CN113405769B - 模拟冰碛湖漫顶溃决灾害全过程的实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟冰碛湖漫顶溃决灾害全过程的实验装置及实验方法，该实验装置配备了“六置二统”用以实现冰湖溃决中冰崩涌浪的触发、传播、漫顶、致灾、演化全寿命、全过程中的动力学参数、环境噪声振动信号、图像学参数的同步测量，包括供水装置、涌浪触发装置、消能装置、缓冲装置、实验水槽主体装置、收集装置、同步测量系统、监控系统。本发明不仅能够实现对冰崩‑涌浪‑漫顶‑成灾全过程的模拟，也能够观察和研究冰碛坝在溃决过程中的侵蚀特性，还能监测溃决洪水形成的泥石流运动过程中的动力学、环境噪声等重要参数，重点填补了目前冰湖溃决洪水研究中，对于冰碛坝坝体侵蚀过程的动力学机理研究知识空白。

Description

模拟冰碛湖漫顶溃决灾害全过程的实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于铁路、公路施工选线、重大工程的防灾减灾领域、泥 石流灾害预警领域，具体涉及一种模拟冰碛湖漫顶溃决灾害全过程的 实验装置及实验方法。

背景技术

冰川是气候变化的指示器，也是重要的淡水资源固体水库，现代 冰川在世界各地几乎所有纬度上都有分布。地球上的冰川，大约有 2900多万平方公里，覆盖着大陆11％的面积。冰湖是冰川湖泊的简称， 由冰川作用形成，冰湖溃决是高山区常见的灾害类型之一，溃决洪水 以突发性、影响广范性、危害严重性为特征，因严重威胁当地居民的 生命安全与破坏基础设施而引起广泛的关注。冰湖溃决洪水引发泥石 流灾害时，可能冲毁公路、铁路等基础设施，堵断江河形成堰塞湖进 而引发次生灾害，甚至掩埋整个村庄等，对人民的生命财产安全构成 严重威胁。

由于天然的冰湖溃决洪水(GLOFs:Glacier Lakes Outburst Floods)事件发生的低频性，分布范围的广泛性，加上其大多发生于 高山海拔地区的特性，人们很难对GLOFs进行有效的野外监测以及真 实溃决数据的采集。因此，对于冰湖溃决机理的研究工作较为缺乏。 相比野外监测而言，室内水槽实验是一种实验条件可控、能够系统性 地研究冰湖溃决的方法，是目前研究冰湖溃决机理及其全过程灾害链 可行性最强、最常用的方法。常规的实验水槽通常局限于人工模拟泥 石流并对其形成、运动过程进行监测，进而测量其形成、运动、发展 过程中的基础数据，实现对泥石流运动机理的基础研究。如秦胜伍等 人(专利申请号：201610177817.5)公开了一种集泥石流的启动、运 移与堆积为一体的模拟试验系统；张文等人(专利申请号： 201510768066.X)公开了一种泥石流运动与堆积模拟实验系统，可开 展多种因素(如坡度、浆体粘度、摩擦力)对泥石流运动与堆积过程 影响的实验；吴红刚等人(专利申请号：201710235878.7)公布了一 种泥石流模拟试验装置及试验方法，主要解决了现有泥石流模拟装置 存在的泥石流不可连续性的问题；陶志刚等人(专利申请号： 201510768066.X)公开了一种泥石流物理模型实验系统及其泥石流模 拟组件，可进行多种边坡角度、冲刷扇面的泥石流全过程的物理模拟； 冯文凯等人(专利申请号：201710161230.2)公开了一种泥石流模拟 试验装置及其试验方法，能够动态模拟泥石流沟道两侧崩滑物源、坡 面物源等。这些泥石流模拟装置在功能上具有合理性和多样性。

但是，其无法进行整个灾害全过程致灾现象的关键力学参数提 取。因此，无法进行深入地分析整个冰湖溃决过程中各个致灾现象之 间相互的动力学联系，限制了对这种破坏性极大的冰湖溃决自然灾害 的认知。此外，上述这些实验水槽装置无法实现“冰崩-涌浪-漫顶- 泥石流”全过程的灾害模拟，无法监测关键的动力学、环境噪声学参 数。如缺少对冰崩过程中的振动信号的监测；缺乏对冰碛坝坝体溃决 过程中的渗流场、形变场的监测；缺乏对泥石流运动过程基底正应力、 基底剪应力和孔隙水压力的测量模块和同步数据采集系统，因而不能 有效地获取泥石流基底的应力状态，特别是不能获取泥石流运动过程中的有效应力。由于灾害致灾过程中基础数据的缺乏，导致无法将‘冰 崩-涌浪-漫顶-泥石流’全过程振动信号与传统的动力学参数进行结 合分析，因而无法进一步提升对冰湖溃决灾害全过程的动力学机制的 认识和理解。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模拟冰碛湖漫顶溃决灾害 全过程的实验装置及实验方法，重点解决了目前对于冰湖溃决动力学 机理研究中，缺乏对冰湖溃决洪水形成的泥石流中的重要动力学参 数、环境噪声振动信号的同步监测，也缺乏对模型坝坝体溃决过程内 部渗流场、外部变形场的测量计算；还解决了传统室内模型水槽因重 点关注某一灾害过程而导致所监测实验参数无法反应整个灾害链的 弊端。本发明中介绍的模拟冰崩涌浪导致冰碛湖漫顶溃决灾害全过程 的实验装置实现了对传统动力学参数全过程、全寿命的测量，如溃决 洪水形成泥石流运动过程中流速、流深、孔隙水压力、正应力、剪切应力和有效应力的同步测量；同时，全新设计的可拆卸、可移动的地 声采集模块以及力板模块，可有效地捕捉泥石流运动过程中环境噪声 振动信号；同时，力板上的应力采集模块可以实时采集泥石流运动过 程中的剪切应力、正应力和孔隙水压力。因此，该模组能实现环境噪 声振动信号与传统动力学参数的同步测量，实现了现代环境噪声学与 传统泥石流动力学两个学科之间的有机结合，将传统的灾害领域引领 到现代环境噪声学领域，拓宽了研究视野。通过对两种信号的对比结 合分析，将有望实现对冰湖溃决灾害的超前预警，也能加深对于溃决 洪水泥石流运动过程中动力学机制的理解，深化对冰湖溃决全过程、 全寿命灾害链的理解。此外，利用冰碛坝坝体内部预埋的微型孔压传 感器，可以计算出坝体内部在溃决前的渗流场；高速摄像机捕捉拍摄 的高清时间序列图像，可以有效地获取了冰碛坝体的变形场，以定量 研究冰碛坝体的溃决机制。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种模拟冰崩涌浪导致冰碛湖漫顶溃决灾害全过程的实验装置， 包括供水装置、涌浪触发装置、消能装置、缓冲装置、实验水槽主体 装置、收集装置、同步测量系统、监控系统；

所述供水装置包括若干个功率大小不同的抽水泵，同时连接于直 通多出水管，其中所述直通多出水管的每个管口分别连接不同功率的 抽水泵，作为整个装置的供水口，通过同时或分批次开关抽水泵实现 多级不同强度的供水量供给，所述直通多出水管的出水口的右端安装 电磁流量计，

所述涌浪触发装置包括一个高度可调节的T形支架，所述T形 支架底端设置有凸出的棱台用于支撑冰块模拟体下沿；所述支撑冰块 模拟体上沿内嵌电磁铁阴极，与所述T形支架上设置的阳极电磁铁可 紧密吸附，以实现冰崩模拟前冰块的固定功能；

所述T形支架的正下方设置所述缓冲装置；

所述T形支架的一侧设置消能装置；

所述实验水槽主体装置配合所述同步测量系统、监控系统使用， 所述实验水槽主体分为三段，分别为涌浪激发传播段、冰碛坝坝体侵 蚀模拟段、泥石流运动监测段，三段水槽通过螺栓连接，连接处采用 橡胶垫缓冲，并涂上玻璃胶用作防水处理，调整三段水槽处于同一水 平面并放置于预先调水平的钢管支架上；

其中，所述涌浪激发和传播段水槽上方，从原点开始每间隔一定 距离配置一个超声波距离传感器，靠近坝脚位置设置至少一个孔压传 感器，设置相机用于监控此段水槽内涌浪波的波形；

所述冰碛坝坝体侵蚀模拟段的内侧水槽壁以及水槽底部分别设 置预留空位，穿过微型孔隙水压力传感器，预埋置于冰碛坝坝体侵蚀 模拟段的坝体内部；所述冰碛坝坝体侵蚀模拟段的上游坡面和下游坡 面中轴线上分别设置有一台数码摄像机用来监测坡面侵蚀，一台高速 摄像机用以实现高频自动拍照，依托粒子图像测速法计算溃决前后的 变形场，下游坝脚处的孔压传感器上方设置有激光位移传感器、超声 波传感器以及数码相机，用以测量冰碛坝坝体侵蚀模拟段的坝脚处的 流深和流速，用以换算冰碛坝坝体侵蚀模拟段的坝脚处的溃决流量；

所述泥石流运动监测段设置模块预留槽，用以安装力板模块和地 声测量模块，所述模块预留槽内设有突出的台阶，使得力板模块和地 声测量模块在水槽内横向方向上可以自由移动；所述模块预留槽顶部 设置有传感器组和相机用于记录模块位置处的流体的流深、流速及运 动状态，全部的采集数据同步传输至水槽的同步测量系统并记录于存 储器中；

还包括照明系统用于为所述实验水槽主体装置提供照明；

所述收集装置包括过滤装置和废水收集箱，废水经过过滤装置后 进入到废水收集箱中等待集中处理。

作为优选，所述电磁流量计采用220V独立交流电供电，配置有 独立液晶显示屏，以实时显示通过管道中的流体的体积流量。

作为优选，设置两个相机用于监控此段水槽内涌浪波的波形，两 个相机错位相间布置以消除相机的广角效应导致的测量误差。

作为优选，所述涌浪激发和传播段为弧形水槽。

作为优选，所述超声波距离传感器通过两端三脚架搭配一根可自 由旋转的横杆固定，将声波发生面调整于垂直水槽底面后拧紧三脚架 圆孔中的螺丝将传感器固定。

作为优选，所述过滤装置包括收集箱，所述收集箱侧面预挖方形 孔，孔内安装金属筛子，用以过虑实验废水中的固体颗粒物质，进行 废料收集。

一种模拟冰崩涌浪导致冰碛湖漫顶溃决灾害全过程的实验方法， 包括以下步骤：

步骤1：标定传感器：在进行实验之前，首先应当对各传感器进 行静态标定、动态标定；

步骤2：实验装置布置：按照如权利要求1～6任一项所述的装置 结构对各个装置进行组装；

步骤3：实验准备：

1)将实验用土采用分层堆积的方法将坝体堆叠到预先绘制好轮 廓的几何形状，形状轮廓线通过计算并提前绘制与水槽一侧的玻璃 上；堆坝时，层层之间用手轻拍至指定的水平线，通过控制每一层之 间的土体质量就可以用来确保堆坝的密实度；反复此操作即可实现整 个模型坝体的密实度相对均匀；

2)不同体积的冰块模拟体的预先放置：采用与冰块密度相同的 聚丙烯塑料板制作为长宽高尺寸为：0.5m×0.42m×0.18m的长方 体，长方体顶部内嵌有电磁铁，能够被紧紧吸附在T形支架上，实验 开始前，将该PP板塑料放置到T形支架上并提为电磁铁通电，冰块 的放置工作完成；

3)打开所有传感器，测试所有传感器的响应情况，用不透光的 方形纸板依次挡住超声波、激光传感器的信号源，观察同步采集系统 上的信号强度是否发生变化，有变化即为有响应；用手轻轻按压微型 孔压传感器探头，观察同步采集系统上的信号强度是否发生变化，有 变化即为有响应；用手轻推、轻按压力板所连接的力板模块，分别测 试剪应力和正应力的响应，同时观察同步采集系统上的信号强度是否 发生变化，有变化即为有响应；底部孔压传感器需要先用针管注满水 后再进行轻轻按压测试，以避免空气对孔压信号的影响，观察同步采 集系统上的信号强度是否发生变化，有变化即为有响应；

步骤4：开始实验：实验开始时，同步测量系统预先打开并采集 一段数据用以标定初始值；随后打开供水系统，通过电磁流量计显示 屏上读数可以适时显示当前流量，通过右方的流量法兰可以微调流量 至实验指定流量；待水槽内部水位到达指定体积的3/4时，关闭供水 系统并在水面上抛洒大量的泡沫球用作示踪粒子用以捕捉水面波形 的变化情况；等待湖面铺满示踪粒子后，再次打开供水系统，以相同 的操作将水位加至指定位置后停止供水，随后，触发电磁铁开关，释 放冰块，冰块发生旋转崩塌掉入水中并激发涌浪，实验正式开始，记 录同步测量系统以及监控系统监测的数据；

步骤5：实验清理。

作为优选，所述步骤1，在静态标定中，先对超声波测距传感器、 孔隙水压力传感器和力板进行标定；

利用不同高度的静止水头产生的压力对孔隙水压力传感器进行 标定，找到孔隙水压力与电压信号的对应关系；同时，不同高度的水 头可以标定力板传感器中的正应力，正应力和孔压传感器之间进行相 互验证；利用不同重量的砝码产生的压力对力板正应力和剪应力进行 标定，找到力板上泥石流的正应力和剪应力分别与电压信号的对应关 系；

利用超声波测距传感器与障碍物之间不同的距离标定该类型传 感器，找到超声波测距传感器与电压信号的对应线性关系；

微型孔压传感器需要真空泵先将透水石内部空气抽空，然后迅速 浸泡进入水中，使得水倒吸如透水石中使其饱和，已达到排除透水石 中空气的目的，重复此操作数十次之后，可开始正常流程的孔压传感 器标定。

作为优选，所述步骤1中，静态标定完成之后，将所有传感器安 装于水槽指定位置，包括还未进行标定的地声传感器，进行动态标定。

作为优选，所述步骤5中，实验完成后，水槽内部堆积的坝体材 料采用铲子清理干净，同时对水槽底部的孔隙水压力内部淤积的泥沙 进行清理，防止对下一次实验造成影响，水槽末端的废料收集箱内的 坝体材料清空之后便可以开始准备下一次实验。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明模拟天然冰崩涌浪造成冰湖漫顶溃决的实验装置及其实 验方法构思合理，考虑了冰崩涌浪溃决致灾的全过程室内模拟，新增 多种类型测量传感器，设计并安装了一套实时动态测量监控系统，能 够测量灾害演化过程中大部分的动力学、环境噪声学以及图像学参 数，有利于多角度、多维度地分析灾害成灾过程中的力学机制，加深 致灾理解。重点解决了目前对于冰崩漫顶溃决灾害链中振动信号的监 测分析匮乏、冰碛坝坝体溃决机理理解不够透彻、以及缺少关键动力 学参数、图像学参数、环境噪声学参数进行对比分析的现状。

同时，本发明中采用超声波测距传感器来测量泥石流的深度，解 决了常规的激光测距传感器在测力过程中因液体透明和液面反射导 致测量数据不准的问题；高速摄像机可拍摄多张坝体溃决过程前后的 高清照片，可用于模型坝体溃决前后的变形场。同步数据采集系统通 过高速模拟量采集、实时连续采样，具有多通道，能够同时满足多个 力板采集传感器、孔隙水压传感器和超声波测距传感器信号的同步采 集，还能同步触发高速摄像机，便于将泥石流运动过程的图像信号和 其他类型的传感器的数据信号进行同步比较。

附图说明

为更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将 对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。下面 描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在 不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明中的装置设计示意图；

图2为本发明中的水槽仪器配置全貌图；

图3为本发明中的供水装置结构图；

图4为本发明中的涌浪触发装置、缓冲装置、消能装置示意图；

图5为弧形水槽聚波设计示意图；

图6为弧形水槽聚波设计的聚波效果：最大涌浪高度在通过弧形 水槽设计之后，涌浪高度不再衰减；

图7为水槽局部仪器布置示意图。

图8为本发明中的冰碛坝坝体内部微型孔压预留槽孔位示意图。

图9为可滑动的三轴-地声同步监测模块安装位置示意图。

图10为可滑动的三轴-地声同步监测模块设计图，左下角为地声 传感器信号过滤盒设计图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是 全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创 造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，并不是本发明的内 容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内 容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明涉及一种模拟冰崩涌浪导致冰碛湖漫顶溃决灾害全过程 的实验装置及其实验方法。该实验装置配备了“六置二统”用以实现冰 湖溃决中冰崩涌浪的触发、传播、漫顶、致灾、演化全寿命、全过程 中的动力学参数、环境噪声振动信号、图像学参数的同步测量，包括 供水装置、涌浪触发装置、消能装置、缓冲装置、实验水槽主体装置、 收集装置、同步测量系统、监控系统。

供水装置具有流量供给、主动调控、流量监测的功能。参见附图 3，实验系统的供水由三个功率大小不等的抽水泵100(0.5,1.0,1.5 kW)组成，同时连接于直通三出PVC水管300，其中三个管口连接 不同功率的抽水泵100，为整个实验系统的供水口；通过同时或者分 批次开关该三个水泵可实现六级(0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0kW)不同 强度的供水量供给。直通三出PVC水管300上安装两个水阀400， 直通三出PVC水管的水源主要来自于蓄水池500。管口出水口右端 通过法兰连接有一个电磁流量计200，法兰中间须增加橡胶垫，防止渗水影响流量计精度。电磁流量计200采用220V独立交流电供电， 配置有独立液晶显示屏，可实时显示通过管道中的流体的体积流量。 电磁流量计200出水口右端连接一个铸钢闸阀碳钢高温蒸汽法兰，可 实现对出水口流量的微调用以抵消抽水泵功率虚标或者实际工况下 由于水头损失引起的流量波动。此外，电磁流量计理想的安装位置是 其上下游流体的流动状态为单相稳定流，这样流量计上下游局部阻力 管件对流体流动状态的影响不直接影响流量计的测量精度。因此，电 磁流量计200的安置需注意设置足够长度的直管段，具体设置要求可 根据实际工况调整，宜长不宜短。本装置中设置为前10D后5D(D 为管道直径)。由于电磁流量计的工作原理限制，仅能准确测量‘满管’ 工况下的流量。因此，电磁流量计还需要安置于铸钢闸阀开关的进水 口一侧。实验进行时，可适当关闭法兰的出水口，强行降低管道中的 流量用以确保‘满管’工况。电磁流量计的出水管直接与水槽的进水口 直接相连，可确保已经准确测量过流量的流体能够以最小的流量损耗 流入水槽系统，保证实验的供水来流具有足够的准确度。

涌浪触发装置和、缓冲装置、消能装置搭配使用，参见附图4, 通过更换不同体积的模拟冰块700，可以实现不同高度的冰崩涌浪的 激发与传播。涌浪触发装置为一个高度可调节的T形支架600，T形 支架600的底端设置有凸出的棱台(棱台台面仅仅伸出5mm)用于支撑模拟冰块700下沿(模拟冰块700采用与冰块密度相同的聚丙烯 塑料板(Polypropylene Plastic)制作为长宽高尺寸为：0.5m×0.42 m×0.18m的长方体，改变并设置不同厚度为0.06，0.12，0.18m可实 现不同体积的冰崩物体模拟)；模拟冰块700上沿内嵌电磁铁阴极， 与T形支架上阳极电磁铁可紧密吸附，实现冰崩模拟前冰块的固定功 能。当实验开始时，断开电磁铁内的电流，磁铁失去磁性，模拟冰块 700由于仅仅受内侧支点(棱台)支撑，转动惯量失去平衡，从而开 始旋转掉落，发生倾覆激发涌浪。由于水槽内水位高度仅有0.4m， 为防止冰块砸落触碰水槽底部，T形支架600的正下方设置有0.2m 深的缓冲池800。由于T形架600左端靠进水槽端壁一侧，为防止涌 浪向左传播，触壁反射而影响水波的向右运动，使实验涌浪波形变得 复杂而失去控制，故在T形架左侧设置了消能装置900(长方体的金 属网状物)。此装置可消除水波的向左运动，还可以抵消供水系统来 流的冲击作用，减少紊动的流体对水槽右侧静水水库的影响。

水槽主体配合同步测量系统、监控系统进行使用。参见附图1， 实验水槽主体分为三段，长宽高尺寸为：9m×0.5m×0.5m，分别为 定义为涌浪激发传播段(4m)、冰碛坝坝体侵蚀模拟段(2.5m)、 泥石流运动监测段(2.5m)。三段水槽通过螺栓连接，连接处采用 橡胶垫缓冲，并涂上玻璃胶用作防水处理，调整三段水槽处于同一水 平面并放置于预先调水平的钢管支架之上。调平后水槽内部增放相同 长度、高度的冲压木板，调整冲压木板的位置还可以得到不同宽度的 水槽。

(1)涌浪激发和传播段(4.0m)

涌浪激发和传播段水槽上方，从原点开始每间隔0.4m配置了一 个超声波距离传感器，超声波传感器通过两端三脚架搭配一根可自由 旋转的横杆固定，将声波发生面调整于垂直水槽底面后拧紧三脚架圆 孔中的螺丝将传感器固定。超声波传感器设置成9个，包括-01、-02、 -03、-04、-05、-06、-07、-08、-09，布局图请参见附图。靠近坝脚 时按相同的位置规律设置两个孔压传感器，共计七个孔压传感器A1、 A2、A3、A4、A5、A6、A7，可用于监测涌浪的最大浪高等运动特 征(附图1)。此外，相机#2和相机#5可用于监控此段水槽内涌浪 波的波形，两个相机错位相间布置是为了消除相机的广角效应导致的 测量误差。此外，涌浪在水槽中的传播过程中会有能量损耗，其涌浪 波高度会逐渐降低。为了定量控制这种传播过程中的能量损耗，本发 明实施例中采用了一种弧形水槽壁设计(5)，即通过收窄水槽宽度 来增大波高，从而抵消能量损耗。实验结果显示，涌浪在传播至弧形 水槽部分时候，涌浪高度保持不变(附图6)，说明了该设计具有较 好的控制能量损耗作用。

(2)冰碛坝坝体侵蚀模拟段(2.5m)

冰碛坝坝体侵蚀模拟段内侧水槽壁设置预留直径7mm圆孔孔位 (附图8)，可穿过微型孔隙水压力传感器，预埋置于模型冰碛坝体 内部。传感器探头伸出水槽壁内侧3cm，可以实现对坝体内部孔隙 水压力变化的实时监测，用以计算变形前后的渗流场。水槽底部还预 留有4个孔压传感器预留孔，孔位处于水槽中轴线上，通过水槽外部 可接入4个孔压传感器实现无接触测量水槽内的水位、孔压的变化。 此外，坝体上游坡面和下游坡面中轴线上分别设置有一台数码摄像机 (相机#3和相机#4)用来监测坡面侵蚀；水槽正面设置有一台数码 摄像机#1用来捕捉冰碛坝坝体溃决过程中的侵蚀面变化；一台高速 摄像机#11可以实现高频自动拍照(拍照频率50Hz-10000Hz可变)， 依托粒子图像测速法(PIV：ParticleImage Velocimetry)用以计算溃 决前后的变形场。下游坝脚处的孔压传感器上方设置有激光位移传感 器(激光-A4)、超声波传感器(超声波-06)以及数码相机#6，用以 测量坝脚处的流深和流速，用以换算坝脚处的溃决流量。此外，4个 功率大小为50W的摄影拍照无影灯用以辅助整个实验水槽系统的照 明系统。4个小型无影灯用以照明水槽第1段，光线斜交45°照亮水 面，使得相机#2和相机#5拍摄的波形更加明显。

(3)泥石流运动监测段(2.5m)

泥石流运动监测段设置有三个地声采集与力板应力采集同步测 量模块预留槽，用以安装力板模块和地声测量模块，槽内设有突出的 台阶，便于两个模块在水槽内横向方向上可以自由移动(附图7)， 以保证采用不同宽度的水槽实验时，两个模块能随时处于中轴线两侧 位置，消除边壁影响。此装置可实现泥石流运动过程中同一截面上的 动力学参数、环境噪声振动信号的同步测量与存储。同时预留槽顶部 还设置有激光位移传感器、超声波距离传感器和高清数码摄像机用以 记录模块位置处的流体的流深、流速及运动状态，全部的采集数据同 步传输至水槽的同步测量系统并记录于存储器中。由于实验中的流深较浅，因此直接采用可自由转动的横杆以及两端焊接在水槽固定位置 的固定圆环进行激光传感器、超声波传感器以及摄像机的固定。水槽 正面还设置了数码摄像机#10用以记录坝体侵蚀之后的沿沟道的堆积 情况，通过分析视频资料可得到沟道堆积情况随时间的变化规律。此 外，整个泥石流的运动区域(包括有第二段水槽的后半段以及整个第 三段水槽)水槽底部均涂抹有与模型坝体颗粒材料级配相同的石子材 料，并使用环氧树脂将其均匀涂抹固定于水槽底部，用以模拟真实沟 道环境中泥石流运动过程中的摩擦效应。此外，2个300W的激光大 灯用以辅助整个实验水槽系统的照明系统用以抵消高速相机拍摄坝 体时候的阴影问题。

收集装置为水槽末端的废料收集箱子，长宽高尺寸为：1m×0.5 m×0.5m。收集箱4个侧面和底面材质均为0.2mm厚的钢板，箱子 侧面预挖0.3m×0.2m的方形孔，孔内安装了0.005×0.005m的金属 筛子，用以过虑实验废水中的固体颗粒物质，进行废料收集。虑出的废水汇入下游的大型废水收集箱(长宽高尺寸为：10m×8m×2m) 等待集中处理，避免水资源浪费。

实施例2：

本发明用于模拟天然冰崩涌浪造成冰湖漫顶溃决全过程灾害演 化，具体包括以下步骤(实例1)：

(1)标定传感器

在进行实验之前，首先应当对各传感器进行静态、动态标定。在 静态标定中，先对超声波测距传感器、孔隙水压力传感器和力板进行 标定；具体是，利用不同高度的静止水头产生的压力对孔隙水压力传 感器进行标定，找到孔隙水压力与电压信号的对应关系；同时，不同 高度的水头可以标定力板传感器中的正应力，正应力和孔压传感器之 间进行相互验证；利用不同重量的砝码产生的压力对力板正应力和剪 应力进行标定，找到力板上泥石流的正应力和剪应力分别与电压信号 的对应关系；利用超声波测距传感器与障碍物之间不同的距离标定该 类型传感器，找到超声波测距传感器与电压信号的对应线性关系。微型孔压传感器需要真空泵先将透水石内部空气抽空，然后迅速浸泡进 入水中，使得水倒吸如透水石中使其饱和，已达到排除透水石中空气 的目的。重复此操作数十次之后，可开始正常流程的孔压传感器标定， 同上所述不再描述。静态标定完成之后，将所有传感器安装于水槽指 定位置，包括还未进行标定的地声传感器(只能动态标定)，进行动 态标定。所谓动态标定，即使用固定来流的流量供水，打开全部的采 集、监控、灯光设备，通过静态标定的结果将实际清水流速、流深、 流量、剪切力、正应力、孔隙水压力进行换算，可以进行相互验证估 算误差。地声设备采集到的振动信号则可以作为一个基础环境噪声信 号，用以对比分析泥石流振动信号。

(2)实验装置布置

静态标定完成之后，将5个超声波传感器和2个孔压传感器安装 于水槽的第一段，超声波传感器用三脚架固定，孔压传感器通过预留 孔位从水槽底部进行安装。微型孔压传感器穿过水槽内侧预留孔位并 伸出内壁约3cm，用以避免孔压传感器传输线对坝体内部形成加筋 作用，影响溃决过程。将标定好的孔隙水压力传感器和力板进行组装 形成测力传感器模块，并将测力传感器模块安装于实验水槽的力板模 块预留槽内，同时安装地声模块，使其位于中轴线两侧并用玻璃胶做 防水贴合处理。模块顶部用于测量流深的激光传感器和超声波距离传 感器用可自由旋转的横杆进行固定，并于同一位置安装垂直于水槽底部的数码摄像机用以监测流速。设置高速摄像机的拍摄速度和快门速 度，将高速摄像机的镜头调整至最佳位置并调节光圈大小，最后将孔 隙水压力传感器、力板、电磁感应供电信号线、激光位移传感器和超 声波测距传感器的接头接在同步数据采集系统上。

(3)实验准备工作

1)将实验用土采用分层堆积的方法将坝体堆叠到预先绘制好轮 廓的几何形状，形状轮廓线通过计算并提前绘制与水槽一侧的玻璃 上；堆坝时，层层之间用手轻拍至指定的水平线，通过控制每一层之 间的土体质量就可以用来确保堆坝的密实度；反复此操作即可实现整 个模型坝体的密实度相对均匀；

2)不同体积的冰块模拟体的预先放置：本实验中采用与冰块密 度相同的聚丙烯塑料板(Polypropylene Plastic)制作为长宽高尺寸为： 0.5m×0.42m×0.18m的长方体，长方体顶部内嵌有电磁铁，能够被 紧紧吸附在T形支架上。实验开始前，将该PP板塑料放置到T形支 架上并提为电磁铁通电，冰块的放置工作完成；

3)打开所有传感器，测试所有传感器的响应情况。用不透光的 方形纸板依次挡住超声波、激光传感器的信号源，观察同步采集系统 上的信号强度是否发生变化，有变化即为有响应；用手轻轻按压微型 孔压传感器探头，观察同步采集系统上的信号强度是否发生变化，有 变化即为有响应；用手轻推、轻按压力板所连接的力板模块，分别测 试剪应力和正应力的响应，同时观察同步采集系统上的信号强度是否 发生变化，有变化即为有响应；底部孔压传感器需要先用针管注满水 后再进行轻轻按压测试，以避免空气对孔压信号的影响，观察同步采 集系统上的信号强度是否发生变化，有变化即为有响应。

(4)开始实验

待全部的传感器进行测试完毕，便可以开始实验。实验开始时， 采集系统预先打开并采集一段数据用以标定初始值；随后打开供水系 统和流量监测系统，通过电磁流量计显示屏上读数可以适时显示当前 流量，通过右方的流量法兰可以微调流量至实验指定流量；带水槽内 部水位到达指定体积的3/4时，关闭供水系统并在水面上抛洒大量的 直径为5mm的泡沫球用作示踪粒子用以捕捉水面波形的变化情况； 等待湖面铺满示踪粒子后，再次打开供水系统，以相同的操作将水位 加至指定位置后停止供水。随后，用采集系统触发电磁铁开关，释放 冰块，冰块发生旋转崩塌掉入水中并激发涌浪，实验正式开始。

(5)实验清理

实验完成后，水槽内部堆积的坝体材料需用铲子清理干净，还需 要对水槽底部的孔隙水压力内部淤积的泥沙进行清理，防止对下一次 实验造成影响。此外，微型孔压传感器表面的泥沙也需要做进一步的 清理。水槽末端的废料收集箱内的坝体材料清空之后便可以开始准备 下一次实验。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但本发明并不局限 于上述具体实施方式，上述实施方式仅是示意性的，不是限制性的， 本领域的技术人员在本发明的启示、不脱离本发明宗旨和权利要求保 护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种模拟冰崩涌浪导致冰碛湖漫顶溃决灾害全过程的实验装置，其特征在于，包括供水装置、涌浪触发装置、消能装置、缓冲装置、实验水槽主体装置、收集装置、同步测量系统、监控系统；

所述供水装置包括若干个功率大小不同的抽水泵，同时连接于直通多出水管，其中所述直通多出水管的每个管口分别连接不同功率的抽水泵，作为整个装置的供水口，通过同时或分批次开关抽水泵实现多级不同强度的供水量供给，所述直通多出水管的出水口的右端安装电磁流量计，

所述涌浪触发装置包括一个高度可调节的T形支架，所述T形支架底端设置有凸出的棱台用于支撑冰块模拟体下沿；所述支撑冰块模拟体上沿内嵌电磁铁阴极，与所述T形支架上设置的阳极电磁铁可紧密吸附，以实现冰崩模拟前冰块的固定功能；

所述T形支架的正下方设置所述缓冲装置，所述缓冲装置为缓冲池；

所述T形支架的一侧设置消能装置，所述消能装置为金属网状物；

所述实验水槽主体装置配合所述同步测量系统、监控系统使用；所述实验水槽为弧形槽，主体分为三段，分别为涌浪激发传播段、冰碛坝坝体侵蚀模拟段、泥石流运动监测段，三段水槽通过螺栓连接，连接处采用橡胶垫缓冲，并涂上玻璃胶用作防水处理，调整三段水槽处于同一水平面并放置于预先调水平的钢管支架上；

其中，所述涌浪激发和传播段水槽上方，从原点开始每间隔一定距离配置一个超声波距离传感器，靠近坝脚位置设置至少一个孔压传感器，设置相机用于监控此段水槽内涌浪波的波形；

所述冰碛坝坝体侵蚀模拟段的内侧水槽壁以及水槽底部分别设置预留空位，穿过孔压传感器，预埋置于冰碛坝坝体侵蚀模拟段的坝体内部；所述冰碛坝坝体侵蚀模拟段的上游坡面和下游坡面中轴线上分别设置有一台数码摄像机用来监测坡面侵蚀，一台高速摄像机用以实现高频自动拍照，依托粒子图像测速法计算溃决前后的变形场，下游坝脚处的孔压传感器上方设置有激光位移传感器、超声波传感器以及数码相机，用以测量冰碛坝坝体侵蚀模拟段的坝脚处的流深和流速，用以换算冰碛坝坝体侵蚀模拟段的坝脚处的溃决流量；

所述泥石流运动监测段设置模块预留槽，用以安装力板模块和地声测量模块，所述力板模块和地声测量模块可拆卸、可移动；所述力板模块上安装有应力采集模块；所述模块预留槽内设有突出的台阶，使得力板模块和地声测量模块在水槽内横向方向上可以自由移动；所述模块预留槽顶部设置有传感器组和相机用于记录模块位置处的流体的流深、流速及运动状态，全部的采集数据同步传输至水槽的同步测量系统并记录于存储器中；

还包括照明系统用于为所述实验水槽主体装置提供照明；

所述收集装置包括过滤装置和废水收集箱，废水经过过滤装置后进入到废水收集箱中等待集中处理。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电磁流量计采用220 V独立交流电供电，配置有独立液晶显示屏，以实时显示通过管道中的流体的体积流量。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，设置两个相机用于监控此段水槽内涌浪波的波形，两个相机错位相间布置以消除相机的广角效应导致的测量误差。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声波距离传感器通过两端三脚架搭配一根可自由旋转的横杆固定，将声波发生面调整于垂直水槽底面后拧紧三脚架圆孔中的螺丝将传感器固定。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述过滤装置包括收集箱，所述收集箱侧面预挖方形孔，孔内安装金属筛子，用以过虑实验废水中的固体颗粒物质，进行废料收集。

6.一种模拟冰崩涌浪导致冰碛湖漫顶溃决灾害全过程的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：标定传感器：在进行实验之前，首先应当对各传感器进行静态标定、动态标定；

步骤2：实验装置布置：按照如权利要求1~5任一项所述的装置结构对各个装置进行组装；

步骤3：实验准备：

1）将实验用土采用分层堆积的方法将坝体堆叠到预先绘制好轮廓的几何形状，形状轮廓线通过计算并提前绘制与水槽一侧的玻璃上；堆坝时，层层之间用手轻拍至指定的水平线，通过控制每一层之间的土体质量就可以用来确保堆坝的密实度；反复此操作即可实现整个模型坝体的密实度相对均匀；

2） 不同体积的冰块模拟体的预先放置：采用与冰块密度相同的聚丙烯塑料板制作为长宽高尺寸为：0.5 m×0.42 m×0.18 m的长方体，长方体顶部内嵌有电磁铁，能够被紧紧吸附在T形支架上，实验开始前，将PP板塑料放置到T形支架上并提为电磁铁通电，冰块的放置工作完成；

3）打开所有传感器，测试所有传感器的响应情况，用不透光的方形纸板依次挡住超声波、激光传感器的信号源，观察同步采集系统上的信号强度是否发生变化，有变化即为有响应；用手轻轻按压微型孔压传感器探头，观察同步采集系统上的信号强度是否发生变化，有变化即为有响应；用手轻推、轻按压力板所连接的力板模块，分别测试剪应力和正应力的响应，同时观察同步采集系统上的信号强度是否发生变化，有变化即为有响应；底部孔压传感器需要先用针管注满水后再进行轻轻按压测试，以避免空气对孔压信号的影响，观察同步采集系统上的信号强度是否发生变化，有变化即为有响应；

步骤4：开始实验：实验开始时，同步测量系统预先打开并采集一段数据用以标定初始值；随后打开供水系统，通过电磁流量计显示屏上读数可以适时显示当前流量，通过右方的流量法兰可以微调流量至实验指定流量；待水槽内部水位到达指定体积的3/4时，关闭供水系统并在水面上抛洒大量的泡沫球用作示踪粒子用以捕捉水面波形的变化情况；等待湖面铺满示踪粒子后，再次打开供水系统，以相同的操作将水位加至指定位置后停止供水，随后，触发电磁铁开关，释放冰块，冰块发生旋转崩塌掉入水中并激发涌浪，实验正式开始，记录同步测量系统以及监控系统监测的数据；

步骤5：实验清理。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤1，在静态标定中，先对超声波测距传感器、孔压传感器和力板进行标定；

利用不同高度的静止水头产生的压力对孔压传感器进行标定，找到孔隙水压力与电压信号的对应关系；同时，不同高度的水头可以标定力板传感器中的正应力，正应力和孔压传感器之间进行相互验证；利用不同重量的砝码产生的压力对力板正应力和剪应力进行标定，找到力板上泥石流的正应力和剪应力分别与电压信号的对应关系；

利用超声波测距传感器与障碍物之间不同的距离标定超声波测距传感器，找到超声波测距传感器与电压信号的对应线性关系；

微型孔压传感器需要真空泵先将透水石内部空气抽空，然后迅速浸泡进入水中，使得水倒吸如透水石中使其饱和，已达到排除透水石中空气的目的，重复此操作数十次之后，可开始正常流程的孔压传感器标定。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，静态标定完成之后，将所有传感器安装于水槽指定位置，包括还未进行标定的地声传感器，进行动态标定。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤5中，实验完成后，水槽内部堆积的坝体材料采用铲子清理干净，同时对水槽底部的孔隙水压力内部淤积的泥沙进行清理，防止对下一次实验造成影响，水槽末端的废料收集箱内的坝体材料清空之后便可以开始准备下一次实验。

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