一種泥石流流速測量方法及其實現系統的製作方法

2023-06-01 03:38:21 2

專利名稱：一種泥石流流速測量方法及其實現系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種泥石流流速測量方法及其實現系統，特別是涉及一種利用測量兩個測量斷面上相對應測量位置處的泥石流體剪切力實現的泥石流流速測量方法及相應的測量系統。

背景技術：
泥石流是中國山區(尤其中國西南山區)常見多發的一種地質災害，具有發生突然、歷時短暫、來勢兇猛、大衝大淤、破壞力極強的特點，一旦發生便往往造成嚴重的區域生態環境破壞和巨大的經濟損失與人員傷亡。因此泥石流災害研究一直是幾十年來我國研究者致力研究的重點領域之一。在泥石流的研究中，泥石流流速是泥石流運動力學的核心研究內容之一，是研究泥石流流變性質和運動機理的關鍵。泥石流流速關係到泥石流流量、衝擊力、運動摩擦阻力等重要工程設計參量的計算，一直是該領域研究所希望掌握的重要基礎數據。
泥石流流速分為表面流速和內部流速，在目前研究領域中，泥石流流速測量方法還主要針對表面流速進行，包括雷達測速法、漂浮物+秒表法、圖像解析法等。這是由於泥石流作為一種多相流體，內含大量泥沙石塊，泥石流流體不透明、不均一，衝擊力大、破壞力強對測量方法與儀器要求很高，因此對內部流速的測量一直難以實現，並且能夠滿足泥石流表面流速測量的方法與系統也並不能完全適用甚至不能適用於對泥石流內部流速的測量。長期以來，泥石流內部流速的測量問題一直未得到解決，現有技術中也未見相關報導。


發明內容
本發明的目的就是針對現有技術的不足，解決常規光學和無線電波無法穿透泥石流體和常規流速探頭在泥石流內部易遭受破壞而無法工作的難題，提供一種泥石流流速測量方法及其實現系統，該方法與系統能夠測量泥石流內部流速，並且測量方法運算方便、快捷、準確性高，測量系統結構簡單、建設成本低。
為實現上述目的，本發明的技術方案如下 一種泥石流流速測量方法，基於測量兩個測量斷面上相對應測量位置處泥石流剪切力實現，其特徵在於採用如下步驟進行 S1、在泥石流流動均勻的地方沿泥石流流向布置兩個與流向垂直的測量斷面A和A′，兩斷面間的距離ΔL為0.05～0.3m； S2、在測量斷面A上設定一個測量位置a，在測量斷面A′上設定一個與斷面A上位置a相對應的測量位置a′；在泥石流流動時分別採集位置a和a′處的剪切力變化過程數據，並繪製位置a和a′處的剪切力波形圖； S3、根據比較測量位置a和a′處的剪切力波形圖確定剪切力波從位置a處傳播到位置a′處的時間長度Δt； S4、根據公式1計算泥石流體從a處到a′處的流速u， u＝ΔL/Δt公式1 式中u-泥石流體流速(m/s)； ΔL-兩測量斷面間的距離(m)，由S1確定； Δt-剪切力波在兩測量位置間的傳播時間(s)，由S3確定。
本技術方案提供的泥石流流速測量方法的原理在於一方面，當泥石流流動穩定呈現層流狀態時，在泥石流運動方向上經過上斷面A上a處的流體也會在下斷面A′相對應位置a′處出現。這樣就提供了泥石流體流動過程中可以用於比較泥石流流速變化的依據。另一方面，流體由於外因變形時在其內部任一斷面內的兩方會出現相互作用力，其中相切於斷面的分量稱為剪切力，該剪切力與內部流速之間存在正相關關係。所以在泥石流運動過程中，可以藉助測試得到的泥石流流動方向上不同斷面對應位置剪切力變化的時間差表徵泥石流體運動的時間差Δt，再結合不同斷面間的距離ΔL計算得到泥石流體流速的大小變化。具體而言，當泥石流的泥位和流速都經歷先增大後減小的過程時，剪切力也會經歷先增大後減小的過程，即在泥石流體運動方向上的斷面A和A′的相對應位置a和a′可以分別測得一個剪切力過程，稱為剪切力波形圖。將位置a和a′處的剪切力波形加以比較可以獲得泥石流體運動變化的指標，並間接獲得泥石流流速的指標。
基於上述測量方法的原理，在剪切力波形比較時可以在泥石流體中確定一個觀測質點，該質點在測量斷面A和A′的剪切力波形圖上會具有相同的位置。因此在確定斷面A和A′間距離ΔL的基礎上，可以根據波形圖確定質點從斷面A到達斷面A′的時間長度Δt，再依據公式u＝ΔL/Δt即可得到該質點的流速，也即泥石流內部該質點從斷面A運動到斷面A′的流速。如果測試獲得的斷面A向和A′的剪切力波形具有良好的匹配性，則上述比較質點可以直接選用波形圖上的特徵點，如波峰點或波谷點，用以兩波形的比較，以確定波形相位的時間差Δt。如果獲得的斷面A和A′的剪切力波形匹配不好，則可以通過波形相關係數確定時間差Δt。具體而言，當剪切力波從斷面A向斷面A′傳播時，若波形保持不變，則斷面A的波形沿時間軸平移Δt′時段後將與斷面A′的波形完全重合，即二者的相關係數為1.0。實際測量中，由於測量誤差的存在，二者的相關係數難以達到1.0，但是當斷面A的波形沿時間軸平移Δt′時，兩斷面的波形相關係數會接近1.0。所以在相關係數-時間間隔曲線上，相關係數最接近1.0的點對應的時間間隔即為傳播時間Δt。
上述測量方法在實施時為了保證測量的流速儘可能接近測量位置的瞬時流速，除了需要將測量斷面設置在泥石流流動平穩呈現層流狀態處以外，所設定的兩測量斷面A和A′之間還須具有一個較小的距離。所述ΔL以0.05～0.3m為宜，優選條件為0.1～0.2m。當流速較大時ΔL選擇較大值，當流速較小時ΔL選擇較小值。
為實現上述測量方法，本發明提供一種泥石流流速測量系統，其技術方案如下 一種泥石流流速測量系統，包括數據採集裝置和連接在數據採集裝置後面的數據處理裝置，其特徵在於在數據採集裝置前方連接剪切力測量裝置，所述剪切力測量裝置由剪切力傳感器和必要的固定支架構成；所述剪切力傳感器沿泥石流流向成對安裝在兩個與泥石流流向垂直的測量斷面上，且具體安裝在兩測量斷面上相對應的測量位置處；兩斷面間距離ΔL為0.05～0.3m；不同斷面上位於相對應的測量位置的剪切力傳感器構成一個傳感器組，剪切力測量裝置包括至少一個傳感器組；所述數據採集裝置用於採集剪切力傳感器感應到的剪切力數據；所述數據處理裝置用於接收採集到的數據並進行加工與計算。
在上述系統基礎上，為了能在實驗室中完整模擬泥石流發生過程並測試流速，本發明還提供一種適用於實驗室的泥石流流速測量系統，其技術方案如下 一種泥石流流速實驗測量系統，包括泥石流實驗槽和剪切力測量裝置以及與剪切力測量裝置依次連接的數據採集裝置和數據處理裝置，其特徵在於所述泥石流實驗槽內布置有兩個垂直於泥石流實驗槽底板和泥石流流向的測量斷面，兩斷面間距離ΔL為0.05～0.3m；在兩斷面上與實驗槽底板垂直距離相等的相對應的測量位置分別安裝有剪切力傳感器；分別位於兩斷面上相對應測量位置的剪切力傳感器構成一個傳感器組，剪切力測量裝置包括至少一個傳感器組。
上述實驗測量系統將剪切力傳感器置於泥石流實驗槽側壁，可以直接接觸到泥石流體內部獲取泥石流流體內部的運動信息，從而獲得泥石流內部剪切力變化的數據，以此表徵出泥石流內部流速數據。
與現有技術相比，本發明的有益效果是利用設在兩個測量斷面上相對應的測量位置處的剪切力傳感器測試泥石流運動過程中的剪切力變化，根據測試到的剪切力變化間的時間差和兩個斷面的距離計算得到泥石流流速，解決了常規光學和無線電波無法穿透泥石流體和常規流速探頭在泥石流內部易於遭受泥石流體衝擊而破壞從而無法工作的難題；另一方面本技術方案也解決了現有技術一直未能解決的測量泥石流體內部流速的技術難題。該測量方法及其現實系統設備材料簡單，便於安裝使用，並且傳感器不易被泥石流破壞可以重複使用，經濟節約；測量計算過程簡便，計算結果可靠。



圖1是泥石流流速測量系統裝置示意圖。
圖2是實驗槽及測量斷面A和A′布置示意圖。
圖3是實驗槽側壁剪切力傳感器安裝結構示意圖。
圖4是實施例一中測量位置a和a′處的剪切力信號圖。
圖5是實施例一中測量位置a和a′處降噪後的剪切力波形圖。
圖6是實施例二中測量位置a和a′處的剪切力信號圖。
圖7是實施例二中測量位置a和a′處降噪後的剪切力波形圖。
圖8是實施例二中不同間隔時間對應的波形相關係數圖。
圖中標號如下 1 剪切力測量裝置 3 數據處理裝置 11 剪切力傳感器4 實驗槽 2 數據採集裝置41 傳感器支架
具體實施例方式 下面結合附圖，對本發明優選實施例作進一步的描述。
實施例一 如圖1、2、3、4、5所示。2009年8月3日在中國科學院東川泥石流觀測研究站試驗廳開展泥石流室內實驗測量泥石流內部流速。
(1)實驗系統安裝 實驗系統包括模擬泥石流溝的實驗槽4和相應的測量系統。測量系統包括剪切力測量裝置1，以及與剪切力測量裝置1依次連接的數據採集器和用於數據處理的計算機。
實驗槽4長6m寬30cm，橫斷面為矩形；實驗槽4底板為鋼板，側壁為玻璃。在實驗槽右側壁距離實驗槽尾部1.7m和1.5m處分別安裝一根傳感器支架41，在每根支架上設置4個相對應的測量位置a和a′，b和b′，c和c′，d和d′，分別在距離實驗槽底板1cm、3cm、5cm和7cm處。在每個測量位置上安裝1個剪切力傳感器11，如圖2、3所示。每對相對應位置處的兩個剪切力傳感器11構成一個傳感器組。
傳感器與數據採集器相連接，每一個傳感器連接數據採集器的一個埠，採集器同時採集各傳感器感應的剪切力信號，並實時傳輸到計算機進行存儲和加工處理。
實驗選用傳感器類型為應變式剪切力傳感器，由綿陽市奇石緣科技有限公司生產。數據採集器由成都中科動態儀器有限公司生產。
實驗所用泥石流體的最大粒徑為2cm，密度為2.0t/m3。
(2)泥石流內部流速測量 本實施例中以測量位置a和a′處(距離實驗槽底板1cm)的傳感器的實驗為例說明泥石流內部流速的測量過程。泥石流內部流速測量按照如下步驟進行 S1、布置測量斷面A和A′與測量位置a和a′ 前期預備實驗證明，實驗槽4長6m寬30cm，實驗槽4中的兩測量斷面布置在距離實驗槽尾部1.7m和1.5m處，泥石流流經斷面A和A′處時流動平穩。此時有，兩斷面間距離ΔL＝0.2m。開啟斷面A和A′上測量位置a和a′處的剪切力傳感器及相應設備至工作狀態。
S2、採集測量位置a和a′處剪切力數據，並加工處理 S21、採集測量位置a和a′處的剪切力變化過程數據。
泥石流流動時，數據採集器分別採集位置a和a′處的傳感器感應的剪切力變化過程數據，結果如圖4所示。
S22、將S21採集的數據信號做降噪處理，並繪製位置a和a′處的剪切力波形圖，如圖5所示。
S3、確定波形特徵點對應的時刻 降噪後經比較發現兩測量位置的剪切力波形匹配良好，因此直接選取波峰點為波形比較的特徵點。位置a處的波峰對應時刻為3.3565s，位置a′的波峰對應時刻為3.8915s。
S4、確定Δt 傳播時間Δt為位置a和a′處剪切力波形特徵點對應時刻之差，即Δt＝3.8915s-3.3565s＝0.535s。
S5、確定內部流速u 根據公式1計算實驗槽右側距實驗槽底板1cm高度的泥石流體在斷面A和A′段的流速u＝0.374m/s。
實施例二 如圖6、7、8所示。2009年8月3日在中國科學院東川泥石流觀測研究站試驗廳開展泥石流室內實驗測量泥石流內部流速。其(1)、(2)部分中與實施例一中相同之處不再重複，其不同之處具體為 (2)泥石流內部流速測量 泥石流內部流速測量按照如下步驟進行 S1、布置測量斷面A和A′與測量位置a和a′ 同實施例一中S1操作。
S2、採集測量位置a和a′處的剪切力數據，並加工處理 S21、採集測量位置a和a′處的剪切力變化過程數據。
泥石流流動時，數據採集器分別採集位置a和a′處的傳感器獲取的剪切力變化過程數據，結果如圖6所示。
S22、將S21採集的數據信號做降噪處理，並繪製位置a和a′處剪切力波形圖，如圖7所示。
S3、計算不同間隔時間兩測量位置波形的相關係數 位置a的剪切力波形中有兩個波峰，位置a′的波形中只有一個波峰，波形匹配較差，故利用相關係數確定剪切力波在位置a和a′之間的傳播時間。
將位置a的剪切力波形沿時間軸向右平移，每隔一段時間(本實驗中剪切力在兩橫斷面之間的傳播時間較短，故所取間隔時間較短，為0.0005s)計算一次位置a平移後的波形與位置a′的波形的相關係數。由此得到不同間隔時間Δt下的相關係數曲線，如圖8所示。
S4、確定Δt 根據S3得到相關係數最大(0.982)時對應的時間間隔1.2635s，該值即剪切力波在兩測量位置之間的傳播時間Δt。
S5、確定內部流速u 根據公式1計算實驗槽右側距實驗槽底板1cm高度處的泥石流體在斷面A和A′段的流速u＝0.158m/s。
權利要求
1.一種泥石流流速測量方法，基於測量兩個斷面上相對應位置處泥石流剪切力實現，其特徵在於採用如下步驟進行
S1、在泥石流流動均勻的地方沿泥石流流向布置兩個與流向垂直的測量斷面A和A′，兩斷面間的距離ΔL為0.05～0.3m；
S2、在測量斷面A上設定一個測量位置a，在測量斷面A′上設定一個與斷面A上位置a相對應的測量位置a′；在泥石流流動時分別採集位置a和a′處的剪切力變化過程數據，並繪製位置a和a′處的剪切力波形S3、根據比較測量位置a和a′處的剪切力波形圖確定剪切力波從位置a處傳播到位置a′處的時間長度Δt；
S4、根據公式1計算泥石流體從a處到a′處的流速u，
u＝ΔL/Δt公式1
式中u-泥石流體流速(m/s)；
ΔL-兩測量斷面間的距離(m)，由S1確定；
Δt-剪切力波在兩測量位置間的傳播時間(s)，由S3確定。
2.根據權利要求1所述的測量方法，其特徵在於所述S3採用如下步驟進行在測量位置a和a′處的剪切力波形圖上找到一個特徵點，即波峰點或波谷點，根據比較兩剪切力波形圖上特徵點的位點確定剪切力波在位置a和a′間的傳播時間。
3.根據權利要求1所述的測量方法，其特徵在於所述S3採用如下步驟進行設定不同的時間間隔，計算測量位置a和a′處剪切力波之間的相關係數，相關係數最大時的時間間隔即為剪切力波在兩測量位置間的傳播時間。
4.一種泥石流流速測量系統，包括數據採集裝置(2)和連接在數據採集裝置(2)後面的數據處理裝置(3)，其特徵在於
在數據採集裝置(2)前方連接剪切力測量裝置(1)，所述剪切力測量裝置(1)由剪切力傳感器(11)和必要的固定支架構成；
所述剪切力傳感器(11)沿泥石流流向成對安裝在兩個與泥石流流向垂直的測量斷面上，且具體安裝在兩測量斷面上相對應的測量位置處；兩斷面間距離ΔL為0.05～0.3m；不同斷面上位於相對應的測量位置的剪切力傳感器(11)構成一個傳感器組，剪切力測量裝置(1)包括至少一個傳感器組；
所述數據採集裝置(2)用於採集剪切力傳感器(11)感應到的剪切力數據；所述數據處理裝置(3)用於接收採集到的數據並進行加工與計算。
5.一種泥石流流速實驗測量系統，包括泥石流實驗槽(4)和剪切力測量裝置(1)，以及與剪切力測量裝置(1)依次連接的數據採集裝置(2)和數據處理裝置(3)，其特徵在於所述泥石流實驗槽(4)內布置有兩個垂直於泥石流實驗槽(4)底板和泥石流流向的測量斷面，兩斷面間距離ΔL為0.05～0.3m；在兩斷面上與實驗槽(41)底板垂直距離相等的相對應的測量位置分別安裝有剪切力傳感器(11)；分別位於兩斷面上相對應測量位置的剪切力傳感器(11)構成一個傳感器組，剪切力測量裝置(1)包括至少一個傳感器組。
6.根據權利要求1或2或3或4或5所述的測量方法或測量系統，其特徵在於，所述ΔL為0.1～0.2m。
7.根據權利要求5所述的實驗測量裝置，其特徵在於所述泥石流實驗槽(4)長5.5～6.5m、寬20～40cm，底板為鋼板，側壁為玻璃；在一邊側壁上距離實驗槽(4)尾部1.5m和1.7m處分別固定有一根矩形傳感器支架(41)，傳感器支架長邊與實驗槽(4)底板垂直，傳感器支架平面與泥石流流向平行；在每根支架(41)上布置有相對應的測量位置，測量位置上安裝有剪切力傳感器(11)。
8.根據權利要求4或5或7所述的測量系統，其特徵在於所述剪切力傳感器(11)是應變式剪切力傳感器。
全文摘要
本發明公開了一種泥石流流速測量方法及其實現系統。針對現有技術中缺乏測量泥石流內部流速的方法與設備的不足，本發明提供一種泥石流流速測量方法，該方法是沿泥石流運動方向設置兩個測量橫斷面，測量獲取兩個斷面上相對應位置處泥石流剪切力變化數據，再根據兩個斷面上相對應位置處的剪切力波形比較結果，計算得到相應的泥石流內部流速。本發明還提供為實現該方法的測量系統以及實驗測量系統。與現有技術相比，本發明解決了現有技術一直未能解決的測量泥石流體內部流速的技術難題，也解決了常規測量儀器無法工作於運動泥石流體中的技術難道。本發明的測量方法原理可靠、易於操作、測量結果準確性高，測量系統結構簡單、造價節約、能夠重複使用。
文檔編號G01P5/22GK101718798SQ20091021619
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月11日 優先權日2009年11月11日
發明者韋方強, 胡凱衡, 楊紅娟, 洪勇, 黎曉宇, 江玉紅 申請人:中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所