[發明專利]一種泥石流過彎速度橫向分布規律的測試系統及試驗裝置

在審

• 申請號: 201711052451.X
• 申請日: 2017-10-30
• 公開（公告）號: CN107860557A
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 趙晉恒;洪勇;胡凱衡;吳曉東;趙小華;譚軍;陳映東;陳華兵
• 申請（專利權）人: 國網四川省電力公司技能培訓中心;四川電力職業技術學院
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙)51220
• 代理人: 郭受剛

技術領域

本發明涉及泥石流研究領域，具體地，涉及一種泥石流過彎速度橫向分布規律的測試系統及試驗裝置。

背景技術

泥石流是廣泛分布于我國山區、危害嚴重的一種常見的自然災害。而泥石流在通過蜿蜒溝道時會出現明顯的凹岸超高、凸岸淤積的現象，從流態上來說其內外溝道側的泥石流體在過彎時流速已截然不同。但目前對泥石流流速分布，尤其是其過彎時的橫向流速分布規律，是泥石流運動力學研究的盲區之一。該問題卻是研究泥石流流變性質和運動機理的關鍵。它關系到平均流速、凹岸凸岸沖擊力大小、溝道護坡等重要工程設計參量的計算，一直是國內外泥石流研究人員和工程技術人員所渴望獲取的重要基礎數據。

目前的技術手段所能獲取的僅有泥石流的平均運動速度、表面流速，尚未有能夠測量泥石流過彎橫向速度分布的技術和方法。比較常用的測速方法有：

1)人工測量法：是指人通過目視并輔以浮標(泥石流通過時釋放乒乓球等)和計時器的方法來測量泥石流流速。該方法的缺點是誤差大、觀測困難、參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，而且容易漏測導致數據不完整。

2)泥位推算法：利用超聲波、激光等傳感器記錄泥石流表面的位置，根據泥位的變化時間來推算泥石流的流速。該方法誤差比較大(一是泥石流表面復雜導致超聲波反射不準確，二是風和雨對探頭影響較大，三是泥石流流動過程中龍頭運動劇烈，泥漿飛濺等的現象會導致測量數據不準確)，且該方法只能取得平均速度，不能獲取不同位置處的流速。目前我國、瑞士等國的野外觀測都在使用。

3)雷達測量法：使用雷達儀器發射雷達波，然后根據接收到的反射波頻移量而計算得出泥石流的運動速度。這種方法只能測到泥石流龍頭某特征點的表面速度。由于泥石流龍頭流態紊亂，運動劇烈，石塊和泥漿飛濺速度不一定可以代表泥石流龍頭的真實速率，該方法的測量結果往往偏大。

4)現場調查法：目前應用較多的方法為根據泥石流過彎道后在溝道凹岸和凸岸留下的泥痕估計內外側泥痕差值，利用泥石流彎道超高的計算公式反算平均流速。該方法一是時效性差，經歷多次沖刷后難以判定現場泥痕為哪次泥石流爆發所致；二是計算公式多為經驗公式，其中很多參數難以確定(超高計算公式中特征參數k的取值眾說紛紜，研究多認為在1.5-3.0不等)，有時不同的計算公式結果可以相差幾倍；三是判斷現場的泥石流痕跡時帶有一定的主觀性。四是泥石流在過彎道時凹岸沖刷凸岸淤積，流速分布呈現不相等的情況，僅計算得到平均流速往往低估泥石流的沖刷能力，從而導致出現人員傷亡等事故。

泥石流過彎橫向流速測量的困難在于：1、泥石流的三相性，是水、粘土、礫石和空氣混合在一起的多相體，它具有高粘度，高容重，不透明等特征，導致傳統的光學設備在研究中無法使用。僅可通過錄像觀測，但內部流速的分布沒法通過攝像機識別；2、泥石流沖擊力和侵蝕能力巨大，安置在泥石流流路上的測量儀器極易被泥石流破壞；3、泥石流的流態復雜多樣，龍頭流動劇烈，難以跟蹤固定目標。這些特點使得通常的流體測量方法和普通的流體測量儀器無能為力。

發明內容

本發明提供了一種泥石流過彎速度橫向分布規律的測試系統及試驗裝置，目前的技術手段所能獲取的僅有泥石流的平均運動速度、表面流速，尚未有能夠測量泥石流過彎橫向速度分布的技術和方法。本申請中的技術方案突破了現有測量泥石流流速的技術和方法均無法測量泥石流內部流速分布的局限性，能夠測量到泥石流在過彎時流體內部流速的橫向分布。

該系統原理可靠，測量裝置簡單，傳感器造價低，易于操作，可以用于泥石流野外原型和室內實驗的流速測量中。

為實現上述發明目的，本申請提供了一種泥石流過彎速度橫向分布規律的測試系統，所述系統包括：

多個沖擊力傳感器，沖擊力傳感器用于采集泥石流運動過程中沖擊力數據；

數據采集器，用于采集沖擊力傳感器感應到的剪切力數據，并將采集的數據傳輸至計算機；

計算機，用于采集數據的接受、數據分析處理和泥石流過彎速度橫向分布計算。

本發明的原理為是，當具有一定初速度V0的泥石流漿體正面碰撞上某剛體時，泥石流漿體與剛體表面部位接觸的速度降為零，其動能全部轉化為沖擊壓能。用沖擊力傳感器可以測到泥石流漿體沖擊力P。然后根據不可壓縮流體的Bernoulli方程，經過一定程度的修正，就可以由泥石流漿體的沖擊力得到泥石流的流速。這樣，通過在彎道處同一深度、同一截面不同半徑位置處布置多個沖擊力傳感器，就可以反演測出泥石流過彎時流速的橫向分布規律。