CN113074905B - 面向水槽实验的泥石流冲击力测量方法 - Google Patents

面向水槽实验的泥石流冲击力测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了面向水槽实验的泥石流冲击力测量方法，包括以下步骤：S1、建立光纤光栅应变传感器、悬臂梁和水槽的测量系统：在传统水槽装置基础上，将压力传感器替换为光纤光栅应变传感器，受冲击结构替换为悬臂梁，悬臂梁为L型，悬臂梁的底座固定在水槽槽底，将光纤光栅应变传感器设置在悬臂梁的迎水面上；S2、基于水槽实验，根据泥石流的冲击力沿流深的变化规律，获得泥石流冲击力计算公式：P＝aγcx4。本发明能够使得水槽实验过程中测得的泥石流冲击力值和实际值的偏差得以有效减小，提高了水槽实验中泥石流冲击力的测量准确性，有效提升了水槽实验的预警能力。

Description

面向水槽实验的泥石流冲击力测量方法
技术领域
本发明涉及属于泥石流监测测量技术领域，具体涉及一种面向水槽实验的泥石流冲击力试验测量方法。
背景技术
泥石流是山区一种常见的地质灾害，主要通过冲击和淤埋的方式危害下游的居民和结构建筑，其中，冲击作用造成的破坏最为严重，为泥石流破坏的主要形式。在泥石流的冲击作用下，房屋、桥梁、公路等被冲毁破坏，往往会造成巨大的人员伤亡和财产损失。
目前防治泥石流灾害比较常见的工程措施是修建拦挡坝，如果拦挡坝设计的不合理，在泥石流的强烈冲击下，被冲毁的坝体将成为补给的物源，进一步加剧灾害的程度。因此，在前期进行工程设计时，泥石流冲击力是一个至关重要的参数。泥石流冲击力还可以作为监测预警中的重点监测对象，使得预警信息更丰富，在防灾减灾方面具有重要的实际意义。同时，泥石流冲击力还是泥石流动力学研究的重要组成部分，通过对泥石流冲击力的研究可以确定泥石流的内部流速及流变模型，从而推进泥石流基础研究的发展，具有重要的理论研究意义。
泥石流流域常常伴随不良的地质条件、恶劣的天气变化以及剧烈的地形起伏，泥石流沟道情况复杂，施工难度大，加上泥石流爆发突然，破坏力非常大，在多种因素的综合影响下，泥石流冲击力的野外测量目前仍然存在一定的难度。因此，目前研究泥石流冲击力的试验方法多是以室内的水槽试验为主。
目前，测量冲击力的主要试验手段是在室内设计水槽试验，水槽试验中所采用的泥石流冲击力测量装置为传统的压力传感器，传感器的固定载体一般选取钢梁。根据研究内容的侧重，选择一定数量的应变片按照一定的排列方式和间距布设，一般是沿着钢梁的轴线方向安装在钢梁的迎水面，再将传感器以垂直于地面的方式布置在水槽末端。当泥石流与压电式传感器接触后，便可利用压力传感器对冲击力进行测量。在这种冲击力测量条件下进行冲击力分析时，多将载体视为刚体，仅考虑泥石流对载体的冲击。泥石流的冲击是一个泥石流与载体相互作用的过程，冲击力不仅与泥石流的性质相关，还受到载体力学性质的影响。实际上在受到泥石流冲击时，载体阻碍泥石流运动的过程中会发生振动变形，弹性应力波在通过载体以后，泥石流的冲击力会减小，并且，机械阻抗越小的结构材料，冲击力的值会减小更多，从而导致测到的泥石流冲击力的值与实际的相比偏小。
发明内容
为解决上述问题，本发明目的在于提供一种面向水槽实验的泥石流冲击力测量方法，该测量方法将水槽实验中受冲击载体在受到泥石流冲击过程中，发生振动变形后对泥石流冲击力的影响考虑在内，将实验中泥石流冲击时，受冲击材料发生的振动变形过程和泥石流冲击力的测量过程结合，能够使得水槽实验过程中测得的泥石流冲击力值和实际值的偏差得以有效减小，提高了水槽实验中泥石流冲击力的测量准确性，有效提升了水槽实验的预警能力。
本发明通过下述技术方案实现：
面向水槽实验的泥石流冲击力测量方法，包括以下步骤：
S1、建立光纤光栅应变传感器、悬臂梁和水槽的测量系统：在传统水槽装置基础上，将压力传感器替换为光纤光栅应变传感器，受冲击结构替换为悬臂梁，悬臂梁为L型，悬臂梁的底座固定在水槽槽底，将光纤光栅应变传感器设置在悬臂梁的迎水面上；
S2、基于水槽实验，根据泥石流的冲击力沿流深的变化规律，获得泥石流冲击力计算公式：
P＝aγcx4式中，γc-泥石流密度，单位kg/m3，由调查采样与测试试验确定，x-泥石流的流深，单位m，由泥位计确定，a-修正参数，单位/(m·s2)，由设计的水槽试验确定，P-泥石流冲击压力，单位Pa；
S3、进行水槽实验，获得泥石流冲击时相关数据，所述相关数据包括光纤光栅应变传感器获得的应变光栅测量波长λ、泥石流冲击时的最大流深Hm；
S4、获得测点处光纤光栅应变传感器的实测峰值应变值ε1，
Figure GDA0003801986860000021
其中k-光纤光栅应变传感器应变一次项系数，单位nm/με，由光纤光栅传感器型号确定，λ0-应变光栅初始波长，单位nm，由光纤光栅传感器型号确定，λ-应变光栅测量波长，单位nm，由光纤光栅传感器测量记录，ε1-泥石流冲击下悬臂梁于传感器处的实测应变，单位με；
S5、获得理论计算得到的最大应变值
Figure GDA0003801986860000022
其中γc-泥石流密度，单位kg/m3，由调查采样与测试试验确定，H1-测点(应变传感器所在处)泥石流流深，单位m，由传感器粘贴位置确定，Hm-泥石流最大流深，单位m，由试验或实际测量确定，E-悬臂梁的弹性模量，单位Pa，由悬臂梁的材料确定，b-悬臂梁横截面宽度，单位m，由悬臂梁尺寸确定，h-悬臂梁横截面厚度，单位m，由悬臂梁尺寸确定，a-冲击力公式中的修正参数，单位/(m·s2)，由设计的水槽试验确定，ε-泥石流冲击下悬臂梁于测点处的理论最大应变，单位με；
S6、根据ε1＝ε，求得多组不同密度泥石流冲击水槽实验的修正参数，再对多个修正参数进行拟合，得到a值；
S7、将a值代入冲击力公式即可获得泥石流冲击力。
其中，光纤光栅应变传感器沿着悬臂梁的轴线方向设置在距离悬臂梁底部的1-3cm处。一般来讲，光纤光栅应变传感器的设置在实验时，泥石流能将其淹没即可。
光纤光栅应变传感器设置在距离储料斗十分之九处。
为进一步说明本发明的技术，理论计算得到的最大应变值公式的由来如下：
由于光纤光栅传感器不受非线性效应影响，其谐振波长对应变和温度的变化敏感，且中心波长偏移量与温度和应变之间均具有良好的线性关系，所以主要用于应变和温度的测量。在室内进行水槽实验时，泥石流冲击的持续时间较短，可以忽略温度变化带来的影响，中心波长偏移量仅受应变的影响。根据中心波长的最大偏移量可以求解光纤光栅传感器的实测峰值应变ε1：
Figure GDA0003801986860000031
式中，k-光纤光栅应变传感器应变一次项系数，单位nm/με，由光纤光栅传感器型号确定，λ0-应变光栅初始波长，单位nm，由光纤光栅传感器型号确定，λ-应变光栅测量波长，单位nm，由光纤光栅传感器测量记录，ε1-泥石流冲击下悬臂梁于传感器处的实测应变，单位με。
(2)目前，学者们比较常用的是通过式2计算泥石流的动水压力：
Figure GDA0003801986860000041
式中，γc-泥石流密度，单位kg/m3，由调查采样与测试试验确定；vc-泥石流流速，单位m/s；K-泥石流冲击力经验系数，该参数多为试验拟合得到，在不同学者的试验研究中具有较大的差异，P-泥石流冲击压力，单位Pa；
由该公式可以得知在泥石流密度一定的情况下，泥石流的冲击压力与流速的二次方呈线性关系。同时，泥石流的流速随着流深的增加而增大，至流体表面达到最大流速，流速和流深同样也呈现二次方的关系。由此，假设在泥石流密度一定的情况下，泥石流的冲击力和流深的四次方具有线性关系，将泥石流的冲击力和流深建立直接联系，得出泥石流冲击压强的分布公式：
P＝aγcx4 式3
式中，γc-泥石流密度，单位kg/m3，由调查采样与测试试验确定，x-泥石流的流深，单位m，由泥位计确定，a-未知参数，单位/(m·s2)，由设计的水槽试验确定，P-泥石流冲击压强，单位Pa。
由式3可知冲击力沿着流深的分布情况，使得通过悬臂梁理论求解泥石流的冲击力得以实现。
(3)结合材料力学中有关悬臂梁结构的理论，在已知冲击力的分布时，借助测点处的弯矩，可以求得测点处的理论最大应变值。具体可以通过式3～式7实现。
Figure GDA0003801986860000051
式中，H1-测点(应变传感器所在处)泥石流流深，单位m，由传感器粘贴位置确定，Hm-泥石流最大流深，单位m，由试验或实际测量确定，P-泥石流冲击压强，单位Pa，由式3确定，x-泥石流的流深，单位m，
Figure GDA0003801986860000056
-测点处的弯矩，单位N·m。
悬臂梁的应力和弯矩有如下关系：
Figure GDA0003801986860000052
式中，w-悬臂梁的弯曲截面系数，单位m3，由悬臂梁的尺寸确定，
Figure GDA0003801986860000053
其中，b、h分别为悬臂梁横截面的宽度和厚度，
Figure GDA0003801986860000057
-测点处的弯矩，单位N·m，由式4确定，
σ-悬臂梁的应力，单位Pa，作为计算应变的中间量。
在材料力学中，有：
Figure GDA0003801986860000054
式中，E-结构材料的弹性模量，单位Pa，由悬臂梁选取的材料确定，σ-悬臂梁的应力，单位Pa，由式5确定，ε-悬臂梁的理论应变，单位με。
将式3～5代入式6，可得测点处悬臂梁的理论最大应变ε：
Figure GDA0003801986860000055
式中，γc-泥石流密度，单位kg/m3，由调查采样与测试试验确定，H1-测点(应变传感器所在处)泥石流流深，单位m，由传感器粘贴位置确定，Hm-泥石流最大流深，单位m，由试验或实际测量确定，E-悬臂梁的弹性模量，单位Pa，由悬臂梁的材料确定，b-悬臂梁横截面宽度，单位m，由悬臂梁尺寸确定，h-悬臂梁横截面厚度，单位m，由悬臂梁尺寸确定，a-修正参数，单位/(m·s2)，ε-泥石流冲击下悬臂梁于测点处的理论最大应变，单位με。
通过比较式1得到的实测峰值应变ε1和式7得到的理论最大应变，可以求得冲击力计算公式中的修正参数a，将a代入式3，得到泥石流的冲击压力P的计算公式。
本发明选择光纤光栅应变传感器代替传统的电压力传感器，冲击载体结构形式选用悬臂梁，将光纤光栅沿着悬臂梁的纵向中心线粘贴在迎水面，即悬臂梁受拉区，悬臂梁迎水面垂直接受泥石流的冲击，从而将光纤光栅应变传感器与悬臂梁集合成测量系统。首先结合传感器的应变一次项系数，将冲击前后光纤光栅中心波长的最大偏移量换算为实测的峰值应变值。其次，根据泥石流的冲击力沿流深的变化规律，给出带有未知参数的泥石流冲击力计算公式，结合泥石流的密度、泥深和悬臂梁的结构材料参数，以悬臂梁的弯矩为中间桥梁，计算出传感器所在处悬臂梁的理论最大应变值。最后，将实测的峰值应变与理论的最大应变值进行比较，从而拟合求解出未知参数的值，进而得出泥石流冲击力的计算公式，最终获得泥石流冲击力，提升了泥石流冲击力测量的准确性。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明在进行泥石流冲击力测量时，考虑到了受冲击结构的振动变形对冲击力的影响，在水槽实验过程中，利用悬臂梁(材料)应变原理结合泥石流冲击过程中受冲击材料的振动变化引起的光纤光栅应变传感器波长中心的移动，对泥石流冲击力值进行了修正，并对修正参数进行了拟合，最终实现了对泥石流冲击力计算模型的校验，提升了泥石流冲击力测量的准确性，减小了测量偏差。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1泥石流冲击力测量装置结构示意图。
图2是试验水槽侧视图。
图3是试验水槽俯视图(图中箭头指示泥石流运动方向)。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-光纤光栅应变传感器，2-悬臂梁，3-储料斗，4-水槽，5-激光距离传感器，6-悬臂梁泥石流冲击力测量装置，7-堆积平台。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1～3图示，结合水槽冲击试验，采用本发明方法测量泥石流冲击力。
步骤S1、设计光纤光栅应变传感器和悬臂梁测量系统
图1是在本次实验中采用的泥石流冲击力测量装置结构示意图。该测量装置包括L形的悬臂梁2和粘贴在上面的光纤光栅应变传感器1，依据设计的水槽试验的规模确定悬臂梁2的尺寸以及光纤光栅应变传感器1粘贴的位置。悬臂梁2选择301钢板，该材料的弹性模量E＝2.0×1011Pa。钢板的尺寸为25cm*2cm*0.095cm，在距离一端5cm处将钢板弯折90°，形成L状。在下半部分按照螺栓的尺寸进行打孔，便于固定在水槽4底部。当悬臂梁2下半部分垂直于水槽4两壁并固定于水槽4底部时，上半部分悬臂梁2迎水面可以垂直接受泥石流的冲击。迎水面尺寸20cm*2cm，横截面尺寸2cm*0.095cm，即b＝2.0×10-2m，h＝9.5×10-4m。
光纤光栅传感器1沿着悬臂梁2迎水面纵向中心线进行粘贴，为了使得每次冲击试验的最大流深没过光纤光栅应变传感器，将光纤光栅应变传感器2粘贴在距离底部H1＝2.0×10-2m。将安装光纤光栅应变传感器1的位置打磨平整光洁，将光纤光栅应变传感器1用胶水进行粘贴。因泥石流冲击规模较小，持续时间仅有数秒，不考虑温度变化带来的影响，中心波长的偏移量仅与应变有关。将光纤光栅光纤光栅应变传感器1连接解调仪，可将波长信号传输至计算机。
步骤S2、设计试验水槽
步骤S21、水槽试验装置
图2是试验水槽的装置图，主要包括泥石流模拟系统和数据采集系统两部分。
泥石流模拟系统包括储料斗3、水槽4和堆积平台7，模拟泥石流启动、运移和堆积的全过程。水槽4长600cm、宽46cm，高40cm，底部为钢板，两侧为透明玻璃，水槽4坡度固定为12°，水槽4上部与储料斗3相连，水槽4末端下方为堆积平台7，可将每次试验的样本进行回收利用。水槽4的整体框架用钢管搭建，同时起到支撑和稳定作用。
数据采集系统包括激光距离传感器5和基于光纤光栅的悬臂梁冲击力测量装置6。激光距离传感器5采样频率为每秒约15个数据点，安装在光纤光栅应变传感器1的前上方，用于测量泥石流的流深变化。光纤光栅应变传感器1的采样频率为每秒100个，为测得泥石流体稳定状态下的冲击情况，将该测量系统安装在距离水槽4末端60cm处，即距离储料斗3十分之九处，此时泥石流的运动已处于稳定状态。L形的悬臂梁2安装时保证泥石流体垂直冲击迎水面。
步骤S22、水槽试验方案
试验所用物料取自云南省东川蒋家沟泥石流下游的原始堆积体，为了保持颗粒级配的一致性，减小颗粒组成差异对试验的影响，试验前对物料进行了筛分。其中，配置泥浆的物料筛去3mm以上的组分，配置泥石流混合体的物料筛去2cm以上的组分。
开展不同泥石流密度下的水槽冲击试验。试验共进行12组，其中泥浆(1.54g/cm3)3组，3种不同密度的泥石流(1.81g/cm3、1.9g/cm3、2.0g/cm3)各3组，每组试验用料0.2m3。其中，密度1.81g/cm3、1.9g/cm3的样本分别由密度1.9g/cm3、2.0g/cm3的泥石流样本回收稀释而成。
试验时将充分浸泡好的物料运到储料斗3中，利用搅拌机将物料充分搅拌，快速拉开储料斗3的闸门，泥石流冲击布置于水槽4末端的悬臂梁泥石流冲击力测量装置6，最后回收至下方的堆积平台7中，过程中利用数据采集系统对冲击过程的各项数据进行记录。
步骤S3、测点实测峰值应变计算
试验选用的光纤光栅应变传感器1应变一次项系数k＝0.001nm/με，悬臂梁2经泥石流冲击后，冲击信息由光纤光栅应变传感器1经解调仪传输至计算机，将各组试验得到的中心波长最大偏移量代入式1，求得各组试验的测点实测峰值应变值ε1，见表1。
表1测点实测峰值应变值
组别 密度(g/cm<sup>3</sup>) 实测峰值应变(με)
1 1.54 123.5
2 1.54 114.7
3 1.54 9.5
4 1.81 701.5
5 1.81 606.0
6 1.81 976.9
7 1.90 1029.4
8 1.90 1008.3
9 1.90 1138.8
10 2.00 1437.5
11 2.00 605.3
12 2.00 505.0
步骤S4、测点理论最大应变计算
根据激光距离传感器采集到的流深变化曲线，计算出泥石流冲击过程中的最大流深，即为各组试验的最大流深Hm。将各组的最大流深Hm、密度γc以及横截面尺寸参数b＝2.0×10-2m、h＝9.5×10-4m、弹性模量E＝2.0×1011Pa、测点流深H1＝2.0×10-2m代入式7，得出带有未知参数a的理论最大应变值ε，见表2。
表2测点理论最大变值
组别 密度γ<sub>c</sub>(kg/m<sup>3</sup>) 最大流深H<sub>m</sub>(m) 理论最大应变(με)
1 1540 0.0246 4.04E-09*5a
2 1540 0.0254 1.06E-08*5a
3 1540 0.0240 1.75E-09*5a
4 1810 0.0567 1.23E-03*5a
5 1810 0.0557 1.04E-03*5a
6 1810 0.0603 2.15E-03*5a
7 1900 0.0629 3.28E-03*5a
8 1900 0.0550 9.68E-04*5a
9 1900 0.0611 2.54E-03*5a
10 2000 0.0630 3.50E-03*5a
11 2000 0.0431 8.42E-05*5a
12 2000 0.0537 8.12E-04*5a
步骤S5、泥石流冲击力计算
经光纤光栅应变传感器测得的实测峰值应变ε1和经悬臂梁固端应变理论计算的测点理论最大应变应相等，即ε1＝ε。将步骤S3、步骤S4的计算结果代入ε1＝ε，可得出冲击力公式中的修正参数a，见表3。
表3参数a
组别 密度(g/cm<sup>3</sup>) 实测峰值应变(με) 理论最大应变(με) 修正参数a
1 1.54 123.5 2.02E-08*a 6.11E+09
2 1.54 114.7 5.29E-08*a 2.17E+09
3 1.54 9.5 8.74E-09*a 1.09E+09
4 1.81 701.5 6.13E-03*a 1.15E+05
5 1.81 606.0 5.19E-03*a 1.17E+05
6 1.81 976.9 1.07E-03*a 9.10E+04
7 1.90 1029.4 1.64E-03*a 6.28E+04
8 1.90 1008.3 4.84E-04*a 2.08E+05
9 1.90 1138.8 1.27E-03*a 8.98E+04
10 2.00 1437.5 1.75E-03*a 8.21E+04
11 2.00 605.3 4.21E-05*a 1.44E+06
12 2.00 505.0 4.06E-04*a 1.24E+05
对a进行拟合，得到拟合公式：
Figure GDA0003801986860000111
其中R2＝0.8813，将a＝85334/(m·s2)代入到式3，即可得到泥石流的冲击力计算公式P＝85334γcx4。再将各组实验中的最大流深代入，即可求得冲击过程中的最大冲击压力，见表4。
表4各组最大冲击压力
组别 密度(g/cm<sup>3</sup>) 最大冲击力(KPa)
1 1.54 0.048
2 1.54 0.055
3 1.54 0.044
4 1.81 1.596
5 1.81 1.487
6 1.81 2.042
7 1.90 2.538
8 1.90 1.484
9 1.90 2.260
10 2.00 2.689
11 2.00 0.589
12 2.00 1.419
本发明在进行泥石流冲击力测量时，考虑到了受冲击结构的振动变形对冲击力的影响，在水槽实验过程中，利用悬臂梁(材料)应变原理结合泥石流冲击过程中受冲击材料的振动变化引起的光纤光栅应变传感器波长中心的移动，对泥石流冲击力值进行了修正，并对修正参数进行了拟合，最终实现了对泥石流冲击力计算模型的校验，提升了泥石流冲击力测量的准确性，减小了测量偏差。本发明中，未详细描述的均是现有技术。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.面向水槽实验的泥石流冲击力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立光纤光栅应变传感器、悬臂梁和水槽的测量系统：在传统水槽装置基础上，将压力传感器替换为光纤光栅应变传感器，受冲击结构替换为悬臂梁，悬臂梁为L型，悬臂梁的底座固定在水槽槽底，将光纤光栅应变传感器设置在悬臂梁的迎水面上；
S2、基于水槽实验，根据泥石流的冲击力沿流深的变化规律，获得泥石流冲击力计算公式：
P＝aγcx4式中，γc-泥石流密度，单位kg/m3，由调查采样与测试试验确定，x-泥石流的流深，单位m，由泥位计确定，a-修正参数，单位/(m·s2)，P-泥石流冲击压力，单位Pa；
S3、进行水槽实验，获得泥石流冲击时相关数据，所述相关数据包括光纤光栅应变传感器获得的应变光栅测量波长λ、泥石流冲击时的最大流深Hm；
S4、获得测点处光纤光栅应变传感器的实测峰值应变值ε1，
Figure FDA0003801986850000011
其中k-光纤光栅应变传感器应变一次项系数，单位nm/με，由光纤光栅传感器型号确定，λ0-应变光栅初始波长，单位nm，由光纤光栅传感器型号确定，λ-应变光栅测量波长，单位nm，由光纤光栅传感器测量记录，ε1-泥石流冲击下悬臂梁于传感器处的实测应变，单位με；
S5、获得理论计算得到的最大应变值
Figure FDA0003801986850000012
其中γc-泥石流密度，单位kg/m3，由调查采样与测试试验确定，H1-测点泥石流流深，单位m，Hm-泥石流最大流深，单位m，E-悬臂梁的弹性模量，单位Pa，由悬臂梁的材料确定，b-悬臂梁横截面宽度，单位m，h-悬臂梁横截面厚度，单位m，a-冲击力公式中的修正参数，单位/(m·s2)，ε-泥石流冲击下悬臂梁于测点处的理论最大应变，单位με；
S6、根据ε1＝ε，求得多组不同密度泥石流冲击水槽实验的修正参数，再对多个修正参数进行拟合，得到a值；
S7、将a值代入冲击力公式即可获得泥石流冲击力。
2.根据权利要求1所述的泥石流冲击力测量方法，其特征在于，光纤光栅应变传感器沿着悬臂梁的轴线方向设置在距离悬臂梁底部的1-3cm处。
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