[发明专利]可模拟流体运动特性的多级物理变坡水槽实验装置

说明书

本发明公开了一种可模拟流体运动特征的多级变坡物理水槽实验装置，可以包括料箱装置、测量系统、数据采集系统、液压系统和物料回收装置，料箱装置安装在多级变坡物理水槽的上游，用于装载实验材料，模拟泥石流的发生，液压系统用于抬升多级变坡物理水槽到指定角度，并可以调节不同分段水槽的倾角，模拟出地形的变化，通过各类传感器监测泥石流的运动特性、多级变坡物理水槽底部及防护结构的受荷，多级变坡物理水槽顶部的高速相机用于记录泥石流的运动形态。根据发明的多级变坡物理水槽实验装置，可实现泥石流对防护结构的破坏监测，通过对比工况组合的数据，得到泥石流的运动特性和与防护结构作用的机理，为泥石流的防治提供科学的依据和指导。

技术领域

本发明涉及泥石流防治工程建设领域，具体涉及一种可模拟流体运动特性的多级变坡物理水槽实验装置，可用于室内测量泥石流发生后对防护结构冲击的载荷，为泥石流防治工程建设提供一定的指导。

背景技术

泥石流是山区特有的一种自然地质现象，它是由于暴雨、冰川、水体等因素的激发而产生，之后在重力作用下，大量的碎屑物及巨大的砾石沿着山坡或沟谷剧烈倾泻的一种自然过程。泥石流往往具有暴发突然、历时短暂、来势凶猛、破坏力强的特点，严重威胁着人类的生命安全和基础设施的建设。泥石流的形成必须具备三大条件:一定的地形、充足的松散固体物质(主要由地质条件决定)和丰富的水源。其中地形条件是泥石流发生的根本条件或称为决定性条件。Guo等人通过对水城县鸡场镇滑坡的研究，揭示出流体运动过程中存在多级地形现象，并根据地形影响因素将运动路径划分为生成、加速、迁移和堆积几个区域，在不同区域里流体表现处不同的运动特性。此外，现有研究也表明地形的差异性可以显著影响泥石流的体积、速度、运动距离和分布，给灾害防治提出了巨大的挑战。

目前，由于泥石流形成条件、运动规律和成灾机制复杂，对其物理性质和基本规律的认识存在很大不足，而且泥石流的研究历史较短，这就使得泥石流防治还处于半经验阶段，不能满足国家减灾的需求，因此对于泥石流与防护结构作用的研究和动力学的数值-物理模拟方面仍有很多的工作要做。而室内小型水槽实验因其易于控制和可重复性，已经被广泛用于泥石流运动学及其机理研究：

(1)Jiang等人采用一长2.93m，宽0.3m，高0.35m的水槽研究了防护结构对干颗粒流的拦挡效应。

(2)为优化多重防护结构的布局，Ng等人基于香港科技大学黄焯书科研中心的小型泥石流实验流槽模拟了干砂流与双重防护结构的作用。该装置有一段长5m，宽0.2m，深0.5m的滑槽构成，顶部有一体积为0.06m³的料箱，料箱的门可通过电磁开关控制开启来模拟溃坝诱发的泥石流。

(3)林雪平等人为研究拦砂坝溢流口过流能力，采用了中国科学院成都山地所水槽装置，水槽长3m，宽0.2m，高0.3m，顶部的实验料斗可装载0.1m³的物料，整个水槽通过提升装置实现变坡，倾动角度为0～20°。

以上水槽装置虽然能模拟泥石流与防护结构的作用但是也存在很大的技术缺陷：泥石流运动区域地形复杂多变，目前的研究中受实验环境的限制，为简化模拟，通常采用平直简化的滑动面作为基底，忽略了地形的变化；此外受限于料箱的体积，模拟的水流相对较浅，较浅的流动深度会导致颗粒在流深方向上无法均匀混合，而且来流与防护结构的作用过程较短，无法模拟持续来流的冲击效应。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明在于提出一种可模拟流体运动特征的多级变坡物理水槽实验装置，可以实现泥石流对防护结构的破坏监测，通过对比工况组合的数据，得到泥石流的运动特性和与防护结构作用的机理，为泥石流的防治提供科学的依据和指导。