[发明专利]一种滑坡-堰塞坝-溃坝洪水灾害链演进过程模拟的试验装置及方法

权利要求书

1.一种滑坡-堰塞坝-溃坝洪水灾害链演进过程模拟的试验装置，包括一套滑坡动力条件模拟系统，一套水动力条件模拟系统以及一套非接触式的测量系统；

所述滑坡动力条件模拟系统包括千斤顶(7)、滑坡槽(8)、储料箱(9)、滑槽挡板(10)、吊车梁(11)及升降电机(12)；

所述的滑坡槽(8)类“U”型槽结构，用于模拟滑坡的滑动路径；所述千斤顶(7)、吊车梁(11)及升降电机(12)用于固定和调整滑坡槽(8)倾斜角度，具体为：滑坡槽(8)前端下部与千斤顶(7)连接，调整千斤顶(7)的高程，使滑坡槽(8)的前段对准水槽(2)；滑坡槽(8)后端上部与吊车梁(11)及升降电机(12)连接，通过调整升降电机(12)的吊绳以及升降电机(12)在吊车梁(11)滑轨上的位置，使滑坡槽(8)相对于水平面能够实现0-90°的任意倾斜角度，达到模拟滑坡路径倾斜角的目的；所述储料箱(9)用于放置滑坡体材料，放置于滑坡槽(8)上任意位置，根据滑坡宽度和滑坡路径长度更换不同规格的储料箱(9)；所述的滑槽挡板(10)为“L”型结构，其平行于滑坡槽(8)的长边方向固定于滑坡槽(8)底面上，其与滑坡槽(8)的一个侧面共同构成滑坡路径的宽度，滑槽挡板(10)在滑坡槽(8)底面上的位置可调；

所述水动力条件模拟系统包括水塔(1)、水槽(2)、管道离心水泵(3)、储水箱(4)、固定支架(6)；所述管道离心水泵(3)进水管连接储水箱(4)，出水管连接水塔(1)；

所述固定支架(6)包括上方平台(6-1)、多个螺纹杆(6-2)、螺母(6-3)和底部平台(6-4)，螺纹杆(6-2)底部与底部平台(6-4)固接，平台(6-1)置于螺纹杆(6-2)上并由(6-3)螺母固定，通过旋转螺母(6-3)调整平台(6-1)的倾斜角度，底部平台(6-4)放置于储水箱(4)中，水塔(1)和水槽(2)放置于平台(6-1)左侧，水槽(2)的倾斜角度通过平台(6-1)的倾斜角度调整，滑坡动力条件模拟系统放置于水槽(2)一侧；所述的水塔(1)一侧面底部设有出水口(1-2)，出水口(1-2)上方设有出水口挡板(1-1)，用于调节水流量，出水口(1-2)与水槽(2)连通；水塔(1)另一侧面垂直方向设有水塔槽挡板(1-3)，水塔槽挡板(1-3)位置可调；所述的储水箱(4)内设有储水箱隔板(16)，将储水箱(4)分为左右两部分，且使用过程中储水箱(4)左右两部分水流不通；通过设置水塔(1)上的出水口(1-2)大小和水塔槽挡板(1-3)位置调节水流量和流速；

管道离心水泵(3)从储水箱(4)中抽水至水塔(1)，水从出水口(1-2)流入水槽(2)，多余的水从水塔槽挡板(1-3)顶部漫出流入储水箱(4)，形成恒定水头，出水口(1-2)流出水的水流量和流速稳定；所述的水槽(2)右侧末端下方设有挂篮(5)，挂篮(5)表面设有多个孔洞，最大孔洞尺寸小于滑坡体材料的最小直径，用于收集被水流冲刷夹带走的全部滑坡体材料；所述的挂篮(5)上方与拉力传感器(14)连接，通过分析拉力传感器(14)的数据，得到堰塞坝溃坝过程的土石运移质量的时程变化曲线；所述的储水箱(4)被储水箱隔板(16)分割的右侧区域底部放置水位传感器(15)，记录试验过程中的水位变化，得到堰塞坝溃坝过程产生的洪水流量特征；

所述非接触式的测量系统由计算机和5台运动相机(13)组成，由运动相机(13)采集试验过程的二维图像，通过无线数据传输至计算机；所述的5台运动相机(13)布置为：所述的5台运动相机(13)布置为：一台运动相机(13)用于平行拍摄滑坡槽(8)；另外4台运动相机(13)垂直拍摄滑坡体进入水槽(2)的区域，每台相机拍摄的画面重叠度超过60％。

2.根据权利要求1所述的一种滑坡-堰塞坝-溃坝洪水灾害链演进过程模拟的试验装置，其特征在于，所述的滑坡槽(8)为有机玻璃、滑槽挡板(10)材料均为有机玻璃。

3.所述的水塔(1)另一侧面设有垂直方向的开口结构，开口结构边缘安装固定夹(1-5)，固定夹(1-5)、长条形的水塔槽挡板(1-3)上均设有多个螺纹孔(1-4)，水塔槽挡板(1-3)从固定夹(1-5)底部插入，通过控制螺钉插入位置调节水塔槽挡板(1-3)的位置。

4.一种滑坡-堰塞坝-溃坝洪水灾害链演进过程模拟的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，根据试验方案中需要模拟的滑坡宽度调整滑槽挡板(10)的位置；根据需要模拟的滑坡路径长度和滑坡体积，选用相应型号的储料箱(9)并将其固定于滑坡槽(8)上相应位置；根据试验方案选用相应的滑坡体材料，模拟不同的滑坡体性质；完成上述操作后，将选用的滑坡体材料装入储料箱(9)中；

第二步，根据水槽(2)需要的角度调整固定支架(6)的倾斜角度，模拟河道倾角；调整千斤顶(7)高度，使滑坡槽(8)前段与水槽(2)完全搭接；调整升降电机(12)使滑坡槽(8)具有试验需要的倾斜角度，模拟滑坡路径的倾斜角度；

第三步，打开出水口挡板(1-1)至需要的开口量；然后，将储水箱隔板(16)左侧放满水，作为管道离心水泵(3)的水源供给；接着，调整水塔槽挡板(1-3)至需要的高度；

第四步，布置挂篮(5)、运动相机(13)、拉力传感器(14)以及水位传感器(15)；

第五步，打开管道离心水泵(3)，当水塔(1)中的水位上升至水塔槽挡板(1-3)设定高度并溢出水时，从出水口(1-2)中流出的水流在水槽(2)形成试验时所需要的恒定水流流量，模拟河道恒定的水流量；然后，打开储料箱(9)将滑坡体材料释放，模拟滑坡运动过程；最后，滑坡体材料进入水槽(2)中，形成滑坡堰塞坝；随着试验进行，能够观察到所形成的滑坡堰塞坝发生溃坝并进一步引发溃坝洪水；

第六步，分析试验数据，获得模拟堵江时间、溃坝洪水流量、溃坝过程土石质量运移特征和滑坡堰塞坝几何形态变化特征；

6.1)通过平行拍摄滑坡槽(8)的运动相机(13)的数据，基于粒子图像测速法测量滑坡体的速度场，得到滑坡的速度位移特征；

6.2)根据水位传感器(15)分析得到储水箱(4)中水位停止上升和水位恢复上升的时刻，从而得到滑坡体堵塞水槽(2)的时间，这一时间即为堵江时间；接着，分析储水箱(4)中水位恢复上升的时刻至水槽(2)中滑坡体被冲刷完毕的时刻区间内，水位传感器(15)记录的储水箱(4)中水位上升随时间关系，从而得到溃坝洪水的流量；这一时间区间内，拉力传感器(14)记录挂篮(5)收集的溃坝物质质量随时间的变化关系，即为溃坝过程土石质量运移特征；最后，提取不同时刻下监测水槽(2)的四个运动相机(13)同一时刻的二维图像，基于运动恢复结构算法还原这一时刻下进入水槽(2)的滑坡体的三维形态，得到不同时刻下水槽(2)中的滑坡体材料的几何特征，通过对比不同时刻下滑坡体三维形态，分析得到在水流冲刷侵蚀作用下滑坡堰塞坝几何形态随时间变化的特征；

第七步，通过第三步调整水塔槽挡板(1-3)的高度和出水口挡板(1-1)的开口量，获得其他的恒定水头和恒定水流组合；重复第四到第六步，完成多组试验模拟工况。