泥石流冲击力测量方法技术

本发明专利技术公开了一种利用混凝土钢筋结构接触式光纤光栅泥石流监测装置实现的泥石流冲击力测量方法。本方法首先确定最大冲击力臂Lmax，其次通过试验建立最大冲击力臂Lmax条件下冲击力与首位应变光纤光栅传感器应变间的拟合方程F＝f(ε)，再次通过判断任意冲击力FX条件下应变光纤光栅传感器应变特征确定冲击力臂Lim，再次通过力臂等效转化求得任意冲击力FX、最大冲击力臂Lmax条件下首位应变光纤光栅传感器应变量εeq，最后通过拟合方程求得待测冲击力FX大小。本发明专利技术方法原理可靠，计算过程科学简便，能够实现对具有高度冲击破坏性的泥石流冲击力的测量，并可直观反映泥石流对泥石流沟道建筑房屋破坏的能量大小。现场适应性强，应用广泛。

Method for measuring impact force of debris flow

The invention discloses a method for measuring the impact force of a mud rock flow by using a reinforced concrete structure contact fiber Bragg grating debris flow monitoring device. This method firstly determines the maximum impact force of Lmax, followed by the experimental fitting equation is established under the condition of the maximum impact force and impact force Lmax the first strain of fiber Bragg grating strain sensor between F = f (E), again by judging any impact force under the condition of FX strain sensor of fiber grating strain characteristics determine the impact force Lim, again through the equivalent arm the impact of FX, any transformation of the maximum impact arm under the condition of Lmax the first fiber grating sensor strain strain value EQ, the fitting equation is obtained by the impact force of FX size to be measured. The method of the invention is reliable in principle, the calculation process is simple and scientific, can realize the measurement of the destruction of the impact force of debris flow with high impact, and can directly reflect the size of debris flow gully debris flow on the energy building damage. Strong adaptability and wide application.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种冲击力测量方法，特别是涉及一种泥石流冲击力试验测量方法，属于泥石流监测测量

技术介绍
泥石流冲击力测量是研究和评估泥石流危害破坏的关键性基础工作。泥石流冲击力测量设备与测量方法的设计，尤其是符合泥石流发生地区财力物力条件、符合泥石流沟道地形环境条件的监测测量设备与测量方法设计，是对泥石流实现有效监测测量的必须条件。泥石流冲击力测量的困难在于：泥石流是水、粘土、砾石和空气混合在一起的多相体，粘度高、容重高，限制某些设备适用；泥石流冲击力和侵蚀能力巨大，安置在泥石流流路上的测量仪器极易被泥石流破坏；泥石流的流态复杂多样，前部多为紊流，难以跟踪固定目标；泥石流灾害区多为落后经济不发达区域，依赖复杂昂贵设备实现的测量手段在泥石流沟道中几乎无用武之地。钢筋混凝土结构可以经受大规模、高速度的泥石流冲击，已被广泛的应用在了泥石流防治工程中。但是钢筋混凝土属于典型的脆性材料，受冲击作用下的应力-应变本构关系复杂，具有明显的非线性特征，会对传感器的形变数据测量产生影响。但是申请人研究发现，植入混凝土中的钢筋在受拉状态下具有较好延展性和线性特征，因而借助混凝土中钢筋材料与光纤光栅的配合，可以通过测量应变参数从而实现对泥石流冲击力的测量。申请人于2015年10月10日提交的中国技术专利申请2015207844148公开了一种接触式泥石流监测装置，基于产品的结构特征，可以用于完成泥石流冲击力测量。
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，提供一种泥石流冲击力测量方法。该测量方法利用申请人于2015年10月10日提交中国技术专利申请2015207844148中公开的一种接触式泥石流监测装置实现。该接触式泥石流监测装置包括柱状监测桩；柱状监测桩通过其下部区域固定在泥石流沟道底床中，柱状监测桩上部区域露出底床表面并安装光纤光栅传感器用于测量泥石流相关参数数据，监测传感器分别通过信号传输线路与上位中心联接。柱状监测桩由钢筋混凝土浇筑，光纤光栅传感器固定安装在钢筋上，具体可采用焊接方式。钢筋混凝土结构可以经受大规模、高速度的泥石流冲击，已被广泛的应用在了泥石流防治工程中。但是钢筋混凝土属于典型的脆性材料，受冲击作用下的应力-应变本构关系复杂，具有明显的非线性特征，会对传感器的形变数据测量产生影响。但申请人研究发现，植入混凝土中的钢筋是各向同性材料，并且在植入混凝土后能够依然保持这种材料特性。在混凝土受到冲击条件下，钢筋材料呈受拉状态，并在这种状态下表现出较好延展性和线性特征。并且钢筋材料的这种弹性形变完全可以被固定在其上的光纤光栅传感器捕获并测量。因此通过监测混凝土柱状监测桩上部区域拉应力区钢筋的应变可以判断钢筋混凝土受泥石流冲击破坏的程度，即实现对泥石流冲击力的测量。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种泥石流冲击力测量方法，利用接触式光纤光栅泥石流监测装置实现，其特征在于：依如下步骤实施：步骤S1、设计确定泥石流监测装置测量臂(1)基本参数确定应变光纤光栅传感器(31)间距Lmp，所述Lmp是钢筋(11)上应变光纤光栅传感器(31)相互间距；步骤S2、室内测定泥石流监测装置测量臂(1)冲击应变特性步骤S21、确定最大冲击力臂Lmax在测量臂(1)上末位应变光纤光栅传感器(311)远测量臂(1)基部侧确定一点A作为最大冲击力条件下冲击点，自测量臂(1)基部起至A点的距离为最大冲击力臂Lmax，所述末位应变光纤光栅传感器(311)是自测量臂基部起沿测量臂(1)轴向排列的最远端应变光纤光栅传感器(31)；步骤S22、最大冲击力臂条件下的应变测定向测量臂(1)最大冲击力臂Lmax施加冲击力Fi，上位中心(2)记录冲击力Fi大小及对应的首位应变光纤光栅传感器(312)中心波长偏移量λB，所述首位应变光纤光栅传感器(312)是自测量臂基部起沿测量臂(1)轴向排列的第一位应变光纤光栅传感器(31)；将λB代入式1得到冲击力Fi下首位应变光纤光栅传感器(312)的应变ε：λB＝kεε+kTT式1式中，kε—应变光纤光栅传感器应变灵敏系数，单位nm/με，由光纤光栅传感器型号确定kT—应变光纤光栅传感器温度灵敏系数，单位nm/℃，由光纤光栅传感器型号确定，ε—冲击力Fi下首位应变光纤光栅传感器监测到的钢筋应变，单位με，由上位中心(2)记录，T—环境温度变化，单位℃，由上位中心(2)记录，λB—应变光纤光栅的波长偏移总量，单位nm；步骤S23、测量臂(1)最大冲击力臂条件下应变特征与冲击力的拟合根据步骤S22中数据建立测量臂(1)应变特征与冲击力Fi之间的拟合方程式2F＝f(ε)式2式中，ε—由步骤S22计算确定，F—外部冲击力，单位kN；步骤S3、任意泥石流冲击力FX测定步骤S31、监测记录任意冲击力FX条件下各应变光纤光栅传感器(31)中心波长偏移量λB上位中心(2)监测记录冲击力FX状态下测量臂(1)各应变光纤光栅传感器(31)中心波长偏移量特征；步骤S32、确定任意冲击力FX的冲击力臂Lim比较各应变光纤光栅传感器(31)中心波长偏移特征，将波长峰值出现明显跌坎且距离测量臂(1)基部最远的应变光纤光栅传感器(31)外侧的Lmp区域确定为冲击力FX施加区域，自测量臂(1)基部起至冲击力FX施加区域即为任意冲击力FX冲击力臂Lim；步骤S33、确定任意冲击力FX的最大应变量εX比较冲击力臂Lim内所有应变光纤光栅传感器(31)的应变量，取最大峰值动应变为εX；步骤S34、测算任意冲击力FX、最大冲击力臂Lmax条件下首位应变光纤光栅传感器应变量εeq根据式3计算任意冲击力FX、最大冲击力臂Lmax条件下首位应变光纤光栅传感器应变量εeqϵeq=ϵX*LmaxLim]]>式3式中，εX—任意冲击力FX的最大应变量εX，单位με，由步骤S33确定，Lmax—由步骤S21确定，Lim—由步骤S32确定；步骤S35、测算任意泥石流冲击力FX将εeq代入式2计算确定任意泥石流冲击力FX。上述泥石流冲击力测量方法采用接触式光纤光栅泥石流监测装置实现。该接触式光纤光栅泥石流监测装置包括钢筋混凝土柱状监测桩，钢筋混凝土柱状监测桩通过其下部区域固定在泥石流沟道底床中，钢筋混凝土柱状监测本文档来自技高网...

【技术保护点】
泥石流冲击力测量方法，利用接触式光纤光栅泥石流监测装置实现，其特征在于：依如下步骤实施：步骤S1、设计确定泥石流监测装置测量臂(1)基本参数确定应变光纤光栅传感器(31)间距Lmp，所述Lmp是钢筋(11)上应变光纤光栅传感器(31)相互间距；步骤S2、室内测定泥石流监测装置测量臂(1)冲击应变特性步骤S21、确定最大冲击力臂Lmax在测量臂(1)上末位应变光纤光栅传感器(311)远测量臂(1)基部侧确定一点A作为最大冲击力条件下冲击点，自测量臂(1)基部起至A点的距离为最大冲击力臂Lmax，所述末位应变光纤光栅传感器(311)是自测量臂基部起沿测量臂(1)轴向排列的最远端应变光纤光栅传感器(31)；步骤S22、最大冲击力臂条件下的应变测定向测量臂(1)最大冲击力臂Lmax施加冲击力Fi，上位中心(2)记录冲击力Fi大小及对应的首位应变光纤光栅传感器(312)中心波长偏移量λB，所述首位应变光纤光栅传感器(312)是自测量臂基部起沿测量臂(1)轴向排列的第一位应变光纤光栅传感器(31)；将λB代入式1得到冲击力Fi下首位应变光纤光栅传感器(312)的应变ε：λB＝kεε+kTT   式1式中，kε—应变光纤光栅传感器应变灵敏系数，单位nm/με，由光纤光栅传感器型号确定kT—应变光纤光栅传感器温度灵敏系数，单位nm/℃，由光纤光栅传感器型号确定，ε—冲击力Fi下首位应变光纤光栅传感器监测到的钢筋应变，单位με，由上位中心(2)记录，T—环境温度变化，单位℃，由上位中心(2)记录，λB—应变光纤光栅的波长偏移总量，单位nm；步骤S23、测量臂(1)最大冲击力臂条件下应变特征与冲击力的拟合根据步骤S22中数据建立测量臂(1)应变特征与冲击力Fi之间的拟合方程式2F＝f(ε)   式2式中，ε—由步骤S22计算确定，F—外部冲击力，单位kN；步骤S3、任意泥石流冲击力Fx测定步骤S31、监测记录任意冲击力FX条件下各应变光纤光栅传感器(31)中心波长偏移量λB上位中心(2)监测记录冲击力FX状态下测量臂(1)各应变光纤光栅传感器(31)中心波长偏移量特征；步骤S32、确定任意冲击力FX的冲击力臂Lim比较各应变光纤光栅传感器(31)中心波长偏移特征，将波长峰值出现明显跌坎且距离测量臂(1)基部最远的应变光纤光栅传感器(31)外侧的Lmp区域确定为冲击力FX施加区域，自测量臂(1)基部起至冲击力FX施加区域即为任意冲击力FX冲击力臂Lim；步骤S33、确定任意冲击力FX的最大应变量εX比较冲击力臂Lim内所有应变光纤光栅传感器(31)的应变量，取最大峰值动应变为εX；步骤S34、测算任意冲击力FX、最大冲击力臂Lmax条件下首位应变光纤光栅传感器应变量εeq根据式3计算任意冲击力FX、最大冲击力臂Lmax条件下首位应变光纤光栅传感器应变量εeqϵeq=ϵX*LmaxLim]]>   式3式中，εX—任意冲击力FX的最大应变量εX，单位με，由步骤S33确定，Lmax—由步骤S21确定，Lim—由步骤S32确定；步骤S35、测算任意泥石流冲击力FX将εeq代入式2计算确定任意泥石流冲击力FX。...

【技术特征摘要】
1.泥石流冲击力测量方法，利用接触式光纤光栅泥石流监测装置实现，
其特征在于：依如下步骤实施：
步骤S1、设计确定泥石流监测装置测量臂(1)基本参数
确定应变光纤光栅传感器(31)间距Lmp，所述Lmp是钢筋(11)上
应变光纤光栅传感器(31)相互间距；
步骤S2、室内测定泥石流监测装置测量臂(1)冲击应变特性
步骤S21、确定最大冲击力臂Lmax在测量臂(1)上末位应变光纤光栅传感器(311)远测量臂(1)基
部侧确定一点A作为最大冲击力条件下冲击点，自测量臂(1)基部起
至A点的距离为最大冲击力臂Lmax，所述末位应变光纤光栅传感器(311)
是自测量臂基部起沿测量臂(1)轴向排列的最远端应变光纤光栅传感器
(31)；
步骤S22、最大冲击力臂条件下的应变测定
向测量臂(1)最大冲击力臂Lmax施加冲击力Fi，上位中心(2)记录
冲击力Fi大小及对应的首位应变光纤光栅传感器(312)中心波长偏移量
λB，所述首位应变光纤光栅传感器(312)是自测量臂基部起沿测量臂
(1)轴向排列的第一位应变光纤光栅传感器(31)；将λB代入式1得到
冲击力Fi下首位应变光纤光栅传感器(312)的应变ε：
λB＝kεε+kTT式1
式中，kε—应变光纤光栅传感器应变灵敏系数，单位nm/με，由光
纤光栅传感器型号确定
kT—应变光纤光栅传感器温度灵敏系数，单位nm/℃，由光
纤光栅传感器型号确定，
ε—冲击力Fi下首位应变光纤光栅传感器监测到的钢筋应
变，单位με，由上位中心(2)记录，
T—环境温度变化，单位℃，由上位中心(2)记录，
λB—应变光纤光栅的波长偏移总量，单位nm；
步骤S23、测量臂(1)最大冲击力臂条件下应变特征与冲击力的拟
合
根据步骤S22中数据建立测量臂(1)应变特征与冲击力Fi之间的拟
合方程式2
F＝f(ε)式2
式中，ε—由步骤S22计算确定，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张少杰，胡凯衡，王凯，
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