程中重要的设计参数之一，二者结合试验点过流断面尺寸可准确计算出一次泥石流冲出规模的大小，对于泥石流运动过程还原、防治及预测预报研究意义重大。但由于泥石流突发性较强，其流速、泥位通常难以准确监测到，这使得泥石流流速及泥位的现场测试技术如何快速简便变得尤为重要。
当前对泥石流流速测定方法主要是载波相位差分法、多普勒法、光弹法、图像解译法等。它们多基于泥石流的流体表面测定，但由于泥石流是一种包含大量泥沙、石块、水等的一种不均匀多相流体，泥石流表面流速与内部流速明显不同。因此，现有的方法难以实时地监测泥石流的流速，较准确地测定泥石流内部流速，并能达到预警的效果，上述方法难以得到解决。
当前对泥石流泥位的测定方法通常有3类，分别是泥痕观测法、泥位标尺法与无线测量传感器泥位计测量方法等。但泥痕观测法和泥位标尺法的测量结果不够精确，且无法进行泥石流泥位的动态监测，无线测量传感器泥位计测量法涉及大量传感装置，安装过程较繁琐，维护成本较高，且无法同时进行泥石流流速的测量。因此，现有的方法难以简便而精确地进行泥石流泥位实时监测，并达到预警的效果。
发明内容
针对现有泥石流流速及泥位测定技术的不足，为了实现同时准确监测泥石流流速和泥位，并对泥石流灾害进行有效地预警。本发明提供一种叶轮式泥石流流速及泥位监测预警装置及应用方法。
本发明的一种叶轮式泥石流流速及泥位监测预警装置，包括支架系统、泥石流流速监测系统、泥石流泥位监测系统和电路系统。
支架系统由混凝土基础、立杆、支臂以及支撑杆组成，其中混凝土基础设置在泥石流沟道岸坡安全部位，立杆通过其下端设置的立杆底座的固定螺帽和混凝土基础螺丝固定在混凝土基础上；立杆顶端水平设有支臂，支臂与立杆之间设有支撑杆，支撑杆末端通过螺栓连接座分别与立杆和支臂连接。
泥石流流速监测系统为：一个转轴的内环刚接于支臂，转轴的外环沿其径向均匀固定多根绝缘刚性杆，在绝缘刚性杆的下部焊接有电阻刷；绝缘刚性杆的端部焊接有圆形叶片状的同速转叶；转轴两侧设有两根导线套筒，通过连接座与支臂连接；导线套筒末端设有电极探针与电阻刷配合接触。
泥石流泥位监测系统为：另一个转轴的内环刚接于支臂，转轴的外环沿其径向固定两根绝缘刚性杆，在其中一根绝缘刚性杆的端部焊接有圆形叶片状的同速转叶，另一根绝缘刚性杆的端部设有电极探针；支臂上设有外接支架，通过螺栓连接座与支臂连接；外接支架上焊接有外层保护罩，保护罩弧形内壁上设有均匀电阻丝，通过泥位测量导线接入电路系统，均匀电阻丝与电极探针紧密接触。
电路系统为：泥石流流速监测系统的电极探针与泥石流泥位监测系统中的电极探针通过导线依次连接电流监测仪、蓄电池形成回路；同时电流监测仪通过导线与模数转换器连接，模数转换器连接信号发射器；立杆中部设有机箱，模数转换器、信号发射器和蓄电池固定于机箱内部。
进一步的，立杆、支臂以及支撑杆通过内外连接螺纹组装，可根据实际情况组装调整其长度。
进一步的，泥石流流速监测系统中的绝缘刚性杆为八根，均由内外连接螺纹组装调节长度，以满足不同沟深泥石流沟的监测需求。
进一步的，泥石流流速监测系统中的电极探针与导线套筒之间通过弹簧连接；泥石流泥位监测系统中的电极探针与绝缘刚性杆之间通过弹簧连接，电极探针尖端伸出绝缘刚性杆末端空孔，电极探针尾端直径大于空孔的孔口直径。
进一步的，电路系统还包括太阳能光伏板，太阳能光伏板通过光伏板支架安装在立杆的顶部；太阳能光伏板连接蓄电池为其提供电源。
进一步的，支臂与立杆为中空铝合金杆，支撑杆为铝合金杆，绝缘刚性杆为工程塑料、玻璃纤维或环氧树脂材料制造。
本发明的一种叶轮式泥石流流速及泥位监测预警装置的应用方法，包括以下步骤：
S1、选点预埋：选取泥石流流通区沟宽适宜且岸坡稳定之处作为试验点，测量试验点沟道横断面形态及面积，在沟道一侧岸坡安全部位挖一个一定深度的凹坑，在凹坑内浇筑混凝土基础。
S2、安装支架系统：通过固定螺帽和混凝土基础螺丝将立杆固定安装于混凝土基础上，通过螺栓将支臂和立杆连接，之后将支撑杆通过螺栓连接座固定于立杆和支臂之间。
S3、安装监测系统：在竖向投影位于沟道中央附近的支臂上间隔一定距离安装泥石流流速监测系统和泥石流泥位监测系统。
S4、调节泥石流流速监测结构：将焊接有电阻刷的绝缘刚性杆，根据泥石流沟深情况拼接至合适长度，并调整同速转叶使其法向方向平行于沟道纵向方向，最后固定。
S5、调节泥石流泥位监测结构：将焊接有同速转叶的绝缘刚性杆，根据泥石流沟深情况，拼接绝缘刚性杆至合适长度，并调整同速转叶使其法向方向平行于沟道纵向方向，最后固定。
S6、安装电路系统：将电极探针、电流监测仪依次用导线连接组装；在立杆上安装机箱；将蓄电池、模数转换器和信号发射器安装在机箱中，并接到电流监测仪；安装太阳能光伏板，把太阳能光伏板用导线连接蓄电池并为其提供电力。
S7、信号监测：打开电源开关，泥石流未来临时电路处于断路状态；泥石流来临时，泥石流流速监测装置和泥石流泥位监测装置开始工作，电流信号监测仪实时监测到电路中的电流变化并收集电流信号。
S8、信号处理与预警：电流监测仪将电流信号发送到模数转换器，随之将接收到的电流信号转换成数字信号，并发送给信号发射器，信号发射器将信号通过无线传输的方式发送到终端处理器，信号经过终端处理器处理后得到泥石流的流速和泥位；再结合试验点过流断面的面积，进行泥石流累计冲出量及峰值流量的计算，当泥石流累计冲出量或峰值流量达到预设的阈值，终端处理器立即将预警信号无线传送至当地预警装置，发出警报提醒当地居民及时疏散至安全区域。
本发明的有益技术效果为：
其一：本发明通过采用同速转轮的方式测量泥石流的流速，将线性运动转化为转动，通过测转速进而测得线性速度，该方法易于理解。
其二：本发明通过采用泥石流冲击转叶漂浮的方式测量泥石流的泥位，将泥石流泥位转化为电流信号，通过测定电路接通电阻的大小进而测得转叶的偏转角，进而计算得出泥石流泥位，该方法易于理解。
其三：本发明装置能通过转动方式将泥石流巨大的冲击力巧妙转化，较大地降低监测装置被损坏的风险，同时能较准确地实时测得泥石流体内部流速和泥位，二者结合试验点过流断面尺寸还可实时监测泥石流峰值流量的动态变化和计算一次泥石流冲出规模的大小，不仅可更为精确地对泥石流的暴发及危险性进行监测、预警，还能为泥石流运动过程还原、防治及预测预报研究提供更为可靠的试验数据。
其四：本发明装置灵活可调，便于拆卸安装，自动化程度高，太阳能供电，节约成本。
附图说明
图1为叶轮式泥石流流速及泥位监测预警装置整体结构示意图；
图2为泥石流流速监测系统正视图；
图3为泥石流泥位监测系统放大图；
图4为泥石流泥位监测系统侧视图；
图5为泥石流泥位监测系统转轴放大图。
图中各标号为：11：立杆，111：内外连接螺纹，12：立杆底座，121：固定螺帽，122：混凝土基础螺丝，13：混凝土基础，14：支臂，141：支臂内壁，142：支臂外壁，15：支撑杆，151：螺栓连接座，21：转轴，211：轴承内环，212：轴承转珠，213：轴承外环，22：绝缘刚性杆，221：电阻刷，23：同速转叶，241：电极探针，242：导线套筒，243：流速测量导线，31：均匀电阻丝，32：外接支架，33：外层保护罩，34：弹簧，35：绝缘支架，36：泥位测量导线，37：电极探针，41：电源导线，42：电流检测仪，43：引线孔，44：模数转换器，45：信号发射器，46：发射天线，47：蓄电池，48：机箱，49：太阳能光伏板，491：光伏板支架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种叶轮式泥石流流速及泥位监测预警装置如图1所示，包括支架系统、泥石流流速监测系统、泥石流泥位监测系统和电路系统。
支架系统由混凝土基础13、立杆11、支臂14以及支撑杆15组成，其中混凝土基础13设置在泥石流沟道岸坡安全部位，立杆11通过其下端设置的立杆底座12的固定螺帽121和混凝土基础螺丝122固定在混凝土基础13上；立杆11顶端水平设有支臂14，支臂14与立杆11之间设有支撑杆15，支撑杆15末端通过螺栓连接座151分别与立杆11和支臂14连接。
泥石流流速监测系统如图1、图2所示：一个转轴21的内环211刚接于支臂14，转轴21的外环213沿其径向均匀固定多根绝缘刚性杆22，在绝缘刚性杆22的下部焊接有电阻刷221；绝缘刚性杆22的端部焊接有圆形叶片状的同速转叶23；转轴21灵敏度高，摩擦阻力几乎可忽略，以确保泥石流流速能高效率转化为同速转轮的转速；转轴21两侧设有两根导线套筒242，通过连接座与支臂14连接；导线套筒末端设有电极探针241与电阻刷221配合接触。
泥石流泥位监测系统如图3、图4、图5所示：另一个转轴21的内环211刚接于支臂14，转轴21的外环213沿其径向固定两根绝缘刚性杆22，在其中一根绝缘刚性杆22的端部焊接有圆形叶片状的同速转叶23，另一根绝缘刚性杆的端部设有电极探针37；支臂14上设有外接支架32，通过螺栓连接座151与支臂14连接；外接支架32上焊接有外层保护罩33，保护罩弧形内壁上设有均匀电阻丝31，通过泥位测量导线36接入电路系统，均匀电阻丝31与电极探针37紧密接触。
电路系统为：泥石流流速监测系统的电极探针241与泥石流泥位监测系统中的电极探针37通过导线依次连接电流监测仪42、蓄电池47形成回路；同时电流监测仪42通过导线与模数转换器44连接，模数转换器44连接信号发射器45；立杆11中部设有机箱48，模数转换器44、信号发射器45和蓄电池47固定于机箱48内部。
进一步的，立杆11、支臂14以及支撑杆15通过内外连接螺纹111组装，可根据实际情况组装调整其长度。
进一步的，泥石流流速监测系统中的绝缘刚性杆22为八根，均由内外连接螺纹111组装调节长度，以满足不同沟深泥石流沟的监测需求。
进一步的，泥石流流速监测系统中的电极探针241与导线套筒242之间通过弹簧34连接；泥石流泥位监测系统中的电极探针37与绝缘刚性杆22之间通过弹簧34连接，电极探针37尖端伸出绝缘刚性杆22末端空孔，电极探针37尾端直径大于空孔的孔口直径。
进一步的，电路系统还包括太阳能光伏板49，太阳能光伏板49通过光伏板支架491安装在立杆11的顶部；太阳能光伏板49连接蓄电池47为其提供电源。
进一步的，支臂14与立杆11为中空铝合金杆，支撑杆15为铝合金杆，绝缘刚性杆22为工程塑料、玻璃纤维或环氧树脂材料制造。
本发明的一种叶轮式泥石流流速及泥位监测预警装置的应用方法，包括以下步骤：
S1、选点预埋：选取泥石流流通区沟宽适宜且岸坡稳定之处作为试验点，测量试验点沟道横断面形态及面积，在沟道一侧岸坡安全部位挖一个一定深度的凹坑，在凹坑内浇筑混凝土基础13。
S2、安装支架系统：通过固定螺帽121和混凝土基础螺丝122将立杆11固定安装于混凝土基础13上，通过螺栓将支臂14和立杆11连接，之后将支撑杆15通过螺栓连接座151固定于立杆11和支臂14之间。
S3、安装监测系统：在竖向投影位于沟道中央附近的支臂14上间隔一定距离安装泥石流流速监测系统和泥石流泥位监测系统。
S4、调节泥石流流速监测结构：将焊接有电阻刷221的绝缘刚性杆22，根据泥石流沟深情况拼接至合适长度，并调整同速转叶23使其法向方向平行于沟道纵向方向，最后固定。
S5、调节泥石流泥位监测结构：将焊接有同速转叶23的绝缘刚性杆22，根据泥石流沟深情况，拼接绝缘刚性杆22至合适长度，并调整同速转叶23使其法向方向平行于沟道纵向方向，最后固定。
S6、安装电路系统：将电极探针241、电流监测仪42依次用导线连接组装；在立杆上安装机箱48；将蓄电池47、模数转换器44和信号发射器45安装在机箱中，并接到电流监测仪42；安装太阳能光伏板49，把太阳能光伏板49用导线连接蓄电池47并为其提供电力。
S7、信号监测：打开电源开关，泥石流未来临时电路处于断路状态；泥石流来临时，泥石流流速监测装置和泥石流泥位监测装置开始工作，电流信号监测仪42实时监测到电路中的电流变化并收集电流信号。
S8、信号处理与预警：电流监测仪42将电流信号发送到模数转换器44，随之将接收到的电流信号转换成数字信号，并发送给信号发射器45，信号发射器45将信号通过无线传输的方式发送到终端处理器，信号经过终端处理器处理后得到泥石流的流速和泥位；再结合试验点过流断面的面积，进行泥石流累计冲出量及峰值流量的计算，当泥石流累计冲出量或峰值流量达到预设的阈值，终端处理器立即将预警信号无线传送至当地预警装置，发出警报提醒当地居民及时疏散至安全区域。
其中，终端处理器是安装在当地地质灾害监测的相关部门的设备，能够及时地处理信号发射器45发来的数据，经过终端处理器处理后，将得到泥石流流速、泥位等参数，再结合试验点过流断面的面积(过流断面的沟道及岸坡形态、尺寸通过实测已知，根据泥石流泥位监测值可计算过流断面面积)，能进行泥石流累计冲出量及峰值流量的计算，当泥石流累计冲出量或峰值流量达到预设的阈值，终端处理器立即将预警信号发送给预警装置。其中，预警装置是安装在泥石流影响所在区域的警报装置，在接收到终端处理器发来的信号后及时地对泥石流影响区域进行预警。

Claims (7)

1.一种叶轮式泥石流流速及泥位监测预警装置，其特征在于，包括支架系统、泥石流流速监测系统、泥石流泥位监测系统和电路系统；
支架系统由混凝土基础(13)、立杆(11)、支臂(14)以及支撑杆(15)组成，其中混凝土基础(13)设置在泥石流沟道岸坡安全部位，立杆(11)通过其下端设置的立杆底座(12)的固定螺帽(121)和混凝土基础螺丝(122)固定在混凝土基础(13)上；立杆(11)顶端水平设有支臂(14)，支臂(14)与立杆(11)之间设有支撑杆(15)，支撑杆(15)末端通过螺栓连接座(151)分别与立杆(11)和支臂(14)连接；
泥石流流速监测系统为：一个转轴(21)的内环(211)刚接于支臂(14)，转轴(21)的外环(213)沿其径向均匀固定多根绝缘刚性杆(22)，在绝缘刚性杆(22)的下部焊接有电阻刷(221)；绝缘刚性杆(22)的端部焊接有圆形叶片状的同速转叶(23)；转轴(21)两侧设有两根导线套筒(242)，通过连接座与支臂(14)连接；导线套筒末端设有电极探针(241)与电阻刷(221)配合接触；
泥石流泥位监测系统为：另一个转轴(21)的内环(211)刚接于支臂(14)，转轴(21)的外环(213)沿其径向固定两根绝缘刚性杆(22)，在其中一根绝缘刚性杆(22)的端部焊接有圆形叶片状的同速转叶(23)，另一根绝缘刚性杆的端部设有电极探针(37)；支臂(14)上设有外接支架(32)，通过螺栓连接座(151)与支臂(14)连接；外接支架(32)上焊接有外层保护罩(33)，保护罩弧形内壁上设有均匀电阻丝(31)，通过泥位测量导线(36)接入电路系统，均匀电阻丝(31)与电极探针(37)紧密接触；
电路系统为：泥石流流速监测系统的电极探针(241)与泥石流泥位监测系统中的电极探针(37)通过导线依次连接电流监测仪(42)、蓄电池(47)形成回路；同时电流监测仪(42)通过导线与模数转换器(44)连接，模数转换器(44)连接信号发射器(45)；立杆(11)中部设有机箱(48)，模数转换器(44)、信号发射器(45)和蓄电池(47)固定于机箱(48)内部。
2.根据权利要求1所述的一种叶轮式泥石流流速及泥位监测预警装置，其特征在于，所述立杆(11)、支臂(14)以及支撑杆(15)通过内外连接螺纹(111)组装，可根据实际情况组装调整其长度。
3.根据权利要求1所述的一种叶轮式泥石流流速及泥位监测预警装置，其特征在于，所述泥石流流速监测系统中的绝缘刚性杆(22)为八根，均由内外连接螺纹(111)组装调节长度，以满足不同沟深泥石流沟的监测需求。
4.根据权利要求1所述的一种叶轮式泥石流流速及泥位监测预警装置，其特征在于，所述泥石流流速监测系统中的电极探针(241)与导线套筒(242)之间通过弹簧(34)连接；泥石流泥位监测系统中的电极探针(37)与绝缘刚性杆(22)之间通过弹簧(34)连接，电极探针(37)尖端伸出绝缘刚性杆(22)末端空孔，电极探针(37)尾端直径大于空孔的孔口直径。
5.根据权利要求1所述的一种叶轮式泥石流流速及泥位监测预警装置，其特征在于，所述电路系统还包括太阳能光伏板(49)，太阳能光伏板(49)通过光伏板支架(491)安装在立杆(11)的顶部；太阳能光伏板(49)连接蓄电池(47)为其提供电源。
6.根据权利要求1所述的一种叶轮式泥石流流速及泥位监测预警装置，其特征在于，所述支臂(14)与立杆(11)为中空铝合金杆，支撑杆(15)为铝合金杆，绝缘刚性杆(22)为工程塑料、玻璃纤维或环氧树脂材料制造。
7.一种叶轮式泥石流流速及泥位监测预警装置的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选点预埋：选取泥石流流通区沟宽适宜且岸坡稳定之处作为试验点，测量试验点沟道横断面形态及面积，在沟道一侧岸坡安全部位挖一个一定深度的凹坑，在凹坑内浇筑混凝土基础(13)；
S2、安装支架系统：通过固定螺帽(121)和混凝土基础螺丝(122)将立杆(11)固定安装于混凝土基础(13)上，通过螺栓将支臂(14)和立杆(11)连接，之后将支撑杆(15)通过螺栓连接座(151)固定于立杆(11)和支臂(14)之间；
S3、安装监测系统：在竖向投影位于沟道中央附近的支臂(14)上间隔一定距离安装泥石流流速监测系统和泥石流泥位监测系统；
S4、调节泥石流流速监测结构：将焊接有电阻刷(221)的绝缘刚性杆(22)，根据泥石流沟深情况拼接至合适长度，并调整同速转叶(23)使其法向方向平行于沟道纵向方向，最后固定；
S5、调节泥石流泥位监测结构：将焊接有同速转叶(23)的绝缘刚性杆(22)，根据泥石流沟深情况，拼接绝缘刚性杆(22)至合适长度，并调整同速转叶(23)使其法向方向平行于沟道纵向方向，最后固定；
S6、安装电路系统：将电极探针(241)、电流监测仪(42)依次用导线连接组装；在立杆上安装机箱(48)；将蓄电池(47)、模数转换器(44)和信号发射器(45)安装在机箱中，并接到电流监测仪(42)；安装太阳能光伏板(49)，把太阳能光伏板(49)用导线连接蓄电池(47)并为其提供电力；
S7、信号监测：打开电源开关，泥石流未来临时电路处于断路状态；泥石流来临时，泥石流流速监测装置和泥石流泥位监测装置开始工作，电流信号监测仪(42)实时监测到电路中的电流变化并收集电流信号；
S8、信号处理与预警：电流监测仪(42)将电流信号发送到模数转换器(44)，随之将接收到的电流信号转换成数字信号，并发送给信号发射器(45)，信号发射器(45)将信号通过无线传输的方式发送到终端处理器，信号经过终端处理器处理后得到泥石流的流速和泥位；再结合试验点过流断面的面积，进行泥石流累计冲出量及峰值流量的计算，当泥石流累计冲出量或峰值流量达到预设的阈值，终端处理器立即将预警信号无线传送至当地预警装置，发出警报提醒当地居民及时疏散至安全区域。
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