基于面流沖刷和降雨共同作用的泥石流物源啟動(dòng)模擬裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于面流沖刷和降雨共同作用的泥石流物源啟動(dòng)模擬裝置，包括儲(chǔ)水箱、后方匯水裝置、降雨裝置、框型支架、物料箱、流通區(qū)、堆積區(qū)和廢水收集裝置，該裝置先通過(guò)后置框型支架固定流體區(qū)坡度，再調(diào)節(jié)前置框型支架可固定物料箱坡度，流通區(qū)和物料箱通過(guò)合頁(yè)和彈性橡皮帶相連。通過(guò)懸空式彈性網(wǎng)格繩，可實(shí)時(shí)觀測(cè)堆積體的堆積形態(tài)和特征。后方匯水裝置通過(guò)7～10個(gè)束裝水流和兩道水流障礙物可實(shí)現(xiàn)面流沖刷。本發(fā)明可以模擬面流沖刷和降雨共同作用下，泥石流的啟動(dòng)、運(yùn)移和堆積情況。并且可通過(guò)改變物源箱和流通區(qū)的坡度，研究不同坡度下泥石流的啟動(dòng)機(jī)理。本發(fā)明可真實(shí)模擬面流沖刷和降雨共同作用下泥石流的啟動(dòng)過(guò)程。
【專利說(shuō)明】
基于面流沖刷和降雨共同作用的泥石流物源啟動(dòng)模擬裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種泥石流實(shí)驗(yàn)裝置，特別是一種用于面流沖刷和降雨共同作用下的，泥石流物源體遭受面流沖刷和降雨共同作用的泥石流啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]國(guó)內(nèi)外對(duì)泥石流模擬實(shí)驗(yàn)越來(lái)越多，同時(shí)也越來(lái)越精細(xì)化。泥石流實(shí)驗(yàn)包括室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等。在模擬實(shí)驗(yàn)中，降雨是誘發(fā)泥石流啟動(dòng)的關(guān)鍵性因素，降雨的作用方式有兩種，一種是直接降雨，一種是匯流沖刷。實(shí)驗(yàn)中后方匯水的沖刷作用一直是物理模擬實(shí)驗(yàn)不可缺少的一部分，如何真實(shí)模擬后方匯水沖刷的作用一直是泥石流物理模型實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)。
[0003]目前，模擬泥石流后方匯水的裝置基本為管道式集中沖刷，即在模型箱后方設(shè)置較粗管道，對(duì)箱內(nèi)物源體進(jìn)行沖刷。但是，管道式后方匯水的模擬方法人為確定了物源體沖刷溝的位置，減小了物源體的受沖刷面積，增加了被沖刷土體所受應(yīng)力，造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，而且管道式后方匯水作用范圍覆蓋不到物源體兩側(cè)土體。因此，后方匯水不均勻現(xiàn)象直接影響試驗(yàn)結(jié)果，造成臨界雨量、含水率、孔隙水壓力以及泥石流溝的規(guī)模等現(xiàn)象的誤判，進(jìn)而影響到泥石流的預(yù)測(cè)和預(yù)警。因此，發(fā)明一種面流匯水裝置，通過(guò)面流沖刷和降雨共同作用的方式施加水流作用，可以較真實(shí)模擬泥石流的啟動(dòng)和發(fā)生過(guò)程。而且到目前為止，尚沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室可以模擬面流沖刷的作用，尤其是均勻坡面流沖刷和降雨的共同作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種操作簡(jiǎn)便，造價(jià)低廉，能有效模擬均勻面流沖刷和降雨共同作用下的泥石流啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置。本發(fā)明可以模擬不同坡度、不同降雨強(qiáng)度和不同后方匯水面流沖刷作用下泥石流的啟動(dòng)、運(yùn)移和堆積過(guò)程，同時(shí)通過(guò)可拆卸式網(wǎng)格狀彈性繩，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)堆積區(qū)物源的運(yùn)移情況。
[0005]本發(fā)明包括:
[0006]儲(chǔ)水箱，為物源體均勻面流和降雨提供水源和水壓；
[0007]物料箱，用于盛放泥石流物源體，所述物料箱相對(duì)于基準(zhǔn)面有一定高度；
[0008]流通區(qū)，一端與物料箱相連，另一端與堆積區(qū)相連；
[0009]堆積區(qū)，位于基準(zhǔn)面上，與流通區(qū)相接；
[0010]后方匯水裝置，為泥石流啟動(dòng)提供均勻面流；
[0011]降雨裝置，為泥石流啟動(dòng)提供霧狀均勻降雨；
[0012]廢水收集裝置，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，流經(jīng)堆積區(qū)的廢水進(jìn)行收集；
[0013]框型支架，包括前置型鋼支架和后置型鋼支架，前置型鋼支架為后方匯水裝置和物料箱提供支撐，后置型鋼支架為物料箱、流通區(qū)和降雨裝置提供支撐，物料箱和流通區(qū)的坡度通過(guò)框型支架能進(jìn)行調(diào)節(jié);前置型鋼支架和后置型鋼支架具有定滑輪。
[0014]所述的儲(chǔ)水箱為PE水箱，水箱上裝有自吸栗，自吸栗的進(jìn)水口位于儲(chǔ)水箱中，自吸栗的出水口與PVC供水管和PVC管道連通；自吸栗向后方匯水裝置和所述的降雨裝置供水；
[0015]所述的物料箱是由兩側(cè)的有機(jī)玻璃、第一底部鋼板組成，第一底部鋼板經(jīng)過(guò)拋丸處理，以增加底部摩擦力。
[0016]所述的后方匯水裝置由匯水閥門、匯水流量計(jì)、PVC管道、6-10個(gè)匯水出水孔、PVC板以及兩道水流障礙物組成。
[0017]所述的堆積區(qū)由彈性網(wǎng)格繩和堆積區(qū)箱型裝置構(gòu)成，彈性網(wǎng)格繩位于堆積區(qū)箱型裝置之上，堆積區(qū)箱型裝置由鋼板焊接而成，堆積區(qū)箱型裝置表面經(jīng)過(guò)拋丸處理，堆積區(qū)上端與流通區(qū)的出口相接，堆積區(qū)下端設(shè)置兩個(gè)排水管道。堆積區(qū)頂部設(shè)置X網(wǎng)格，網(wǎng)格間距mm，網(wǎng)格由彈性網(wǎng)格繩交替連接而成，彈性網(wǎng)格繩兩側(cè)設(shè)有掛鉤，方便拆卸。堆積區(qū)上方設(shè)置照相機(jī)，堆積區(qū)的尾部設(shè)置攝像機(jī)；
[0018]所述的降雨裝置是由降雨供水閥門、降雨流量計(jì)、PVC供水管和降雨噴頭組成，PVC供水管與自吸栗出水口連通，降雨供水閥門、降雨流量計(jì)設(shè)置在PVC供水管前部，PVC供水管的尾部安裝有若干降雨噴頭，降雨噴頭位于物料箱之上，
[0019]所述的流通區(qū)是由流通區(qū)有機(jī)玻璃和第二底部鋼板組成，第二底部鋼板的兩側(cè)設(shè)置流通區(qū)有機(jī)玻璃，第二底部鋼板通過(guò)合頁(yè)與物料箱的第一底部鋼板相連。
[0020]由儲(chǔ)水箱提供水源，物料箱內(nèi)的物源體在后方匯水裝置和降雨噴頭的面狀水流和降雨的作用下，形成實(shí)驗(yàn)用的泥石流流體，泥石流流體經(jīng)過(guò)流通區(qū)，進(jìn)入堆積區(qū)箱型裝置，過(guò)剩水流通過(guò)排水管道排到廢水收集裝置中。
[0021 ]物料箱角度調(diào)節(jié)范圍為O?25°。
[0022]流通區(qū)通過(guò)物料箱的出口端高度來(lái)調(diào)節(jié)坡度，流通區(qū)的坡度范圍為O?40°。
[0023]彈性網(wǎng)格繩兩端可掛扣在鋼板孔上，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，彈性網(wǎng)格繩可拆卸，不影響堆積體的量測(cè)和清理。
[0024]本發(fā)明操作過(guò)程如下:
[0025]I)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和谷歌地圖，確定研究區(qū)面積，通過(guò)查詢水文資料，得到模擬的暴雨工況，再根據(jù)流域面積和雨強(qiáng)，計(jì)算出后方匯水流量。
[0026]2)選取泥石流溝內(nèi)較為典型的物源體，作為擬模擬的啟動(dòng)物源體，對(duì)該物源體進(jìn)行篩分，確定出各個(gè)級(jí)配的比例，并根據(jù)等質(zhì)量替代法，確定出實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所需物源體級(jí)配。
[0027]3)根據(jù)物源體所處的地形和坡度，調(diào)整后置型鋼支架的橫桿支撐的高度，即可得到流通區(qū)的坡度。通過(guò)調(diào)整前置型鋼支架的橫桿支撐，即可固定物料箱的坡度。
[0028]4)通過(guò)定滑輪，將物源體均勻放置于物料箱內(nèi)，同時(shí)安裝含水率儀和孔隙水壓力計(jì)，并做好密實(shí)度檢測(cè)，以保證模擬物源的密實(shí)度與現(xiàn)場(chǎng)物源密實(shí)度相同或者相近。
[0029]5)將儲(chǔ)水箱注滿水，安裝好堆積區(qū)的彈性繩網(wǎng)格，打開(kāi)照相機(jī)和攝像機(jī)。
[0030]6)由自吸栗開(kāi)始供水，根據(jù)上述設(shè)計(jì)雨強(qiáng)和后方匯水流量，調(diào)整降雨供水閥門，根據(jù)降雨流量計(jì)控制好降雨強(qiáng)度，調(diào)整匯水閥門和匯水流量計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)均勻面流沖刷和霧狀降雨的同時(shí)進(jìn)行。通過(guò)有機(jī)玻璃觀察物料箱內(nèi)泥石流的沖刷和啟動(dòng)特征。通過(guò)流通區(qū)有機(jī)玻璃，可觀察流通區(qū)內(nèi)泥石流體的搬運(yùn)特征，通過(guò)彈性繩網(wǎng)格線，觀察堆積區(qū)泥石流的堆積特征，并對(duì)泥石流堆積體的長(zhǎng)度、寬度和韻律變化特征做好記錄。
[0031]7)當(dāng)降雨量和后方匯水達(dá)到模擬值時(shí)，關(guān)閉水閘。并做好數(shù)據(jù)的采集和記錄工作。
[0032]本發(fā)明的有益效果:
[0033]1、模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有造價(jià)低廉、操作方便、規(guī)模適中、分段可調(diào)等特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組裝和拆卸容易，且通過(guò)分段式調(diào)節(jié)物料區(qū)和流通區(qū)的坡度，可以模擬不同地形坡度對(duì)泥石流的影響；
[0034]2、通過(guò)自主設(shè)計(jì)的后方匯水裝置，可以達(dá)到均勻面流后方匯水的目的，避免集中水流對(duì)物源體進(jìn)行沖刷，人為加大水流沖刷作用，從而造成了模擬結(jié)果與實(shí)際不符的現(xiàn)象；
[0035]3、堆積區(qū)網(wǎng)格懸空布置，具有可觀測(cè)性強(qiáng)、拆卸簡(jiǎn)單和排水方便等優(yōu)點(diǎn)。避免了在地面上劃分網(wǎng)格，物料和渾濁水流的覆蓋往往將網(wǎng)格淹沒(méi)，根本無(wú)法觀測(cè)地面網(wǎng)格的現(xiàn)象。
【附圖說(shuō)明】
[0036]圖1為本發(fā)明的立體不意圖。
[0037]圖2為本發(fā)明的側(cè)視圖。
[0038]圖3為本發(fā)明的后方匯水裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖4為本發(fā)明的框型支架示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]請(qǐng)參閱圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明包括:
[0041 ]儲(chǔ)水箱I，為物源體均勻面流和降雨提供水源和水壓；
[0042]物料箱13，用于盛放泥石流物源體，所述物料箱13相對(duì)于基準(zhǔn)面有一定高度；
[0043]流通區(qū)15，一端與物料箱13相連，另一端與堆積區(qū)A相連；
[0044]堆積區(qū)A，位于基準(zhǔn)面上，與流通區(qū)15相接；
[0045]后方匯水裝置7，為泥石流啟動(dòng)提供均勻面流；
[0046]降雨裝置B，為泥石流啟動(dòng)提供霧狀均勻降雨；
[0047]廢水收集裝置21，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，流經(jīng)堆積區(qū)A的廢水進(jìn)行收集；
[0048]框型支架C，包括前置型鋼支架10和后置型鋼支架12，前置型鋼支架10為后方匯水裝置7和物料箱13提供支撐，后置型鋼支架12為物料箱13、流通區(qū)15和降雨裝置B提供支撐，物料箱13和流通區(qū)15的坡度通過(guò)框型支架C能進(jìn)行調(diào)節(jié);前置型鋼支架10和后置型鋼支架12具有定滑輪28。
[0049]所述的儲(chǔ)水箱I為PE水箱，水箱上裝有自吸栗2，自吸栗2的進(jìn)水口位于儲(chǔ)水箱I中，自吸栗2的出水口與PVC供水管5和PVC管道27連通；自吸栗2向后方匯水裝置7和所述的降雨裝置B供水；
[0050]所述的物料箱13是由兩側(cè)的有機(jī)玻璃25、第一底部鋼板26組成，第一底部鋼板26經(jīng)過(guò)拋丸處理，以增加底部摩擦力。
[0051 ] 所述的后方匯水裝置7由匯水閥門23、匯水流量計(jì)24、PVC管道27、6-10個(gè)匯水出水孔6、PVC板9以及兩道水流障礙物8組成。
[0052]所述的堆積區(qū)A由彈性網(wǎng)格繩17和堆積區(qū)箱型裝置18構(gòu)成，彈性網(wǎng)格繩17位于堆積區(qū)箱型裝置18之上，堆積區(qū)箱型裝置18由鋼板焊接而成，堆積區(qū)箱型裝置18表面經(jīng)過(guò)拋丸處理，堆積區(qū)A上端與流通區(qū)15的出口相接，堆積區(qū)A下端設(shè)置兩個(gè)排水管道20。堆積區(qū)A頂部設(shè)置5 X 7網(wǎng)格，網(wǎng)格間距300mm，網(wǎng)格由彈性網(wǎng)格繩17交替連接而成，彈性網(wǎng)格繩17兩側(cè)設(shè)有掛鉤，方便拆卸。堆積區(qū)A上方設(shè)置照相機(jī)16，堆積區(qū)A的尾部設(shè)置攝像機(jī)19;
[0053]所述的降雨裝置B是由降雨供水閥門3、降雨流量計(jì)4、PVC供水管5和降雨噴頭11組成，PVC供水管5與自吸栗2出水口連通，降雨供水閥門3、降雨流量計(jì)4設(shè)置在PVC供水管5前部，PVC供水管5的尾部安裝有若干降雨噴頭11，降雨噴頭11位于物料箱13之上，
[0054]所述的流通區(qū)15是由流通區(qū)有機(jī)玻璃14和第二底部鋼板22組成，第二底部鋼板22的兩側(cè)設(shè)置流通區(qū)有機(jī)玻璃14，第二底部鋼板22通過(guò)合頁(yè)與物料箱13的第一底部鋼板26相連。
[0055]由儲(chǔ)水箱I提供水源，物料箱13內(nèi)的物源體在后方匯水裝置7和降雨噴頭11的面狀水流和降雨的作用下，形成實(shí)驗(yàn)用的泥石流流體，泥石流流體經(jīng)過(guò)流通區(qū)15，進(jìn)入堆積區(qū)箱型裝置18，過(guò)剩水流通過(guò)排水管道20排到廢水收集裝置21中。
[0056]物料箱13角度調(diào)節(jié)范圍為O?25°。
[0057]流通區(qū)15通過(guò)物料箱13的出口端高度來(lái)調(diào)節(jié)坡度，流通區(qū)15的坡度范圍為O?
40。。
[0058]彈性網(wǎng)格繩17兩端可掛扣在鋼板孔上，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，彈性網(wǎng)格繩17可拆卸，不影響堆積體的量測(cè)和清理。
[0059]本發(fā)明操作過(guò)程如下:
[0060]I)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和谷歌地圖，確定研究區(qū)面積，通過(guò)查詢水文資料，得到模擬的暴雨工況，再根據(jù)流域面積和雨強(qiáng)，計(jì)算出后方匯水流量。
[0061]2)選取泥石流溝內(nèi)較為典型的物源體，作為擬模擬的啟動(dòng)物源體，對(duì)該物源體進(jìn)行篩分，確定出各個(gè)級(jí)配的比例，并根據(jù)等質(zhì)量替代法，確定出實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所需物源體級(jí)配。
[0062]3)根據(jù)物源體所處的地形和坡度，調(diào)整后置型鋼支架12的橫桿支撐的高度，即可得到流通區(qū)15的坡度。通過(guò)調(diào)整前置型鋼支架10的橫桿支撐，即可固定物料箱13的坡度。
[0063]4)通過(guò)定滑輪28，將物源體均勻放置于物料箱13內(nèi)，同時(shí)安裝含水率儀和孔隙水壓力計(jì)，并做好密實(shí)度檢測(cè)，以保證模擬物源的密實(shí)度與現(xiàn)場(chǎng)物源密實(shí)度相同或者相近。
[0064]5)將儲(chǔ)水箱I注滿水，安裝好堆積區(qū)A的彈性繩網(wǎng)格17，打開(kāi)照相機(jī)16和攝像機(jī)19。
[0065]6)由自吸栗2開(kāi)始供水，根據(jù)上述設(shè)計(jì)雨強(qiáng)和后方匯水流量，調(diào)整降雨供水閥門，根據(jù)降雨流量計(jì)4控制好降雨強(qiáng)度，調(diào)整匯水閥門23和匯水流量計(jì)24，即可實(shí)現(xiàn)均勻面流沖刷和霧狀降雨的同時(shí)進(jìn)行。通過(guò)有機(jī)玻璃25觀察物料箱內(nèi)泥石流的沖刷和啟動(dòng)特征。通過(guò)流通區(qū)有機(jī)玻璃14，可觀察流通區(qū)15內(nèi)泥石流體的搬運(yùn)特征，通過(guò)彈性繩網(wǎng)格線17，觀察堆積區(qū)泥石流的堆積特征，并對(duì)泥石流堆積體的長(zhǎng)度、寬度和韻律變化特征做好記錄。
[0066]7)當(dāng)降雨量和后方匯水達(dá)到模擬值時(shí)，關(guān)閉水閘。并做好數(shù)據(jù)的采集和記錄工作。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于面流沖刷和降雨共同作用的泥石流物源啟動(dòng)模擬裝置，其特征在于:包括有: 儲(chǔ)水箱(I)，為物源體均勻面流和降雨提供水源和水壓； 物料箱(13 )，用于盛放泥石流物源體，所述物料箱(13)相對(duì)于基準(zhǔn)面有一定高度； 流通區(qū)(15)，一端與物料箱(13)相連，另一端與堆積區(qū)(A)相連； 堆積區(qū)(A)，位于基準(zhǔn)面上，與流通區(qū)(15)相接； 后方匯水裝置(7)，為泥石流啟動(dòng)提供均勻面流； 降雨裝置(B)，為泥石流啟動(dòng)提供霧狀均勻降雨； 廢水收集裝置(21)，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，流經(jīng)堆積區(qū)(A)的廢水進(jìn)行收集； 框型支架(C)，包括前置型鋼支架(10)和后置型鋼支架(12)，前置型鋼支架(10)為后方匯水裝置(7)和物料箱(13)提供支撐，后置型鋼支架(12)為物料箱(13)、流通區(qū)(15)和降雨裝置(B)提供支撐，物料箱(13)和流通區(qū)(15)的坡度通過(guò)框型支架(C)能進(jìn)行調(diào)節(jié);前置型鋼支架(10)和后置型鋼支架(12)具有定滑輪(28); 所述的儲(chǔ)水箱(I)為PE水箱，水箱上裝有自吸栗(2)，自吸栗(2)的進(jìn)水口位于儲(chǔ)水箱(I)中，自吸栗(2)的出水口與PVC供水管(5)和PVC管道(27)連通；自吸栗(2)向后方匯水裝置(7)和所述的降雨裝置(B)供水； 所述的物料箱(13)是由兩側(cè)的有機(jī)玻璃(25)、第一底部鋼板(26)組成，第一底部鋼板(26)經(jīng)過(guò)拋丸處理，以增加底部摩擦力。 所述的后方匯水裝置(7)由匯水閥門(23)、匯水流量計(jì)(24)、PVC管道(27)、6_10個(gè)匯水出水孔(6)、PVC板(9)以及兩道水流障礙物(8)組成； 所述的堆積區(qū)(A)由彈性網(wǎng)格繩(17)和堆積區(qū)箱型裝置(18)構(gòu)成，彈性網(wǎng)格繩(17)位于堆積區(qū)箱型裝置(18)之上，堆積區(qū)箱型裝置(18)由鋼板焊接而成，堆積區(qū)箱型裝置(18)表面經(jīng)過(guò)拋丸處理，堆積區(qū)(A)下端設(shè)置兩個(gè)排水管道(20);堆積區(qū)(A)上方設(shè)置照相機(jī)(16)，堆積區(qū)(A)的尾部設(shè)置攝像機(jī)(19); 所述的降雨裝置(B)是由降雨供水閥門(3)、降雨流量計(jì)(4)、PVC供水管(5)和降雨噴頭(II)組成，PVC供水管(5)與自吸栗(2)出水口連通，降雨供水閥門(3)、降雨流量計(jì)(4)設(shè)置在PVC供水管(5)前部，PVC供水管(5)的尾部安裝有若干降雨噴頭(11)，降雨噴頭(11)位于物料箱(13)之上； 所述的流通區(qū)(15)是由流通區(qū)有機(jī)玻璃(14)和第二底部鋼板(22)組成，第二底部鋼板(22)的兩側(cè)設(shè)置流通區(qū)有機(jī)玻璃(14)，第二底部鋼板(22)通過(guò)合頁(yè)與物料箱(13)的第一底部鋼板(26)相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于面流沖刷和降雨共同作用的泥石流物源啟動(dòng)模擬裝置，其特征在于:所述的物料箱(13)角度調(diào)節(jié)范圍為O?25°。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于面流沖刷和降雨共同作用的泥石流物源啟動(dòng)模擬裝置，其特征在于:流通區(qū)(I5)通過(guò)物料箱(13)的出口端高度來(lái)調(diào)節(jié)坡度，流通區(qū)(15)的坡度范圍為O?40°。
【文檔編號(hào)】G01N33/24GK106053760SQ201610504714
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月30日
【發(fā)明人】王常明, 王飛, 王翊虹, 田書(shū)文, 黃曉虎, 丁桂伶, 陳劍平, 姚康
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)