泥石流沿程演化参数测算方法技术

本发明专利技术公开了一种实验系统。针对现有实验装置无法模拟泥石流自然性态、泥石流真实运动过程中性态参数时空变化特征难以还原与测算的缺陷，本发明专利技术首先提供了一种泥石流沿程演化实验测量系统。系统包括试样配置输出装置、试样流通控制装置、取样回收装置、性态测量装置。测量系统搅拌水土混合物配制泥石流试样，泥石流试样在槽体中模拟泥石流运动过程。槽体内布置应力传感器、试样配置输出装置中布置激光水位仪。取样回收装置还可以包括由间歇式电动转盘旋转角度取样装置。本发明专利技术还提供利用该实验系统实现的泥石流试样沿程演化参数测算方法，计算泥石流试样运动过程中相关性态参数如密度、体积比浓度、输沙率等的沿程时空变化特征。

【技术实现步骤摘要】
泥石流沿程演化参数测算方法
本专利技术涉及一种研究用实验系统，特别是涉及一种泥石流沿程演化运动实验测量系统，以及泥石流试样沿程演化参数测算方法。属于试验机械、测量

技术介绍
泥石流(体积比浓度Sv≥0.27，见费祥俊,舒安平.泥石流运动机理与灾害防治[M].清华大学出版社有限公司,2004.p13)尤其粘性泥石流(密度大于1.5g/cm3)是一种多相流体，属于非均质、非恒定的非牛顿流体，且内含大量泥沙石块，流体性质与流动特征随时空变化显著。泥石流的沿程演化特征是泥石流研究的核心问题，也是泥石流灾害防治的理论基础。真实泥石流运动过程中，泥石流会侵蚀挟带途经床面的松散土层，且随着运动速度的降低和泥沙饱和度的增大，其中所挟颗粒又会发生沉积。因此，泥石流的运动过程是一个侵蚀与沉积交替出现的过程，也是一个变体积，变浓度，变挟沙量的过程。所以泥石流沿程演化过程中泥石流体积比浓度和输沙率变化问题是泥石流动力过程的重要特征。由于野外泥石流暴发的骤然性和本身浆体浑浊导致的不可观测性，使得即使现场实地测量泥石流沿程演化参数(包括体积比浓度和输沙率)的时空变化也非常困难，故目前围绕泥石流沿程演化过程中泥石流体积比浓度和输沙率变化问题多基于室内实验开展。尽管目前已开展有较多实验研究，但普遍存在两方面主要缺陷：其一，研究都是基于清水或低含沙水流(密度小于1.2g/cm3)对床面松散物质侵蚀沉积开展的，即以实验模拟的清水或低含沙水流替代实验模拟的泥石流作为研究对象。这势必造成实验数据与实际数据间的差异，限制了实验研究结果的应用推广。其二，对泥石流动力过程的分析几乎均建立在泥石流运动过程中体积一定的基础上，即忽略了泥石流动力过程中与沟床床面、侧岸的物质交互作用。所以泥石流沿程演化特征方面的研究成为目前泥石流研究的难点。为采用实验系统研究泥石流沿程演化性态特征，需首先解决室内实验条件下模拟野外泥石流自然性态的技术问题。申请号为2011100479949、公开号为CN102147325A的中国专利技术专利申请公开了一种非恒定泥石流实验装置。该装置包括储水箱、盛放土石料的料斗、倾斜设置且倾斜角可调的槽体、承接槽体来料的集料池，槽体的进口高于出口，储水箱的出水口与槽体的进口连接。该装置是利用储水箱中的水与料斗内的土石料在槽体进口处汇合，从而形成实验用的模拟泥石流流体。该装置明显的缺陷在于：仅仅依靠水与土石料在槽体进口处的自然汇合，并不能有效模拟出泥石流的自然性态，即模拟其多相、非均质、非恒定的非牛顿流体特征。申请号为2014202317986、授权公告号为CN203965277U的中国技术专利公开了一种粘滞性泥石流实验模拟装置，包括一个制作泥石流的搅拌桶。该搅拌桶包括电机、搅拌器、圆筒、桶盖和圆筒底座，电机固定在桶盖上，搅拌器与电机连接并伸入圆筒内。实验开始时在圆筒内按比例加入土壤、砂砾和水。然后固定桶盖，打开电机，5～10分钟后泥石流搅拌成型。再将搅拌桶取下，倒出桶内泥石流。在实验使用中，该装置至少存在两方面缺陷：其一、泥石流配置装置(即搅拌桶)是独立的，泥石流搅拌成型后再填入物料槽，会出现由于操作时间差与土样自然沉降原因而无法真实模拟泥石流自然性态；其二、由于泥石流浆体性质导致流体浑浊程度高，该测量装置无法观测到泥石流与沟床床面物质交互过程，因而更无法测算泥石流体积比浓度沿程演化这一重要特征参数。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供一种泥石流沿程演化实验测量系统，使之可较好模拟泥石流包括稀性、亚粘性、强粘性泥石流(大于1.8g/cm3)性态，测算泥石流与沟床床面物质交互过程中引起的体积比浓度沿程演化。进一步地，本专利技术还提供基于该系统实现的泥石流试样沿程演化参数测算方法。为实现上述目的，本专利技术首先提供一种泥石流沿程演化实验测量系统，其技术方案如下：一种泥石流沿程演化实验测量系统，包括依次连接的试样配置输出装置、试样流通控制装置、取样回收装置，其特征在于：所述泥石流运动实验系统还包括泥石流性态测量装置；所述试样流通控制装置主体是槽体，所述槽体是两端开口的长槽型结构，前端高于后端；槽体前端与试样配置输出装置相接，槽体后端与取样回收装置相接；所述试样配置输出装置包括物料桶，物料桶内腔有竖直中心转轴，中心转轴底部有搅拌叶，中心转轴上部与旋转电机转轴连接；所述物料桶桶壁下部开口，开口处布置闸门，闸门与槽体前端相接；所述泥石流性态测量装置包括布置在物料桶上沿的激光水位仪；所述激光水位仪探头朝向物料桶内腔，激光水位仪与上位数据采集分析中心连接。上述泥石流沿程演化实验测量系统的试样配置输出装置用于在物料桶中通过搅拌水土混合物制备泥石流试样。泥石流试样经闸门进入槽体，在槽体中向下运动模拟泥石流运动过程，最终进入取样回收装置。利用激光水位仪可以测量物料桶内泥石流试样水位变化，计算进入槽体的泥石流试样的流量。槽体模拟泥石流流通区，其与地面夹角一般设计为θ≤40°。进一步地，上述泥石流沿程演化实验测量系统中，泥石流性态测量装置还包括与上位数据采集分析中心连接的应力传感器。应力传感器布置在槽体底部，应力传感器受力面朝向槽体上方。应力传感器测量泥石流试样在运动过程中对槽体底部施加的压力指标，可用于测算泥石流试样的相关性态参数(如密度、体积比浓度、输沙率等)。当将多个应力传感器沿槽体径向布置在槽体底部时，则可根据不同测量位点上的应力参数变化测算泥石流试样运动过程中相关性态参数的沿程时空变化特征。进一步地，上述泥石流沿程演化实验测量系统中还包括成像装置。具体是，在槽体侧向和在槽体正上方分别有成像装置，成像装置与上位数据采集分析中心连接。两个成像装置位点的选择是在于：在槽体侧向处，成像装置用于获取泥石流试样沿沟道运动过程侧视图像。在槽体正上方，成像装置用于获取泥石流试样沿沟道侵蚀运动过程俯视图像。整体上，设置多个成像装置可以解决由于在实验条件下成像装置距离测量系统硬件距离较近，所能拍摄区域有限，存在拍摄死角的问题。每个成像装置获取的图像均可用于相同的图像处理分析过程测算相同的指标，如测量泥石流试样运行距离等。但区分不同位点调取所摄图像用于分析，结果更为准确。在优化设计下，上述泥石流沿程演化实验测量系统中，闸门是杠杆闸门，包括闸门体。闸门体通过拉索与杠杆联接。由于模拟泥石流真实性态的土样密度大，为保证流态稳定所采用土样量多，所以施加在闸门上的侧压力非常大，现有技术中采用的普通闸门形式极易造成闸门开启不畅，影响实验进行，也影响对泥石流状态的有效模拟。采用杠杆闸门由于杠杆平衡原理，便可以保证即使大密度、大体积实验中，闸门也可人为轻易开启。搅拌叶设计为弓形，弓背向上。弓型搅拌叶底部距离物料桶底的最小高度小于实验中泥石流试样涉及颗粒的最大粒径。上述泥石流沿程演化实验测量系统可用于模拟泥石流在排导槽等混凝土建筑物中运动，无床面侵蚀仅有沉积现象出现的情况，即为床面无床砂实验。当需要模拟泥石流在普通山区沟道运动时，既有侵蚀也有沉积现象出现的情况，即为物质与泥石流床面交互实验，则需要首先在槽体底面铺设床砂。床砂是实验中用于制备泥石流样品的土样或者不同粒径的石英砂。基于上述泥石流沿程演化实验测量系统，本专利技术还提供一种由其实现的泥石流试样沿程演化参数测算方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种泥石流沿程演化实验测量系统，包括依次连接的试样配置输出装置(1)、试样流通控制装置(2)、取样回收装置(3)，其特征在于：所述泥石流运动实验系统还包括泥石流性态测量装置(4)；所述试样流通控制装置(2)主体是槽体(21)，所述槽体(21)是两端开口的长槽型结构，前端高于后端；槽体(21)前端与试样配置输出装置(1)相接，槽体(21)后端与取样回收装置(3)相接；所述试样配置输出装置(1)包括物料桶(11)，物料桶(11)内腔有竖直中心转轴(12)，中心转轴(12)底部有搅拌叶(13)，中心转轴(12)上部与旋转电机转轴连接；所述物料桶(11)桶壁下部开口，开口处布置闸门(14)，闸门(14)与槽体(21)前端相接；所述泥石流性态测量装置(4)包括布置在物料桶(11)上沿的激光水位仪(41)；所述激光水位仪(41)探头朝向物料桶内腔，激光水位仪(41)与上位数据采集分析中心(42)连接。

【技术特征摘要】
1.一种泥石流试样沿程演化参数测算方法，采用泥石流沿程演化实验测量系统实现，其特征在于：所述泥石流沿程演化实验测量系统包括依次连接的试样配置输出装置(1)、试样流通控制装置(2)、取样回收装置(3)，还包括泥石流性态测量装置(4)、成像装置(5)；所述试样配置输出装置(1)包括物料桶(11)，物料桶(11)内腔有竖直中心转轴(12)，中心转轴(12)底部有搅拌叶(13)，中心转轴(12)上部与旋转电机转轴连接；所述物料桶(11)桶壁下部开口，开口处布置闸门(14)，闸门(14)与槽体(21)前端相接；所述试样流通控制装置(2)主体是槽体(21)，所述槽体(21)是两端开口的长槽型结构，前端高于后端；槽体(21)前端与试样配置输出装置(1)相接，槽体(21)后端与取样回收装置(3)相接；槽体(21)侧壁(211)是透明材料加工成；在槽体(21)侧向和在槽体(21)正上方分别有成像装置(5)；所述泥石流性态测量装置(4)包括布置在物料桶(11)上沿的激光水位仪(41)；所述激光水位仪(41)探头朝向物料桶内腔，激光水位仪(41)与上位数据采集分析中心(42)连接；上位数据采集分析中心(42)与应力传感器(43)连接；所述应力传感器(43)布置在槽体(21)底部，应力传感器(43)受力面朝向槽体(21)上方；所述成像装置(5)与上位数据采集分析中心(42)连接；泥石流试样沿程演化参数测算方法依如下步骤实施：步骤S1、前期准备根据实验研究目标设计泥石流样品密度，预备实验获取干土样颗粒特征数据，根据干土样颗粒特征确定满足泥石流样品密度的干土样与水用料比例；向物料桶(11)中加入水与干土样混合物，设置中心转轴(12)转速40转/min～50转/min，干土样与水搅拌均匀形成泥石流试样；步骤S2、测量试样流量出流流量Qn读取激光水位仪(41)读数，记录物料桶(11)内初始水位h0；开启闸门(14)使试样出流，同时读取激光水位仪(41)变化读数，记录试样出流时物料桶(11)内水位时刻变化序列(hn，Δtn)(n＝1,2,…)；依式1、式2计算泥石流试样出流流量QnΔh1＝h1-h0,Δh2＝h2-h1....Δhn＝hn-hn-1式1式中，Qn—Δtn时刻泥石流试样出流流量，m3/s，(hn，Δtn)—泥石流试样出流时物料桶(11)内水位时刻变化序列，步骤S2确定，r—物料桶内径，m；步骤S3、测量槽体内试样流速从成像装置(5)获取槽体(21)内试样运动影像，利用帧率分析软件测量泥石流试样运动距离Sn，依式3计算泥石流试样时刻出流速度(vn，Δtn)：式中，vn—Δtn时刻泥石流试样速度，m/s，Sn—Δtn时刻泥石流试样行进距离，m，由成像装置(5...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晶晶，崔鹏，苏鹏程，程尊兰，
申请(专利权)人：中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51