[发明专利]一种泥石流过弯速度横向分布规律的测试系统及试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及泥石流研究领域，具体地，涉及一种泥石流过弯速度横向分布规律的测试系统及试验装置。

背景技术

泥石流是广泛分布于我国山区、危害严重的一种常见的自然灾害。而泥石流在通过蜿蜒沟道时会出现明显的凹岸超高、凸岸淤积的现象，从流态上来说其内外沟道侧的泥石流体在过弯时流速已截然不同。但目前对泥石流流速分布，尤其是其过弯时的横向流速分布规律，是泥石流运动力学研究的盲区之一。该问题却是研究泥石流流变性质和运动机理的关键。它关系到平均流速、凹岸凸岸冲击力大小、沟道护坡等重要工程设计参量的计算，一直是国内外泥石流研究人员和工程技术人员所渴望获取的重要基础数据。

目前的技术手段所能获取的仅有泥石流的平均运动速度、表面流速，尚未有能够测量泥石流过弯横向速度分布的技术和方法。比较常用的测速方法有：

1)人工测量法：是指人通过目视并辅以浮标(泥石流通过时释放乒乓球等)和计时器的方法来测量泥石流流速。该方法的缺点是误差大、观测困难、参照物同泥石流流速不一致，只能取得泥石流在固定路段的平均速度，而且容易漏测导致数据不完整。

2)泥位推算法：利用超声波、激光等传感器记录泥石流表面的位置，根据泥位的变化时间来推算泥石流的流速。该方法误差比较大(一是泥石流表面复杂导致超声波反射不准确，二是风和雨对探头影响较大，三是泥石流流动过程中龙头运动剧烈，泥浆飞溅等的现象会导致测量数据不准确)，且该方法只能取得平均速度，不能获取不同位置处的流速。目前我国、瑞士等国的野外观测都在使用。

3)雷达测量法：使用雷达仪器发射雷达波，然后根据接收到的反射波频移量而计算得出泥石流的运动速度。这种方法只能测到泥石流龙头某特征点的表面速度。由于泥石流龙头流态紊乱，运动剧烈，石块和泥浆飞溅速度不一定可以代表泥石流龙头的真实速率，该方法的测量结果往往偏大。

4)现场调查法：目前应用较多的方法为根据泥石流过弯道后在沟道凹岸和凸岸留下的泥痕估计内外侧泥痕差值，利用泥石流弯道超高的计算公式反算平均流速。该方法一是时效性差，经历多次冲刷后难以判定现场泥痕为哪次泥石流爆发所致；二是计算公式多为经验公式，其中很多参数难以确定(超高计算公式中特征参数k的取值众说纷纭，研究多认为在1.5-3.0不等)，有时不同的计算公式结果可以相差几倍；三是判断现场的泥石流痕迹时带有一定的主观性。四是泥石流在过弯道时凹岸冲刷凸岸淤积，流速分布呈现不相等的情况，仅计算得到平均流速往往低估泥石流的冲刷能力，从而导致出现人员伤亡等事故。

泥石流过弯横向流速测量的困难在于：1、泥石流的三相性，是水、粘土、砾石和空气混合在一起的多相体，它具有高粘度，高容重，不透明等特征，导致传统的光学设备在研究中无法使用。仅可通过录像观测，但内部流速的分布没法通过摄像机识别；2、泥石流冲击力和侵蚀能力巨大，安置在泥石流流路上的测量仪器极易被泥石流破坏；3、泥石流的流态复杂多样，龙头流动剧烈，难以跟踪固定目标。这些特点使得通常的流体测量方法和普通的流体测量仪器无能为力。

发明内容

本发明提供了一种泥石流过弯速度横向分布规律的测试系统及试验装置，目前的技术手段所能获取的仅有泥石流的平均运动速度、表面流速，尚未有能够测量泥石流过弯横向速度分布的技术和方法。本申请中的技术方案突破了现有测量泥石流流速的技术和方法均无法测量泥石流内部流速分布的局限性，能够测量到泥石流在过弯时流体内部流速的横向分布。

该系统原理可靠，测量装置简单，传感器造价低，易于操作，可以用于泥石流野外原型和室内实验的流速测量中。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种泥石流过弯速度横向分布规律的测试系统，所述系统包括：

多个冲击力传感器，冲击力传感器用于采集泥石流运动过程中冲击力数据；

数据采集器，用于采集冲击力传感器感应到的剪切力数据，并将采集的数据传输至计算机；

计算机，用于采集数据的接受、数据分析处理和泥石流过弯速度横向分布计算。

本发明的原理为是，当具有一定初速度V0的泥石流浆体正面碰撞上某刚体时，泥石流浆体与刚体表面部位接触的速度降为零，其动能全部转化为冲击压能。用冲击力传感器可以测到泥石流浆体冲击力P。然后根据不可压缩流体的Bernoulli方程，经过一定程度的修正，就可以由泥石流浆体的冲击力得到泥石流的流速。这样，通过在弯道处同一深度、同一截面不同半径位置处布置多个冲击力传感器，就可以反演测出泥石流过弯时流速的横向分布规律。