基于面流冲刷和降雨共同作用的泥石流物源启动模拟装置

摘要

本发明公开了一种基于面流冲刷和降雨共同作用的泥石流物源启动模拟装置，包括储水箱、后方汇水装置、降雨装置、框型支架、物料箱、流通区、堆积区和废水收集装置，该装置先通过后置框型支架固定流体区坡度，再调节前置框型支架可固定物料箱坡度，流通区和物料箱通过合页和弹性橡皮带相连。通过悬空式弹性网格绳，可实时观测堆积体的堆积形态和特征。后方汇水装置通过7～10个束装水流和两道水流障碍物可实现面流冲刷。本发明可以模拟面流冲刷和降雨共同作用下，泥石流的启动、运移和堆积情况。并且可通过改变物源箱和流通区的坡度，研究不同坡度下泥石流的启动机理。本发明可真实模拟面流冲刷和降雨共同作用下泥石流的启动过程。

说明书

技术领域

本发明涉及一种泥石流实验装置，特别是一种用于面流冲刷和降雨共同作用下的，泥石流物源体遭受面流冲刷和降雨共同作用的泥石流启动实验装置。

背景技术

国内外对泥石流模拟实验越来越多，同时也越来越精细化。泥石流实验包括室内模型实验、现场模型实验和数值模拟等。在模拟实验中，降雨是诱发泥石流启动的关键性因素，降雨的作用方式有两种，一种是直接降雨，一种是汇流冲刷。实验中后方汇水的冲刷作用一直是物理模拟实验不可缺少的一部分，如何真实模拟后方汇水冲刷的作用一直是泥石流物理模型实验的难点。

目前，模拟泥石流后方汇水的装置基本为管道式集中冲刷，即在模型箱后方设置较粗管道，对箱内物源体进行冲刷。但是，管道式后方汇水的模拟方法人为确定了物源体冲刷沟的位置，减小了物源体的受冲刷面积，增加了被冲刷土体所受应力，造成应力集中现象，而且管道式后方汇水作用范围覆盖不到物源体两侧土体。因此，后方汇水不均匀现象直接影响试验结果，造成临界雨量、含水率、孔隙水压力以及泥石流沟的规模等现象的误判，进而影响到泥石流的预测和预警。因此，发明一种面流汇水装置，通过面流冲刷和降雨共同作用的方式施加水流作用，可以较真实模拟泥石流的启动和发生过程。而且到目前为止，尚没有实验室可以模拟面流冲刷的作用，尤其是均匀坡面流冲刷和降雨的共同作用。

发明内容

本发明提供了一种操作简便，造价低廉，能有效模拟均匀面流冲刷和降雨共同作用下的泥石流启动实验装置。本发明可以模拟不同坡度、不同降雨强度和不同后方汇水面流冲刷作用下泥石流的启动、运移和堆积过程，同时通过可拆卸式网格状弹性绳，可以实时监测堆积区物源的运移情况。

本发明包括：

储水箱，为物源体均匀面流和降雨提供水源和水压；

物料箱，用于盛放泥石流物源体，所述物料箱相对于基准面有一定高度；

流通区，一端与物料箱相连，另一端与堆积区相连；

堆积区，位于基准面上，与流通区相接；

后方汇水装置，为泥石流启动提供均匀面流；

降雨装置，为泥石流启动提供雾状均匀降雨；

废水收集装置，将实验过程中，流经堆积区的废水进行收集；

框型支架，包括前置型钢支架和后置型钢支架，前置型钢支架为后方汇水装置和物料箱提供支撑，后置型钢支架为物料箱、流通区和降雨装置提供支撑，物料箱和流通区的坡度通过框型支架能进行调节；前置型钢支架和后置型钢支架具有定滑轮。

所述的储水箱为PE水箱，水箱上装有自吸泵，自吸泵的进水口位于储水箱中，自吸泵的出水口与PVC供水管和PVC管道连通；自吸泵向后方汇水装置和所述的降雨装置供水；

所述的物料箱是由两侧的有机玻璃、第一底部钢板组成，第一底部钢板经过抛丸处理，以增加底部摩擦力。

所述的后方汇水装置由汇水阀门、汇水流量计、PVC管道、6-10个汇水出水孔、PVC板以及两道水流障碍物组成。

所述的堆积区由弹性网格绳和堆积区箱型装置构成，弹性网格绳位于堆积区箱型装置之上，堆积区箱型装置由钢板焊接而成，堆积区箱型装置表面经过抛丸处理，堆积区上端与流通区的出口相接，堆积区下端设置两个排水管道。堆积区顶部设置×网格，网格间距mm，网格由弹性网格绳交替连接而成，弹性网格绳两侧设有挂钩，方便拆卸。堆积区上方设置照相机，堆积区的尾部设置摄像机；

所述的降雨装置是由降雨供水阀门、降雨流量计、PVC供水管和降雨喷头组成，PVC供水管与自吸泵出水口连通，降雨供水阀门、降雨流量计设置在PVC供水管前部，PVC供水管的尾部安装有若干降雨喷头，降雨喷头位于物料箱之上，

所述的流通区是由流通区有机玻璃和第二底部钢板组成，第二底部钢板的两侧设置流通区有机玻璃，第二底部钢板通过合页与物料箱的第一底部钢板相连。

由储水箱提供水源，物料箱内的物源体在后方汇水装置和降雨喷头的面状水流和降雨的作用下，形成实验用的泥石流流体，泥石流流体经过流通区，进入堆积区箱型装置，过剩水流通过排水管道排到废水收集装置中。

物料箱角度调节范围为0～25°。

流通区通过物料箱的出口端高度来调节坡度，流通区的坡度范围为0～40°。

弹性网格绳两端可挂扣在钢板孔上，实验结束后，弹性网格绳可拆卸，不影响堆积体的量测和清理。

本发明操作过程如下：

1)根据现场调查和谷歌地图，确定研究区面积，通过查询水文资料，得到模拟的暴雨工况，再根据流域面积和雨强，计算出后方汇水流量。

2)选取泥石流沟内较为典型的物源体，作为拟模拟的启动物源体，对该物源体进行筛分，确定出各个级配的比例，并根据等质量替代法，确定出实验平台所需物源体级配。

3)根据物源体所处的地形和坡度，调整后置型钢支架的横杆支撑的高度，即可得到流通区的坡度。通过调整前置型钢支架的横杆支撑，即可固定物料箱的坡度。

4)通过定滑轮，将物源体均匀放置于物料箱内，同时安装含水率仪和孔隙水压力计，并做好密实度检测，以保证模拟物源的密实度与现场物源密实度相同或者相近。

5)将储水箱注满水，安装好堆积区的弹性绳网格，打开照相机和摄像机。

6)由自吸泵开始供水，根据上述设计雨强和后方汇水流量，调整降雨供水阀门，根据降雨流量计控制好降雨强度，调整汇水阀门和汇水流量计，即可实现均匀面流冲刷和雾状降雨的同时进行。通过有机玻璃观察物料箱内泥石流的冲刷和启动特征。通过流通区有机玻璃，可观察流通区内泥石流体的搬运特征，通过弹性绳网格线，观察堆积区泥石流的堆积特征，并对泥石流堆积体的长度、宽度和韵律变化特征做好记录。

7)当降雨量和后方汇水达到模拟值时，关闭水闸。并做好数据的采集和记录工作。

本发明的有益效果：

1、模型实验平台具有造价低廉、操作方便、规模适中、分段可调等特点。本实验平台组装和拆卸容易，且通过分段式调节物料区和流通区的坡度，可以模拟不同地形坡度对泥石流的影响；

2、通过自主设计的后方汇水装置，可以达到均匀面流后方汇水的目的，避免集中水流对物源体进行冲刷，人为加大水流冲刷作用，从而造成了模拟结果与实际不符的现象；

3、堆积区网格悬空布置，具有可观测性强、拆卸简单和排水方便等优点。避免了在地面上划分网格，物料和浑浊水流的覆盖往往将网格淹没，根本无法观测地面网格的现象。

附图说明

图1为本发明的立体示意图。

图2为本发明的侧视图。

图3为本发明的后方汇水装置的立体结构示意图。

图4为本发明的框型支架示意图。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明包括：

储水箱1，为物源体均匀面流和降雨提供水源和水压；

物料箱13，用于盛放泥石流物源体，所述物料箱13相对于基准面有一定高度；

流通区15，一端与物料箱13相连，另一端与堆积区A相连；

堆积区A，位于基准面上，与流通区15相接；

后方汇水装置7，为泥石流启动提供均匀面流；

降雨装置B，为泥石流启动提供雾状均匀降雨；

废水收集装置21，将实验过程中，流经堆积区A的废水进行收集；

框型支架C，包括前置型钢支架10和后置型钢支架12，前置型钢支架10为后方汇水装置7和物料箱13提供支撑，后置型钢支架12为物料箱13、流通区15和降雨装置B提供支撑，物料箱13和流通区15的坡度通过框型支架C能进行调节；前置型钢支架10和后置型钢支架12具有定滑轮28。

所述的储水箱1为PE水箱，水箱上装有自吸泵2，自吸泵2的进水口位于储水箱1中，自吸泵2的出水口与PVC供水管5和PVC管道27连通；自吸泵2向后方汇水装置7和所述的降雨装置B供水；

所述的物料箱13是由两侧的有机玻璃25、第一底部钢板26组成，第一底部钢板26经过抛丸处理，以增加底部摩擦力。

所述的后方汇水装置7由汇水阀门23、汇水流量计24、PVC管道27、6-10个汇水出水孔6、PVC板9以及两道水流障碍物8组成。

所述的堆积区A由弹性网格绳17和堆积区箱型装置18构成，弹性网格绳17位于堆积区箱型装置18之上，堆积区箱型装置18由钢板焊接而成，堆积区箱型装置18表面经过抛丸处理，堆积区A上端与流通区15的出口相接，堆积区A下端设置两个排水管道20。堆积区A顶部设置5×7网格，网格间距300mm，网格由弹性网格绳17交替连接而成，弹性网格绳17两侧设有挂钩，方便拆卸。堆积区A上方设置照相机16，堆积区A的尾部设置摄像机19；

所述的降雨装置B是由降雨供水阀门3、降雨流量计4、PVC供水管5和降雨喷头11组成，PVC供水管5与自吸泵2出水口连通，降雨供水阀门3、降雨流量计4设置在PVC供水管5前部，PVC供水管5的尾部安装有若干降雨喷头11，降雨喷头11位于物料箱13之上，

所述的流通区15是由流通区有机玻璃14和第二底部钢板22组成，第二底部钢板22的两侧设置流通区有机玻璃14，第二底部钢板22通过合页与物料箱13的第一底部钢板26相连。

由储水箱1提供水源，物料箱13内的物源体在后方汇水装置7和降雨喷头11的面状水流和降雨的作用下，形成实验用的泥石流流体，泥石流流体经过流通区15，进入堆积区箱型装置18，过剩水流通过排水管道20排到废水收集装置21中。

物料箱13角度调节范围为0～25°。

流通区15通过物料箱13的出口端高度来调节坡度，流通区15的坡度范围为0～40°。

弹性网格绳17两端可挂扣在钢板孔上，实验结束后，弹性网格绳17可拆卸，不影响堆积体的量测和清理。

本发明操作过程如下：

1)根据现场调查和谷歌地图，确定研究区面积，通过查询水文资料，得到模拟的暴雨工况，再根据流域面积和雨强，计算出后方汇水流量。

2)选取泥石流沟内较为典型的物源体，作为拟模拟的启动物源体，对该物源体进行筛分，确定出各个级配的比例，并根据等质量替代法，确定出实验平台所需物源体级配。

3)根据物源体所处的地形和坡度，调整后置型钢支架12的横杆支撑的高度，即可得到流通区15的坡度。通过调整前置型钢支架10的横杆支撑，即可固定物料箱13的坡度。

4)通过定滑轮28，将物源体均匀放置于物料箱13内，同时安装含水率仪和孔隙水压力计，并做好密实度检测，以保证模拟物源的密实度与现场物源密实度相同或者相近。

5)将储水箱1注满水，安装好堆积区A的弹性绳网格17，打开照相机16和摄像机19。

6)由自吸泵2开始供水，根据上述设计雨强和后方汇水流量，调整降雨供水阀门，根据降雨流量计4控制好降雨强度，调整汇水阀门23和汇水流量计24，即可实现均匀面流冲刷和雾状降雨的同时进行。通过有机玻璃25观察物料箱内泥石流的冲刷和启动特征。通过流通区有机玻璃14，可观察流通区15内泥石流体的搬运特征，通过弹性绳网格线17，观察堆积区泥石流的堆积特征，并对泥石流堆积体的长度、宽度和韵律变化特征做好记录。

7)当降雨量和后方汇水达到模拟值时，关闭水闸。并做好数据的采集和记录工作。