可模拟流体运动特性的多级物理变坡水槽实验装置

摘要

本发明公开了一种可模拟流体运动特征的多级变坡物理水槽实验装置，可以包括料箱装置、测量系统、数据采集系统、液压系统和物料回收装置，料箱装置安装在多级变坡物理水槽的上游，用于装载实验材料，模拟泥石流的发生，液压系统用于抬升多级变坡物理水槽到指定角度，并可以调节不同分段水槽的倾角，模拟出地形的变化，通过各类传感器监测泥石流的运动特性、多级变坡物理水槽底部及防护结构的受荷，多级变坡物理水槽顶部的高速相机用于记录泥石流的运动形态。根据发明的多级变坡物理水槽实验装置，可实现泥石流对防护结构的破坏监测，通过对比工况组合的数据，得到泥石流的运动特性和与防护结构作用的机理，为泥石流的防治提供科学的依据和指导。

说明书

技术领域

本发明涉及泥石流防治工程建设领域，具体涉及一种可模拟流体运动特性的多级变坡物理水槽实验装置，可用于室内测量泥石流发生后对防护结构冲击的载荷，为泥石流防治工程建设提供一定的指导。

背景技术

泥石流是山区特有的一种自然地质现象，它是由于暴雨、冰川、水体等因素的激发而产生，之后在重力作用下，大量的碎屑物及巨大的砾石沿着山坡或沟谷剧烈倾泻的一种自然过程。泥石流往往具有暴发突然、历时短暂、来势凶猛、破坏力强的特点，严重威胁着人类的生命安全和基础设施的建设。泥石流的形成必须具备三大条件:一定的地形、充足的松散固体物质(主要由地质条件决定)和丰富的水源。其中地形条件是泥石流发生的根本条件或称为决定性条件。Guo等人通过对水城县鸡场镇滑坡的研究，揭示出流体运动过程中存在多级地形现象，并根据地形影响因素将运动路径划分为生成、加速、迁移和堆积几个区域，在不同区域里流体表现处不同的运动特性。此外，现有研究也表明地形的差异性可以显著影响泥石流的体积、速度、运动距离和分布，给灾害防治提出了巨大的挑战。

目前，由于泥石流形成条件、运动规律和成灾机制复杂，对其物理性质和基本规律的认识存在很大不足，而且泥石流的研究历史较短，这就使得泥石流防治还处于半经验阶段，不能满足国家减灾的需求，因此对于泥石流与防护结构作用的研究和动力学的数值-物理模拟方面仍有很多的工作要做。而室内小型水槽实验因其易于控制和可重复性，已经被广泛用于泥石流运动学及其机理研究：

(1)Jiang等人采用一长2.93m，宽0.3m，高0.35m的水槽研究了防护结构对干颗粒流的拦挡效应。

(2)为优化多重防护结构的布局，Ng等人基于香港科技大学黄焯书科研中心的小型泥石流实验流槽模拟了干砂流与双重防护结构的作用。该装置有一段长5m，宽0.2m，深0.5m的滑槽构成，顶部有一体积为0.06m

(3)林雪平等人为研究拦砂坝溢流口过流能力，采用了中国科学院成都山地所水槽装置，水槽长3m，宽0.2m，高0.3m，顶部的实验料斗可装载0.1m

以上水槽装置虽然能模拟泥石流与防护结构的作用但是也存在很大的技术缺陷：泥石流运动区域地形复杂多变，目前的研究中受实验环境的限制，为简化模拟，通常采用平直简化的滑动面作为基底，忽略了地形的变化；此外受限于料箱的体积，模拟的水流相对较浅，较浅的流动深度会导致颗粒在流深方向上无法均匀混合，而且来流与防护结构的作用过程较短，无法模拟持续来流的冲击效应。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明在于提出一种可模拟流体运动特征的多级变坡物理水槽实验装置，可以实现泥石流对防护结构的破坏监测，通过对比工况组合的数据，得到泥石流的运动特性和与防护结构作用的机理，为泥石流的防治提供科学的依据和指导。

根据本发明实施例的可模拟流体运动特性的多级变坡物理水槽实验装置，包括：料箱装置、测量系统、数据采集系统、液压系统、物料回收装置、多级变坡物理水槽、立柱和滑轨，所述立柱与所述滑轨的一端相连，所述测量系统与所述数据采集系统相连；所述料箱装置包括物料箱、出流口和漏斗，所述漏斗设于所述立柱且位于所述物料箱的正上方，所述物料箱经过所述出流口与所述多级变坡物理水槽的闸门相连；所述液压系统包括液压抬升器和滑轨，所述液压抬升器固定在所述滑轨上且与所述多级变坡物理水槽；所述物料回收装置包括物料池、承台和物料泵，所述物料池置于所述承台上，所述物料池通过所述物料泵和所述物料箱相连；所述测量系统包括置放在所述多级变坡物理水槽中的防护结构、用于测量防护结构受荷的轴力传感器、用于测量泥石流的流深的位移传感器、用于测量泥石流运动过程中组分变化的TDR传感器，用于测量泥石流对底部荷载的压力传感器，用于监测孔压的孔压传感器和用于记录所述多级变坡物理水槽内的流动形态的多个高速相机，所述轴力传感器固定在所述防护结构上，所述位移传感器和所述TDR传感器固定在所述多级变坡物理水槽的顶部，所述压力传感器和所述孔压传感器安装在所述多级变坡物理水槽的底部，多个所述高速相机通过相机固定支架固定在所述多级变坡物理水槽的顶部。

根据本发明实施例的多级变坡物理水槽实验装置，通过液压抬升器调节多级变坡物理水槽的角度，以模拟不同的地形，物料存储在物料箱里，打开闸门之后，泥石流在重力作用下会向下滑动，冲击防护结构，而轴力测力计可以记录防护结构受到的冲击荷载，压力测力计可以测量多级变坡物理水槽的底部受到的剪应力和正应力，同时其他传感器可以监测到其他状态量，高速相机直接记录了泥石流对防护结构冲击的整个过程，冲击防护机构后物料可以流到下游的物料池里，通过物料泵可以再次泵送到物料箱，此外通过漏斗可以补充损失的物料，以模拟源源不断的泥石流冲击，因此该多级变坡物理水槽实验装置为量化泥石流与防护结构的作用提供了可能。

在本发明的一些实施例中，所述防护结构包括受力板、轴力传感器和支撑板，所述轴力传感器连接在所述受力板和所述支撑板之间。

在本发明的一些实施例中，所述轴力传感器为多个，多个所述轴力传感器在上下方向上间隔开设置。

在本发明的一些实施例中，数据采集系统包括计算机和数据采集仪，所述数据采集仪连接所述轴力传感器、所述位移传感器、所述TDR传感器、所述压力传感器、所述孔压传感器和所述高速相机，所述数据采集仪用于将采集的数据传输至所述计算机分析处理。

在本发明的一些实施例中，所述物料箱中安装有消能板，消能板包括圆管接口和消能插板，圆管接口和物料泵相连。

在本发明的一些实施例中，所述多级变坡物理水槽包括多个水槽段，相邻的两个水槽段之间通过转轴相连，所述液压抬升器为多个，多个所述液压抬升器与多个所述水槽段一一对应相连，所述液压抬升器适于抬升以改变相应的所述水槽段的角度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的多级变坡物理水槽的结构示意图；

图2是图1的俯视示意图；

图3是根据本发明一个实施例的多级变坡物理水槽的两个水槽段的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的防护结构的正视示意图；

图5是根据本发明一个实施例的消能板的正视示意图；

图6是根据本发明一个实施例的两个水槽段的平面示意图，其中，一个水槽段相对另一个水槽段处于水平位置；

图7是根据本发明一个实施例的两个水槽段的平面示意图，其中，一个水槽段相对另一个水槽段处于抬升位置；

图8是根据本发明一个实施例的多级变坡物理水槽实验装置的数据处理流程图。

附图标记：

1.物料池；2.滑轨；3.承台；4.液压抬升器；5.防护结构；6.转轴；7.高速相机；8.相机固定支架；9.TDR传感器；10.位移传感器；11.闸门；12.出流口；13.物料箱；14.漏斗；15.立柱；16.压力传感器；17.孔压传感器；18.物料泵；19.支撑板；20.受力板；21.轴力传感器；22.圆管接口；23.消能插板；水槽段24。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。

下面参考图1-图8描述根据本发明实施例的可模拟流体运动特性的多级变坡物理水槽实验装置。

发明人在实际研究中发现，由于泥石流发生区域地形的独特性和不可控制性以及大型泥石流冲击实验的高成本性，从而阻碍了对泥石流的产生以及泥石流与防护结构的作用机理的认识，无法对泥石流灾害的防治提供合理的指导。目前尽管有一些泥石流灾害定性的野外观测结果，但是我们仍需要通过大量定量的研究为泥石流的产生和冲击过程提供科学的量化标准。而本申请中的可重复和可控制的多级变坡物理水槽实验装置为我们认识泥石流的冲击机理提供了可能。

具体而言，参照图1和图2所示，根据本发明实施例的可模拟流体运动特性的多级变坡物理水槽实验装置，包括：料箱装置、测量系统、数据采集系统、液压系统、物料回收装置、多级变坡物理水槽、立柱和滑轨，立柱15与滑轨2的一端相连，测量系统与数据采集系统相连。

参照图1和图2所示，料箱装置包括物料箱13、出流口12和漏斗14，漏斗14设于立柱15且位于物料箱13的正上方，物料箱13经过出流口12与多级变坡物理水槽的闸门11相连；

参照图1和图2所示，液压系统包括液压抬升器4和滑轨2，液压抬升器4固定在滑轨2上，液压抬升器4用于调节多级变坡物理水槽的不同水槽段24的角度，以模拟不同的地形。物料回收装置包括物料池1、承台3和物料泵18，物料池1置于承台3上，物料池1通过物料泵18和物料箱13相连。

参照图1所示，测量系统包括置放在多级变坡物理水槽中的防护结构5、用于测量防护结构5受荷的轴力传感器21、用于测量泥石流的流深的位移传感器10、用于测量泥石流运动过程中组分变化的TDR传感器9，用于测量泥石流对底部荷载的压力传感器16，用于监测孔压的孔压传感器17和用于记录多级变坡物理水槽内的流动形态的多个高速相机7，轴力传感器21固定在防护结构5上，位移传感器10和TDR传感器9固定在多级变坡物理水槽的顶部，压力传感器16和孔压传感器17安装在多级变坡物理水槽的底部，多个高速相机7通过相机固定支架8固定在多级变坡物理水槽的顶部。

根据本发明实施例的多级变坡物理水槽实验装置，通过液压抬升器4调节多级变坡物理水槽的角度，以模拟不同的地形，物料存储在物料箱13里，打开闸门11之后，滑坡体泥石流在重力作用下会向下滑动，冲击防护结构5，而轴力传感器21可以记录防护结构5受到的冲击荷载，压力传感器16可以测量多级变坡物理水槽的底部受到的剪应力和正应力，同时其他传感器可以监测到其他状态量，高速相机7直接记录了泥石流对防护结构5冲击的整个过程，冲击防护机构5后物料可以流到下游的物料池1里，通过物料泵18可以再次泵送到物料箱13，此外通过漏斗14可以补充损失的物料，以模拟源源不断的泥石流冲击，因此该多级变坡物理水槽实验装置为量化泥石流与防护结构的作用提供了可能。

在本发明的一些实施例中，参照图4所示，防护结构5可通过分段设计，防护结构5包括受力板20、轴力传感器21和支撑板19，轴力传感器21连接在受力板20和支撑板19之间。由此，结构简单，有利于实现对轴力传感器21的可靠安装。

例如，在本发明的一些可选的实施例中，如图4所示，轴力传感器21为多个，多个轴力传感器21在上下方向上间隔开设置。由此，轴力传感器21可以测量防护结构5不同位置的载荷，有利于提高对防护结构5的载荷测量的准确性。

在本发明的一些实施例中，参照图5所示，物料箱13中安装有消能板，消能板包括圆管接口22和消能插板23，圆管接口22和物料泵18相连。可以理解的是，消能板可用于调节物料泵18泵送到物料箱13里物料的状态，有利于模拟不同状态的泥石流。

在本发明的一些实施例中，参照图6和图7所示，多级变坡物理水槽包括多个水槽段24，相邻的两个水槽段24之间通过转轴6相连，液压抬升器4为多个，多个液压抬升器4与多个水槽段24一一对应相连，液压抬升器4适于抬升以改变相应的所述水槽段24的角度。可以理解的是，通过多个液压抬升器4与多个水槽段24一一对应相连，多个液压抬升器4可实现多级角度的改变，可模拟处泥石流运动地形的复杂性和多边性，可实现对多种不同地形的泥石流的实验，且操作简单，有利于提高实验效率。图6-图7详细展示了两个水槽段24在液压系统作用下由水平位置绕转轴6转动到指定位置的过程。

需要说明的是，在以往的研究中为考虑地形的影响，水槽简单搭载在另一个水槽上面，使得内部侧面无法顺滑衔接，对流经该位置处流体的运动特性产生了很大影响，而本发明通过转轴6将多个水槽段24相连，使水槽段24可以绕转轴6自由运动，同时弧形转动面的设计，有利于保证水槽侧壁的连续性，从而有效解决了上述问题。

在本发明的一些实施例中，数据采集系统包括计算机和数据采集仪，数据采集仪连接轴力传感器21、位移传感器10、TDR传感器9、压力传感器16、孔压传感器17和高速相机7，数据采集仪用于将采集的数据传输至计算机分析处理。由此，控制简单，有利于提高实验效率。

下面参照本发明的一个实施例简述一下采用本发明装置的实验过程：

参照图1所示，调整漏斗14在立柱15上的高度，将轴力传感器21、受力板20安装在支撑板19上，组成防护结构5，TDR传感器9和位移传感器10前后布置在多级变坡物理水槽的顶部，压力传感器16和孔压传感器17安装在多级变坡物理水槽的底部，将各传感器与数据采集系统和计算机相连；高速相机7通过相机固定支架固定在相应的防护结构5上游，并与计算机相连用于采集泥石流的运动图像；将消能板安装到物料箱13里；

调节液压抬升器4，将不同段的水槽段24提升到指定角度，物料池1下方的承台3会沿着滑轨2运动。物料加入漏斗14，打开漏斗14，物料将自由下落到物料箱13，待物料下落完成，然后打开闸门11，在重力作用下通过出流口12物料流到多级变坡物理水槽里，然后沿着多级变坡物理水槽底部向下运动冲击防护结构5；

整个过程通过测量系统的位移传感器10测量泥石流的流深，轴力传感器21测量防护结构5不同位置的受荷，孔压传感器17监测泥石流内部的孔压，TDR传感器9测量泥石流运动过程种组分的变化，压力传感器16测量水槽底部受到的正应力和剪应力以及通过高速相机7记录水槽内的流动形态，包括泥石流对防护结构5的冲击形态和防护结构5的变形形态等，并通过数据采集系统获得相关数据。

泥石流越过防护结构5后会流动到物料池1，打开物料泵18，将溢出的物料送到物料箱13，同时可以在漏斗14中持续添加物料弥补实验过程中的损失，以模拟泥石流对防护结构5连续不断的冲击作用。一组实验完成后，控制液压抬升器4，使多级变坡物理水槽恢复到水平位置，仔细清理多级变坡物理水槽，准备下一组实验；

通过在不同的实验组别中设置不同级配和密实度的物料、不同倾角的多级变坡物理水槽的工况组合，得到大量详细的测量数据，对数据进行对比分析，可以得到泥石流的运动特性和与防护结构作用的机理，为泥石流的防治提供科学的依据和指导。

根据本发明实施例的多级变坡物理水槽实验装置的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。