一种多功能泥石流全过程演化模型装置

技术领域

本发明涉及泥石流全过程演化设备及演化方法技术领域。

背景技术

泥石流是指在山区或沟谷地区，由于降雨、暴雪等其他自然灾害引发的山体滑坡并携带大量泥沙及石块的特殊洪流，具有爆发突然、来势迅猛、冲击能量大、破坏性大等特点，泥石流的启动、全过程演化、放大效应及其与防治结构相互作用是泥石流灾害研究的热点和难点问题。目前针对泥石流的室内研究主要针对滑坡的启动或者泥石流与防治结构的相互作用等方面，基于泥泥石流全过程的模拟和研究较少。因此模拟滑坡-泥石流灾害链全过程，研究泥石流启动及放大效应、泥石流与防治结构相互作用具有重要意义。

目前，泥石流相关技术主要分三个方面：（1）泥石流物源区的启动机制，通过模拟野外降雨分析泥石流物源区单体滑坡的启动机制与运动过程（比如公告号为CN209231335U，名称为“小比例室内模拟泥石流模型试验装置”的中国实用新型专利）；（2）泥石流运动过程及堆积特征，采用运料箱来模拟物源，预制沟槽来模拟流通区，运料箱开关打开，物源沿着沟槽快速向下运动，并在堆积区堆积（比如公开号为CN109724772A，名称为“水下泥石流运动特征模拟试验装置”的中国发明专利申请）；（3）泥石流与防治结构相互作用，即在沟槽中加入防治结构，如挡墙、柔性防护网等，泥石流从运料箱中快速冲击结构，获得运动特征及结构响应特征，以模拟泥石流运动过程中防护结构的作用（比如公告号为CN112229659B，名称为“一种泥石流韧性防护结构的离心模型试验装置”的中国发明专利）。

然而，这些技术未能考虑到滑坡-泥石流灾害链全过程是一个动态的，物源区滑坡、流通区几何形态、降雨等是相互关联的，滑坡的规模和启动会影响泥石流物源的大小和运动速度，而流通区的几何形态会影响泥石流的运动速率和规模，地层特征也会影响其放大效应，而防治结构可以有效的减少泥石流的运动速率、规模，上述技术也未能考虑泥石流全过程中其与结构相互作用。此外目前装置技术均只能实现单工况/条件下泥石流过程，或者简单改变沟槽的倾角，装置功能性较差，重复利用率较差。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种多功能泥石流全过程演化模型装置及方法，该装置由物源区、流通区、堆积区三部分组成，其中物源区与堆积区可更具泥石流具体特征改为流通区，延长流通区长度；流通区则是可拆卸栏板，可以模拟泥石流两侧堆积层，可改变栏板尺寸，实现不同流通区沟槽几何尺寸。

本发明的技术方案为：多功能泥石流全过程演化模型装置包括物源区1、流通区2、堆积区3以及设在三者上方的监测系统4；

所述物源区1包括升降支架11、连接在升降支架11上的物源区框架12以及设在物源区框架12上方的降雨系统13，在物源区框架12中设有基岩层以及堆积在基岩层上的土体，以模拟滑坡体，并通过降雨系统13来模拟降雨条件；

所述流通区2包括可调支架21、连接可调支架上的流通区框架22、可拆卸的连接在流通区框架22上的挡板23、堆积在挡板23上的土体以及可拆卸的连接在流通区框架22上防治结构24；

所述流通区框架22的后缘连接物源区框架12，在流通区框架22上设置有两列挡板23，并且在挡板23前、后堆积土体，用于模拟沟槽两侧的土体，所述防治结构24安装在流通区框架22上，并且处在沟槽中，用于模拟拦挡坝；

所述堆积区3包括连接在流通区框架22前缘的堆积区框架31；

所述监测系统4包括相机41以及激光传感器42，在物源区1的上方以及流通区2的上方设置相机41，在物源区1、流通区2以及堆积区3的上方则都布置有激光传感器42。

进一步的，所述升降支架11包括竖直设置的后部升降杆和前部升降杆，后部升降杆的顶端以及前部升降杆的顶端均铰接在物源区框架12的底面上。

进一步的，所述基岩层采用石膏、混凝土等预制，所述基岩层可拆卸的连接在物源区框架12中。

进一步的，所述可调支架21竖直设置，并且其顶端铰接在流通区框架22的底面上。

进一步的，在流通区框架22上等间距布设挡板定位螺栓；所述挡板23为具有一定高度，其长度可根据流通区形态预制的预制板，挡板23底部开设有与定位螺栓适配的定位螺纹孔，所述挡板安装在挡板定位螺栓上。

进一步的，在流通区框架22上等间距的开设有多个位于沟槽中的螺栓孔，所述防治结构24为预制结构，可根据实际工况进行制作，所述防治结构24的底部设有与螺栓孔适配的防治结构定位螺栓，通过防治结构定位螺栓将预制的防治结构24安装在流通区框架22上，并且使其处在沟槽中，按照设计要求布置防治结构的数量，并将未用到的螺栓孔堵住。

目前，现有技术均是模拟泥石流流动过程及堆积过程，而本发明提出了一个可以实现泥石流启动、流动、堆积全过程的装置，该装置可以改变不同降雨条件，实现研究泥石流物源区的启动机制；同时物源区装置采用预制模型，可以改变地形地貌，实现不同物源区形态和地质条件，模拟复杂地形地貌物源区的变形破坏机制；流通区采用预制挡板，通过改变挡板长度与高度来实现流通区的三维空间形态，挡板两侧堆积土体实现两侧的堆积体对泥石流的放大效应；这些措施克服了以往装置单一功能及单一的地形地貌条件，实现了复杂工况、地质条件下的泥石流全过程模拟。

本发明的优点为：

一、可实现不同工况的泥石流全过程模型试验装置；

二、框架底部设置螺栓孔来实现不同防治结构的安装及物源区基岩的固定；

三、可改变挡板高低、长短，调整挡板后堆积层的形态来实现不同类型泥石流流通区的试验方法；

四、可通过预制基岩，在基岩上堆筑堆积层来模拟不同泥石流物源区的滑坡和水力梯度。

附图说明

图1是本案的结构示意图，

图2是图1的俯视图，

图3是本案中物源区框架、流通区框架以及堆积区框架的俯视图，

图4是本案中监测系统的结构示意图；

图5是本案实施例的结构示意图，

图6是图5的俯视图；

图中1是物源区，11是升降支架，12是物源区框架，13是降雨系统；

2是流通区，21是可调支架，22是流通区框架，23是挡板，24是预制结构；

3是堆积区，31是堆积区框架；

4是监测系统，41是相机，42是激光传感器。

具体实施方式

为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。

如图1-4所示，多功能泥石流全过程演化模型装置包括物源区1、流通区2、堆积区3以及设在三者上方的监测系统4；

关于物源区

所述物源区1包括升降支架11、连接在升降支架11上的物源区框架12以及设在物源区框架12上方的降雨系统13，在物源区框架12中设有基岩层以及堆积在基岩层上的土体；

所述升降支架11包括后部升降杆和前部升降杆，后部升降杆的顶端以及前部升降杆的顶端均与物源区框架12铰接，通过改变后部升降杆和前部升降杆的长度来调整物源区框架12整体的高度以及俯仰角度，后部升降杆和前部升降杆都可采用常规的液压推杆等直线驱动机构，将液压推杆的底端固定在工作台或地面上，并将其顶端与物源区框架12铰接。

所述基岩层采用石膏、混凝土等预制，基岩层上堆积土体用以模拟滑坡体，所述基岩层可拆卸的连接在物源区框架12中。由于基岩层是可拆卸的，故可根据泥石流物源区实际情况设计基岩层厚度，滑坡体厚度、形态及沟槽宽度、深度及弯曲度等，满足不同泥石流条件。

通过物源区的上方的降雨系统13，来模拟降雨条件。降雨系统可以采用现有技术中常见的喷淋、出水或灌溉机构，将喷头通过支架固定安装在物源区上方，并使其通过水管连接一安置在水箱中的水泵，通过开关水泵来模拟是否降雨，并通过改变水泵转速，来改变进水压力，以调整喷淋时出水的速度，从而改变单位时间内的“降雨量”。

关于流通区

所述流通区2包括可调支架21、连接可调支架上的流通区框架22、可拆卸的连接在流通区框架22上的挡板23、堆积在挡板23上的土体以及可拆卸的连接在流通区框架22上防治结构24；挡板以及防治结构可以为混凝土、钢材、聚氨酯等可塑材料；

所述流通区框架22的后部与物源区框架12铰接，所述可调支架21的底端固定在工作台或地面上，并且顶端铰接在流通区框架22的底面上，通过改变可调支架的高度来调整流通区框架22的俯仰角度。同样的，这里的可调支架也可以采用常规的液压推杆等直线驱动机构。

所述流通区框架22的后缘连接物源区框架12、前缘连接堆积区框架31，使得流通区的沟槽的后缘与物源区的沟槽连接、前缘与堆积区相连接。

在流通区框架22上等间距布设挡板定位螺栓；所述挡板23为具有一定高度，其长度可根据流通区形态预制的预制板，挡板23底部设置螺栓孔，通过挡板定位螺栓连接挡板23；

在流通区框架22上设置有两列挡板23，并且在挡板23前、后堆积土体达到预定厚度，从而在两列挡板23之间形成流通区的沟槽，并且可以利用挡板固定堆积的土体，用于模拟沟槽两侧的土体。

在流通区框架22上等间距的开设有多个位于沟槽中的螺栓孔，所述防治结构24为预制结构，可根据实际工况进行制作，所述防治结构24的底部设有与螺栓孔适配的防治结构定位螺栓，通过防治结构定位螺栓将预制的防治结构24安装在流通区框架22上，并且使其处在沟槽中，按照设计要求布置防治结构的数量。

关于堆积区

所述堆积区3包括连接在流通区框架22前部的堆积区框架31，所述堆积区框架31呈扇形，堆积区框架底部也设置螺栓孔，可根据实际情况安置排导槽、堆积体等。

关于监测系统

所述监测系统4包括相机41以及激光传感器42，在物源区1的上方以及流通区2的上方设置相机41，通过相机41采集物源区1以及流通区2中泥石流的视觉形态，在物源区1、流通区2以及堆积区3的上方都布置有激光传感器42，通过激光传感器42检测泥石流的厚度。

如图5-6所示，以阿勒玛勒泥石流为例，阿勒玛勒泥石流物源区存在五个单体滑坡，物源区流通通道由后向前宽度逐渐增大，而流通区通道下蚀严重，宽度达到3-5m，深度达到1-10m，流通区两侧主要为风积粉土，因此该泥石流的启动机理较为复杂，而运动过程中的放大效应则非常明显。为了减少泥石流的速度，在流通区设置了拦挡坝。

（1）根据阿勒玛勒泥石流物源区的基岩层倾角、流通通道的宽度和坡度，采用石膏/水泥等材料预制基岩层，并将其用螺栓固定在堆积区框架底部；

（2）根据五个滑坡（H1-H5）滑体厚度及坡度，以密度为控制变量，在基岩上铺设土体，形成堆积层；

（3）根据流通区的平面形态和宽度，预制挡板高度及长度，并将相应挡板固定在沟槽对应位置上；

（4）根据流通区两侧堆积层厚度，在流通通道两侧挡板后堆积土体达到预定厚度，利用挡板固定堆积体；

（5）根据流通区流通通道的形态特征，局部调整两侧堆积体宽度与厚度，改变流通通道平面形态；

（6）采用混凝土预制拦挡坝，并通过沟槽底部螺栓孔固定在沟槽底部；

（7）模型堆积完后，打开降雨系统与监测系统。

本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。