泥石流沿程演化實驗測量系統及參數測算方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種研究用實驗系統，特別是涉及一種泥石流沿程演化運動實驗測量 系統，以及泥石流試樣沿程演化參數測算方法。屬于試驗機械、測量技術領域。
【背景技術】
[0002] 泥石流（體積比濃度Sv> 0? 27,見費祥俊，舒安平?泥石流運動機理與災害防治 [M].清華大學出版社有限公司，2004.pl3)尤其粘性泥石流（密度大于1. 5g/cm3)是一種 多相流體，屬于非均質、非恒定的非牛頓流體，且內含大量泥沙石塊，流體性質與流動特征 隨時空變化顯著。泥石流的沿程演化特征是泥石流研究的核心問題，也是泥石流災害防治 的理論基礎。真實泥石流運動過程中，泥石流會侵蝕挾帶途經床面的松散土層，且隨著運動 速度的降低和泥沙飽和度的增大，其中所挾顆粒又會發生沉積。因此，泥石流的運動過程是 一個侵蝕與沉積交替出現的過程，也是一個變體積，變濃度，變挾沙量的過程。所以泥石流 沿程演化過程中泥石流體積比濃度和輸沙率變化問題是泥石流動力過程的重要特征。
[0003] 由于野外泥石流暴發的驟然性和本身漿體渾濁導致的不可觀測性，使得即使現場 實地測量泥石流沿程演化參數（包括體積比濃度和輸沙率）的時空變化也非常困難，故目 前圍繞泥石流沿程演化過程中泥石流體積比濃度和輸沙率變化問題多基于室內實驗開展。 盡管目前已開展有較多實驗研究，但普遍存在兩方面主要缺陷：其一，研究都是基于清水或 低含沙水流（密度小于1. 2g/cm3)對床面松散物質侵蝕沉積開展的，即以實驗模擬的清水 或低含沙水流替代實驗模擬的泥石流作為研究對象。這勢必造成實驗數據與實際數據間的 差異，限制了實驗研究結果的應用推廣。其二，對泥石流動力過程的分析幾乎均建立在泥石 流運動過程中體積一定的基礎上，即忽略了泥石流動力過程中與溝床床面、側岸的物質交 互作用。所以泥石流沿程演化特征方面的研究成為目前泥石流研究的難點。為采用實驗系 統研究泥石流沿程演化性態特征，需首先解決室內實驗條件下模擬野外泥石流自然性態的 技術問題。
[0004] 申請號為2011100479949、公開號為CN102147325A的中國發明專利申請公開了 一種非恒定泥石流實驗裝置。該裝置包括儲水箱、盛放土石料的料斗、傾斜設置且傾斜角可 調的槽體、承接槽體來料的集料池，槽體的進口高于出口，儲水箱的出水口與槽體的進口連 接。該裝置是利用儲水箱中的水與料斗內的土石料在槽體進口處匯合，從而形成實驗用的 模擬泥石流流體。該裝置明顯的缺陷在于：僅僅依靠水與土石料在槽體進口處的自然匯合， 并不能有效模擬出泥石流的自然性態，即模擬其多相、非均質、非恒定的非牛頓流體特征。
[0005] 申請號為2014202317986、授權公告號為CN203965277U的中國實用新型專利公 開了一種粘滯性泥石流實驗模擬裝置，包括一個制作泥石流的攪拌桶。該攪拌桶包括電機、 攪拌器、圓筒、桶蓋和圓筒底座，電機固定在桶蓋上，攪拌器與電機連接并伸入圓筒內。實驗 開始時在圓筒內按比例加入土壤、砂礫和水。然后固定桶蓋，打開電機，5~10分鐘后泥石 流攪拌成型。再將攪拌桶取下，倒出桶內泥石流。在實驗使用中，該裝置至少存在兩方面缺 陷：其一、泥石流配置裝置（即攪拌桶）是獨立的，泥石流攪拌成型后再填入物料槽，會出現 由于操作時間差與土樣自然沉降原因而無法真實模擬泥石流自然性態；其二、由于泥石流 漿體性質導致流體渾濁程度高，該測量裝置無法觀測到泥石流與溝床床面物質交互過程， 因而更無法測算泥石流體積比濃度沿程演化這一重要特征參數。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的就是針對現有技術的不足，提供一種泥石流沿程演化實驗測量系 統，使之可較好模擬泥石流包括稀性、亞粘性、強粘性泥石流（大于1.8g/cm3)性態，測算泥 石流與溝床床面物質交互過程中引起的體積比濃度沿程演化。進一步地，本發明還提供基 于該系統實現的泥石流試樣沿程演化參數測算方法。
[0007] 為實現上述目的，本發明首先提供一種泥石流沿程演化實驗測量系統，其技術方 案如下：
[0008] -種泥石流沿程演化實驗測量系統，包括依次連接的試樣配置輸出裝置、試樣流 通控制裝置、取樣回收裝置，其特征在于：所述泥石流運動實驗系統還包括泥石流性態測量 裝置；
[0009] 所述試樣流通控制裝置主體是槽體，所述槽體是兩端開口的長槽型結構，前端高 于后端；槽體前端與試樣配置輸出裝置相接，槽體后端與取樣回收裝置相接；
[0010] 所述試樣配置輸出裝置包括物料桶，物料桶內腔有豎直中心轉軸，中心轉軸底部 有攪拌葉，中心轉軸上部與旋轉電機轉軸連接；所述物料桶桶壁下部開口，開口處布置閘 門，閘門與槽體前端相接；
[0011] 所述泥石流性態測量裝置包括布置在物料桶上沿的激光水位儀；所述激光水位儀 探頭朝向物料桶內腔，激光水位儀與上位數據采集分析中心連接。
[0012] 上述泥石流沿程演化實驗測量系統的試樣配置輸出裝置用于在物料桶中通過攪 拌水土混合物制備泥石流試樣。泥石流試樣經閘門進入槽體，在槽體中向下運動模擬泥石 流運動過程，最終進入取樣回收裝置。利用激光水位儀可以測量物料桶內泥石流試樣水位 變化，計算進入槽體的泥石流試樣的流量。槽體模擬泥石流流通區，其與地面夾角一般設計 為 9 < 40。。
[0013] 進一步地，上述泥石流沿程演化實驗測量系統中，泥石流性態測量裝置還包括與 上位數據采集分析中心連接的應力傳感器。應力傳感器布置在槽體底部，應力傳感器受力 面朝向槽體上方。應力傳感器測量泥石流試樣在運動過程中對槽體底部施加的壓力指標， 可用于測算泥石流試樣的相關性態參數（如密度、體積比濃度、輸沙率等）。當將多個應力 傳感器沿槽體徑向布置在槽體底部時，則可根據不同測量位點上的應力參數變化測算泥石 流試樣運動過程中相關性態參數的沿程時空變化特征。
[0014] 進一步地，上述泥石流沿程演化實驗測量系統中還包括成像裝置。具體是，在槽體 側向和在槽體正上方分別有成像裝置，成像裝置與上位數據采集分析中心連接。兩個成像 裝置位點的選擇是在于：在槽體側向處，成像裝置用于獲取泥石流試樣沿溝道運動過程側 視圖像。在槽體正上方，成像裝置用于獲取泥石流試樣沿溝道侵蝕運動過程俯視圖像。整體 上，設置多個成像裝置可以解決由于在實驗條件下成像裝置距離測量系統硬件距離較近， 所能拍攝區域有限，存在拍攝死角的問題。每個成像裝置獲取的圖像均可用于相同的圖像 處理分析過程測算相同的指標，如測量泥石流試樣運行距離等。但區分不同位點調取所攝 圖像用于分析，結果更為準確。
[0015] 在優化設計下，上述泥石流沿程演化實驗測量系統中，閘門是杠桿閘門，包括閘門 體。閘門體通過拉索與杠桿聯接。由于模擬泥石流真實性態的土樣密度大，為保證流態穩 定所采用土樣量多，所以施加在閘門上的側壓力非常大，現有技術中采用的普通閘門形式 極易造成閘門開啟不暢，影響實驗進行，也影響對泥石流狀態的有效模擬。采用杠桿閘門由 于杠桿平衡原理，便可以保證即使大密度、大體積實驗中，閘門也可人為輕易開啟。攪拌葉 設計為弓形，弓背向上。弓型攪拌葉底部距離物料桶底的最小高度小于實驗中泥石流試樣 涉及顆粒的最大粒徑。
[0016] 上述泥石流沿程演化實驗測量系統可用于模擬泥石流在排導槽等混凝土建筑物 中運動，無床面侵蝕僅有沉積現象出現的情況，即為床面無床砂實驗。當需要模擬泥石流在 普通山區溝道運動時，既有侵蝕也有沉積現象出現的情況，即為物質與泥石流床面交互實 驗，則需要首先在槽體底面鋪設床砂。床砂是實驗中用于制備泥石流樣品的土樣或者不同 粒徑的石英砂。
[0017] 基于上述泥石流沿程演化實驗測量系統，本發明還提供一種由其實現的泥石流試 樣沿程演化參數測算方法，其技術方案如下：
[0018] -種利用上述泥石流沿程演化實驗測量系統實現的泥石流試樣沿程演化參數測 算方法，其特征在于：依如下步驟實施：
[0019] 步驟S1、前期準備
[0020] 根據實驗研究目標設計泥石流樣品密度，預備實驗