一种模拟并监测泥石流多物源全地形运动的实验装置

摘要

本发明涉及一种模拟并监测泥石流多物源全地形运动的实验装置，属于岩土工程实验装置技术领域。包括起动物源供给装置、沿程物源供给装置、多自由度地形模拟装置、降雨模拟装置及泥石流运动监测装置等。物源供给装置为实验提供所需物源，多自由度地形模拟装置用于模拟不同地形条件，降雨模拟装置用于模拟降雨工况，支架装置用于支撑降雨模拟装置和挂载监测设备，泥石流运动监测装置用于完成泥石流运动全过程研究。本发明可以模拟研究在降雨、物源补给、冲蚀沉积、复杂地形条件下，泥石流演进的完整过程，并通过自动化监测设备记录物质交换、流速变化、流加速度等参数，实现对致灾过程的研究，预测泥石流规模与危害范围。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟并监测泥石流多物源全地形运动的实验装置，更具体地说，是一种泥石流实验模拟装置，属于岩土工程实验装置技术领域。

背景技术

泥石流是在适当的地形条件下，因为暴雨、暴雪或其他自然灾害引发的，携带大量泥沙、岩块而快速流动的特殊洪流，常常具有暴发突然、流速快、流量大、物质容量大和破坏力强等特点。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。

室内模型试验作为一种重要的工程科学研究手段，得到广泛应用，它能有效利用有限的人力、物力、时间来对泥石流等地质灾害进行模拟研究，通过模型试验，揭示和反映现象的本质，总结结论规律理论解决实际问题。泥石流模拟试验是通过模拟泥石流形成、发展、运动和堆积等一系列过程，研究泥石流灾害特征的重要手段。目前国内外泥石流室内模拟试验多以直斜式有机玻璃沟槽模拟沟床，通过水箱放水模拟汇流或采用降雨模拟装置进行泥石流起动试验，并对试验过程中的土体水势、含水量、孔隙水压力以及温度等特征参数进行实时监测。

存在的问题：

(1)坡度调整不方便，大部分设备不能分段灵活调整槽体坡度；

(2)模型槽外形尺寸固定，仅能模拟特定地形特定规模的泥石流，直斜式沟槽不能模拟曲折沟谷、大落差地形、开阔堆积区等，通用性和普适性差，降低了模型槽的利用率；

(3)试验模拟条件单一，不能进行不同物源不同自然条件的对比试验，模拟效率较低。

(4)物源补给单一，大部分试验使泥浆由泥浆箱冲出并沿着模型槽运动，从而模拟泥石流，却忽略了泥石流行进过程中固体物质的补给，这与真实的泥石流运动规律存在一定差距。

(5)槽底通过水泥砂浆等增加糙率以模拟天然沟道，成型耗时长、不易更换，难以快速进行不同地表条件下的模拟实验。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种模拟并监测泥石流多物源全地形运动的实验装置，本装置能够用于实验室泥石流室内模拟试验。

本发明采用的技术方案是：

一种模拟并监测泥石流多物源全地形运动的实验装置，包括起动物源供给装置、沿程物源供给装置、多自由度地形模拟装置、降雨模拟装置及泥石流运动监测装置、支架装置；

所述起动物源供给装置位于多自由度地形模拟装置后端，沿程物源供给装置位于多自由度地形模拟装置一侧，支架装置设置在多自由度地形模拟装置右上方，降雨模拟装置固定在支架装置上且位于多自由度地形模拟装置正上方，泥石流运动监测装置固定在支架装置前端下缘；

所述沿程物源供给装置包括物料补给槽43、滑轮组44、升降系统45、液压系统46、底座47，升降系统45、液压系统46安装在底座47与滑轮组44之间，滑轮组44上安设物料补给槽43，多组沿程物源供给装置等间距分设在多自由度地形模拟装置一侧；

所述多自由度地形模拟装置包括坡面传感系统48、坡面数据采集传输系统49、坡面支撑杆19、坡面支撑杆控制器20、倾角架21、倾角架控制器22、地形数据传输线25、地形调节器26、倾角数据传输线27、倾角调节器28、计算机29、泥浆回收箱50、电子秤51，坡面传感系统48为连续的完整膜结构，由均匀密集排列的若干坡面支撑杆19支撑，坡面支撑杆19下端与坡面数据采集传输系统49相连，坡面支撑杆控制器20位于坡面数据采集传输系统49下方，坡面支撑杆控制器20固定在倾角架21之上，倾角架21固定在倾角架控制器22上部，倾角架21和倾角架控制器22设置有多组，坡面支撑杆控制器20依次连接地形数据传输线25、地形调节器26、计算机29，倾角架控制器22依次连接倾角数据传输线27、倾角调节器28、计算机29；

所述降雨模拟装置包括依次连接的储水箱Ⅱ35、水泵Ⅱ34、压力表33、降雨总水管36、降雨分水管37、降雨喷头38，压力表33上安装有排气阀32、流量计Ⅱ31，降雨总水管36上设有阀门Ⅱ30，降雨总水管36与设置在降雨水管支座39上的降雨分水管37相连，每个降雨分水管37均匀分布若干降雨喷头38；

所述泥石流运动监测装置包括设备挂架40、高速摄像机41、多参数采集传输系统42，高速摄像机41挂载于设备挂架40末端，多参数采集传输系统42挂载于设备挂架40伸缩吊臂下缘。

具体地，所述起动物源供给装置包括储水箱Ⅰ1、水泵Ⅰ2、水管3、阀门Ⅰ4、流量计Ⅰ5、进料斗6、搅拌仓7、超声波浆体浓度测量仪12、泥浆出口13、采样口14、流量计15，储水箱Ⅰ1、水泵Ⅰ2、水管3串接，阀门Ⅰ4、流量计Ⅰ5设置在水管3上，水管3末端由顶部伸入搅拌仓7内部，进料斗6的末端由顶部伸入搅拌仓内7，泥浆出口13及采样口14位于搅拌仓7下部，搅拌仓7整体固定在连杆16之上，连杆16底端安装转动轴17，转动轴17固定连接在转动轴控制器18上，超声波浆体浓度测量仪12安装在搅拌仓7外壁上且位于泥浆出口13上方。

具体地，所述搅拌仓7包括水斗8、主动轮9、从动轮10、搅拌轴111、搅拌叶112、旋转粘度计52，水斗8均匀布置在主动轮9外延由水流驱动，竖向放置的主动轮9与水平放置的从动轮10啮合，从动轮10连接在搅拌轴111的上端，搅拌叶112连接在搅拌轴111的下端，旋转粘度计52安装在搅拌仓7底板上。

具体地，所述坡面支撑杆19包括球珠191、万向节192、转轴193、液压升降装置194，球珠191顶部通过子母扣195与坡面传感系统48连接，球珠191套入万向节192上端，万向节192下端安装转轴193，转轴193固定在液压升降装置194之上。

具体地，所述坡面传感系统48包括仿地表膜材481、电信号传导膜482、压力敏感膜483、绝缘保护膜484、电线485，仿地表膜材481、电信号传导膜482、压力敏感膜483、绝缘保护膜484自上而下贴合，电线485与电信号传导膜482连通，仿地表膜材481根据地表实际植被覆盖率调整粗糙度，绝缘保护膜484下部通过子母扣195与坡面支撑杆19连接。

具体地，所述升降系统45包括升降平台451、滑轨452、多组剪叉臂453、连接铆钉454，滑轨452内嵌于升降平台451内部，升降平台451下表面开槽，连接铆钉454将多组剪叉臂453的臂杆铆接，多组剪叉臂453与滑轨452平行，多组剪叉臂453上端固定于升降平台451两侧的下表面，下端固定于液压系统46两侧的上表面。

具体地，所述液压系统46包括顶端滑轮461、液压杆462、底端转轴463、动力控制系统464，顶端滑轮461固定在液压杆462顶部，液压杆462从升降平台451下表面开槽伸入升降平台451内，顶端滑轮461可在滑轨452中沿轨道滑动，底端转轴463铰接于液压杆462底部且转动连接在动力控制系统464上，多组剪叉臂453的下端固定在动力控制系统464两侧。

具体地，所述滑轮组44包括前轮组和后轮组，前轮组包括前轮、轮轴441、电动机442、轴承支架443，两前轮固定在轮轴441两端，轮轴穿过轴承支架443并可自由转动，轴承支架443固定在升降平台451上，轮轴441中间连接电动机442，物料补给槽43前端放置在前轮上，后轮组包括连接在物料补给槽43底部中后端的四个转动轮。

优选地，所述多自由度地形模拟装置的两侧均设有沿程物源供给装置。

本发明的有益效果是：

(1)本装置能够用于实验室模拟各种不同地形条件的泥石流，适用范围广，重复使用率高；

(2)本装置采用自动化的封闭式泥浆搅拌系统，节能环保；

(3)本装置能够用于实验室模拟各种不同物源供给条件和降雨条件的泥石流，更加贴合实际；

(4)本装置能够针对不同研究对象的地表条件，选配不同的仿地表膜材。更换方便、使用快捷，减少人工铺设的劳动强度；

(5)本装置坡面传感系统对泥石流产生、发展、堆积全过程进行实时监测，精准高效的数据采集。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明物源配比装置结构示意图；

图3是本发明多自由度地形模拟装置结构示意图；

图4是本发明坡面支撑杆结构示意图；

图5是本发明沿程物源供给装置平面结构示意图；

图6是本发明升降系统结构示意图；

图7是本发明沿程物源供给装置滑轮组结构示意图；

图8是本发明坡面传感系统结构示意图。

图中各标号为：1—储水箱Ⅰ、2—水泵Ⅰ、3—水管、4—阀门Ⅰ、5—流量计Ⅰ、6—进料斗、7—搅拌仓、8—水斗、9—主动轮、10—从动轮、11—搅拌器、12—超声波浆体浓度测量仪、13—泥浆出口、14—采样口、15—流量计、16—连杆、17—转动轴、18—转动轴控制器、19—坡面支撑杆、20—坡面支撑杆控制器、21—倾角架、22—倾角架控制器、23—转角数据传输线、24—转角调节器、25—地形数据传输线、26—地形调节器、27—倾角数据传输线、28—倾角调节器、29—计算机、30—阀门Ⅱ、31—流量计Ⅱ、32—排气阀、33—压力表、34—水泵Ⅱ、35—储水箱Ⅱ、36—降雨总水管、37—降雨分水管、38—降雨喷头、39—降雨水管支座、40—设备挂架、41—高速摄像机、42—多参数采集传输系统、43—物料补给槽、44—滑轮组、45—升降系统、46—液压系统、47—底座、48—坡面传感系统、49—坡面数据采集传输系统、50—泥浆回收箱、51—电子秤、52—旋转粘度计，球珠—191、万向节—192、转轴—193、液压升降装置—194、子母扣—195、仿地表膜材—481、电信号传导膜—482、压力敏感膜—483、绝缘保护膜—484、电线—485、升降平台—451、滑轨—452、多组剪叉臂—453、连接铆钉—454、顶端滑轮—461、液压杆—462、底端转轴—463、动力控制系统—464、轮轴—441、电动机—442、轴承支架—443。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“横向”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：如图1-8所示，一种模拟并监测泥石流多物源全地形运动的实验装置，包括起动物源供给装置、沿程物源供给装置、多自由度地形模拟装置、降雨模拟装置及泥石流运动监测装置、支架装置；

所述起动物源供给装置位于多自由度地形模拟装置后端，沿程物源供给装置位于多自由度地形模拟装置一侧，支架装置设置在多自由度地形模拟装置右上方，降雨模拟装置固定在支架装置上且位于多自由度地形模拟装置正上方，泥石流运动监测装置固定在支架装置前端下缘；

所述沿程物源供给装置包括物料补给槽43、滑轮组44、升降系统45、液压系统46、底座47，升降系统45、液压系统46安装在底座47与滑轮组44之间，滑轮组44上安设物料补给槽43，多组沿程物源供给装置等间距分设在多自由度地形模拟装置一侧；

所述多自由度地形模拟装置包括坡面传感系统48、坡面数据采集传输系统49、坡面支撑杆19、坡面支撑杆控制器20、倾角架21、倾角架控制器22、地形数据传输线25、地形调节器26、倾角数据传输线27、倾角调节器28、计算机29、泥浆回收箱50、电子秤51，坡面传感系统48为连续的完整膜结构，由均匀密集排列的若干坡面支撑杆19支撑，坡面支撑杆19下端与坡面数据采集传输系统49相连，坡面支撑杆控制器20位于坡面数据采集传输系统49下方，坡面支撑杆控制器20固定在倾角架21之上，倾角架21固定在倾角架控制器22上部，倾角架21和倾角架控制器22设置有多组，坡面支撑杆控制器20依次连接地形数据传输线25、地形调节器26、计算机29，倾角架控制器22依次连接倾角数据传输线27、倾角调节器28、计算机29；

所述降雨模拟装置包括依次连接的储水箱Ⅱ35、水泵Ⅱ34、压力表33、降雨总水管36、降雨分水管37、降雨喷头38，压力表33上安装有排气阀32、流量计Ⅱ31，降雨总水管36上设有阀门Ⅱ30，降雨总水管36与设置在降雨水管支座39上的降雨分水管37相连，每个降雨分水管37均匀分布若干降雨喷头38；

所述泥石流运动监测装置包括设备挂架40、高速摄像机41、多参数采集传输系统42，高速摄像机41挂载于设备挂架40末端，多参数采集传输系统42挂载于设备挂架40伸缩吊臂下缘。

进一步地，所述起动物源供给装置包括储水箱Ⅰ1、水泵Ⅰ2、水管3、阀门Ⅰ4、流量计Ⅰ5、进料斗6、搅拌仓7、超声波浆体浓度测量仪12、泥浆出口13、采样口14、流量计15，储水箱Ⅰ1、水泵Ⅰ2、水管3串接，阀门Ⅰ4、流量计Ⅰ5设置在水管3上，水管3末端由顶部伸入搅拌仓7内部，进料斗6的末端由顶部伸入搅拌仓内7，泥浆出口13及采样口14位于搅拌仓7下部，搅拌仓7整体固定在连杆16之上，连杆16底端安装转动轴17，转动轴17固定连接在转动轴控制器18上，超声波浆体浓度测量仪12安装在搅拌仓7外壁上且位于泥浆出口13上方。

进一步地，所述搅拌仓7包括水斗8、主动轮9、从动轮10、搅拌轴111、搅拌叶112、旋转粘度计52，水斗8均匀布置在主动轮9外延由水流驱动，竖向放置的主动轮9与水平放置的从动轮10啮合，从动轮10连接在搅拌轴111的上端，搅拌叶112连接在搅拌轴111的下端，主动轮9带动从动轮10转动，进而带动搅拌轴111和搅拌叶112转动进行搅拌，旋转粘度计52安装在搅拌仓7底板上。水流通过水管3由上端注入搅拌仓7并驱动水斗8，水斗8带动主动轮9及从动轮10转动，从动轮10带动搅拌器11搅拌泥浆，由转动轴控制器18控制搅拌仓7的倾角。

进一步地，所述坡面支撑杆19包括球珠191、万向节192、转轴193、液压升降装置194，球珠191顶部通过子母扣195与坡面传感系统48连接，球珠191套入万向节192上端，万向节192下端安装转轴193，转轴193固定在液压升降装置194之上。

进一步地，所述坡面传感系统48包括仿地表膜材481、电信号传导膜482、压力敏感膜483、绝缘保护膜484、电线485，仿地表膜材481、电信号传导膜482、压力敏感膜483、绝缘保护膜484自上而下贴合，电线485与电信号传导膜482连通，仿地表膜材481根据地表实际植被覆盖率调整粗糙度，绝缘保护膜484下部通过子母扣195与坡面支撑杆19连接，仿地表膜材481随坡面支撑杆19产生连续变形，以模拟真实地形及坡度。

进一步地，所述升降系统45包括升降平台451、滑轨452、多组剪叉臂453、连接铆钉454，滑轨452内嵌于升降平台451内部，升降平台451下表面开槽，连接铆钉454将多组剪叉臂453的臂杆铆接，多组剪叉臂453与滑轨452平行，多组剪叉臂453上端固定于升降平台451两侧的下表面，下端固定于液压系统46两侧的上表面。

进一步地，所述液压系统46包括顶端滑轮461、液压杆462、底端转轴463、动力控制系统464，顶端滑轮461固定在液压杆462顶部，液压杆462从升降平台451下表面开槽伸入升降平台451内，顶端滑轮461可在滑轨452中沿轨道滑动，底端转轴463铰接于液压杆462底部且转动连接在动力控制系统464上，多组剪叉臂453的下端固定在动力控制系统464两侧。

进一步地，所述滑轮组44包括前轮组和后轮组，前轮组包括前轮、轮轴441、电动机442、轴承支架443，两前轮固定在轮轴441两端，轮轴穿过轴承支架443并可自由转动，轴承支架443固定在升降平台451上，轮轴441中间连接电动机442，物料补给槽43前端放置在前轮上，后轮组包括连接在物料补给槽43底部中后端的四个转动轮。

进一步地，所述多自由度地形模拟装置的两侧均设有沿程物源供给装置。两侧都设置沿程物源供给装置，可以快速供给物料，加快实验进程。

本发明的工作原理为：

(1)在计算机29中输入地形参数，通过倾角调节器28控制倾角架21以调整整体地势倾角，通过地形调节器26控制每一根坡面支撑杆19的伸缩长度，支撑杆借由其顶端球珠191、万向节192、转轴193相组合所提供的多自由度将坡面细分以模拟地形的细节，由子母扣195固定于球珠191之上的仿地表膜材481随之产生连续变形，以模拟真实地形及坡度；

(2)通过进料斗6向搅拌仓7倒入配比好的固体物料，打开阀门Ⅰ4、水泵Ⅰ2，将储水箱Ⅰ1中的水通过水管3注入搅拌仓7并驱动水斗8，水斗8带动主动轮9及从动轮10转动，从动轮10带动搅拌轴111和搅拌叶112转动进行泥浆的搅拌；

(3)调校设备挂架40，开启设备高速摄像机41、多参数采集传输系统42，以便记录流体流量、流速、冲击力等参数，设备挂架40可实现相对坡面传感系统48前、后、上、下方向的拉伸和收缩，从而进行泥石流灾害模拟试验的全过程监测；

(4)根据研究对象植被覆盖率等特点选用不同粗糙度的仿地表膜材481，开启坡面传感系统48，压力敏感膜483将收集到的压力信号转换为电信号，再通过电信号传导膜482将数据实时传输至坡面数据采集传输系统49，最后由坡面数据采集传输系统49传输数据至计算机。

(5)搅拌仓7中的物料搅拌好后，开启转动轴控制器18控制转动轴17，通过连杆16改变搅拌仓7的倾角，达到合适倾角后打开泥浆出口13使泥浆倾泻而出；

(6)需要模拟降水时，打开阀门Ⅱ30、水泵Ⅱ34，储水箱Ⅱ35中的水经过流量计Ⅱ31、降雨总水管36，进入降雨分水管37，调节阀门Ⅱ30的开度，从而调节降雨喷头38的喷雨量，并利用排气阀32稳定水压，模拟不同的降雨情况；

(7)需要增加物料时，在物料补给槽43中堆置所需的沿程补给物料，打开动力控制系统464抬升液压杆462，并调整底端转轴463使顶端滑轮461在滑轨452中滑动以调整液压杆462的加力点，从而改变升降平台451的倾斜角度，同时通过启动电动机442驱动轮轴441转动，固定在轮轴441两端的滑轮组44前轮随之转动，将物料补给槽43推送至坡面传感系统48边缘，进而向坡面传感系统48内供给物料，多组剪叉臂453在升降过程中起到支撑和稳定升降平台451的作用。

(8)试验过程中产生的水流及泥砂流经坡面传感系统48流入泥浆回收箱50，通过烘干筛分，以便重复利用。

本发明可以模拟研究在降雨、物源补给、冲蚀沉积、复杂地形条件下，泥石流演进的完整过程，并通过自动化监测设备记录物质交换、流速变化、流加速度、流动阻力、总水头、由冲蚀和沉积引起的动量交换、泥石流冲击力、固体物质堆积等参数，实现对致灾过程的研究，预测泥石流规模与危害范围。

以上对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。