一种泥石流运动冲淤过程中冲击力模拟设备及模拟实验方法技术

本发明专利技术公开了一种泥石流运动冲淤过程中冲击力模拟设备,包括补给箱和堆积板；所述补给箱和堆积板分别固定在支架上，补给箱和堆积板之间连接有流通槽；流通槽按照不同坡度安装泥石流激光泥位计、光纤压力传感器；堆积板上装振弦压力传感器；支架上还设置有摄像机和数据采集器。模拟方法，包括步骤一，流通槽坡度和堆积板设定；步骤二，边界条件设定；步骤三，泥石流介质模拟；步骤四，初始条件设定；步骤五，时间步长的确定；步骤六，β取值；步骤七，实验数据采集和整理；步骤八，清洗实验平台。本发明专利技术可以实现泥石流的冲淤过程中冲击力模拟及实验，流通槽可以按照不同坡度不同边界条件调节，本发明专利技术中流通槽边界条件能够满足不同容重泥石流的实验要求，获得不同重现期下的运动冲淤过程中的冲击力和堆积范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及泥石流冲击力模拟设备及模拟实验应用
，具体地说是一种泥石流运动冲淤过程中冲击力模拟设备及模拟实验方法。
技术介绍
泥石流运动冲淤过程中冲击力模拟设备，顾名思义，它是一种用于模拟泥石流运动冲淤过程中冲击力的设备。现有技术中没有一种设备可以实现多参数快速模拟以及测试，难以满足人们的生产生活与防灾减灾工程需要；此外，也没有一种标准的模拟试验方法供人们所使用。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种泥石流运动冲淤过程中冲击力模拟设备及模拟实验方法。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种泥石流运动冲淤过程中冲击力模拟设备,包括补给箱和堆积板；所述补给箱和堆积板分别固定在支架上，补给箱和堆积板之间连接有流通槽；流通槽-按照不同坡度安装有泥石流激光泥位计、光纤压力传感器；堆积板上装有振弦式压力传感器；支架上还设置有摄像机和数据采集器；摄像机与数据采集器通过数据传输线连接；泥石流激光泥位计用于测量泥石流在流通槽中的泥位变化过程；光纤土压力传感器用于检测流通区泥石流土压力，光纤渗透压力传感器用于检测流通区泥石流渗透水压力；振弦式土压力传感器用来采集堆积区土压力信息，振弦式渗透压力传感器用来采集堆积区渗透水压力；泥石流运动过程被摄像机记录，数据传输到数据采集器。本专利技术设置有流通槽，该流通槽可以按照不同坡度不同边界条件调节，本专利技术中流通槽边界条件能够满足不同容重泥石流的实验要求，获得不同重现期下的运动冲淤过程中的冲击力和堆积范围。进一步，流通槽上设置有三个光纤土压力传感器预留孔和三个光纤渗透水压力传感器预留孔；堆积板上设有三个振弦式土压力传感器预留孔和振弦式渗透压力传感器预留孔。。进一步，补给箱底端设置有排导口，排导口上安装有排导阀板。一种泥石流运动冲淤过程中冲击力模拟方法，包括以下步骤：步骤一，流通槽坡度和堆积板设定；步骤二，边界条件设定；步骤三，泥石流介质模拟；步骤四，初始条件设定；步骤五，时间步长的确定；步骤六，β取值；步骤七，实验数据采集和整理；步骤八，清洗实验平台。其中在步骤一中，根据实验所需调节流通槽和堆积板的坡度，并用电子倾角仪进行测定；同时根据模拟时可能产生的最大冲出范围，设计堆积板大小为200cm×300cm，同时在堆积板上等分网格，大小为20×20cm，用以确定堆积范围及不同网格的堆积深度；在步骤二中，为了减少泥石流运动冲淤时的外界阻力的干扰，在实验平台构建过程中，流通槽侧壁采用钢化玻璃构建，流通槽底部采用打磨光滑的钢板焊接；由此，在实验过程中，设定实验处于理想状态中进行；为了对比理想边界条件，对试验台流通槽内壁及底面进行改进，在侧壁喷泡沫胶，使其与实际沟道两侧山坡相似，泥石流运动时对泥石流体产生侧向阻力；同时在底部铺设砖块，砖块上部铺设泥石流体，使其近似沟道沟床，泥石流运动时对泥石流体产生正向阻力，由此，在实验过程中，设定实验处于非理想状态中进行；在步骤三中，取总量为200-500kg范围泥石流分别进行运动淤积模拟；容重(r)：模拟容重为2.40g/cm3、2.30g/cm3、2.20g/cm3、2.10g/cm3、2.00g/cm3、1.90g/cm3、1.80g/cm3、1.70g/cm3、1.65g/cm3、1.60g/cm3等的泥石流运动淤积情况；泥石流间的摩擦阻力：确定摩擦阻力系数为其重要内容，依照公式(1)，基于流体的容重、泥石颗粒直径、泥石体积比和颗粒的密度等参数确定其摩擦阻力；式中：ω表示泥石流中泥石体积比；ai表示微调值范围为0.042-0.24的微调系数；d表示泥石流中主要颗粒直径；为范围为17°-37°的动摩擦角；ρm为颗粒密度；h为泥石流堆积深度；λ浓度系数；根据泥石流的容重r、颗粒直径d和泥石体积比ω等参数来分析确定动态摩擦角和微调系数；在步骤四中。设定泥石流启动时流通槽及堆积板初始深度h＝0，随着模拟实验的启动，在流通槽中点处的激光泥位计随时记录泥位的变化过程；设定泥石流启动时流通槽初始土压力F土＝0，随着模拟实验的启动，在流通槽上、中及下段由土压力传感器随时记录土压力F土的变化过程；设定泥石流启动时流通槽初始渗透水压力F水＝0，随着模拟实验的启动，在流通槽上、中及下段由渗透水压力传感器随时记录渗透水压力F水的变化过程；在步骤五中，利用理论上恒稳的平均隐式剖分格式，但对于拟线性的方程组来说，也不是不需要任何的限制；在实际模拟时取： Δ t ≤ Δ x u + v ; Δ t ≤ Δ y u + v - - - ( 2 ) ]]>式中u、v代表可能的最大值。在步骤六中，β代表运动修正系数，运动修正系数受不同类型的泥石流的影响，其范围为1-1.25，将运动修正系数确定为1.0、1.05、1.1、1.15、1.2和1.25，分别在下文泥石流运动冲淤瞬时堆积深度及瞬时渗透水压力及土压力试验中进行六种不同β值的实验模拟。在步骤七中，采集和记录实验数据，并进行整理和分析。在步骤八中，清洗实验平台。一种泥石流运动冲淤过程中冲击力模拟实验方法，具体实验过程包括，(1)，野外详细调查泥石流实验沟，选择采样点；(2)，调查泥石流取样、分选；(3)，上料；(4)，实验数据记录；(5)，清洗实验台；其中在步骤一中，选取具有代表性的泥石流堆积体原材料，同时对样品进行分选，分选时粒径d＞20mm的颗粒剔除，以免影响实验的精度和连续性；在步骤二中，调制实验原料，根据每次的实验需要，按照所需泥石流体的总量及泥石流容重，按一定水、土比例调制恰当的泥石流体原料；根据实验设计要求，调整试验台流通槽的实验坡度，达到实验设计要求；安装实验所需的检测仪器；在实验开始前对整个试验台清洗，以免对实验结果产生不必要的误差；在步骤三中，将调制好的泥石流体原料运送至补给箱，调试仪器，实验启动；在步骤四中，实时记录保存实验数据，实验结束；在步骤五中，清洗实验台；整理、分析实验数据。采用上述技术方案后，本专利技术和现有技术相比所具有的优点是：本专利技术泥石流运动冲淤过程中冲击力模拟设备及模拟实验方法，弥补了现有技术中泥石流运动冲淤过程中没有一种模拟设备可以实现对于泥石流运动冲淤的模拟，此外，采用以上设计技术方案，可以实现泥石流的冲淤过程中冲击力模拟及实验，流通槽可以按照不同坡度不同边界条件调节，本专利技术中流通槽边界条件能够满足不同容重泥石流的实验要求，获得不同重现期下的运动冲淤过程中的冲击力和堆积范围。整体结构简单，实用性强，且易于在教学、科研与防灾减灾工程等领域广泛推广。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明：图1为本专利技术的整体结构示意图；图2为本专利技术的光纤渗透水压力传感器和振弦式传感器设置结构示意图；图3为本专利技术的传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种泥石流运动冲淤过程中冲击力模拟设备,包括补给箱(1)和堆积板(2)；补给箱(1)和堆积板(2)分别固定在支架(a)上，补给箱(1)和堆积板(2)之间连接有流通槽(3)；流通槽(3)按照不同坡度安装有泥石流激光泥位计(31)、光纤压力传感器(32)；堆积板上装有振弦式压力传感器(33)；支架(a)上还设置有摄像机(4)和数据采集器(5)；摄像机(4)与数据采集器(5)通过数据传输线连接。

【技术特征摘要】
1.一种泥石流运动冲淤过程中冲击力模拟设备,包括补给箱(1)和堆积板(2)；补给箱(1)和堆积板(2)分别固定在支架(a)上，补给箱(1)和堆积板(2)之间连接有流通槽(3)；流通槽(3)按照不同坡度安装有泥石流激光泥位计(31)、光纤压力传感器(32)；堆积板上装有振弦式压力传感器(33)；支架(a)上还设置有摄像机(4)和数据采集器(5)；摄像机(4)与数据采集器(5)通过数据传输线连接。2.一种泥石流运动冲淤过程中冲击力模拟实验方法，包括以下步骤：步骤一，流通槽坡度和堆积板设定；步骤二，边界条件设定；步骤三，泥石流介质模拟；步骤四，初始条件设定；步骤五，时间步长的确定；步骤六，β取值；步骤七，实验数据采集和整理；步骤八，清洗实验平台。其中在步骤一中，根据实验所需调节流通槽坡度，并用电子倾角仪进行测定；同时根据模拟时可能产生的最大冲出范围，设计堆积板大小为200cm×300cm，同时在堆积板上等分网格，大小为20×20cm，用以确定堆积范围及不同网格的堆积深度；步骤二中，为了减少泥石流运动冲淤时的外界阻力的干扰，在实验平台构建过程中，流通槽侧壁采用钢化玻璃构建，流通槽底部采用打磨光滑的钢板焊接；由此，在实验过程中，设定实验处于理想状态中进行；为了对比理想边界条件，对试验台流通槽内壁及底面进行改进，在侧壁喷泡沫胶，使其与实际沟道两侧山坡相似，泥石流运动时对泥石流体产生侧向阻力；同时在底部铺设砖块，砖块上部铺设泥石流体，使其近似沟道沟床，泥石流运动时对泥石流体产生正向阻力，由此，在实验过程中，设定实验处于非理想状态中进行；在步骤三中，取总量为200～500kg范围泥石流分别进行运动淤积模拟；容重(r)：模拟容重为2.40g/cm3、2.30g/cm3、2.20g/cm3、2.10g/cm3、2.00g/cm3、1.90g/cm3、1.80g/cm3、1.70g/cm3、1.65g/cm3、1.60g/cm3等的泥石流运动淤积情况；泥石流间的摩擦阻力：确定摩擦阻力系数为其重要内容，依照公式(1)，基于流体的容重、泥石颗粒直径、泥石体积比和颗粒的密度等参数确定其摩擦阻力；式中：ω表示泥石流中泥石体积比；ai表示微调值范围为0.042-0.24的微调系数；d表示泥石流中主要颗粒直径；为范围为17°-37°的动摩擦角；ρm为颗粒密度；h为泥石流堆积深度；λ浓度系数；根据泥石流的容重r、颗粒直径d和泥石体积比ω等参数来分析确定动态摩擦角和微调系数；在步骤四中，设定泥石流启动时流通槽及堆积板初始深度h＝0，随着模拟实验的启动，在流通槽中点处的激光泥位计随时记录泥位的变化过程；设定泥石流启动时流通槽初始土压力F土＝0，随着模拟实验的启动，在流通槽上、中及下段由土压力传感器随时记录土压力F土...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒和平，马金珠，张鹏，齐识，朱高峰，杨芳，刘东飞，顾春杰，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62