一种用土质山谷制造的泥石流教学模型及泥石流制造方法

摘要

一种用土质山谷制造的泥石流教学模型，包括形雨控制单元、土质山谷单元和泥沙收集单元，形雨控制单元包括花洒喷头和虹吸云网机构，虹吸云网机构包括高度可调节的造雨面板，造雨面板上布设有多个可变小孔；土质山谷单元包括角度可调节的斜坡山峦、设置在斜坡山峦上的沟壑、山石土和植被，斜坡山峦设置在造雨面板下方，山石土黏附在斜坡山峦上，泥沙收集单元设置在土质山谷单元底部前侧。本发明还公开了泥石流制造方法。本发明结构合理、直观、操作方便、逼真生动、成本低、绿色环保，使得泥石流的认知教学实验过程生动、直观形象，整个过程仅消耗一部分自来水，无其他投入，同时形成的泥浆和沙石，除水后可回收利用，不会造成污染。

说明书

技术领域

本发明属于地质教学实验技术领域，涉及一种泥石流教学模型，尤其涉及一种用土质山谷制造的泥石流教学模型以及采用该模型制造泥石流的方法。

背景技术

泥石流是指在山区或者其他沟谷深壑，地形险峻的地区，因为暴雨、暴雪或其他自然灾害引发的山体滑坡并携带有大量泥沙以及石块的特殊洪流。泥石流具有突然性以及流速快，流量大，物质容量大和破坏力强等特点。发生泥石流常常会冲毁公路铁路等交通设施甚至村镇等，造成巨大损失。

泥石流是暴雨、洪水将含有沙石且松软的土质山体经饱和稀释后形成的洪流，它的面积、体积和流量都较大，而滑坡是经稀释土质山体小面积的区域，典型的泥石流由悬浮着粗大固体碎屑物并富含粉砂及粘土的粘稠泥浆组成。在适当的地形条件下，大量的水体浸透流水山坡或沟床中的固体堆积物质，使其稳定性降低，饱含水分的固体堆积物质在自身重力作用下发生运动，就形成了泥石流。泥石流是一种灾害性的地质现象。通常泥石流爆发突然、来势凶猛，可携带巨大的石块。因其高速前进，具有强大的能量，因而破坏性极大。

泥石流流动的全过程一般只有几个小时，短的只有几分钟，是一种广泛分布于世界各国一些具有特殊地形、地貌状况地区的自然灾害。这是山区沟谷或山地坡面上，由暴雨、冰雪融化等水源激发的、含有大量泥沙石块的介于挟沙水流和滑坡之间的土、水、气混合流。泥石流大多伴随山区洪水而发生。它与一般洪水的区别是洪流中含有足够数量的泥沙石等固体碎屑物，其体积含量最少为15％，最高可达80％左右，因此比洪水更具有破坏力。

在义务教育过程中，涉及到需要进行模拟的泥石流装置。但市面上的泥石流装置，均为用于科学研究和地质研究，往往设备较为大型，且相关功能较难符合教学的要求，无法进行辅助教学。同时，依据相关教学实验要求，需要对覆土的模拟斜坡进行洒水，以形成相关泥石流。而相关的洒水设备较为落后，洒水的过程也不符合泥石流的成型原因，较难达到教学目的。

经查，现有专利号为201910324349.3的中国专利《一种用于模拟砂性土泥石流的物理试验装置及试验方法》，包括透明模型箱、降雨模拟装置和数据采集系统；透明模型箱内铺设有砂土模型；砂土模型内部埋设有传感器装置；降雨模拟装置包括进水箱、导水管和喷嘴；数据采集系统由高清摄像仪、立体显微设备、与传感器装置连接的动态应变数据采集系统和电脑设备组成；高清摄像仪、立体显微设备和动态应变数据采集系统与电脑设备连接。这种装置也是用于实验室的，但是其沙土模型的角度是固定的，不能任意调节，而且其降雨模拟也不够逼真生动。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种用土质山谷制造的泥石流教学模型，具有结构合理、操作方便且逼真生动的特点。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种采用上述模型制造泥石流的方法，操作简单方便，制造的泥石流直观、逼真生动。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种用土质山谷制造的泥石流教学模型，其特征在于：所述泥石流教学模型包括形雨控制单元、土质山谷单元和泥沙收集单元。

作为改进，所述形雨控制单元包括一用于造雨喷淋的花洒喷头和虹吸云网机构，虹吸云网机构包括一高度可调节的造雨面板，造雨面板上布设有多个便于水滴落下形成降雨的可变小孔；土质山谷单元包括一角度可调节的斜坡山峦、设置在斜坡山峦上的沟壑、山石土和植被，斜坡山峦设置在造雨面板的下方，山石土黏附在斜坡山峦上，泥沙收集单元设置在土质山谷单元的底部前侧，与斜坡山峦的底部相连接。

再改进，所述泥石流教学模型包括一模型箱体，模型箱体的前侧及上端开口，造雨面板高度可调节地设置在模型箱体的上部开口位置，斜坡山峦呈前后倾斜地设置在模型箱体内，斜坡山峦的下端与模型箱体的前侧开口的底部相抵，斜坡山峦的宽度与模型箱体的内壁宽度相适配。

再改进，所述虹吸云网机构还包括用于调节可变小孔直径大小以形成各种大小液滴降雨的控制器，造雨面板的材质为金属面板、PE面板、PP面板或防水纸板，造雨面板上的可变小孔的直径为0.5～9mm。

作为优选，所述模型箱体的左右侧的至少一侧上部开设有供花洒喷头置入的安装口，花洒喷头设置在模型箱体的侧部位于斜坡山峦的后部上方，花洒喷头的尾部通过连接管与水龙头相连接，花洒喷头的出水量及流速可手动控制或者通过自动阀控制，花洒喷头的材质为金属、铝、塑料或PP，连接管为橡胶管、皮管、金属管或PE管，自动阀为电磁阀或者注射泵。

再改进，所述斜坡山峦通过一次压铸、开模成型，或者通过在斜坡上黏附山峦，其中山峦采用四周挡板隆起9～11cm，沟壑为多条九曲型的沟壑，设置在斜坡的底部支撑板中间；山石土是由各种不同规格的沙子、泥土和小石头组成，山石土润湿混匀后，黏附在斜坡山峦上；植被可为真实的草皮、植被，也可为环保塑料模拟植被。

进一步，所述土质山谷单元还包括可将斜坡山峦的倾斜角度在0～90°之间调节的角度控制器，角度控制器可采用电机传动或机械传动。

最后，所述泥沙收集单元为一用于接收泥石流模拟实验形成的泥浆和沙石的收集框，收集框设置在模型箱体的前侧，收集框为圆形、方形、椭圆形或多边形，其材质可为塑料、金属或陶瓷，收集框的底面与斜坡山峦的底部相连接，收集框的外周围拢后与模型箱体的前侧开口的左右两边下部相连接，收集框的尾部设有用于积水排放的排水口。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种采用上述泥石流教学模型来制造教学模拟泥石流的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在模型箱体上安装好形雨控制单元、土质山谷单元和泥沙收集单元；

2)采用水滴形成模拟方法进行降雨：在造雨面板上注水，根据水量大小通过控制器调节造雨面板上可变小孔直径，以制造出各种雨滴大小的降雨，对斜坡山峦进行降雨，以制造模拟泥石流；

3)采用降雨冲击力模拟方法进行降雨：打开与花洒喷头相连接的水龙头，直接形成降雨，通过手动调节喷淋的大小或者通过自动阀控制花洒喷头的出水量及出水流速，以控制不同的雨量大小，实现不同雨量冲击力的模拟试验，以制造模拟泥石流；

4)在步骤2)和步骤3)的试验过程中可通过角度控制器来调节斜坡山峦的倾斜角度，以实现不同倾斜角度的泥石流形成。

进一步，所述步骤2)的降雨过程中可通过机械或电机方法来调节造雨面板的高度位置，以实现不同场景的高度调节。

与现有技术相比，本发明的优点在于：泥石流教学模型包括形雨控制单元、土质山谷单元和泥沙收集单元，其中形雨控制单元通过合理的造雨技术，最大限度地模拟了自然界的雨滴从云层落下，最终落在山坡上，形成模拟度极高的降雨过程，使得泥石流的形成更为逼真、生动，而土质山谷单元的斜坡山峦可通过角度控制器调节角度，进而模拟各种坡度的斜坡山峦。本发明的模型不仅结构合理直观、操作方便、逼真生动，而且成本低、绿色环保，同时体积小，在通用的实验台即可实现演示，也无需大电流，采用本发明的方法，使得泥石流的演示实验过程充分模拟了雨水的大小对山体泥石流的影响，通过植被的覆盖，可直观的让学生掌握森林保护的重要，使得泥石流的认知教学实验过程生动、直观形象、环保、使用成本低、操作简便；整个过程仅消耗一部分自来水，无其他投入，成本较低，同时，所形成的泥浆和沙石，除水后可回收利用，不会造成污染。

附图说明

图1是本发明实施例的泥石流教学模型的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种用土质山谷制造的泥石流教学模型，所述泥石流教学模型包括模具箱体1、形雨控制单元2、土质山谷单元3和泥沙收集单元4，模型箱体1的前侧及上端开口，形雨控制单元2包括一用于造雨喷淋的花洒喷头21和虹吸云网机构，虹吸云网机构包括一高度可调节的造雨面板22，造雨面板22上布设有多个便于水滴落下形成降雨的可变小孔221；土质山谷单元3包括一角度可调节的斜坡山峦31、设置在斜坡山峦31上的沟壑、山石土和植被，斜坡山峦31设置在造雨面板22的下方，山石土黏附在斜坡山峦31上，泥沙收集单元设3置在土质山谷单元2的底部前侧，与斜坡山峦31的底部相连接；

具体结构为：造雨面板22为金属面板、PE面板、PP面板或防水纸板，造雨面板22高度可调节地设置在模型箱体1的上部开口位置，造雨面板22上的可变小孔221的直径为0.5～9mm，造雨面板22的设计是运用了水的虹吸、表面张力原理，在造雨面板22上设计出0.5～9mm的可变小孔221，当水覆盖在上面后，由于重力作用，水会从可变小孔221中落出，形成降雨；虹吸云网机构还包括用于调节可变小孔221直径大小以形成各种大小液滴降雨的控制器；斜坡山峦31呈前后倾斜地设置在模型箱体1内，斜坡山峦31的下端与模型箱体1的前侧开口的底部相抵，斜坡山峦31的宽度与模型箱体1的内壁宽度相适配；模型箱体1的左右侧的至少一侧上部开设有供花洒喷头21置入的安装口，花洒喷头21设置在模型箱体1的侧部位于斜坡山峦31的后部上方，花洒喷头21的尾部通过连接管211与水龙头相连接，花洒喷头21的出水量及流速可手动控制或者通过自动阀控制；花洒喷头21的材质为金属、铝、塑料或PP，连接管211为橡胶管、皮管、金属管或PE管，自动阀为电磁阀或者注射泵；斜坡山峦31通过一次压铸、开模成型，或者通过在斜坡上黏附山峦，其中山峦采用四周挡板隆起9～11cm，沟壑为多条九曲型的沟壑，设置在斜坡山峦31的底部支撑板中间；山石土是由各种不同规格的沙子、泥土和小石头组成，山石土润湿混匀后，黏附在斜坡山峦31上；植被可为真实的草皮、植被，也可为环保塑料模拟植被，形状一般为草皮、植被、小树木等，用于山体未被破坏时的泥石流模拟实验，这样通过人工栽种草皮、覆盖沙石、泥土等，使得模型与实际的环境更为接近；土质山谷单元3还包括可将斜坡山峦31的倾斜角度在0～90°之间调节的角度控制器，角度控制器可采用电机传动或机械传动，通过角度控制器可以模拟各种坡度的斜坡山峦31；泥沙收集单元4为一用于接收泥石流模拟实验形成的泥浆和沙石的收集框41，收集框41设置在模型箱体1的前侧，收集框41为圆形、方形、椭圆形或多边形，其材质可为塑料、金属或陶瓷，收集框41的底面与斜坡山峦31的底部相连接，收集框41的外周围拢后与模型箱体1的前侧开口的左右两边下部相连接，收集框41的尾部设有用于积水排放的排水口，排水口可与实验室水槽相连。

模型中的角度控制器、调节可变小孔221大小的控制器在图纸上没有显示，其原理为机械或电机传动控制。

一种采用上述泥石流教学模型来制造教学模拟泥石流的方法，包括以下步骤：

1)在模型箱体1上安装好形雨控制单元2、土质山谷单元3和泥沙收集单元4；

2)采用水滴形成模拟方法进行降雨：在造雨面板22上注水，根据水量大小通过控制器调节造雨面板22上可变小孔221直径，以制造出各种雨滴大小的降雨，对斜坡山峦31进行降雨，以制造模拟泥石流；

3)采用降雨冲击力模拟方法进行降雨：打开与花洒喷头21相连接的水龙头，直接形成降雨，通过手动调节喷淋的大小或者通过自动阀控制花洒喷头21的出水量及出水流速，以控制不同的雨量大小，实现不同雨量冲击力的模拟试验，以制造模拟泥石流；

4)在步骤2)和步骤3)的试验过程中可通过角度控制器来调节斜坡山峦31的倾斜角度，以实现不同倾斜角度的泥石流形成。

进一步，所述步骤2)的降雨过程中可通过机械或电机方法来调节造雨面板22的高度位置，以实现不同场景的高度调节。

下面对本发明的降雨模拟原理进行说明：

水滴形成模拟方法是利用表面张力和重力原理制造出与实际更加吻合的雨滴，降雨冲击力模拟方法是利用雨滴的高空自由落体原理进行设计造雨喷淋单元的喷洒力度控制。

水滴形成模拟方法，主要依据降雨的颗粒大小一般规律，一般毛毛雨的雨滴直径为0.5mm，暴雨时会达到5.5mm，极端天气的大暴雨会到达8-9mm。因此，我们设计出的造雨面板22的小孔直径为0.5～6mm的可变小孔221，用于不同场景雨滴大小的控制。当造雨面板22表面形成一层水膜，由于存在表面张力，使在液体表面附近的分子由于显著受到液体内侧分子的作用，促使了液体表面层具有收缩的趋势，表现在小孔位置的液体表面总是趋向于尽可能缩小，因此加上水与其附着物的吸引力，在水本身重力作用下，悬于其附着物下，水往往呈半圆球形状。当水量进一步提高，并控制可变小孔221大小，就形成了各种雨量大小的液滴。

降雨冲击力模拟方法，主要基于降雨速度的一般规律，雨点在空气中受到自身重力mg和空气阻力f(且f和下降速度v成正比)，一般说来雨水的下落收尾速度在0.1m/s-10m/s。因此，依据此规律，我们设计出通过手动或自动电磁阀控制出水流量的造雨喷淋单元，实现了不同环境降雨冲击力的模拟效果。

本发明具有直观、操作简便、环保等优点，应用本设备和本方法，使得泥石流的演示实验过程充分模拟了雨水的大小对山体泥石流的影响，通过植被的覆盖，可直观的让学生掌握森林保护的重要；整个过程仅消耗一部分自来水，无其他投入，成本较低。产品的体积小，在通用的实验台即可实现演示，也无需大电流。同时，所形成的泥浆和沙石，除水后可回收利用，不会造成污染。