CN116642662B - 一种泥石流流速测量系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种泥石流流速测量系统及其方法，所述系统包括可变坡度的泥石流实验水槽装置、传感器、固定装置、数据采集装置和数据处理模块；可变坡度的泥石流实验水槽装置包括机械上料机、储料斗、搅拌装置、带有变频电动机的启闭装置、可变坡度水槽、消能结构体和尾料回收装置；固定装置包括万能角度尺、竖向固定钢管和横向固定钢管；数据采集装置由安装有同步器的数据采集同步器、计算机和连接线组成，用于采集传感器信号；数据处理模块用于对采集到的数据信号进行加工处理。本发明能够自由调节泥石流可变坡度水槽的坡度和消能结构体的长度，自由移动激光泥位计传感器的位置，便于测量不同测试断面之间的泥石流平均流速。
Description
技术领域
本发明涉及泥石流处理技术领域，特别涉及一种泥石流流速测量系统及其方法。
背景技术
泥石流运动流速是泥石流运动力学的核心研究内容之一，是研究泥石流流变性质和运动机理的关键参数，也是确定泥石流防治工程中设计参数的关键因素。泥石流流速关系到泥石流流量、冲击力、运动摩阻、弯道超高等重要工程设计参数的计算。目前常用的泥石流流速测量方法有雷达测量法，现场调查法和图像解析法等。这些测量方法均存在不同的缺点，主要包括以下方面：测量误差较大、对测试环境要求高，测试过程中带有较多经验性和主观性。测量方法的缺陷和泥石流自身的复杂性，使得泥石流流速的精确测量难以实现，尤其是在模型实验机理研究过程中流速的测量，因此对泥石流防治工程设计参数的改进也难以提供精确的数据支撑。
在泥石流机理研究实验过程中，泥石流是由水、粘土、砾石和空气混合形成的高粘度、高容重、不透明流体。在水槽坡度较大的情况下，流体具有较大的冲击力和侵蚀能力，安装在水槽中的测量仪器不仅会对泥石流流场产生干扰，而且极容易被破坏；加之泥石流流态的复杂性，泥石流龙头的运动流态常呈现为强烈的紊动状态，难以跟踪和固定目标。尽管胡平华、韦方强等提出利用超声波泥位计来测量泥石流通过上下游两个固定断面之间最大泥深出现的时间间隔，从而得到泥石流体在两相邻断面之间的平均速度，但是该超声波泥位计的采样速度为4次/秒，泥深测量精度1cm，并且通过人工识别打印机自动连续打印出来的时间和对应的泥深值。这在一定程度上增大了人工识别的主观性，同时该超声波泥位计的采样频率较低，不能保证记录最大泥深出现时间的准确性和可靠性。尤其是在缩尺模型实验过程中，对实验测试的精度要求更高。因此，针对目前在泥石流流速的研究中还没有对泥石流流体表面瞬时流速过程进行精确测量的技术和方法。
发明内容
为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键／重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明针对以往测试过程中存在干扰泥石流运动流场的问题，及在泥石流可变坡度水槽机理实验过程中纵比降较大的情况下，出现仪器极易破坏且无法准确测量可变坡度水槽中泥石流流速过程的情况，提出一种泥石流流速测量系统和方法，且该测量系统具有结构简单和数据处理方法运算方便、快捷、准确性高的特点。本发明能够在不干扰泥石流运动流场的情况下，采用激光泥位计传感器准确记录泥石流通过断面的泥深时间过程，采用互相关计算方法获得泥石流通过已知距离的时间，进而获得较为精确的泥石流运动平均流速。这种方法不仅能够提高测量过程的时间和泥深精度，而且能够大大降低人工识别的主观性，提高测量数据的可靠性和精确性。
本发明提供的一种泥石流流速测量系统，其改进之处在于，所述系统包括可变坡度的泥石流实验水槽装置、激光泥位计传感器、固定装置、数据采集装置和数据处理模块；
所述可变坡度的泥石流实验水槽装置按物料输送依次包括机械上料机、储料斗、设置在所述储料斗上用于物料均匀搅拌的搅拌装置、带有变频电动机的启闭装置、可变坡度水槽、消能结构体和尾料回收装置；所述启闭装置设置于所述储料斗上方与所述上料机相对的一侧用于控制所述储料斗出口闸门的开度, 所述消能结构体为长方体结构，顶部设置能够通过螺旋装置自由开启和关闭的顶盖，任意调节消能结构体的长度和宽度；其中：储料斗的宽度和长度分别为B1和l；可变坡度水槽的宽度、长度、坡度分别为B、L、i，可变坡度水槽中泥石流的加速段长度L1、消能结构体总长度L2、出口段长度L3；消能结构体的高度为h，单个消能结构体长度为w。
所述固定装置包括万能角度尺、竖向固定钢管和横向固定钢管；
所述数据采集装置由安装有同步器的数据采集同步器、激光泥位计传感器和连接线组成，用于采集激光泥位计传感器信号；所述数据采集同步器通过所述连接线电连接，所述数据采集同步器再通过所述连接线连接到多个位于所述可变坡度的泥石流实验水槽装置上的激光泥位计传感器上，通过所述激光泥位计传感器完成数据采集；
所述数据处理模块包括计算机，所述计算机通过连接线与所述数据采集同步器电连接，用于对采集到的数据信号进行加工处理。
优选的，所述上料机由变频电动机、上料斗和导轨组成，其顶部与储料斗相连，物料可由上料斗沿所述导轨移动将物料直接倒入储料斗。
进一步的，所述储料斗为长方体结构，底部设有坡度。
优选的，所述可变坡度水槽由通过和储料斗相连的铰接装置与所述储料斗的出口连接，若干个液压装置位于所述可变坡度水槽的下部用于在不同位置对所述可变坡度水槽形成支撑作用。
优选的，所述尾料回收装置为长方体结构，并装有滑轮，放置在水槽的末端。
优选的，所述可变坡度的泥石流实验水槽装置还包括通过固定装置固定在可变坡度水槽的顶部的激光泥位计传感器，消能结构体上游的两个激光泥位计传感器之间的距离为S，为方便计算消能结构体下游的两个激光泥位计传感器之间的距离同样设定为S。其中，S是指消能结构体上游两个激光泥位计之间的距离；同时也是消能结构体下游两个激光泥位计之间的距离。S满足大于泥石流流速和采样时间间隔的乘积。
进一步的，所述激光泥位计传感器采样频率30次/秒、精度1mm，所述激光泥位计传感器的设置方式是与水槽的底板垂直。
本发明还提供一种泥石流流速测量方法，其改进之处在于，所述方法包括
步骤1：检查泥石流实验水槽系统；
步骤2：检查数据信号采集系统；
步骤3：运行数据采集系统并录制视频图像，通过分析获取泥石流在测算断面距离为S的长度之间流动的时间间隔；
步骤4：开启启闭机进行实验，记录实验过程总时间t，并将实验数据保存；
步骤5：采用数据信号处理的互相关算法求得泥石流运动的流速V。
本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明能够自由调节泥石流可变坡度水槽的坡度和消能结构体的长度，自由移动激光泥位计传感器的位置，便于测量不同测试断面之间的泥石流平均流速；通过简单的操作实现泥石流实验水槽中流速的测量及获得水槽中固定断面位置的泥石流流量过程，在流速测量过程中能够有效的减小测试过程中的经验性和主观性，同时采用这种非接触式流速测量方式能够有效减小传感器对泥石流流场的干扰。这种泥石流流速实验装置操作安全简便，实验结果可靠，是测量水槽中泥石流运动流速的有力实验工具，对泥石流防治工程设计参数的改进也能够提供准确的数据支撑。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种泥石流流速测量系统示意图；
图2是根据一示例性实施例示出的当长方箱体长边边长a取2.0-3.0m时的长方箱体示意图；
图3是根据一示例性实施例示出的箱体衬砌式泥石流可变坡度水槽的俯视示意；
图4是根据一示例性实施例示出的箱体衬砌式泥石流可变坡度水槽的纵剖面示意图；
其中，1-上料机、2-储料斗、3-搅拌装置、4-启闭装置、5-可变坡度水槽、6-消能结构体、7-尾料回收装置、8-变频电动机、9-上料斗、10-导轨、11-闸门、12-铰接装置、13-液压装置、14-激光泥位计传感器、15-万能角度尺、16-竖向固定钢管、17-横向固定钢管、18-数据采集同步器、19-计算机、20-连接线、21-螺旋装置、B-可变坡度水槽的宽度、B1-储料斗宽度、L-可变坡度水槽长度、L1-加速段长度、L2-消能结构体总长度、L3-出口段长度、l-储料斗长度、w-单个消能结构体长度、i-可变坡度水槽坡度、h-消能结构体高度、V-平均流速、S-测试断面之间的距离、t -时间、τ-时间间隔。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的结构、产品等而言，由于其与实施例公开的部分相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述：
本发明公开了一种泥石流实验装置系统，实现了泥石流模型实验上料、拌合以及闸门启闭的半自动化；通过调节消能结构体的螺旋装置能够实现消能结构体长度、宽度的变化；通过传感器、数据采集同步器和计算机组成的数据采集系统，以及互相关的数据处理方法，能够在不干扰泥石流运动流场的情况下，准确的测量泥石流通过已知距离的时间，进而获得较为准确的泥石流运动流速，能够为泥石流灾害防治工程的设计参数提供计算依据。具体如下：
本发明提供了一种泥石流流速测量系统，所述系统包括可变坡度的泥石流实验水槽装置、激光泥位计传感器、固定装置、数据采集装置和数据处理模块，其中，
所述可变坡度的泥石流实验水槽装置按物料输送依次包括机械上料机1、储料斗2、设置在所述储料斗2上用于物料均匀搅拌的搅拌装置3、带有变频电动机的启闭装置4、可变坡度水槽5、消能结构体6和尾料回收装置7，所述启闭装置4设置于所述储料斗2上方与所述上料机1相对的一侧用于控制所述储料斗2出口闸门11的开度。其中：储料斗2的宽度和长度分别为B1和l；可变坡度水槽5的宽度、长度、坡度分别为B、L、i，可变坡度水槽5中泥石流的加速段长度L1、消能结构体6总长度L2、出口段长度L3；消能结构体6的高度为h，单个消能结构体6长度为w。其中，消能结构体6总长度L2，不能变化；高度（深度）同样不能变化。
所述上料机1由变频电动机8、上料斗9和导轨10组成，其顶部与储料斗2相连，物料可由上料斗9沿所述导轨10移动将物料直接倒入储料斗2；所述变频电动机8能够调节机械上料机的速度，保证上料的安全性以及闸门开启的时间相等。
所述储料斗2为长方体结构，底部带有一定坡度；所述搅拌装置3用于搅拌储料斗2中的物料，保证其混合均匀，本申请安装有搅拌装置3的储料斗2，能够保证料斗中浆体充分搅拌。
所述启闭装置4用于控制储料斗2出口闸门11的开度；所述可变坡度水槽5由通过和储料斗2相连的铰接装置12、与所述储料斗2的出口连接，若干个液压装置13位于所述可变坡度水槽5的下部用于在不同位置对所述可变坡度水槽5形成支撑作用，本申请安装的液压装置13能够便利的调节水槽的坡度，尤其是长水槽。
所述消能结构体6为长方体结构，顶部设置能够通过螺旋装置21自由开启和关闭的顶盖，任意调节消能结构体的长度和宽度；其中，当消能结构体6确定后，其顺水流方向的长度是不变的，因此只能通过旋转21来调节宽度，不能调节长度；长宽比是对应变化的。
所述尾料回收装置7为长方体结构，并装有滑轮，放置在水槽的末端。
所述可变坡度的泥石流实验水槽装置还包括通过固定装置固定在可变坡度水槽5的顶部的激光泥位计传感器14（采样频率30次/秒、精度1mm），所述激光泥位计传感器14的设置方式是与水槽的底板垂直，消能结构体6上游的两个激光泥位计传感器14之间的距离为S，为方便计算消能结构体6下游的两个激光泥位计传感器14之间的距离同样设定为S；所述固定装置由万能角度尺15，竖向固定钢管16、横向固定钢管17组成。
所述数据采集装置由安装有同步器的数据采集同步器18、激光泥位计传感器14和连接线20组成，用于采集激光泥位计传感器信号。所述数据采集同步器18通过所述连接线20电连接，所述数据采集同步器18再通过所述连接线20连接到一个或多个位于所述可变坡度的泥石流实验水槽装置上的激光泥位计传感器14上，通过激光泥位计传感器14完成数据采集，采用激光泥位计传感器14以及数据采集同步器18能够同时采集、记录多个传感器采集的数据。
所述数据处理模块包括计算机19，所述计算机19通过连接线20与所述数据采集同步器18电连接，用于对采集到的数据信号进行加工处理。
本发明还提供一种泥石流流速测量方法，所述方法包括
1. 泥石流实验水槽系统检查
a）检查机械上料机的安全性；
b）关闭储料斗启闭装置闸门并密封；
c）通过水槽末端的液压装置调节水槽实验坡度并固定；
d）通过螺旋装置调节消能结构体的长度并固定；
e）固定尾料回收装置。
2. 数据信号采集系统检查
a）固定激光泥位计传感器于水槽上方，检查激光泥位计传感器是否和水槽底板垂直；
b）连接数据采集系统，打开电源，保持数据采集系统的正常运行。
3. 实验准备
a）将拌合好的符合实验要求的一定量泥石流浆体，通过机械上料机运送至储料斗；
b）开启储料斗上方的搅拌装置，搅拌浆体，保持均匀；
c）打开电源，保持数据采集系统的正常运行；
d）开启不同方位的摄像机录制视频图像，通过分析获取泥石流在测算断面距离为S的长度之间流动的时间间隔。
4. 进行实验
a）开启启闭机，打开储料斗的闸门；
b）采集实验过程中记录实验过程总时间t，并将数据保存；
c）录制视频图像并保存；
d）实验过程结束后，关闭数据采集装置，关闭摄像机，整理设备，清洗实验水槽。
5. 数据处理
当采样的样本空间足够大时，采用互相关计算方法，获得通过已知距离的泥石流平均流速。本申请采用互相关的数据处理方法适用于同时采集的任意两个已知间距的传感器之间的泥石流平均流速V。
数据处理采用数据信号处理的互相关算法，该算法能够比较准确的计算出泥石流在断面之间的流动的时间间隔τ，进而求得泥石流运动的流速。
通过激光泥位计传感器采样，获得两个断面的泥深时程序列h 1(t k )（k的取值为[0，m-1]），h 2(t k )（k的取值为[0，m-1]），当采样的样本空间足够大时，有：
其中， h 1和h 2为不同位置传感器各态历经的平稳随机过程函数；m表示断面泥深采样的样本数量；t k 表示不同的采样时刻；h 1(t k )为t k 时刻对应的第一个断面的泥深数值；h 2(t k )为t k 时刻对应的第二个断面的泥深数值。
定义两个测量断面泥深序列的各态历经的平稳随机和之间的互相关函数R 12(τ)定义为：
将两个断面泥深时程序列带入互相关函数R 12(τ)，求解R 12(τ)最大的峰值R 12(τ 0)及其所对应的时间差τ 0。
通过计算获得时间差τ 0后，由于两个泥深测量断面在水槽中沿泥石流流向之间的距离S为已知确定值，则泥石流的平均流动流速可以按以下公式计算：
V=S/τ 0
所述泥石流流速测量系统可以根据水槽实验的测量目的的需求，在水槽上方安装固定多个激光泥位计传感器，这样可以根据需要获得不同水槽段的泥石流流速值。
使用时，将上述流速测量装置安装在模拟泥石流实验水槽上方，激光泥位计传感器和水槽底板垂直，可以保证不干扰泥石流在水槽中运动的流场。
本申请适用于坡度为10%~50%之间的泥石流可变坡度水槽模拟实验。
实施例1
如图1~图4所示，2014年11月在中国科学院东川泥石流观测研究站野外实验场地开展泥石流水槽模拟实验测量泥石流运动流速。
本发明一种泥石流流速测量系统包括上料机1，储料斗2，泥石流可变坡度水槽5，消能结构体6，尾料回收装置 7，液压装置13以及相应的测量系统。该测量系统包括激光泥位计传感器、数据采集同步器和用于数据处理的计算机。
泥石流可变坡度水槽5长800 cm，宽60 cm，高50 cm，横断面为矩形，底板为钢板，侧墙为钢化玻璃；消能结构体6的长度为90 cm，宽度60 cm，高度15 cm。
激光泥位计传感器14通过竖向固定钢管16和横向固定钢管17固定在可变坡度水槽5上方（垂直于可变坡度水槽底板），分别在消能结构体6的上游和下游布置两个激光泥位计传感器14，上游两个传感器之间的间距为50 cm，下游两个传感器之间的间距为50 cm。传感器通过数据线和数据采集装置连接，通过计算机采集数据并进行加工处理。
实验过程中选用的传感器是德国生产的ODSL系列，量程为0~60 m，误差为0.1 mm。
实验过程中所用泥石流体的最大粒径为20 mm，密度为2 t/m3。
模拟实验总计重复4组，本实施例以第2组实验为例说明本技术方案中泥石流流速测量方法的具体实现过程。泥石流表面流速的测量按照以下步骤进行：
S1为消能结构体6上游传感器之间的距离，S2为消能结构体6两端传感器之间的距离，S3为消能结构体6下游传感器之间的距离；其中，S1=S3=S，是一致的；S2可不需要。
泥石流在可变坡度水槽中流动过程中，激光泥位计传感器14测量泥石流通过可变坡度水槽中消能结构体6上下游测试断面的泥深变化过程；
数据采集同步器18同时采集各个传感器产生的信号数据，并实时传输给计算机19进行处理；
计算机19通过计算程序将接收到的采集器传输的泥石流原始信号数据进行分析计算，获得泥石流在可变坡度水槽中流动的时间间隔τ 0，τ 1，τ 2；通过前述泥石流的平均流动流速计算公式，可得泥石流运动流速。不同可变坡度水槽坡度条件下，泥石流浆体的流动的平均流速见下表。
表1 可变坡度水槽坡度为10%时泥石流浆体的平均流速（m/s）
表2 可变坡度水槽坡度为50%时泥石流浆体的平均流速（m/s）
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的流程及结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (7)
1.一种泥石流流速测量系统，其特征在于，所述系统包括可变坡度的泥石流实验水槽装置、激光泥位计传感器、固定装置、数据采集装置和数据处理模块；
所述可变坡度的泥石流实验水槽装置按物料输送依次包括机械上料机（1）、储料斗（2）、设置在所述储料斗（2）上用于物料均匀搅拌的搅拌装置（3）、带有变频电动机的启闭装置（4）、可变坡度水槽（5）、消能结构体（6）和尾料回收装置（7）；所述启闭装置（4）设置于所述储料斗（2）上方与所述上料机（1）相对的一侧用于控制所述储料斗（2）出口闸门（11）的开度；
所述消能结构体（6）为长方体结构，顶部设置能够通过螺旋装置（21）自由开启和关闭的顶盖，任意调节消能结构体的长度和宽度；
所述固定装置包括万能角度尺（15）、竖向固定钢管（16）和横向固定钢管（17）；
所述数据采集装置由安装有同步器的数据采集同步器（18）、激光泥位计传感器（14）和连接线（20）组成，用于采集激光泥位计传感器信号；所述数据采集同步器（18）通过所述连接线（20）电连接，所述数据采集同步器（18）再通过所述连接线（20）连接到多个位于所述可变坡度的泥石流实验水槽装置上的激光泥位计传感器（14）上，通过所述激光泥位计传感器（14）完成数据采集；
所述数据处理模块包括计算机（19），所述计算机（19）通过连接线（20）与所述数据采集同步器（18）电连接，用于对采集到的数据信号进行加工处理。
2.根据权利要求1所述的一种泥石流流速测量系统，其特征在于，所述上料机（1）由变频电动机（8）、上料斗（9）和导轨（10）组成，其顶部与储料斗（2）相连，物料由上料斗（9）沿所述导轨（10）移动将物料直接倒入储料斗（2）。
3.根据权利要求2所述的一种泥石流流速测量系统，其特征在于，所述储料斗（2）为长方体结构，底部设有坡度。
4.根据权利要求1所述的一种泥石流流速测量系统，其特征在于，所述可变坡度水槽（5）由通过和储料斗（2）相连的铰接装置（12）与所述储料斗（2）的出口连接，若干个液压装置（13）位于所述可变坡度水槽（5）的下部用于在不同位置对所述可变坡度水槽（5）形成支撑作用。
5.根据权利要求1所述的一种泥石流流速测量系统，其特征在于，所述尾料回收装置（7）为长方体结构，并装有滑轮，放置在水槽的末端。
6.根据权利要求1所述的一种泥石流流速测量系统，其特征在于，所述激光泥位计传感器（14）采样频率30次/秒、精度1mm，所述激光泥位计传感器（14）的设置方式是与水槽的底板垂直。
7.一种采用权利要求1-6任一项所述的系统进行的泥石流流速测量方法，其特征在于，所述方法包括
步骤1：检查泥石流实验水槽系统；
步骤2：检查数据信号采集系统；
步骤3：运行数据采集系统并录制视频图像，通过分析获取泥石流在测算断面距离为S的长度之间流动的时间间隔；
步骤4：开启启闭机进行实验，记录实验过程总时间t，并将实验数据保存；
步骤5：采用数据信号处理的互相关算法求得泥石流运动的流速V；
所述互相关算法为:
通过激光泥位计传感器采样，获得两个断面的泥深时程序列 h 1(t k )（k的取值为[0，m-1])， h 2(t k )（k的取值为[0，m-1]），有：
其中，h 1和h 2为不同位置传感器各态历经的平稳随机过程函数，m表示断面泥深采样的样本数量；t k 表示不同的采样时刻；h 1(t k )表示t k 时刻对应的第一个断面的泥深数值；h 2(t k )表示t k 时刻对应的第二个断面的泥深数值；
定义 两 个 测量断 面 泥 深 序 列的 各 态 历经的 平稳随 机 和之间的 互 相关 函数R 12(τ)：
将两个断面泥深时程序列带入互相关函数R 12(τ) ，求解R 12(τ)最大的峰值R 12(τ 0 )及所对应的时间差τ 0 ，
通过计算获得时间差τ 0 后， 根据已经测算的两个泥深测量断面在水槽中沿泥石流流向之间的距离S，得到泥石流的平均流动流速V=S/τ 0 。
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