CN105928684A - 一种泥石流遇障碍物沉积规律试验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥石流遇障碍物沉积规律试验装置及其使用方法，基于变坡滑道与透明模型槽垂直设计，考虑水下障碍物与多变坡坡道的影响，通过超声波测距仪、流速计、高速摄像机、微型立体摄像头和自动数码相机，记录泥石流水下堆积和迁移的过程，从而研究泥石流冲击山区变坡河道瞬时堆积特征和遇障碍物堆积后砾石长时间尺度迁移规律。本发明的泥石流遇障碍物沉积规律试验装置及其使用方法既可以记录泥石流水下流速、堆积特点，也可以观测砾石沉积河底后长时间尺度迁移规律；对研究泥石流灾害对河道的冲击规律和破坏作用，及指导相关防灾减灾工程设计具有重要的参考价值。

Description

一种泥石流遇障碍物沉积规律试验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及山体滑坡灾害研究领域，主要适用于泥石流冲击河道时与水流、障碍物相互作用等技术领域，并可扩展至其他固体颗粒堆积研究领域，具体涉及一种泥石流遇障碍物沉积规律试验装置及其使用方法。

背景技术

自然灾害研究领域，泥石流对河道的冲击是常见的山区自然灾害之一，它对河工建筑和河床形态、河道内水波形态等均有较大的影响；泥石流在河道冲击过程中沉积规律研究是河流动力学基础研究、河床形态研究、防灾减灾工程施工设计等的重要基础和核心要素。泥石流冲击山区变坡河道沉积规律研究试验是了解与掌握泥石流灾害对山区河道影响及其破坏力递变规律的最有效、且最重要的手段之一。因此，寻求一种可视化的泥石流冲击山区变坡河道沉积规律试验装置，是工程技术人员努力追求的方向，也是对泥石流灾害水下扩散规律和对水域破坏力研究的必要条件。

目前常规的泥石流运动试验装置仅针对其在地面的运动特征及堆积规律，尚未有针对泥石流冲击河道后堆积研究的试验装置，无法对泥石流冲击河道后的瞬时堆积特征、以及砾石沉积河底后长时间尺度迁移规律进行试验分析。因此，本技术方案设计垂向变坡滑道和透明模型槽，并使透明模型槽内保持水体流动，考虑水下障碍物的因素、以及多变坡坡道的影响，模拟泥石流冲击垂直流体时的水下堆积特征；利用超声波测距仪、高速摄像机、微型立体摄像头、自动数码相机和流速计，记录泥石流水下流速、堆积特点、河底形态变化特征，并观测砾石沉积河底后长时间尺度迁移规律、以及泥石流灾害水下扩散规律。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种泥石流遇障碍物沉积规律试验装置及其使用方法，解决了常规泥石流运动模拟试验装置中，无法进行遇障碍物时水下堆积模拟、无法观测泥石流冲击入河道时的水下扩散规律，以及长时间尺度迁移特征的技术问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明的泥石流遇障碍物沉积规律试验装置包括：透明模型槽和蓄水箱，所述透明模型槽为下部密封、上部开口的长方体，其相对的两个侧面上分别设置有进水口和出水口，进水口和出水口分别连接蓄水箱；所述透明模型槽上还设置有变坡滑道，变坡滑道与进水口所在的侧面垂直；在透明模型槽内还设置有一排流速计，流速计位于变坡滑道的延长线上，固定于透明模型槽的底部，用于记录模拟试验过程中的水流速度特征；在透明模型槽内还设置有透明空心障碍物，透明空心障碍物位于变坡滑道与出水口之间，空心障碍物内设置有微型立体摄像头，用于记录障碍物四周堆积高度变化特征和顶部的推移质运动特征；在透明模型槽的上方设置有超声波测距仪，用于记录透明模型槽底部地形；在垂直于进水口所在的侧面外部设置有高速摄像机，用于捕捉泥石流冲击透明模型槽后的瞬时堆积和运动特征；在与变坡滑道所在侧面相对的侧面外部设置有自动数码相机，用于记录泥石流冲击水面时正面运动和扩散特征。

其中，变坡滑道上设有变坡滑道阀门，变坡滑道阀门高于透明模型槽的侧面高度，变坡滑道阀门以上为泥石流蓄存区，用于盛放泥石流模拟材料；变坡滑道阀门以下为滑动坡道，在滑动坡道上设置有坡道转轴，用于调整滑动坡道的坡度。

其中，所述超声波测距仪的镜头垂直于变坡滑道，且可沿透明模型槽内的水流方向运动。

其中，所述高速摄像机的镜头垂直于变坡滑道，与透明模型内的水位同高。

其中，所述自动数码相机的镜头垂直于变坡滑道，与透明模型槽内水位同高。

本发明还公开了利用上述泥石流遇障碍物沉积规律试验装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)制作泥石流模拟材料：所述泥石流模拟材料包括固体颗粒和液体；

(2)布置和调整试验装置：调整所述变坡滑道上的变坡滑道转轴使其达到预设的变坡角度并固定，关闭变坡滑道阀门；

校核流速计，调整高速摄像机和自动数码相机的高度和镜头方向，使两者高度与透明模型槽内预设的水位高度平齐，镜头垂直于变坡滑道；调整超声波测距仪的镜头方向，使其镜头垂直于变坡滑道；

(3)模拟泥石流冲刷，捕捉相关信息：将预制好的模拟泥石流模拟材料称重，并置入变坡滑道的泥石流存蓄区；打开透明模型槽进水口和出水口的阀门及水泵，调整进水口和出水口的流速，使透明模型槽内达到预设水位并保持不变；

开启超声波测距仪、高速摄像机、微型立体摄像头和自动数码相机；

打开变坡滑道阀门，使泥石流模拟材料流入透明模型槽，并由各观测仪器记录相关各项参数，至该组试验结果；

(4)数据处理和分析

基于观测拍摄到的图像、视频信息，利用图像处理技术分析，获得泥石流冲击变坡河道、遇障碍物时水面波形变化规律和水底泥石流扩散特征。

(5)清理装置，为下一组试验做准备

关闭透明模型槽进水口阀门及水泵开关，并将透明模型槽内水全部排出至蓄水箱后，关闭透明模型槽出水口阀门及水泵开关；清洗透明模型槽和变坡滑道；将蓄水箱中水排出、清洗蓄水箱，并在蓄水箱中重新加入干净的水，开展下一组试验；

重复上述步骤(2)至(5)，直至完成所有的预设试验。

有益效果：本发明的泥石流遇障碍物沉积规律试验装置通过利用透明模型槽、变坡滑道、坡道转轴模拟泥石流冲击变坡河道，同时利用超声波测距仪、高速摄像机、微型立体摄像头以及自动数码相机捕捉泥石流冲击变坡河道时，既可以记录泥石流水下流速、堆积特点、河底形态变化特征，也可以观测砾石沉积后长时间尺度迁移规律。本发明装置针对泥石流和河道水流垂向流体两层流运动特征，考虑水下障碍物与多变坡坡道的影响，以观测泥石流灾害水下瞬时堆积特征和长时间尺度迁移规律，对研究泥石流灾害对河道的冲击规律和破坏作用，及指导相关防灾减灾工程设计具有重要的参考价值。同时，试验装置操作简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明中泥石流遇障碍物沉积规律试验装置的整体结构示意图；

图2是透明模型槽及各辅助部件的俯视图；

其中，1为透明模型槽，2为变坡滑道，3为进水口，4为出水口，5为流速计，6为水泵，7为蓄水箱，8为变坡滑道阀门，9为超声波测距仪，10为透明空心障碍物，11自动数码相机，12为坡道转轴，13为高速摄像机，14微型立体摄像头，15为总管道。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例1：

图1、图2中的泥石流遇障碍物沉积规律试验装置包括：透明模型槽1及其各辅助部件和蓄水箱7，透明模型槽1为下部密封、上部开口的长方体，其相对的两个侧面上分别设置有进水口3和出水口4，进水口3通过总水管15连接蓄水箱7，出水口4通过总水管15连接蓄水箱7(图中未示出)，总水管15上设置有水泵6；透明模型槽1上还设置有变坡滑道2，变坡滑道2与进水口3所在的侧面垂直，变坡滑道2上设有变坡滑道阀门8，变坡滑道阀门8高于透明模型槽1的侧面高度，变坡滑道阀门8以上为泥石流蓄存区，以下为滑动坡道，在滑动坡道上设置有坡道转轴12，用于调整滑动坡道的坡度；在透明模型槽1内还设置有一排流速计5，流速计5位于变坡滑道2的延长线上，固定于透明模型槽底部，用于记录模拟试验过程中的水流速度特征；在透明模型槽1内还设置有透明空心障碍物10，透明空心障碍物10位于变坡滑道2与出水口4之间，空心障碍物10内设置有微型立体摄像头14，用于记录障碍物四周堆积高度变化特征和顶部的推移质运动特征；在透明模型槽1的上方设置有超声波测距仪9，超声波测距仪9的镜头垂直于变坡滑道2，且固定于滑行杆，滑行杆通过钢丝绳连接房顶，可沿透明模型槽1内的水流方向，记录透明模型槽底部地形；在垂直与进水口3所在侧面的侧面外部设置有高速摄像机13，高速摄像机13的镜头垂直于变坡滑道2，与透明模型1内的水位同高，用于捕捉泥石流冲击透明模型槽1后的瞬时堆积和运动特征；在与变坡滑道2所在侧面相对的侧面外部设置有自动数码相机11，自动数码相机11的镜头垂直于变坡滑道，与透明模型槽1内水位同高，用于记录泥石流冲击水面时正面运动和扩散特征。

上述透明模型槽1的材料可以选用透明有机玻璃或透明钢化玻璃，尺寸宽度为100cm～140cm、长度为400cm～500cm、高度为30cm～50cm、壁厚为1cm～2cm；进水口3和出水口4设置为7～10个，孔径为1cm～2cm，以保证透明模型槽内各截面水流流速均匀。

上述蓄水箱7的材料可以选用不锈钢或铝，采用宽度为80cm～120cm、长度为80cm～120cm、高度为80cm～120cm、壁厚为1cm～2cm的长方体。

上述总管道15，其材料为PVC管或钢管，直径为5cm～8cm，长度根据试验需要确定。

上述变坡滑道2，其材料为PVC或木材，变坡滑道阀门8距离滑道顶部为30cm～40cm，透明模型槽1以上的部分有侧壁、上部开口，透明模型槽1以内的部分无侧壁；变坡滑道2的宽度为20cm～40cm，侧壁高度为15cm～30cm，有侧壁部分长度为100cm～200cm，无侧壁部分长度为50cm～80cm，壁厚为1cm～2cm，变坡滑道2与透明模型槽1两宽侧壁距离应不低于35cm；无侧壁部分设有1～3个变坡转轴，可对无侧壁部分坡度进行调整，角度变化范围为5°～60°。变坡滑道转轴12的材料为PVC或木材，形状为圆柱体，长度为20cm～40cm、直径为2cm～3cm。

上述透明空心障碍物10的材料为刚性不可变形有机玻璃或柔性可变形塑料，数量为1～9个，多个透明空心障碍物可以为矩形布置、也可以为梅花型布置，形状可以为长度为5cm～10cm、宽度为5cm～10cm、高度为5cm～10cm的长方体，或者为直径为5cm～10cm的半球体，一个透明空心障碍物10内置2～5个微型立体摄像头14，记录障碍物四周堆积高度变化特征和顶部的推移质运动特征。

上述流速计5的量程范围为0m/s～10m/s，精度范围为0.01～0.1m/s，数量为6～10个。

上述超声波测距仪9的型号为VICTOR 851，其量程为0.6-15m、精度为±0.5％、分辨率为0.01m，孔径角±5°，悬挂于透明模型槽上方，扫描镜头为6～10个。上述高速摄像机13，每秒帧数为800fps～1200fps，分辨率为500×800dpi～900×1600dpi；上述自动数码相机11，每秒帧数为10fps～50fps，分辨率为500×800dpi～800×1200dpi；上述微型立体摄像头10的每秒帧数为10fps～50fps，分辨率为500×800dpi～800×1200dpi。

所述的泥石流模拟材料，由固体颗粒和液体组成，固体颗粒为密度为1000kg/m³～5000kg/m³、直径范围为2mm～10mm的透明玻璃球；液体可以是纯净水、浓度0.2％～2.0％的聚酯乙烯或1:4～1:10比例用水勾兑的护肤品芦荟胶的黏性材料，固体颗粒与液体的质量比为25％～60％。

实施例2：

利用实施例1中的泥石流遇障碍物沉积规律试验装置进行试验包括以下步骤：

(1)制作泥石流模拟材料：

本实施例中涉及两种形式的泥石流，一种为水石流，一种为粘性泥石流，两种形式的泥石流模拟材料均包括固体颗粒和液体，区别主要在液体性质的不同。固体颗粒的制备：

以透明模型槽1的形状和尺寸为依据，结合泥石流中固体物质实际比例缩放，预制密度为800kg/m³～5000kg/m³，直径范围为2mm～10mm的球形颗粒，选定1～3种透明玻璃颗粒作为模拟泥石流中的固体颗粒(本实施例为2种)；

与不同性质的液体混合形成不同形式的泥石流：

1)水石流：液体采用水，将固体颗粒与水混合形成水石流，固体颗粒与水的质量比为25％～60％；

2)黏性泥石流：液体采用浓度为2.0％～3.0％的聚酯乙烯(Carbopol)，或1:4～1:10比例用水勾兑的护肤品芦荟胶，将固体颗粒与黏性液体形成黏性泥石流，固体颗粒与黏性液体的质量比为25％～60％。

(2)布置和调整试验装置

调整变坡滑道2上的变坡滑道转轴12使其达到预设的变坡角度并固定，关闭变坡滑道阀门8；

校核流速计5，调整高速摄像机11和自动数码相机13的高度和镜头方向，使两者高度与透明模型槽1内预设的水位高度平齐，镜头垂直于变坡滑道2；调整超声波测距仪9的镜头方向，使其镜头垂直于变坡滑道2。

(3)模拟泥石流冲刷，捕捉相关信息

将预制好的模拟泥石流模拟材料称重，并置入变坡滑道2的泥石流存蓄区；打开透明模型槽1进水口3和出水口4的阀门及水泵，调整进水口3和出水口4的流速(本实施例流速为1m/s)，使透明模型槽1内达到预设水位(本实施例为20cm)并保持不变；

开启超声波测距仪9、高速摄像机11、微型立体摄像头14和自动数码相机13；

打开变坡滑道阀门8，使泥石流模拟材料流入透明模型槽1，并由各观测仪器记录相关各项参数，至该组试验结果。

(4)数据处理和分析

基于观测拍摄到的图像、视频信息，利用图像处理技术分析(本实施例采用MPIV软件)，获得泥石流冲击变坡河道2、遇障碍物时水面波形变化规律和水底泥石流扩散特征。

(5)清理装置，为下一组试验做准备

关闭透明模型槽1进水口3阀门及水泵开关，并将透明模型槽1内水全部排出至蓄水箱7后，关闭透明模型槽1出水口4阀门及水泵6开关；清洗透明模型槽1和变坡滑道2；将蓄水箱7中水排出、清洗蓄水箱7，并在蓄水箱7中重新加入干净的水，开展下一组试验。

重复上述步骤(2)至(5)，直至完成所有的预设试验。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种泥石流遇障碍物沉积规律试验装置，其特征在于，该装置包括：透明模型槽（1）和蓄水箱（7），所述透明模型槽（1）为下部密封、上部开口的长方体，其相对的两个侧面上分别设置有进水口（3）和出水口（4），进水口（3）和出水口（4）分别连接蓄水箱（7）；所述透明模型槽（1）上还设置有变坡滑道（2），变坡滑道（2）所在侧面与进水口（3）所在的侧面垂直；在透明模型槽（1）内还设置有一排流速计（5），流速计（5）位于变坡滑道（2）的延长线上，固定于透明模型槽（1）的底部，用于记录模拟试验过程中的水流速度特征；在透明模型槽（1）内还设置有透明空心障碍物（10），透明空心障碍物（10）位于变坡滑道（2）与出水口（4）之间，空心障碍物（10）内设置有微型立体摄像头（14），用于记录障碍物四周堆积高度变化特征和顶部的推移质运动特征；在透明模型槽（1）的上方设置有超声波测距仪（9），用于记录透明模型槽底部地形；在垂直于进水口（3）所在的侧面外部设置有高速摄像机（13），用于捕捉泥石流冲击透明模型槽（1）后的瞬时堆积和运动特征；在与变坡滑道（2）所在侧面相对的侧面外部设置有自动数码相机（11），用于记录泥石流冲击水面时正面运动和扩散特征。

2.根据权利要求1所述的泥石流遇障碍物沉积规律试验装置，其特征在于，变坡滑道（2）上设有变坡滑道阀门（8），变坡滑道阀门（8）高于透明模型槽（1）的侧面高度，变坡滑道阀门（8）以上为泥石流蓄存区，用于盛放泥石流模拟材料；变坡滑道阀门（8）以下为滑动坡道，在滑动坡道上设置有坡道转轴（12），用于调整滑动坡道的坡度。

3.根据权利要求1所述的泥石流遇障碍物沉积规律试验装置，其特征在于，所述超声波测距仪（9）的镜头垂直于变坡滑道（2），且可沿透明模型槽（1）内的水流方向运动。

4.根据权利要求1所述的泥石流遇障碍物沉积规律试验装置，其特征在于，所述高速摄像机（13）的镜头垂直于变坡滑道（2），与透明模型（1）内的水位同高。

5.根据权利要求1所述的泥石流遇障碍物沉积规律试验装置，其特征在于，所述自动数码相机（11）的镜头垂直于变坡滑道，与透明模型槽（1）内水位同高。

6.根据权利要求1所述的泥石流遇障碍物沉积规律试验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）制作泥石流模拟材料：所述泥石流模拟材料包括固体颗粒和液体；

（2）布置和调整试验装置：调整所述变坡滑道上的变坡滑道转轴使其达到预设的变坡角度并固定，关闭变坡滑道阀门；

校核流速计，调整高速摄像机和自动数码相机的高度和镜头方向，使两者高度与透明模型槽内预设的水位高度平齐，镜头垂直于变坡滑道；调整超声波测距仪的镜头方向，使其镜头垂直于变坡滑道；

（3）模拟泥石流冲刷，捕捉相关信息：将预制好的模拟泥石流模拟材料称重，并置入变坡滑道的泥石流存蓄区；打开透明模型槽进水口和出水口的阀门及水泵，调整进水口和出水口的流速，使透明模型槽内达到预设水位并保持不变；

开启超声波测距仪、高速摄像机、微型立体摄像头和自动数码相机；

打开变坡滑道阀门，使泥石流模拟材料流入透明模型槽，并由各观测仪器记录相关各项参数，至该组试验结果；

（4）数据处理和分析：基于观测拍摄到的图像、视频信息，利用图像处理技术分析，获得泥石流冲击变坡河道、遇障碍物时水面波形变化规律和水底泥石流扩散特征；

（5）清理装置，为下一组试验做准备：关闭透明模型槽进水口阀门及水泵开关，并将透明模型槽内水全部排出至蓄水箱后，关闭透明模型槽出水口阀门及水泵开关；清洗透明模型槽和变坡滑道；将蓄水箱中水排出、清洗蓄水箱，并在蓄水箱中重新加入干净的水，开展下一组试验；

重复上述步骤（2）至（5），直至完成所有的预设试验。

7.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，所述泥石流模拟材料的固体颗粒采用密度为800kg/m³～5000kg/m³，直径范围为2mm～10mm的球形颗粒，液体采用水，所述球形颗粒与水的质量比为25%～60%。

8.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，所述泥石流模拟材料的固体颗粒采用密度为800kg/m³～5000kg/m³，直径范围为2mm～10mm的球形颗粒，液体采用浓度为2.0%～3.0%的聚酯乙烯（Carbopol），所述球形颗粒与聚酯乙烯的质量比为25%～60%。