[发明专利]泥石流沿程演化参数测算方法

摘要

本发明公开了一种实验系统。针对现有实验装置无法模拟泥石流自然性态、泥石流真实运动过程中性态参数时空变化特征难以还原与测算的缺陷，本发明首先提供了一种泥石流沿程演化实验测量系统。系统包括试样配置输出装置、试样流通控制装置、取样回收装置、性态测量装置。测量系统搅拌水土混合物配制泥石流试样，泥石流试样在槽体中模拟泥石流运动过程。槽体内布置应力传感器、试样配置输出装置中布置激光水位仪。取样回收装置还可以包括由间歇式电动转盘旋转角度取样装置。本发明还提供利用该实验系统实现的泥石流试样沿程演化参数测算方法，计算泥石流试样运动过程中相关性态参数如密度、体积比浓度、输沙率等的沿程时空变化特征。

主权项

一种泥石流试样沿程演化参数测算方法，采用泥石流沿程演化实验测量系统实现，其特征在于：所述泥石流沿程演化实验测量系统包括依次连接的试样配置输出装置(1)、试样流通控制装置(2)、取样回收装置(3)，还包括泥石流性态测量装置(4)、成像装置(5)；所述试样配置输出装置(1)包括物料桶(11)，物料桶(11)内腔有竖直中心转轴(12)，中心转轴(12)底部有搅拌叶(13)，中心转轴(12)上部与旋转电机转轴连接；所述物料桶(11)桶壁下部开口，开口处布置闸门(14)，闸门(14)与槽体(21)前端相接；所述试样流通控制装置(2)主体是槽体(21)，所述槽体(21)是两端开口的长槽型结构，前端高于后端；槽体(21)前端与试样配置输出装置(1)相接，槽体(21)后端与取样回收装置(3)相接；槽体(21)侧壁(211)是透明材料加工成；在槽体(21)侧向和在槽体(21)正上方分别有成像装置(5)；所述泥石流性态测量装置(4)包括布置在物料桶(11)上沿的激光水位仪(41)；所述激光水位仪(41)探头朝向物料桶内腔，激光水位仪(41)与上位数据采集分析中心(42)连接；上位数据采集分析中心(42)与应力传感器(43)连接；所述应力传感器(43)布置在槽体(21)底部，应力传感器(43)受力面朝向槽体(21)上方；所述成像装置(5)与上位数据采集分析中心(42)连接；泥石流试样沿程演化参数测算方法依如下步骤实施：步骤S1、前期准备根据实验研究目标设计泥石流样品密度，预备实验获取干土样颗粒特征数据，根据干土样颗粒特征确定满足泥石流样品密度的干土样与水用料比例；向物料桶(11)中加入水与干土样混合物，设置中心转轴(12)转速40转/min～50转/min，干土样与水搅拌均匀形成泥石流试样；步骤S2、测量试样流量出流流量Qn读取激光水位仪(41)读数，记录物料桶(11)内初始水位h0；开启闸门(14)使试样出流，同时读取激光水位仪(41)变化读数，记录试样出流时物料桶(11)内水位时刻变化序列(hn，Δtn)(n＝1,2,…)；依式1、式2计算泥石流试样出流流量QnΔh1＝h1‑h0,Δh2＝h2‑h1....Δhn＝hn‑hn‑1   式1式中，Qn—Δtn时刻泥石流试样出流流量，m3/s，(hn，Δtn)—泥石流试样出流时物料桶(11)内水位时刻变化序列，步骤S2确定，r—物料桶内径，m；步骤S3、测量槽体内试样流速从成像装置(5)获取槽体(21)内试样运动影像，利用帧率分析软件测量泥石流试样运动距离Sn，依式3计算泥石流试样时刻出流速度(vn，Δtn)：式中，vn—Δtn时刻泥石流试样速度，m/s，Sn—Δtn时刻泥石流试样行进距离，m，由成像装置(5)获取影像分析确定，Δtn—时间间隔，s，由步骤S2确定；步骤S4、计算槽体(21)内试样过流流深变化(Hn，Δtn)依式4计算槽体(21)内过流流深变化(Hn，Δtn)式中，Hn—Δtn时刻试样的流深，m，B—槽体(21)宽度，m，vn—Δtn时刻泥石流试样速度，m/s，由步骤S3确定，Qn—Δtn时刻泥石流试样出流流量，m3/s，由步骤S2确定；步骤S5、测量应力变化数据(Nn，Δtn)从应力传感器(43)获取试样运动过程中槽体(21)内沿程应力变化数据(Nn，Δtn)；步骤S6、计算泥石流试样以Δtn为时间间隔的沿程演化特征参数分别依式5、式6、式7计算试样密度ρ、体积比浓度Sv、输沙率Gb：式中，ρn—Δtn时刻泥石流试样密度，kg/m3，Nn—Δtn时刻应力传感器测值，N，步骤S5确定，θ—槽体(21)与地面夹角，°，B—槽体(21)宽度，m，b—压力传感器有效测量宽度，m，Gbn—Δtn时刻泥石流试样输沙率，kg/s，ρS—试样泥砂固体颗粒密度，kg/m3，取值2.65，ρw—清水密度，kg/m3，取1.0，Svn—Δtn时刻泥石流试样体积比浓度。