模拟沟床堆积物在上游泥石流扰动下的起动试验系统技术方案

本发明专利技术提供了一种模拟沟床堆积物在上游泥石流扰动下的起动试验系统，包括物源箱、设置在物源箱上方的人工降雨模拟装置、设置在物源箱上部的上游泥石流运移模拟装置、连接到物源箱内的十字板头剪切流变仪、设置在物源箱内的多物理量监测系统、以及分别与人工降雨模拟装置、上游泥石流运移模拟装置、和十字板头剪切流变仪和多物理量监测系统连接的测控系统。本发明专利技术提供的模拟沟床堆积物在上游泥石流扰动下的起动试验系统，能够较准确的模拟沟床堆积物在上游泥石流扰动下的起动作用和机理，可以揭示泥石流灾害形成过程中的沿程侵蚀现象。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及泥石流扰动研究
，特别涉及一种模拟沟床堆积物在上游泥石流扰动下的起动试验系统。
技术介绍
泥石流灾害是我国山区频发的自然灾害之一，每年因泥石流造成大量的人伤亡和财产损失。据崔鹏(2005)研究，在2004年我国有调查报道的泥石流灾害造成了284人死亡，216人失踪，26.6万人受灾，直接经济损失达40多亿。近年来，尤其是在汶川地震后大量松散固体物质形成于岸坡或者进入沟床，这为泥石流的爆发提供了大量物源。泥石流灾害的形成是产流、汇流和沿程侵蚀结果，并非所有的泥石流都具有巨大致灾特征，往往是随着沿程侵蚀，沟床堆积物的进入使得泥石流规模不断增大，进而使其危害性增加。上游泥石流对于沟床堆积物的扰动作用主有：(1)为沟床堆积物提供起动力、(2)使堆积物内部孔隙水压力增加，(3)造成堆积物内部应力的重分布。基于以下三方面的原因，目前对于上述作用的定量化和规律性研究尚且不足：1、上游泥石流作用的施加难于定量化，例如在现场或模型试验中难以准确的获取一阵泥石流不同部位的流深、流速等基本变量。2、泥石流流经堆积物时，会产生物质交换，即：一方面会造成堆积物的起动，另一方面又会在沟床淤积，这使得更加难以区分沟床堆积物的起动深度。3、由于沟床堆积物的起动，使得在现场或者模型试验中的传感器布设困难，一方面如果传感器布设深度过深，不能获取起动部分堆积物内部的各物理量的演化规律，另一方面如果传感器布设于起动深度范围内，随着沟床堆积物的起动传感器随之被带动易使之损坏，进而影响试验数据的进一步采集。目前，国内已有多位学者开展了大量的关于影响泥石流起动因素的研究，其中部分针对沟床堆积物起动的研究或有助于阐述沟床堆积物的起动机理，主要采用研究方法有：室内实验、模型试验。室内实验虽然不能直接获得沟床堆积物在上游泥石流扰动下的起动规律，但是通过模拟研究物源在循环荷载作用下的孔隙水压力、强度特性的演化特征有助于阐述其起动机理。其中陈宁生(2004)采用动三轴试验研究泥石流物源区土体在震动荷载下的有效强度演化规律。Sassa(1998)研制了double-cylinderrotating仪，研究在扰动作用下土体孔隙水压力变化特征。沟床堆积物在上游泥石流扰动下，其强度变化和孔隙水压力的聚集使其易于起动。在模型试验方面，Takahashi(1978)研究了地表径流扰动下堆积物的起动规律，并获得堆积物起动颗粒粒径与径流深度的关系；Egashira(2001)开展针对沟床堆积物起动的泥石流的试验研究，该研究在一定坡度的沟床堆积物上进行，将流经沟床的稀性泥石流作为其扰动因素，通过该研究获得扰动中所含固体颗粒粒径和沟床堆积物起动粒径的关系。HualiPan(2013)开展一项模型试验，该实验在沟床上设置坝体，在坝体上游供给泥石流，旨在研究上游泥石流对坝后堆积物起动深度的影响，并获得相关规律。前述研究方法为沟床堆积物起动机理的阐述提供了大量理论依据，研究方法各有利弊，室内实验可以测得参数，易于获得多个物理量的量化规律，但是不能提供开放的实验环境，因为难于模拟泥石流起动的现场条件；模型实验可以仿真泥石流沟床的现场条件，提供开放的环境，可以施加人工降雨，但该方法对于某些参数的量化无能为力，无法准确确定作为扰动的上游泥石流的流深和流速分布等参数。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种模拟沟床堆积物在上游泥石流扰动下的起动试验系统，以便模拟和研究泥石流沿程侵蚀造成沟床堆积物的起动规律。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种模拟沟床堆积物在上游泥石流扰动下的起动试验系统，包括物源箱、对所述物源箱内物源喷水的人工降雨模拟装置、设置在所述物源表层用于模拟泥石流运移作用的上游泥石流运移模拟装置、伸入所述物源箱内使所述物源起动的十字板头剪切流变仪、设置在物源箱内用于监测所述物源内部含水量、土压力和孔隙水压力的多物理量监测系统、以及分别与所述人工降雨模拟装置、上游泥石流运移模拟装置、十字板头剪切流变仪和多物理量监测系统连接的测控系统。进一步地，所述人工降雨模拟装置包括设置在所述物源箱上方的多个降雨喷头以及通过输水管网与所述降雨喷头连接的水泵。进一步地，所述上游泥石流运移模拟装置包括设置在所述物源箱内部物源表层的至少一滚筒和设置在物源箱外部的电机，所述滚筒轴心设置筒轴，所述滚筒通过所述筒轴两端设置的牵引线连接于所述电机的电机轴延伸轴。进一步地，所述滚筒的数量为1-5个，所述滚筒为中空式滚筒，所述滚筒的一端设有滚筒密封口。进一步地，所述十字板头剪切流变仪包括设置在所述物源箱内的十字板头，通过连接杆与所述十字板头连接的力矩电机，所述力矩电机通过支撑杆固定在承载柱上，所述力矩电机上设置有扭矩传感器用于检测所述十字板头起动后的力矩值，所述力矩电机上设置有光电编码器用于检测所述十字板头产生的扭转位移。进一步地，所述多物理量监测系统包括用于监测物源内部含水量变化的含水量传感器、用于监测物源内部孔隙水压力变化的水压力传感器和用于监测物源水平方向和竖直方向土压力变化的土压力传感器。进一步地，所述多物理量监测系统在所述物源箱内与所述十字板头处于同一高度且正对所述十字板头。进一步地，所述测控系统包括测控模块以及与所述测控模块连接用于显示所述测控模块数据的显示终端，所述测控模块分别与所述人工降雨模拟装置的水泵连接用于调节人工降雨的降雨强度、与所述上游泥石流运移模拟装置的电机连接用于控制泥石流运移速率、与所述十字板头剪切流变仪的力矩电机连接用于控制所述力矩电机的力矩输出。进一步地，所述测控模块分别与所述的含水量传感器、水压力传感器和土压力传感器连接，用于采集所述含水量传感器、土压力传感器和水压力传感器监测的物源内部的含水量、土压力和孔隙水压力变化数据，所述测控模块分别与所述十字板头剪切流变仪的光电编码器和扭矩传感器，用于采集所述光电编码器检测的扭转位移和所述扭矩传感器检测的力矩值。进一步地，所述物源箱底部四周设置有可启闭的排水孔，所述物源箱的一个侧面不同高度位置设置有可启闭的设备孔。本专利技术提供的模拟沟床堆积物在上游泥石流扰动下的起动试验系统，具有如下特点：1、本系统的核心设备为上游泥石流运移模拟装置，该装置可以准确模拟上游泥石流的流深、流深分布和流速，实现所模拟的上游泥石流的量化，有利于在上游泥石流扰动下的沟床堆积物起动规律的研究。2、本系统的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟沟床堆积物在上游泥石流扰动下的起动试验系统，其特征在于：包括物源箱、对所述物源箱内物源喷水的人工降雨模拟装置、设置在所述物源表层用于模拟泥石流运移作用的上游泥石流运移模拟装置、伸入所述物源箱内使所述物源起动的十字板头剪切流变仪、设置在物源箱内用于监测所述物源内部含水量、土压力和孔隙水压力的多物理量监测系统、以及分别与所述人工降雨模拟装置、上游泥石流运移模拟装置、十字板头剪切流变仪和多物理量监测系统连接的测控系统。

【技术特征摘要】
1.一种模拟沟床堆积物在上游泥石流扰动下的起动试验系统，其特征
在于：包括物源箱、对所述物源箱内物源喷水的人工降雨模拟装置、设置
在所述物源表层用于模拟泥石流运移作用的上游泥石流运移模拟装置、伸
入所述物源箱内使所述物源起动的十字板头剪切流变仪、设置在物源箱内
用于监测所述物源内部含水量、土压力和孔隙水压力的多物理量监测系统、
以及分别与所述人工降雨模拟装置、上游泥石流运移模拟装置、十字板头
剪切流变仪和多物理量监测系统连接的测控系统。
2.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于：所述人工降雨模拟
装置包括设置在所述物源箱上方的多个降雨喷头以及通过输水管网与所述
降雨喷头连接的水泵。
3.根据权利要求2所述的试验系统，其特征在于：所述上游泥石流运
移模拟装置包括设置在所述物源箱内部物源表层的至少一滚筒和设置在物
源箱外部的电机，所述滚筒轴心设置筒轴，所述滚筒通过所述筒轴两端设
置的牵引线连接于所述电机的电机轴延伸轴。
4.根据权利要求3所述的试验系统，其特征在于：所述滚筒的数量为
1-5个，所述滚筒为中空式滚筒，所述滚筒的一端设有滚筒密封口。
5.根据权利要求3所述的试验系统，其特征在于：所述十字板头剪切
流变仪包括设置在所述物源箱内的十字板头，通过连接杆与所述十字板头
连接的力矩电机，所述力矩电机通过支撑杆固定在承载柱上，所述力矩电
机上设置有扭矩传感器用于检测所述十字板头起动后的力矩值，所述力矩
电机上设置有光电编码器用于检测所述十...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓丽，刘中港，王恩志，王芳，赵宜婷，颜永国，杨志超，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11