CN115060876B - 泥石流沟道巨石启动模拟及运动特征监测试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了泥石流沟道巨石启动模拟及运动特征监测试验装置，主要包括浆体输送系统、监测系统和巨石模型。浆体输送系统起到模拟泥石流运动的作用；巨石模型内置有高精度三维定位传感器，记录实时坐标变化以监测巨石的运动姿态；监测系统主要包括浆体流速监测装置和冲击力监测装置，可以测定巨石启动时浆体的流速和冲击力大小。通过终端处理器对监测装置及传感器坐标数据进行处理，分析得到巨石启动及运动姿态变化规律。本发明装置可通过改变浆体的容重和流速、试验槽倾角等因子研究不同泥石流沟道条件下巨石的启动和运动特征，同时测得浆体流速、冲击力和巨石冲击能量等重要参数，所得试验结论更符合实际规律，对现实防治设计工作更具参考价值。

Description

泥石流沟道巨石启动模拟及运动特征监测试验装置和方法

技术领域

本发明涉及泥石流灾害的预警及防治领域，具体涉及一种泥石流沟道巨石启动模拟及运动特征监测试验装置和方法。

背景技术

泥石流为高浓度的液相、固相混合流，常发生于山区之中，其来势大、速度快、搬运能力强、破坏性大的特点常使其下游的拦挡物、建筑物或城镇村庄居民等遭受严重危害。泥石流暴发时往往携带有大量的泥砂和砾石，形成能量巨大的洪流，而泥石流沟道中的巨石易在此种洪流强大的搬运作用下启动。巨石的运动不仅对泥石流本身的运动和发育有直接影响，且巨石以不同的姿态运动(滚动、悬浮于泥石流中移动等)对泥石流沟床及拦挡结构的破坏方式、破坏程度不同。因此，研究泥石流沟道中巨石的启动、运动姿态及运移规律对泥石流的拦挡结构和防治工程设计具有重大意义。

目前，国内外对于泥石流沟道巨石启动和运移规律的研究主要采用经验法、数值计算仿真模拟、水槽试验法。经验法主要是通过采集泥石流发生前后的现场数据，统计分析巨石的启动条件、运动姿态和运移规律等，此种方法耗时长、工作量大。数值模拟基于运动学及动力学等理论，通过计算机建立泥石流中巨石运动的模型，此种方法虽然效率高，但计算模型存在不同程度的简化，与实际巨石运移有一定差异，计算结果难以应用于实践工程中。水槽试验法通过模拟沟道泥石流暴发，监测巨石启动后的运动姿态，所得结果与实际情况较接近，但目前此法大多仅是对巨石姿态的监测，而缺少对不同坡降、容重、流速和冲击力条件下巨石运动姿态变化规律的研究。了解各变量因子对巨石运动姿态变化的影响，可以为泥石流拦挡结构和防治工程设计提供参考，对泥石流减灾工作有重大指导意义。由此产生本发明技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供泥石流沟道巨石启动模拟及运动特征监测试验装置，用以研究在不同的坡降、浆体级配、冲击能量(速度，冲击力)条件下，巨石运动姿态的变化规律。

泥石流沟道巨石启动模拟及运动特征监测试验装置，包括泥石流浆体输送系统、巨石模拟系统和监测系统；

所述浆体输送系统包括可变倾角的试验槽，浆体加速装置及浆体回收循环装置；试验槽共四段，第一段为入料槽，第四段为尾料槽，每段间采用铰链铰接，角度可变；浆体加速装置设置于试验槽最上部的入料槽，将输入的浆体以一定的初速度送出。浆体回收循环装置设置于试验槽尾部的尾料槽，将新配好的浆体或一次试验后的浆体输送到入料槽进行试验。

所述巨石模拟系统包括巨石模型、高精度三维定位传感器、电池模块。巨石模型用以模拟泥石流沟道中的巨石，放置在试验槽第三段中。高精度三维定位传感器可精确显示各自实时三维坐标及海拔高度，置于巨石模型内部，用以记录巨石模型的运动信息并输入终端处理器。电池模块与高精度三维定位传感器连接，为其供电。

所述监测系统包括流速监测装置、冲击力监测装置、终端处理器。流速监测装置通过采用同速转轮的方式用以测量浆体的流速。冲击力监测装置通过将浆体撞击挡板的力转化为电信号以测定浆体的冲击力。流速监测装置、冲击力监测装置由一根绝缘空心的刚性杆固定于试验槽内。终端处理器用以接收和处理流速监测装置、冲击力监测装置的电信号及高精度三维定位传感器输入的实时坐标数据。

试验槽，侧板材质为钢化玻璃，底板材质为钢。各段底板间采用铰链连接，可转动。侧板与底板边缘垂直焊接，各侧板间无连接但转动后的重合部分紧密重叠，避免侧板重叠时出现缝隙使浆体泄露。入料槽的底板一侧焊接一块钢板，通过螺丝将一台无级变速电机固定在钢板上。试验槽第三段应足够长，以保证巨石模型运动充分。试验槽底部与伸缩支柱铰接，伸缩支柱下端与万向轮刚接。试验槽底部连接的整套支架系统可根据试验槽角度变化需要，进行伸缩和位置的调整。

浆体加速装置，包括轴和若干不锈钢质矩形的扇板组成，扇板间隔一定间距沿轴径向垂直焊接。入料槽内的浆体加速通道两侧壁开有圆形小孔，且由轴承嵌入，轴两端穿过试验槽侧板上嵌入的轴承并与轴承内壁焊接，固定于入料槽浆体加速通道内。轴伸出端与外部电机连接，通过轴固定频率转动使扇板旋转，从而带动通道内浆体运动。

浆体回收循环装置，尾料槽出口和入料槽入口用波纹管和泵连接，将尾料槽的浆体输送回入料槽，实现循环利用。

巨石模型，可根据试验模拟需要，采用混凝土砌筑成不同大小和形状。制作过程中巨石模型重心位置矩形中空，空间尺寸略大于安装有高精度三维定位传感器的传感器机箱，且留有一定通道，用以放置传感器机箱。传感器机箱置入后，用橡胶塞抵住传感器机箱并封好通道，避免巨石运动过程中传感器机箱晃动。采用热熔胶将八个高精度三维定位传感器分别固定在一个立方体传感器机箱的八个角点中，电池模块也安装于传感器机箱内部，为高精度三维定位传感器供电。将传感器机箱置于巨石模型内部。各传感器实时坐标、海拔高度数据通过无线连接输入终端处理器，通过分析多个高精度三维定位传感器三维坐标数据变化，可计算巨石运动速度、冲击能量并获取姿态变化信息。

冲击力监测装置，包括一个扭力轴承的内管壁刚接于刚性杆上，外管壁下方焊接一块矩形撞击板，上方焊接电极探针，扭力轴承内设置一个高强度的扭力弹簧，扭力弹簧两端分别与轴承管外环内壁和内环外壁焊接。轴承管及其电极探针置于一扇型的保护罩内，保护罩下端固定于刚性杆，保护罩顶部弧形内壁设有均匀电阻丝，均匀电阻丝与电极探针紧密接触，通过导线接入终端处理器。冲击力监测装置中的撞击板应采用具有一定刚度的轻质材料，且尺寸不宜过大，设置时尽量减小其对浆体运动的阻碍。

泥石流沟道巨石启动模拟及运动特征监测试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、组装试验平台：先将各段试验槽与相应的伸缩支柱连接，伸缩支柱底端与万向轮连接，再按从下至上的顺序连接试验槽各段。在入料槽中将焊接有扇板的轴穿过入料槽浆体加速通道侧壁的轴承，并与轴承内环焊接固定，杆伸出端与电机连接。将焊接有流速监测装置和冲击力监测装置的刚性杆固定在试验槽上相应位置。用波纹管分别将尾料槽出口、入料槽入口与泵连接。

步骤2、配置浆体和制作巨石模型：在配料池中按一定配比配制浆体，然后打开波纹管的连接器将波纹管管口置于配料池内，由泵将配好的浆体输送到入料槽中。将八个高精度三维定位传感器安置在传感器机箱的八个顶角，并用热熔胶将其连接固定，置入电池模块为高精度三维定位传感器供电。根据试验需要采用混凝土砌筑巨石模型，制作过程中巨石重心位置矩形中空，空间尺寸略大于安装有高精度三维定位传感器的传感器机箱，且留有一定通道，用以放置传感器机箱。传感器机箱置入后，用橡胶塞抵住传感器机箱并封好通道。把制作好的巨石模型摆放在试验槽第三段内。

步骤3、开始试验：将监测装置电路系统接入终端处理器并激活高精度三维定位传感器后，启动电机。电机带动浆体加速器转动将灌满入料槽中浆体加速通道的浆体以一定初速度送出。浆体运动撞击撞击板和同速转叶，装置中实时变化的电流成为电信号输入终端处理器，信号经过终端处理器处理后得到巨石模型所在位置的浆体流速和冲击力。巨石模型启动后运动姿态发生变化，各高精度三维定位传感器将实时坐标发送到终端处理器，经过分析和处理可获取巨石的运动姿态变化特征并可计算出巨石冲击能量。

步骤4、清洗试验槽：一次试验后，将波纹管的连接器打开使各段管道分离，连接废料池，利用泵将尾料槽内的浆体输送到废料池内。随后，波纹管再连接水池，泵将清水输送置入料槽，从上至下对试验槽进行冲洗，避免浆体残留影响随后二次试验。

步骤5、重复试验：改变试验槽第三段倾斜角度、浆体加速器转动频率、浆体配比和巨石模型大小、形态，重复步骤2～4进行再次试验，以研究不同条件下泥石流沟道中巨石的运动姿态变化规律。

本发明的有益技术效果为：

其一：该装置可通过改变试验槽倾角、浆体配比和速度进行多次对比试验，研究各因子对沟道中不同大小和形状巨石的启动和运动姿态的影响。

其二：该装置内置有浆体流速、冲击力监测装置，实时监测浆体流速和冲击力，结合高精度三维坐标定位传感器的坐标数据变化，研究分析所得的巨石运动姿态变化规律更准确、更贴合现实。

其三：该装置内的浆体流速、冲击力监测装置及传感器的安装使用方式，同样可以运用于现场泥石流沟道中进行监测和研究。

其四：整套装置设计简洁，功能较齐全，操作简单。设置的浆体回收循环装置便于重复试验浆体的再利用，同时省力、环保。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的浆体加速器放大图；

图3是本发明的巨石模拟系统放大图；

图4是本发明的冲击力监测装置放大图；

图5是本发明的流速监测装置放大图。

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。

如图1所示，泥石流沟道巨石启动模拟及运动特征监测试验装置，包括泥石流浆体输送系统、巨石模拟系统和监测系统；

所述浆体输送系统包括可变倾角的试验槽11，浆体加速装置及浆体回收循环装置；试验槽11共四段，第一段为入料槽113，第四段为尾料槽114每段间采用铰链12铰接，角度可变；浆体加速装置设置于试验槽11最上部的入料槽113，将输入的浆体以一定的初速度送出。浆体回收循环装置设置于试验槽11尾部的尾料槽114，将新配好的浆体或一次试验后的浆体输送到入料槽113进行试验。

如图3所示，所述巨石模拟系统包括巨石模型71、高精度三维定位传感器731、电池模块732。巨石模型71用以模拟泥石流沟道中的巨石，放置在试验槽11第三段中。高精度三维定位传感器731可精确显示各自实时三维坐标及海拔高度，置于巨石模型71内部，用以记录巨石模型71的运动信息并输入终端处理器81。电池模块732与高精度三维定位传感器731连接，为其供电。

如图5所示，所述监测系统包括流速监测装置、冲击力监测装置、终端处理器81。流速监测装置(专利CN110456096A中已公开)通过采用同速转轮的方式用以测量浆体的流速。冲击力监测装置通过将浆体撞击挡板的力转化为电信号以测定浆体的冲击力。流速监测装置、冲击力监测装置由一根绝缘空心的刚性杆32固定于试验槽11内。终端处理器81用以接收和处理流速监测装置、冲击力监测装置的电信号及高精度三维定位传感器731输入的实时坐标数据。

试验槽11，侧板111材质为钢化玻璃，底板112材质为钢。各段底板112间采用铰链12连接，可转动。侧板111与底板112边缘垂直焊接，各侧板111间无连接但转动后的重合部分紧密重叠，避免侧板111重叠时出现缝隙使浆体泄露。入料槽113的底板112一侧焊接一块钢板，通过螺丝将一台无级变速的电机4固定在钢板上。试验槽11第三段应足够长，以保证巨石模型71运动充分。试验槽11底部与伸缩支柱13铰接，伸缩支柱13下端与万向轮14刚接。试验槽11底部连接的整套支架系统可根据试验槽11角度变化需要，进行伸缩和位置的调整。

如图2所示，浆体加速装置，包括轴34和若干不锈钢质矩形的扇板31组成，扇板31间隔一定间距沿轴34径向360°垂直焊接。入料槽113内的浆体加速通道15两侧壁开有圆形小孔，且由轴承嵌入，轴34两端穿过试验槽侧板上嵌入的轴承并与轴承内壁焊接，固定于入料槽113的浆体加速通道15内。轴34伸出端与电机4连接，通过轴34固定频率转动使扇板31旋转，从而带动通道内浆体运动。

浆体回收循环装置，尾料槽114出口和入料槽113入口用波纹管21和泵22连接，将尾料槽114的浆体输送回入料槽113，实现循环利用。

如图3所示，巨石模型71，可根据试验模拟需要，采用混凝土砌筑成不同大小和形状。制作过程中巨石模型71重心位置矩形中空，空间尺寸略大于安装有高精度三维定位传感器731的传感器机箱73，且留有一定通道，用以放置传感器机箱73。传感器机箱73置入后，用橡胶塞72抵住传感器机箱73并封好通道，避免巨石运动过程中传感器机箱73晃动。采用热熔胶将八个高精度三维定位传感器731分别固定在一个立方体传感器机箱73的八个角点中，电池模块732也安装于传感器机箱73内部，为高精度三维定位传感器731供电。将传感器机箱73置于巨石模型71内部。各传感器实时坐标、海拔高度数据通过无线连接输入终端处理器81，通过分析多个高精度三维定位传感器731三维坐标数据变化，可计算巨石运动速度、冲击能量并获取姿态变化信息。

如图4所示，冲击力监测装置，包括一个扭力轴承33的内管壁刚接于刚性杆32上，外管壁下方焊接一块矩形的撞击板54，上方焊接电极探针51，扭力轴承33内设置一个高强度的扭力弹簧55，扭力弹簧55两端分别与轴承管外环内壁和内环外壁焊接。轴承管及其电极探针51置于一扇型的保护罩53内，保护罩53下端固定于刚性杆32，保护罩53顶部弧形内壁设有均匀电阻丝52，均匀电阻丝52与电极探针51紧密接触，通过导线82接入终端处理器81。冲击力监测装置中的撞击板54应采用具有一定刚度的轻质材料，且尺寸不宜过大，设置时尽量减小其对浆体运动的阻碍。

泥石流沟道巨石启动模拟及运动特征监测试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、组装试验平台：先将各段试验槽11与相应的伸缩支柱13连接，伸缩支柱13底端与万向轮14连接，再按从下至上的顺序连接试验槽11各段。在入料槽113中将焊接有扇板31的轴34穿过入料槽113浆体加速通道侧壁的扭力轴承33，并与轴承内环焊接固定，杆伸出端与电机4连接。将焊接有流速监测装置和冲击力监测装置的刚性杆固定在试验槽11上相应位置。用波纹管21分别将尾料槽114出口、入料槽113入口与泵22连接。

步骤2、配置浆体和制作巨石模型71：在配料池18中按一定配比配制浆体，然后打开波纹管21的连接器23将波纹管21管口置于配料池18内，由泵22将配好的浆体输送到入料槽113中。将八个高精度三维定位传感器731安置在传感器机箱73的八个顶角，并用热熔胶将其连接固定，置入电池模块732为高精度三维定位传感器731供电。根据试验需要采用混凝土砌筑巨石模型71，制作过程中巨石重心位置矩形中空，空间尺寸略大于安装有高精度三维定位传感器731的传感器机箱73，且留有一定通道，用以放置传感器机箱73。传感器机箱73置入后，用橡胶塞72抵住传感器机箱73并封好通道。把制作好的巨石模型71摆放在试验槽11第三段内。

步骤3、开始试验：将监测装置电路系统接入终端处理器81并激活高精度三维定位传感器731后，启动电机4。电机4带动浆体加速器转动将灌满入料槽113中浆体加速通道15的浆体以一定初速度送出。浆体运动撞击撞击板54和同速转叶63，装置中实时变化的电流成为电信号输入终端处理器81，信号经过终端处理器81处理后得到巨石模型71所在位置的浆体流速和冲击力。巨石模型71启动后运动姿态发生变化，各高精度三维定位传感器731将实时坐标发送到终端处理器81，经过分析和处理可获取巨石的运动姿态变化特征并可计算出巨石冲击能量。

步骤4、清洗试验槽：一次试验后，将波纹管21的连接器23打开使各段管道分离，连接废料池16，利用泵22将尾料槽114内的浆体输送到废料池16内。随后，波纹管21再连接水池17，泵将清水输送置入料槽113，从上至下对试验槽11进行冲洗，避免浆体残留影响随后二次试验。

步骤5、重复试验：改变试验槽11第三段倾斜角度、浆体加速器转动频率、浆体配比和巨石模型71大小、形态，重复步骤2～4进行再次试验，以研究不同条件下泥石流沟道中巨石的运动姿态变化规律。

Claims (7)

1.泥石流沟道巨石启动模拟及运动特征监测试验装置，其特征在于，包括泥石流浆体输送系统、巨石模拟系统和监测系统；

所述浆体输送系统包括可变倾角的试验槽(11)，浆体加速装置及浆体回收循环装置；试验槽(11)共四段，第一段为入料槽(113)，第四段为尾料槽(114)，每段间采用铰链(12)铰接，角度可变；浆体加速装置设置于试验槽(11)最上部的入料槽(113)，将输入的浆体以初速度送出；浆体回收循环装置设置于试验槽(11)尾部的尾料槽(114)，将新配好的浆体或一次试验后的浆体输送到入料槽(113)进行试验；

所述巨石模拟系统包括巨石模型(71)、高精度三维定位传感器(731)、电池模块(732)；巨石模型(71)用以模拟泥石流沟道中的巨石，放置在试验槽(11)第三段中；高精度三维定位传感器(731)精确显示各自实时三维坐标及海拔高度，置于巨石模型(71)内部，用以记录巨石模型(71)的运动信息并输入终端处理器(81)；电池模块(732)与高精度三维定位传感器(731)连接，为其供电；

所述监测系统包括流速监测装置、冲击力监测装置、终端处理器(81)；流速监测装置通过采用同速转轮的方式用以测量浆体的流速；冲击力监测装置通过将浆体撞击挡板的力转化为电信号以测定浆体的冲击力；流速监测装置、冲击力监测装置由一根绝缘空心的刚性杆(32)固定于试验槽(11)内；终端处理器(81)用以接收和处理流速监测装置、冲击力监测装置的电信号及高精度三维定位传感器(731)输入的实时坐标数据。

2.根据权利要求1所述的泥石流沟道巨石启动模拟及运动特征监测试验装置，其特征在于，所述的试验槽(11)底部与伸缩支柱(13)铰接，伸缩支柱(13)下端与万向轮(14)刚接。

3.根据权利要求1所述的泥石流沟道巨石启动模拟及运动特征监测试验装置，其特征在于，所述的浆体加速装置，包括轴(34)和若干不锈钢质矩形的扇板(31)组成，扇板(31)间隔间距沿轴(34)径向垂直焊接；入料槽(113)内的浆体加速通道两侧壁开有圆形小孔，且由轴承嵌入，轴(34)两端穿过试验槽侧板上嵌入的轴承并与轴承内壁焊接，固定于入料槽(113)浆体加速通道(15)内；轴(34)伸出端与电机(4)连接，通过轴(34)固定频率转动使扇板(31)旋转，从而带动通道内浆体运动。

4.根据权利要求1所述的泥石流沟道巨石启动模拟及运动特征监测试验装置，其特征在于，所述的浆体回收循环装置，尾料槽(114)出口和入料槽(113)入口用波纹管(21)和泵(22)连接，将尾料槽(114)的浆体输送回入料槽(113)，实现循环利用。

5.根据权利要求1所述的泥石流沟道巨石启动模拟及运动特征监测试验装置，其特征在于，所述的巨石模型(71)，重心位置矩形中空，安装有高精度三维定位传感器(731)的传感器机箱(73)，电池模块(732)也安装于传感器机箱(73)内部，为高精度三维定位传感器(731)供电，高精度三维定位传感器(731)通过无线连接输入终端处理器(81)。

6.根据权利要求1到5任一项所述的泥石流沟道巨石启动模拟及运动特征监测试验装置，其特征在于，所述的冲击力监测装置，包括一个扭力轴承(33)的内管壁刚接于刚性杆(32)上，外管壁下方焊接一块矩形的撞击板(54)，上方焊接电极探针(51)，扭力轴承内设置一个高强度的扭力弹簧(55)，扭力弹簧(55)两端分别与轴承管外环内壁和内环外壁焊接；轴承管及其电极探针(51)置于一扇型的保护罩(53)内，保护罩(53)下端固定于刚性杆(32)，保护罩(53)顶部弧形内壁设有均匀电阻丝(52)，均匀电阻丝(52)与电极探针(51)紧密接触，通过导线(82)接入终端处理器(81)。

7.泥石流沟道巨石启动模拟及运动特征监测试验方法，其特征在于，采用权利要求6所述的泥石流沟道巨石启动模拟及运动特征监测试验装置，包括以下步骤：

步骤1、组装试验平台；

步骤2、配置浆体和制作巨石模型(71)：把制作好的巨石模型(71)摆放在试验槽(11)第三段内；

步骤3、开始试验：将监测装置电路系统接入终端处理器(81)并激活高精度三维定位传感器(731)后，启动电机(4)；电机(4)带动浆体加速器转动，将灌满入料槽(113)中浆体加速通道(15)的浆体以初速度送出；浆体运动撞击撞击板(54)和同速转叶(63)，装置中实时变化的电流成为电信号输入终端处理器(81)，信号经过终端处理器(81)处理后得到巨石模型(71)所在位置的浆体流速和冲击力；巨石模型(71)启动后运动姿态发生变化，各高精度三维定位传感器(731)将实时坐标发送到终端处理器(81)，经过分析和处理可获取巨石的运动姿态变化特征并可计算出巨石冲击能量；

步骤4、清洗试验槽：一次试验后，将波纹管(21)的连接器(23)打开使各段管道分离，连接废料池(16)，利用泵(22)将尾料槽(114)内的浆体输送到废料池(16)内；随后，波纹管(21)再连接水池(17)，泵将清水输送置入料槽(113)，从上至下对试验槽(11)进行冲洗，避免浆体残留影响随后二次试验；

步骤5、重复试验：改变试验槽(11)第三段倾斜角度、浆体加速器转动频率、浆体配比和巨石模型(71)大小、形态，重复步骤2～4进行再次试验，以研究不同条件下泥石流沟道中巨石的运动姿态变化规律。

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