一種泥石流物理模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其泥石流模擬組件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是涉及一種泥石流室內(nèi)物理模型實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域，具體為一種可實(shí)現(xiàn)多種邊坡角度與沖積扇面下的排土場(chǎng)泥石流形成全過(guò)程的物理模型系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)已成為世界上的主要礦業(yè)大國(guó)之一，礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)在很大程度上改變了資源地原有的生態(tài)環(huán)境。礦山排土場(chǎng)堆放的松散固體物質(zhì)為泥石流發(fā)生提供了物源條件，使得在礦山資源的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，棄渣堆置不當(dāng)常導(dǎo)致排土場(chǎng)泥石流災(zāi)害的頻繁發(fā)生。礦山泥石流的發(fā)生發(fā)展既有與自然泥石流形成相似的物源、地形和水動(dòng)力三個(gè)條件，也有不同于自然泥石流的特點(diǎn)。礦山泥石流具有人為性、易啟動(dòng)性、重發(fā)性、危害集中性、可控性和可預(yù)防性等特點(diǎn)。
[0003]長(zhǎng)期以來(lái)人們一直致力于泥石流發(fā)生、發(fā)展規(guī)律的研究。許多泥石流工作者進(jìn)行了各種模型實(shí)驗(yàn)和野外人工泥石流實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)不僅為工程設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)，而且為發(fā)展泥石流模擬相似理論做出了貢獻(xiàn)。
[0004]崔鵬(1986)通過(guò)水槽實(shí)驗(yàn)研究泥石流體啟動(dòng)機(jī)理并提出了準(zhǔn)泥石流體的概念，將摩爾-庫(kù)侖理論用于泥石流的啟動(dòng)研究。徐永年(2001)利用可調(diào)坡度水槽進(jìn)行松散崩塌土與水流摻混形成泥石流的實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)崩塌土運(yùn)動(dòng)距離及泥石流的形成過(guò)程，建立崩塌土流高比的計(jì)算公式，提出了松散崩塌土在一定縱坡下形成泥石流的水流摻混機(jī)理?？锷懈?1990)對(duì)天然壩在水力作用下潰決后形成的泥石流進(jìn)行了較系統(tǒng)、深入的研究。歐國(guó)強(qiáng)(1992)提出了緩坡泥石流和陡坡泥石流的概念，揭示了這兩種泥石流發(fā)展過(guò)程中波形的時(shí)空變化特征和速度分布及濃度分布特征。胡明鑒(2001)在蔣家溝流域通過(guò)大型人工降雨滑坡泥石流現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，分析降雨對(duì)滑坡的激發(fā)作用，初步建立蔣家溝流域暴雨滑坡泥石流共生關(guān)系的含水量模型。陳曉清(2006)通過(guò)野外原型觀測(cè)人工降雨實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)特體特征參數(shù)實(shí)驗(yàn)，提出土力類(lèi)泥石流啟動(dòng)存在兩種力學(xué)機(jī)理，即強(qiáng)降雨作用下的振動(dòng)軟化或液化機(jī)理、中小強(qiáng)度降雨作用下的局部軟化或液化機(jī)理。張萬(wàn)順(2006)針對(duì)單一坡面泥石流起動(dòng)模型進(jìn)行研究。魏厚振(2008)在室內(nèi)采用大型直剪儀對(duì)蔣家溝礫石土不同粗粒含量、不同含水率、不同干密度下的直剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究，并用穩(wěn)態(tài)理論對(duì)蔣家溝泥石流的啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了分析。胡明鑒(2008)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了泥石流崩滑堆積體斜坡穩(wěn)定性、溝谷發(fā)育分形特征和崩滑堆積體復(fù)雜系統(tǒng)的自組織臨界性，剪切作用下滑面土體液化、強(qiáng)度降低后的災(zāi)變機(jī)理。徐友寧(2009)基于人工模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)采礦堆排刻渣作為物源進(jìn)行了模擬啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)考慮了顆粒級(jí)配、底床坡度、臨界水量等主要因子的定量關(guān)系。
[0005]以上物理模型實(shí)驗(yàn)主要存在如下問(wèn)題:1、物理模型系統(tǒng)綜合性、集成性有待發(fā)展，礦山排土場(chǎng)泥石流形成的影響因素很多，排土場(chǎng)泥石流物理模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不但要實(shí)現(xiàn)泥石流形成全過(guò)程的模擬，還需布置各種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在此基礎(chǔ)上全面分析與掌握泥石流演變特征；2、物理模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)靈活性與可重復(fù)性有待完善，目前排土場(chǎng)泥石流物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)操作較復(fù)雜，且難以實(shí)現(xiàn)不同工程背景下的泥石流模型實(shí)驗(yàn)；3、物理模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)主要參數(shù)科學(xué)性有待研究，目前泥石流物理模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，多對(duì)泥石流形成過(guò)程中的孔隙水壓力、降雨量、物料流動(dòng)速度與運(yùn)動(dòng)距離進(jìn)行監(jiān)測(cè)，皆為泥石流發(fā)生的必要而非充分條件，難以實(shí)驗(yàn)?zāi)嗍靼l(fā)生的監(jiān)測(cè)預(yù)警研究，而泥石流形成中滑動(dòng)力與抗滑力關(guān)系為泥石流形成的充分必要條件。
[0006]因此，研制一套綜合性、集成性、輕便靈活、可重復(fù)并可實(shí)現(xiàn)泥石流發(fā)生監(jiān)測(cè)預(yù)警研究的排土場(chǎng)泥石流物理模型實(shí)驗(yàn)有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種泥石流模擬組件，包括，物料箱，用于盛放模擬泥石流的物料，所述物料箱相對(duì)于一基面具有一定高度；供水裝置，為所述物料箱內(nèi)的物料提供降水，以形成模擬泥石流的固液混合物；以及流通裝置，一端與所述物料箱相連，另一端位于所述基面，所述流通裝置與所述物料箱的高度方向具有一小于90度的夾角。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式，所述泥石流模擬組件還包括收集裝置，所述收集裝置設(shè)置于所述基面，所述模擬泥石流的固液混合物可沿所述流通裝置流至所述收集裝置。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，所述流通裝置為兩端開(kāi)口的管，包括依次相連的上端部、本體部和下端部，所述流通裝置通過(guò)所述上端部與所述物料箱相連，所述下端部位于所述收集裝置。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，所述流通裝置的下端部為一軟管，在所述下端部的下部設(shè)置有滑槽，所述下端部通過(guò)β角鉸鏈和扇面控制鉸鏈固定于所述滑槽。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，保持所述β角鉸鏈的位置不變，通過(guò)調(diào)整與所述β角鉸鏈相連的所述扇面控制鉸鏈的位置可實(shí)現(xiàn)泥石流不同沖擊扇面的模擬。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，在所述物料箱上設(shè)置有第一觀測(cè)窗，或者所述物料箱為透明物料箱，以觀測(cè)所述物料箱內(nèi)的物料在模擬降水下的變化情況。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，在所述第一觀測(cè)窗或所述透明物料箱上設(shè)置有表示所述物料箱體積的刻度線或網(wǎng)格線。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，在所述物料箱的側(cè)面上設(shè)有一開(kāi)口，所述開(kāi)口與所述流通裝置相連，沿所述開(kāi)口還設(shè)置有可移動(dòng)的活動(dòng)擋板，以控制所述物料箱與所述流通裝置之間的切斷與連通。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，在所述流通裝置外部，所述流通裝置的一端與所述物料箱之間設(shè)置有α角鉸鏈，可通過(guò)調(diào)節(jié)所述α角鉸鏈來(lái)調(diào)整所述流通裝置與所述物料箱的高度方向的夾角。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，在所述流通裝置上設(shè)置有第二觀測(cè)窗，以觀測(cè)所述流通裝置內(nèi)模擬泥石流的運(yùn)動(dòng)特征，或者所述流通裝置以透明材質(zhì)制成。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，所述收集裝置包括網(wǎng)格測(cè)距板、三個(gè)擋板、錨壩及錨墩，所述網(wǎng)格測(cè)距板包括多個(gè)正方形網(wǎng)格板，圍繞所述網(wǎng)格測(cè)距板分別設(shè)置有所述三個(gè)擋板及所述錨壩。
[0018]本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種泥石流物理模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括上述任一項(xiàng)所述的泥石流模擬組件；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)組件，監(jiān)測(cè)所述泥石流形成過(guò)程的參數(shù)數(shù)據(jù)；以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理組件，接收來(lái)自所述實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)組件的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)所述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式，所述實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)組件包括水壓采集儀、流量計(jì)、多個(gè)水壓計(jì)、多個(gè)橫阻錨桿測(cè)力計(jì)及圖像采集儀。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，所述供水裝置包括供水管、設(shè)置于所述供水管端部的多個(gè)噴頭以及用于控制所述多個(gè)噴頭的水流量的水閘，所述多個(gè)噴頭位于所述物料箱內(nèi)物料的上方；所述水壓采集儀與設(shè)置于所述物料箱內(nèi)所述多個(gè)噴頭下方的多個(gè)水壓計(jì)相連，所述流量計(jì)設(shè)置于所述供水管上。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，所述多個(gè)橫阻錨桿測(cè)力計(jì)設(shè)置于所述收集裝置。
[0022]本發(fā)明提供了一種兼具綜合性、集成性、靈活性與可重復(fù)性的排土場(chǎng)泥石流室內(nèi)物理模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可進(jìn)行多種邊坡角度、沖積扇面的泥石流全過(guò)程的物理模擬，該模型帶有多種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括監(jiān)測(cè)泥石流形成過(guò)程的“充分必要條件”即滑動(dòng)力的監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，對(duì)研究排土場(chǎng)泥石流形成機(jī)理、監(jiān)測(cè)預(yù)警等有重要意義。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明一實(shí)施方式的排土場(chǎng)泥石流物理模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明一實(shí)施方式的排土場(chǎng)泥石流物理模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的的俯視圖；
[0025]圖3為圖2的收集裝置內(nèi)橫阻錨桿測(cè)力計(jì)及微型錨墩的分布示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點(diǎn)的典型實(shí)施方式將在以下的說(shuō)明中詳細(xì)敘述。應(yīng)理解的是本發(fā)明能夠在不同的實(shí)施方式上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說(shuō)明及圖示在本質(zhì)上是當(dāng)作說(shuō)明之用，而非用以限制本發(fā)明。
[0027]如圖1至2所示，本發(fā)明一實(shí)施方式的排土場(chǎng)泥石流物理模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括泥石流模擬組件、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)組件及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理組件。
[0028]泥石流模擬組件可包括物料箱110，用于盛放模擬泥石流的物料，物料箱110相對(duì)于一基面具有一定高度，該高度可通過(guò)例如在所述基面上、物料箱110下設(shè)置具有一定高度的物料箱基座130來(lái)實(shí)現(xiàn)；供水裝置，為物料箱110內(nèi)的物料提供降水，以形成模擬泥石流的固液混合物；以及流通裝置150，一端與物料箱110相連，另一端位于所述基面，流通裝置150與物料箱110的高度方向具有一小于90度的夾角，該夾角優(yōu)選為30?60°。進(jìn)一步地，泥石流模擬組件還可包括收集裝置160。
[0029]本發(fā)明一實(shí)施方式的排土場(chǎng)泥石流物理模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)供水裝置給物料箱110內(nèi)的物料供水，形成固液混合物，以模擬雨水降落到礦山排土場(chǎng)，隨后使物料箱110內(nèi)的固液混合物沿流通裝置150流至收集裝置160堆積，模擬泥石流發(fā)生的全過(guò)程。期間，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)組件用以監(jiān)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)的變化，并采集該收據(jù)將其傳至監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理組件進(jìn)行分析處理。排土場(chǎng)泥石流物理模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各部件的結(jié)構(gòu)及分布關(guān)系以下述實(shí)施方式為例進(jìn)行具體說(shuō)明。
[0030]物料箱110設(shè)置于物料箱基座130上，物料箱基座130具有一定的高度，以使物料箱110內(nèi)的模擬泥石流物料在降雨后能夠沿流通裝置150傾瀉而下。物料箱110可以為上部開(kāi)口的長(zhǎng)方體箱，在物料箱110內(nèi)盛放有與排土場(chǎng)物源區(qū)地形地貌相似的物料。在物料箱110的一側(cè)面設(shè)有一開(kāi)口，該開(kāi)口與流通裝置150相連，沿該開(kāi)口還設(shè)置有可沿豎直方向移動(dòng)的活動(dòng)擋板111，以控制物料箱110與流通裝置150之間的切斷與連通。在物料箱110的另一側(cè)面，與活動(dòng)擋板111相鄰的一側(cè)還可設(shè)置網(wǎng)格觀測(cè)窗112，網(wǎng)格光側(cè)窗112可以通過(guò)在物料箱111的側(cè)面設(shè)置一開(kāi)口，并在該開(kāi)口上安裝透明材質(zhì)的帶有網(wǎng)格的擋板形成，以觀測(cè)物料箱110內(nèi)的物料在模擬降雨下的變化情況，并通過(guò)網(wǎng)格測(cè)定物料箱內(nèi)水量的變化。此外，物料箱I1的材質(zhì)也可以為透明材質(zhì)，如此可省去網(wǎng)格觀測(cè)窗112的開(kāi)設(shè)，直接在物料箱110的側(cè)面設(shè)置代表一定體積的網(wǎng)格，便可觀測(cè)到物料的狀態(tài)及水量的變化。
[0031]供水裝置可包括供水管141、設(shè)置于供水管141端部的多個(gè)噴頭142以及用于控制噴頭142的水流量的水閘143。多個(gè)噴頭142位于物料箱110上部、物料的正上方，以便于模擬降雨。供水管141的高度優(yōu)選為物料箱110與物