CN117870744B - 一种实现泥石流动力参数反演的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地质灾害监测预警技术领域，尤其涉及一种实现泥石流动力参数反演的监测装置及方法，所述监测装置包括监测桩、墩台、监测板、激光位移传感器、冲击压力传感器、冲击力传感器和数据处理器，所述监测桩安装于所述墩台，所述冲击压力传感器设置于监测桩的内部，墩台设置有凹槽，所述监测板安装于所述凹槽的顶部，所述冲击力传感器的顶部与监测板连接，冲击力传感器的底部固定于凹槽内。所述方法包括步骤：将实现泥石流动力参数反演的监测装置安装于泥石流沟道；根据激光位移传感器、冲击压力传感器、冲击力传感器实时采集的数据反演泥石流动力参数，包括泥石流的密度、流速。本发明可以实时反演获得泥石流动力参数，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及地质灾害监测技术领域，具体涉及一种实现泥石流动力参数反演的方法。
背景技术
泥石流是山区典型的地质灾害类型，具有超强的流动特性和巨大的破坏力，通过掩埋和直接冲击作用等方式对沿程或堆积区内各类构筑物造成破坏。近年来，伴随全球地震频发、气候急剧变化、人类活动增多，山区泥石流灾害显著增多，造成了严重的生命财产损失。
针对泥石流灾害的巨大威胁，在灾害易发区修建各类防治工程是最直接有效的防灾减灾措施。然而，一方面防治工程的建造需要耗费大量财力与物力，因而在灾害频发的地区广泛修建防治工程并不现实；另一方面目前无法对可能发生的泥石流灾害进行较准确的预判，导致防治工程的修建缺乏可靠的设计依据。近年来，随着科技的进步，监测预警技术作为一种非工程性防灾减灾措施，已经成为了该领域的研究热点。在泥石流灾害发生前或发生后的极短时间内，基于监测数据迅速向有关部门提供精确的灾情信息(如发生时间、地点、规模等)是实现及时快速人员撤离、制定科学合理救灾措施、减轻灾害造成损失的关键。因此，准确获取泥石流动力特征及参数(如流速、流深及流量等)是构建有效监测预警系统的核心问题。然而目前的监测预警方法中采集的泥石流动力参数的精确性还有待提高，例如对于流速参数，是通过V＝S/T来计算，V表示流速，S为两个监测桩之间距离，T为两个监测桩之间的监测信号时间差，采用这种方式仅能评估某一时间段T内的平均流速，无法提供泥石流整个流动过程中的流速实时信息。
发明内容
为了改善现有技术中存在的无法提供泥石流整个流动过程中的流速实时信息的问题，提供一种实现泥石流动力参数反演的监测装置及方法，以实时监测泥石流的流速等动力参数，提高泥石流动力参数的准确性。
为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种实现泥石流动力参数反演的监测装置，包括监测桩、墩台、监测板、激光位移传感器、冲击压力传感器、冲击力传感器和数据处理器，所述监测桩安装于所述墩台，所述冲击压力传感器设置于监测桩的内部，墩台设置有凹槽，所述监测板安装于所述凹槽的顶部，所述冲击力传感器的顶部与监测板连接，冲击力传感器的底部固定于凹槽内；激光位移传感器用于监测泥石流的流深，冲击压力传感器用于监测泥石流对监测桩的冲击压力，冲击力传感器用于监测泥石流对监测板的冲击力，数据处理器用于根据流深、冲击压力、冲击力计算得到泥石流动力参数，所述泥石流动力参数包括泥石流的密度、流速。
上述方案中，通过设置监测桩及冲击压力传感器来采集冲击压力数据，设置监测板和冲击力传感器来采集冲击力数据，利用激光位移传感器来采集流深数据，泥石流的密度和流速参数基于流深、冲击压力和冲击力计算得到，只需要单个监测点的数据即可反演得到泥石流的密度和流速，因此可以实现泥石流动力参数的实时采集与反演，为减灾预警提供了更可靠的数据支持。
还包括地震检波器和信号触发器，所述信号触发器分别与所述地震检波器、冲击压力传感器、冲击力传感器、激光位移传感器连接，信号触发器用于在地震检波器监测到持续设定时间的连续地震信号时，触发冲击压力传感器、冲击力传感器、激光位移传感器开始采集数据，否则触发其处于休眠模式。
上述方案中，通过设置地震检波器和信号触发器，通过地震检波器监测地震波信号来探测泥石流的可能性，且在可能发生泥石流时才启动各个传感器采集数据，不仅可以实现数据的实时(针对于泥石流发生时)采集，而且在无需采集数据时处于休眠状态，继而降低能耗，继而延长监测装置的电源使用时间。
还包括数据接收器，所述数据接收器分别与地震检波器、冲击压力传感器、冲击力传感器、激光位移传感器、数据处理器连接，数据接收器用于接收地震检波器、冲击压力传感器、冲击力传感器、激光位移传感器的采集数据并存储，并将存储数据传输给数据处理器。
由于发明中实现的是实时采集，且可长期使用，因此采集的数据较多。上述方案中，通过设置数据接收器，利用数据接收器将采集的数据进行存储，再传输给数据处理器处理，相比于数据处理器，数据接收器可以配置更大的存储空间，方便于对采集的历史数据进行存储，继而方便于后续分析利用。
还包括太阳能板和电源装置，所述太阳能板与电源装置连接，电源装置分别与激光位移传感器、冲击压力传感器、冲击力传感器和数据处理器连接，太阳能板安装于监测桩的顶部。
针对发生泥石流的野外山区，电源装置可以采用电池，但是电池的使用时间有限。上述方案中，通过设置太阳能板，可以将太阳能转换为电能，给电源装置充电，继而使得电源装置可以长期持续使用，实现泥石流长期监测。
还包括数据传输器，所述数据传输器与数据处理器连接，数据传输器用于将所述泥石流动力参数发送到远程控制端。
上述方案中，通过将反演得到的泥石流动力参数通过数据传输器及时传输给远程控制端，方便于远程控制端及时作出预警响应，减小泥石流造成的损失。
还包括监测桩基座，监测桩基座由钢筋混凝土浇筑而成，墩台由钢筋混凝土浇筑而成，监测桩基座固定于墩台，监测桩固定于监测桩基座。
上述方案中，监测桩固定于监测桩基座，监测桩基座固定于墩台，且监测桩基座和墩台都由钢筋混凝土浇筑而成，增强了监测桩的安装稳固性，继而保障泥石流动力参数监测的可靠性。
一种实现泥石流动力参数反演的方法，包括以下步骤：
将实现泥石流动力参数反演的监测装置安装于泥石流沟道；
根据激光位移传感器、冲击压力传感器、冲击力传感器实时采集的数据反演泥石流动力参数，所述泥石流动力参数包括泥石流的密度、流速；其中，
泥石流的密度计算公式为：
流速的计算公式为：且/>
ρ(t)为在t时刻泥石流的密度；为t时刻垂直于监测板方向的基底平均力，由Fz(t)经信号滤波处理后得到，Fz(t)为t时刻垂直于监测板方向的冲击力；S为监测板的面积；g为重力加速度；h(t)为t时刻的泥石流的流深；θ为监测板相对于水平面的倾斜角度；u(t)为在t时刻泥石流的流速；px(t)为t时刻垂直于监测桩方向的冲击压力；Fr为弗劳德数；a和b为经验参数。
所述泥石流动力参数还包括流量，流量的计算公式为：Q(t)＝Wρ(t)h(t)u(t)；
其中，Q(t)为在t时刻泥石流的流量；W为监测点处泥石流沟道的宽度。
所述泥石流动力参数还包括泥石流有效粒径，泥石流有效粒径的估算公式为：且/>
De(t)为在t时刻泥石流有效粒径的估算值；为ΔFFz(t)的频域特征值，ΔFz(t)为t时刻的泥石流基底脉动力；λ为泥石流固体颗粒冲击监测板的速度恢复系数；α为无量纲参数；ρs为泥石流固体颗粒的密度；φ(t)为t时刻的泥石流固体体积分数。
Fz(t)取多个冲击力传感器的平均值，h(t)取多个激光位移传感器的平均值，px(t)取多个冲击压力传感器的平均值。
上述方案中，通过布置多个传感器，采用多个传感器的平均值，一方面可以避免单一传感器的灵敏度差异导致的监测结果不够精确，另一方面也可以避免单一传感器失效时导致监测失败，即上述方案可以提高监测结果的准确性及可靠性。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
(1)本发明监测装置布置在泥石流沟道内，具有拆装便捷、长待时、智能监测、环境适应能力强等特点。
(2)基于地震波信号的触发模式具有低功耗、自触发、智能识别等特点，能够高效采集泥石流数据，并及时反馈泥石流动力参数。
(3)基于监测数据可以快速评估泥石流的流深、流速、密度、流量、有效粒径等实时信息，信息广，且实时性强，具有更高的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例中提供的实现泥石流动力参数反演的监测装置的平面布置图。
图2为实施例中监测装置沿A-A的剖面图。
图3为实施例中监测装置的监测桩的示意图。
图4为实施例中监测装置的凹槽中各器件的布局俯视图。
图5为实施例中监测装置的凹槽中各器件的主视图。
图中标记：
1-监测桩；2-监测板；3-激光位移传感器；4-墩台；5-泥石流沟道；6-太阳能板；7-监测桩基座；8-设备保护箱；9-凹槽；10-冲击压力传感器；11-冲击力传感器；12-电源装置；13-地震检波器；14-信号触发器；15-数据接收器；16-数据处理器；17-数据传输器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1-图5，本实施例中提供了一种实现泥石流动力参数反演的监测装置，包括太阳能板6、监测桩1、监测桩基座7、冲击压力传感器10、监测板2、冲击力传感器11、墩台4、设备保护箱8、电源装置12、地震检波器13、信号触发器14、数据接收器15、数据处理器16、数据传输器17、激光位移传感器3。
如图2及图3所示，监测桩基座7由钢筋混凝土浇筑而成，墩台4由钢筋混凝土浇筑而成，监测桩基座7固定在墩台4上，监测桩1固定在监测桩基座7上，通过多级固定方式可以增强监测桩1的安装稳固性，避免被泥石流冲倒。
如图3所示，监测桩1为中空的柱状体结构，冲击压力传感器10安置于监测桩1的内部，具体的，作为可实施方式的举例，冲击压力传感器10可以通过螺栓连接在监测桩1内壁上，这样既能保障冲击压力传感器10安装的稳定性，通过与监测桩1内壁接触还可以提高数据采集的准确性。监测桩1具有防水、耐温、抗腐蚀、防雷电、防磁干扰、抗冲击等特点，以保障其内部的冲击压力传感器10正常运行。图2中展示出冲击压力传感器10为三个，其目的是通过求均值的方式提高采集数据的可靠性及准确性，当然地，也可以只采用一个冲击压力传感器10，或者更多数量的冲击压力传感器10，但是成本会响应增加。
如图4、图5所示，墩台4设置有凹槽9，监测板2安装于该凹槽9的顶部，监测板2为特制加厚钢板以增强其强度，监测板2通过螺栓与冲击力传感器11的顶部连接，冲击力传感器11的底部通过螺栓固定在墩台4的凹槽9内。监测板2是用于模拟测量泥石流对泥石流沟道5的冲击力，可联合监测桩1监测数据反演泥石流参数。为了提高冲击力数据采集的准确性，本实施例中，设置了四个冲击力传感器11，分别分布于监测板2的四个角。
如图5所示，电源装置12、地震检波器13、信号触发器14、数据接收器15、数据传输器17、数据处理器16均安装于凹槽9的底部，设备保护箱8为匚字形结构，覆盖于电源装置12、地震检波器13、信号触发器14、数据接收器15、数据传输器17、数据处理器16的外部，设备保护箱8具有防水、耐温、抗腐蚀、防雷电、防磁干扰、抗冲击等特点，以保障箱内各监测仪器正常运行，电源装置12为地震检波器13、信号触发器14、数据接收器15、数据传输器17、数据处理器16提供工作所需的电能。
如图2或图3所示，太阳能板6安装于监测桩1的顶部，并与电源装置12连接，太阳能板6将太阳能转换为电能为电源装置12充电，以使得电源装置12可以持续长期为地震检波器13等部件供电。
激光位移传感器3架设在墩台4上方，用于监测泥石流流深。为了便于实施，可以在两个监测桩1之间架设一根横梁，激光位移传感器3安装于该横梁上。如图2所示，为了提高流深数据采集的准确性，可以采用多个激光位移传感器3，最后取平均值。
如图1所示，本实施例中，泥石流监测装置布置在泥石流沟道5内，具有拆装便捷、长待时、智能监测、环境适应能力强等特点。
地震检波器13与信号触发器14连接，信号触发器14与冲击压力传感器10、冲击力传感器11、激光位移传感器3及数据接收器15连接。地震检波器13全天候监控泥石流地震信号，当地震检波器13监测到持续第一设定时间(例如大于5秒)的连续地震信号时，信号触发器14随即触发冲击压力传感器10、冲击力传感器11、激光位移传感器3及数据接收器15开始工作，否则处于休眠模式，以节省电能。如果冲击压力传感器10、冲击力传感器11、激光位移传感器3连续第二设定时间(例如1小时)未监测到数据，则自动处于休眠模式。利用地震波与信号触发器14相配合，不仅可以实现自动触发自动监测，及时反馈泥石流动力参数，而且还可以实现低功耗，节省资源。
可参阅图4，数据接收器15与地震检波器13、冲击压力传感器10、冲击力传感器11、激光位移传感器3连接，数据接收器15将地震检波器13、冲击压力传感器10、冲击力传感器11、激光位移传感器3的采集数据进行存储，并将存储数据传输到数据处理器16中。
数据处理器16首先对接收到的数据进行泥石流灾害快速判识，当地震检波器13、冲击压力传感器10、冲击力传感器11与激光位移传感器3同时采集到高于环境背景噪声且持续时间超过第三设定时间(例如10秒)的有效信号时，数据处理器16对接收到的数据进行快速分析，输出泥石流动力参数，例如包括泥石流流深、流速、流量、密度、有效粒径等信息，并将上述信息传输到数据传输器17中。当接收到的信号不满足上述条件时，数据处理器16不进行数据处理，并自动触发信号触发器14，使冲击压力传感器10、冲击力传感器11、激光位移传感器3及数据接收器15处于休眠模式。
数据传输器17例如包括5G信号传输装置，将接收到的泥石流动力参数经由5G信号传输装置发送到远程PC控制端。
通过激光位移传感器3可以直接测量泥石流的实时流深(h)，通过连接在监测桩1内壁的冲击压力传感器10可以测量泥石流对监测桩1的实时冲击压力(p)，通过安装在监测板2下方的冲击力传感器11可以测量泥石流对监测板2的实时冲击力(F),根据这些数据即可估算出泥石流动力参数。
(1)泥石流的平均流深可基于下式计算：
为t时刻的泥石流平均流深(m)；
n为激光位移传感器的数量；
hi(t)为第i个激光位移传感器测量的t时刻流深(m)。
(2)泥石流的密度可基于下式计算：
ρ(t)为在t时刻泥石流的密度；
为t时刻垂直于监测板方向(z向)的基底平均力(N)，由Fz(t)经信号滤波处理后得到，例如采用低通滤波或者移动平均滤波等信号处理方法可以从实测冲击力中直接得到基底平均力，Fz(t)为t时刻垂直于监测板方向的冲击力(N)，由冲击力传感器采集得到；
S为监测板的面积(m2)，可在安装监测板前测量得到；
g为重力加速度，取9.8m/s2；
θ为监测板相对于水平面的倾斜角度(°)，可在安装监测板时通过角度传感器测量而得。
针对于只有一个激光位移传感器和一个冲击力传感器的情况，h(t)即为该激光位移传感器采集的数据，Fz(t)即为该冲击力传感器采集的数据；针对于有多个激光位移传感器和多个冲击力传感器的情况，h(t)则用代替，Fz(t)则用多个冲击力传感器采集的数据的平均值代替，此时计算得到的泥石流的密度可称为平均密度。
(3)泥石流的流速可基于下式计算：
且/>
u(t)为在t时刻泥石流的流速；
px(t)为t时刻垂直于监测桩方向的冲击压力，由冲击压力传感器采集得到；
Fr为弗劳德数，为未知参数；Fr b表示取Fr的b次方；
a和b为经验参数，其值可分别取5.2和-1.6。
联合上述两个式子可以计算得出泥石流的流速u(t)和弗劳德数Fr。
针对于只有一个激光位移传感器、一个冲击力传感器和一个冲击力传感器的情况，h(t)即为该激光位移传感器采集的数据，Fz(t)即为该冲击力传感器采集的数据；针对于有多个激光位移传感器和多个冲击力传感器的情况，px(t)即为该冲击压力传感器采集的数据；针对于有多个激光位移传感器、多个冲击力传感器和多个冲击力传感器的情况，h(t)则用代替，px(t)则用/>代替，/>m为安装在监测桩的冲击压力传感器数量；/>为第j个冲击压力传感器在t时刻采集得到的冲击压力(N/m2)；ρ(t)采用平均密度，此时计算得到的流速则为平均流速。
需要注意的是，此处的平均流速不同于传统概念中的某一时间段内的流速的平均值，而是指在同一时刻t基于多个传感器采集的数据可以计算得到多个流速值，平均流速是取多个流速的平均值。本发明方案可以实现各个动力参数的实时采集与反演。
(4)泥石流的流量可基于下式计算：
Q(t)＝Wρ(t)h(t)u(t)；
Q(t)为在t时刻泥石流的流量(kg/s)；
W为监测点处泥石流沟道的宽度(m)，可在监测前测量得到。
同样的，针对于各种传感器的数量只有一个的情况，用到的各个传感器的数据即是该传感器采集得到的数据；针对于各种传感器的数量有多个的情况，用到的各个传感器的数据即是对应多个传感器采集数据的平均值，相应计算出的流量值也为平均流量。
(5)泥石流的有效粒径可基于下式计算：
且/>
De(t)为在t时刻泥石流有效粒径的估算值；
为ΔFz(t)的频域特征值，ΔFz(t)为t时刻的泥石流基底脉动力；
λ为泥石流固体颗粒冲击监测板的速度恢复系数，可现场实测获得，例如把石头丢在监测板上测一下回弹速度与冲击速度，它们的比值就是恢复系数；
α为无量纲参数，其值可取0.59；
ρs为泥石流固体颗粒的密度，一般可取2500kg/m3；
φ(t)为t时刻的泥石流固体体积分数，为未知参数，但是可由计算出的泥石流的密度计算得到。
同样的，针对于各种传感器的数量只有一个的情况，用到的各个传感器的数据即是该传感器采集得到的数据；针对于各种传感器的数量有多个的情况，用到的各个传感器的数据即是对应多个传感器采集数据的平均值，u(t)为平均流速，相应计算出的有效粒径也为平均有效粒径。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种实现泥石流动力参数反演的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将实现泥石流动力参数反演的监测装置安装于泥石流沟道；所述实现泥石流动力参数反演的监测装置包括监测桩、墩台、监测板、激光位移传感器、冲击压力传感器、冲击力传感器和数据处理器，所述监测桩安装于所述墩台，所述冲击压力传感器设置于监测桩的内部，墩台设置有凹槽，所述监测板安装于所述凹槽的顶部，所述冲击力传感器的顶部与监测板连接，冲击力传感器的底部固定于凹槽内；激光位移传感器用于监测泥石流的流深，冲击压力传感器用于监测泥石流对监测桩的冲击压力，冲击力传感器用于监测泥石流对监测板的冲击力，数据处理器用于根据流深、冲击压力、冲击力计算得到泥石流动力参数，所述泥石流动力参数包括泥石流的密度、流速；
根据激光位移传感器、冲击压力传感器、冲击力传感器实时采集的数据反演泥石流动力参数，所述泥石流动力参数包括泥石流的密度、流速、泥石流有效粒径；其中，
泥石流的密度计算公式为：
流速的计算公式为：且/>
泥石流有效粒径的估算公式为：
且
ρ(t)为在t时刻泥石流的密度；为t时刻垂直于监测板方向的基底平均力，由Fz(t)经信号滤波处理后得到，Fz(t)为t时刻垂直于监测板方向的冲击力；S为监测板的面积；g为重力加速度；h(t)为t时刻的泥石流的流深；θ为监测板相对于水平面的倾斜角度；u(t)为在t时刻泥石流的流速；px(t)为t时刻垂直于监测桩方向的冲击压力；Fr为弗劳德数；a和b为经验参数；De(t)为在t时刻泥石流有效粒径的估算值；/>为ΔFz(t)的频域特征值，ΔFz(t)为t时刻的泥石流基底脉动力；λ为泥石流固体颗粒冲击监测板的速度恢复系数；α为无量纲参数；ρs为泥石流固体颗粒的密度；φ(t)为t时刻的泥石流固体体积分数。
2.根据权利要求1所述的一种实现泥石流动力参数反演的方法，其特征在于，所述泥石流动力参数还包括流量，流量的计算公式为：Q(t)＝Wρ(t)h(t)u(t)；
其中，Q(t)为在t时刻泥石流的流量；W为监测点处泥石流沟道的宽度。
3.根据权利要求1所述的一种实现泥石流动力参数反演的方法，其特征在于，Fz(t)取多个冲击力传感器的平均值，h(t)取多个激光位移传感器的平均值，px(t)取多个冲击压力传感器的平均值。
4.根据权利要求1所述的一种实现泥石流动力参数反演的方法，其特征在于，所述实现泥石流动力参数反演的监测装置还包括地震检波器和信号触发器，所述信号触发器分别与所述地震检波器、冲击压力传感器、冲击力传感器、激光位移传感器连接，信号触发器用于在地震检波器监测到持续设定时间的连续地震信号时，触发冲击压力传感器、冲击力传感器、激光位移传感器开始采集数据，否则触发其处于休眠模式。
5.根据权利要求1所述的一种实现泥石流动力参数反演的方法，其特征在于，所述实现泥石流动力参数反演的监测装置还包括数据接收器，所述数据接收器分别与地震检波器、冲击压力传感器、冲击力传感器、激光位移传感器、数据处理器连接，数据接收器用于接收地震检波器、冲击压力传感器、冲击力传感器、激光位移传感器的采集数据并存储，并将存储数据传输给数据处理器。
6.根据权利要求1所述的一种实现泥石流动力参数反演的方法，其特征在于，所述实现泥石流动力参数反演的监测装置还包括太阳能板和电源装置，所述太阳能板与电源装置连接，电源装置分别与激光位移传感器、冲击压力传感器、冲击力传感器和数据处理器连接，太阳能板安装于监测桩的顶部。
7.根据权利要求1所述的一种实现泥石流动力参数反演的方法，其特征在于，所述实现泥石流动力参数反演的监测装置还包括数据传输器，所述数据传输器与数据处理器连接，数据传输器用于将所述泥石流动力参数发送到远程控制端。
8.根据权利要求1所述的一种实现泥石流动力参数反演的方法，其特征在于，所述实现泥石流动力参数反演的监测装置还包括监测桩基座，监测桩基座由钢筋混凝土浇筑而成，墩台由钢筋混凝土浇筑而成，监测桩基座固定于墩台，监测桩固定于监测桩基座。
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