CN112816662A - 一种室外地质灾害综合实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室外地质灾害综合实验装置，属于地质灾害模拟试验领域，包括支撑系统、滑道、堆积区、测控系统；特征在于可灵活改变滑到坡度、粗糙度、结构，可实现不同地形条件下泥石流、山洪、落石实验模拟；本发明装置结构合理，工作性能稳定、操作简单、可实现重复性地操作，可模拟泥石流、山洪、落石等地质灾害发生发展过程及灾害后果实验测试的需要。

Description

一种室外地质灾害综合实验装置

技术领域

本发明属于地质灾害实验模拟领域，具体涉及一种室外地质灾害综合实验装置。

背景技术

泥石流、洪水、落石等地质灾害每年会造成大量人员伤亡和财产损失。开展地质灾害模拟实验是研究地质灾害触发机理、检测预警技术、产品损坏机理的主要手段。

目前用于开展地质灾害模拟实验的装置主要是基于相似理论来搭建，测定地质灾害发生过程中冲击压力、滑动速度等特征参数。中国专利号201811388214.5公开了一种模拟泥石流运动的实验装置及其实验方法，能够实现泥石流的运动模拟及运动过程中的流深、空隙水压力、正应力和剪切应力的同步测量。中国专利号201610845714.1公开了一种流路可调的泥石流模拟试验系统，能够模拟不同泥石流轨迹来研究地形条件对泥石流运动的影响。中国专利号201610058770.0公开了一种可调控成灾因素的泥石流模拟试验装置及试验方法，能够通过混合好的泥浆在浆料槽斜坡进行模拟泥石流运动。中国专利号201810991751.2公开了一种不同沟床形态下的泥石流溃坝模拟实验装置，通过混合好的泥石流样品，模拟不同沟床梯度和粗糙度工况下泥石流溃坝实验。中国专利号201910905203.8公开了一种山洪诱发泥石流的室内物理模拟实验装置，能够调节阀门大小与坡度的大小来实现模拟不同强度的山洪。中国专利号202020275734.1公开了一种崩塌落石冲击力模拟试验装置，能够模拟在重力作用下落石对试件冲击的影响。目前地质灾害模拟实验装置能够通过已经混合好的物料采用可调控的阀门，改变不同斜率、粗糙度的滑道进行运动加速实现地质灾害的模拟，采用传感器采集特征参数。

但是，现有实验装置主要以单灾模拟为主，对于灾害物料均以混合物的形式直接用于实验，很少能够实时雨水和泥石混合，并同时模拟多种灾害以及灾害之前转换的情况。此外，大部分装置路径单一只能单纯改变坡度，很少能够同时模拟结合坡度、路径、表面摩擦等复杂地形条件。因此，需要研制一种泥石流、洪水、落石组合实验装置可以模拟泥石流、洪水转换的条件下运动过程以及落石灾害，同时可以模拟上述三类地质灾害发生后对承载载体的损坏机理。

发明内容

本发明的目的是提供一种室外地质灾害综合实验装置，以弥补现有技术的不足，为泥石流、洪水、落石等多种地质灾害运动过程模拟、灾害后果评价、监测预警技术研发等提供实验支撑，来满足生产的需要。

本发明提供一种室外地质灾害综合实验装置，包括支撑系统1、滑道3、堆积区13、测控系统23；其中支撑系统1包括支架20、提升装置19、底座12，所述提升装置19依次安装在支架20顶端，支架20与底座12安装在地面上；所述的滑道3安装在支架20与底座12上；滑道3中依此安装水箱2、阀门5、料斗6、挡板7；在挡板7与弯道3c之间为泥石流等灾害的加速区，弯道3c末端设有堆积区13；所述的测控系统23依次将第一测量点17a、第二测量点17b、第三测量点17c设置在滑道3底部，第一图像采集装置24、第二图像采集装置25设置在滑道3外侧，所有数据采集通过采集仪22连接至控制主机21。

所述的提升装置19包括，第一提升装置19a，第二提升装置19b，第三提升装置19c，第四提升装置19d；滑道3的角度由第四提升装置19d和第二提升装置19b改变提升高度实现角度调节；第三提升装置19c用于对料斗6装料。

所述的第四提升装置19d兼做落石提升使用。

所述的滑道3内壁通过可更换不同起伏高度、不同材质的铺垫结构18改变滑道3壁面的摩擦系数。

所述的滑道3可分为2段，第一滑道3a、第二滑道3b，第一滑道3a实现物料形成的功能，第二滑道3b实现泥石流加速和数据采集的功能，此外，还包括弯道3c，从而实现改变路径的功能。

进一步，所述的弯道3c可以改变为直道3d，且弯道3c的转弯角度可以根据需要不同进行设计、制造。

进一步，阀门5安装在水箱2靠近料斗6的一侧，呈两排上下安装，可以实时控制水流量和流速。

进一步，本发明，还包括土压力传感器26和含水量传感器27；两者分别等距安装在第二滑道3b的第一测量点17a至第三测量点17c上，可以实时测量泥石流的土压力和含水率。

再进一步，滑道3可分为2段，第一滑道3a、第二滑道3b；第一滑道3a和第二滑道3b之间采用可以旋转的铰链连接在一起，水箱2、阀门5、料斗6、挡板7还可以安装在第二滑道3b的上端。

作为本发明的优选方案，堆积区选择由护栏和油布构成的储蓄围栏。

图像采集装置使用一台高速摄像机和一架无人机进行拍摄，高速摄像机位于堆积区前方，无人机悬停在半空。

作为本发明的优选方案，本实验装置与地质灾害条件下应急资源产品及其组件损坏性检测实验装置配合使用，可测定应急资源产品及其组件损坏性。

本发明装置使用时，首先打开电源，往料斗中添加沙土等材料，水箱装满水，布置测控系统；使用提升装置调节滑道角度，开启测控系统，同时打开阀门和料斗的挡板，生产模拟的泥石流等地质灾害；实验完成后，关闭测控系统，对滑道进行冲洗，将滑道放置水平，关闭电源。模拟落石发明装置使用时，只需使用料斗一侧的电动葫芦将石块吊起，在底部设置减震装置，打开传感器，释放石块，关闭传感器。

本发明可模拟泥石流、山洪、落石等多种地质灾害发生机理及其灾害后果；通过更换滑道，可模拟直道和不同弯道的情况，克服了现有地质灾害实验装置对滑道路径单一的缺点；通过设置两段可转动的滑道，可以设置不同区域下不同的倾斜角度，模拟非一致坡度下的泥石流等灾害；通过改变料斗等位置，改变不同的滑道长度。

通过本发明物料区采用大型电磁阀，使用水对沙土泥石冲击形成泥石流，具有更加真实性与还原性，以及待实验完成后还可以使用水对滑道的冲洗，节省大量人力和物力。

附图说明

图1为本发明一种室外地质灾害综合实验装置立体图；

图2为本发明第一滑道和第二滑道装置立体图；

图3为本发明直道装置立体图；

图4为落石装置侧视图。

具体实施方式

实施例1

如图1是一种室外地质灾害综合实验装置图，包括支撑系统1、滑道3、堆积区13、测控系统23。

支撑系统1包括实验支架20和底座12两个部分。实验支架20尺寸为11.3m×1.6m×6.9m,由200的H型钢制作，共有三个横梁11构成，此外还由六个立柱8支撑，其中最顶部横梁11c用于为电动葫芦19提供支持。根据调整滑道位置的需要安装4个提升装置19，从滑道3a靠近水箱2一侧，依次安装第一提升装置19a，第二提升装置19b，第三提升装置19c，第四提升装置19d，其中提升装置采用电动葫芦。第四提升装置19d和第二提升装置19b用于调节滑道3角度，第三提升装置19c和第一提升装置19a用于开启闸门7和给料斗6装运泥石。底座12包括第一底座12a，第二底座12b，为弯道3c提供支撑。

本装置滑道3分为2段，分别是第一滑道3a，第二滑道3b。各滑道之间采用销轴16连接并在第一滑道3a与第二滑道3b两侧设置提扣，用于滑道角度调节。其中滑第一滑道3a尺寸为5m×0.8m×1.1m，主要包括水箱2和料斗6。其中，水箱2尺寸为1.8m×0.8m×1.7m，为确保滑道在一定坡度时，水不会溢出，局部高度为1.7m。水箱2靠近料斗远离第四提升装置19d的一侧设置4个直径为200mm的出水口，出水口采用阀门5控制，根据水量需要可开启不同数量的出水口。在实验开始前水箱2中采用自来水直接供水。紧邻水箱2的一侧为料斗6，用于填装泥石物料，料斗6尺寸为1.8m×0.8m×1.1m，料斗6远离水箱2的一端设置闸门7。第二滑道3b为直滑道，尺寸为9.65m×0.8m×1.1m，第二滑道3b表面可以铺垫上铺垫结构18其主要材料为草皮，以满足实验时对侧壁及底部粗糙程度的需要，铺垫结构18分为四段从靠近挡板的一侧依次，每段分为两个侧壁板和底版，共12块板。每段侧壁板尺寸2.3m×1m×0.1m，底板尺寸为2.3m×0.75m×0.1m。弯道3c为一种弯道型滑道，转弯半径1.8m，最大坡度30°。其侧壁及底部设置与第二滑道3相同。堆积区13紧邻弯道3c，尺寸为5m×3m×0.5m，由护栏14和油布15构成，可方便回收利用，在油布15上画有网格可以快速识别泥石冲击堆形成的堆积扇面积。

测控系统23主要对泥石流的压力、含水率、流速进行测定。第二滑道3b中，安装三个测量点，每个点分别安装相应的压力传感器26a、压力传感器26b、压力传感器26c对泥石运动的压力进行监测和安装含水率传感器27a、含水率传感器27b、含水率传感器27c对泥石流的含水量进行监测。第一图像采集装置24设置于弯道3c出口前侧，用于观察泥石流冲击后形成堆积扇的运动特征，第一图像采集装置24采用高速摄像机。第二图像采集装置25悬停在半空对泥石流运动全局进行拍摄观察，第二图像采集装置25采用无人机。所有数据采集通过采集仪22连接至控制主机21。

在实验开始前，由自来水直接供水到水箱2，水量为1吨。料斗6中泥沙采用粘性土和粒径不等石块，质量比1：1，共计2t吨。压力传感器26a、压力传感器26b、压力传感器26c、含水率传感器27a、含水率传感器27b、含水率传感器27c、第一图像采集装置24、第二图像采集装置25设置于相应位置。连接电源，使用第二提升装置19b与第四提升装置19d将滑道调节于30度；实验过程中，开启测控系统23对泥石流的压力、含水率、流速进行测定，电磁阀5与挡板7同时打开，让水从水箱2直接冲击泥土。冲击形成的泥石流沿第一滑道3a、第二滑道3b，弯道3c流动，直到堆积区16；在实验完成后，关闭测控系统23，使用自来水对水箱进行冲洗，打开阀门5进行对全部滑道3的冲洗。使用第二提升装置19b与第四提升装置19d将滑道调节于水平位置，关闭电源。

实施例2

将实施例1中的弯道3c更换为直道3d，将堆积区13放置于直道3d正下方，同时摄像机24的位置也相应进行调整。具体实验过程如实施例1泥石流运动所述一致，第二滑道3b流出冲击直道3d。本实施例可以对比实施例1的弯道冲击与直道冲击泥石流运动的不同情况。也可以研究直道冲击情况下，不同坡度与不同坡面情况对泥石流运动的影响。

实施例3

将实施例1中水箱2的水装满，料斗6中不添加物料，铺垫结构18更换不同摩擦系数的模块，可以更换弯道3c为实施例2中的直道3d。具体实验过程如实施例1泥石流运动所述一致。本实施例可以模拟不同流径对山洪的影响。也可以对比研究泥石流与山洪不同环境下的灾害后果。

实施例4

通过固定带4将落石固定，使用第四提升装置19d进行垂直吊起，在第四提升装置19d底下设有缓冲区9，缓冲区中部安装冲击力传感器10。通过电动葫芦19d对石块进行垂吊，接通冲击力传感器10，释放进行石块自由落体模拟落石，通过冲击力传感器测量落石所产生的能量。本实施例可以模拟不同高度，不同石块条件下石块快速冲击的影响。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体方法或特性等常识在此未作过多的描述。应当指出，对于本技术领域人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以进行若干改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以权力要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.一种室外地质灾害综合实验装置，特征在于：包括支撑系统(1)、滑道(3)、堆积区(13)、测控系统(23)；其中支撑系统(1)包括支架(20)、提升装置(19)、底座(12)，所述提升装置(19)依次安装在支架(20)顶端，支架(20)与底座(12)安装在地面上；所述的滑道(3)安装在支架(20)与底座(12)上；滑道(3)中依此安装水箱(2)、阀门(5)、料斗(6)、挡板(7)；在挡板(7)与弯道(3c)之间为泥石流等灾害的加速区，滑道末端设有堆积区(13)；所述的测控系统(23)依次将第一测量点(17a)、第二测量点(17b)、第三测量点(17c)设置在滑道(3)底部，第一图像采集装置(24)、第二图像采集装置(25)设置在滑道(3)外侧，所有数据采集通过采集仪(22)连接至控制主机(21)。

2.如权利要求1所述一种室外地质灾害综合实验装置，特征在于：提升装置(19)包括，第一提升装置(19a)，第二提升装置(19b)，第三提升装置(19c)，第四提升装置(19d)；滑道(3)的角度由第四提升装置(19d)和第二提升装置(19b)改变提升高度实现角度调节；第三提升装置(19c)用于对料斗(6)装料。

3.如权利要求1所述一种室外地质灾害综合实验装置，特征在于：第四提升装置(19d)兼做落石提升使用。

4.如权利要求1所述一种室外地质灾害综合实验装置，特征在于：滑道(3)内壁通过可更换不同起伏高度、不同材质的铺垫结构(18)改变滑道(3)壁面的摩擦系数。

5.如权利要求1所述一种室外地质灾害综合实验装置，特征在于：滑道(3)可分为2段，第一滑道(3a)、第二滑道(3b)，第一滑道(3a)实现物料形成的功能，第二滑道(3b)实现泥石流加速和数据采集的功能，此外，还包括弯道(3c)，从而实现改变路径的功能。

6.如权利要求1所述一种室外地质灾害综合实验装置，特征在于：弯道(3c)可以改变为直道(3d)，且弯道(3c)的转弯角度可以根据需要不同进行设计、制造。

7.如权利要求1所述一种室外地质灾害综合实验装置，特征在于：阀门(5)安装在水箱(2)靠近料斗(6)的一侧，呈两排上下安装，可以实时控制水流量和流速。

8.如权利要求1所述一种室外地质灾害综合实验装置，特征在于：还包括土压力传感器(26)和含水量传感器(27)；两者分别等距安装在第二滑道(3b)的第一测量点(17a)至第三测量点(17c)上，可以实时测量泥石流的土压力和含水率。

9.如权利要求1所述一种室外地质灾害综合实验装置，特征在于：滑道(3)可分为2段，第一滑道(3a)、第二滑道(3b)；第一滑道(3a)和第二滑道(3b)之间采用可以旋转的铰链连接在一起，水箱(2)、阀门(5)、料斗(6)、挡板(7)还可以安装在第二滑道(3b)的上端。

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