一种泥石流物理模型实验系统及其泥石流模拟组件

技术领域

本发明是涉及一种泥石流室内物理模型实验研究领域，具体为一种可实 现多种边坡角度与冲积扇面下的排土场泥石流形成全过程的物理模型系统。

背景技术

我国已成为世界上的主要矿业大国之一，矿产资源的开发在很大程度上 改变了资源地原有的生态环境。矿山排土场堆放的松散固体物质为泥石流发 生提供了物源条件，使得在矿山资源的开发过程中，弃渣堆置不当常导致排 土场泥石流灾害的频繁发生。矿山泥石流的发生发展既有与自然泥石流形成 相似的物源、地形和水动力三个条件，也有不同于自然泥石流的特点。矿山 泥石流具有人为性、易启动性、重发性、危害集中性、可控性和可预防性等 特点。

长期以来人们一直致力于泥石流发生、发展规律的研究。许多泥石流工 作者进行了各种模型实验和野外人工泥石流实验。这些实验不仅为工程设计 提供了科学依据，而且为发展泥石流模拟相似理论做出了贡献。

崔鹏(1986)通过水槽实验研究泥石流体启动机理并提出了准泥石流体 的概念，将摩尔-库仑理论用于泥石流的启动研究。徐永年(2001)利用可调 坡度水槽进行松散崩塌土与水流掺混形成泥石流的实验，观测崩塌土运动距 离及泥石流的形成过程，建立崩塌土流高比的计算公式，提出了松散崩塌土 在一定纵坡下形成泥石流的水流掺混机理。匡尚富(1990)对天然坝在水力 作用下溃决后形成的泥石流进行了较系统、深入的研究。欧国强(1992)提 出了缓坡泥石流和陡坡泥石流的概念，揭示了这两种泥石流发展过程中波形 的时空变化特征和速度分布及浓度分布特征。胡明鉴(2001)在蒋家沟流域 通过大型人工降雨滑坡泥石流现场实验，分析降雨对滑坡的激发作用，初步 建立蒋家沟流域暴雨滑坡泥石流共生关系的含水量模型。陈晓清(2006)通 过野外原型观测人工降雨实验和室内特体特征参数实验，提出土力类泥石流 启动存在两种力学机理，即强降雨作用下的振动软化或液化机理、中小强度 降雨作用下的局部软化或液化机理。张万顺(2006)针对单一坡面泥石流起 动模型进行研究。魏厚振(2008)在室内采用大型直剪仪对蒋家沟砾石土不 同粗粒含量、不同含水率、不同干密度下的直剪强度进行了研究，并用稳态 理论对蒋家沟泥石流的启动过程进行了分析。胡明鉴(2008)通过实验研究 了泥石流崩滑堆积体斜坡稳定性、沟谷发育分形特征和崩滑堆积体复杂系统 的自组织临界性，剪切作用下滑面土体液化、强度降低后的灾变机理。徐友 宁(2009)基于人工模拟实验对采矿堆排刻渣作为物源进行了模拟启动实验， 实验考虑了颗粒级配、底床坡度、临界水量等主要因子的定量关系。

以上物理模型实验主要存在如下问题：1、物理模型系统综合性、集成性 有待发展，矿山排土场泥石流形成的影响因素很多，排土场泥石流物理模型 实验系统不但要实现泥石流形成全过程的模拟，还需布置各种监测系统，实 现各个关键参数的实时监测，在此基础上全面分析与掌握泥石流演变特征；2、 物理模型实验系统灵活性与可重复性有待完善，目前排土场泥石流物理模型 试验系统操作较复杂，且难以实现不同工程背景下的泥石流模型实验；3、物 理模型实验系统中监测主要参数科学性有待研究，目前泥石流物理模型实验 系统中，多对泥石流形成过程中的孔隙水压力、降雨量、物料流动速度与运 动距离进行监测，皆为泥石流发生的必要而非充分条件，难以实验泥石流发 生的监测预警研究，而泥石流形成中滑动力与抗滑力关系为泥石流形成的充 分必要条件。

因此，研制一套综合性、集成性、轻便灵活、可重复并可实现泥石流发 生监测预警研究的排土场泥石流物理模型实验有十分重要的现实意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种泥石流模拟组件，包括，物料 箱，用于盛放模拟泥石流的物料，所述物料箱相对于一基面具有一定高度； 供水装置，为所述物料箱内的物料提供降水，以形成模拟泥石流的固液混合 物；以及流通装置，一端与所述物料箱相连，另一端位于所述基面，所述流 通装置与所述物料箱的高度方向具有一小于90度的夹角。

根据本发明的一实施方式，所述泥石流模拟组件还包括收集装置，所述 收集装置设置于所述基面，所述模拟泥石流的固液混合物可沿所述流通装置 流至所述收集装置。

根据本发明的另一实施方式，所述流通装置为两端开口的管，包括依次 相连的上端部、本体部和下端部，所述流通装置通过所述上端部与所述物料 箱相连，所述下端部位于所述收集装置。

根据本发明的另一实施方式，所述流通装置的下端部为一软管，在所述 下端部的下部设置有滑槽，所述下端部通过β角铰链和扇面控制铰链固定于 所述滑槽。

根据本发明的另一实施方式，保持所述β角铰链的位置不变，通过调整 与所述β角铰链相连的所述扇面控制铰链的位置可实现泥石流不同冲击扇面 的模拟。

根据本发明的另一实施方式，在所述物料箱上设置有第一观测窗，或者 所述物料箱为透明物料箱，以观测所述物料箱内的物料在模拟降水下的变化 情况。

根据本发明的另一实施方式，在所述第一观测窗或所述透明物料箱上设 置有表示所述物料箱体积的刻度线或网格线。

根据本发明的另一实施方式，在所述物料箱的侧面上设有一开口，所述 开口与所述流通装置相连，沿所述开口还设置有可移动的活动挡板，以控制 所述物料箱与所述流通装置之间的切断与连通。

根据本发明的另一实施方式，在所述流通装置外部，所述流通装置的一 端与所述物料箱之间设置有α角铰链，可通过调节所述α角铰链来调整所述 流通装置与所述物料箱的高度方向的夹角。

根据本发明的另一实施方式，在所述流通装置上设置有第二观测窗，以 观测所述流通装置内模拟泥石流的运动特征，或者所述流通装置以透明材质 制成。

根据本发明的另一实施方式，所述收集装置包括网格测距板、三个挡板、 锚坝及锚墩，所述网格测距板包括多个正方形网格板，围绕所述网格测距板 分别设置有所述三个挡板及所述锚坝。

本发明进一步提供了一种泥石流物理模型实验系统，包括上述任一项所 述的泥石流模拟组件；实时监测组件，监测所述泥石流形成过程的参数数据； 以及监测数据处理组件，接收来自所述实时监测组件的监测数据，并对所述 监测数据进行分析处理。

根据本发明的一实施方式，所述实时监测组件包括水压采集仪、流量计、 多个水压计、多个横阻锚杆测力计及图像采集仪。

根据本发明的另一实施方式，所述供水装置包括供水管、设置于所述供 水管端部的多个喷头以及用于控制所述多个喷头的水流量的水闸，所述多个 喷头位于所述物料箱内物料的上方；所述水压采集仪与设置于所述物料箱内 所述多个喷头下方的多个水压计相连，所述流量计设置于所述供水管上。

根据本发明的另一实施方式，所述多个横阻锚杆测力计设置于所述收集 装置。

本发明提供了一种兼具综合性、集成性、灵活性与可重复性的排土场泥 石流室内物理模型实验系统，可进行多种边坡角度、冲积扇面的泥石流全过 程的物理模拟，该模型带有多种监测系统，包括监测泥石流形成过程的“充 分必要条件”即滑动力的监测子系统，对研究排土场泥石流形成机理、监测 预警等有重要意义。

附图说明

图1为本发明一实施方式的排土场泥石流物理模型实验系统的结构示意 图；

图2为本发明一实施方式的排土场泥石流物理模型实验系统的的俯视 图；

图3为图2的收集装置内横阻锚杆测力计及微型锚墩的分布示意图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应 理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发 明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本 发明。

如图1至2所示，本发明一实施方式的排土场泥石流物理模型实验系统， 包括泥石流模拟组件、实时监测组件及监测数据处理组件。

泥石流模拟组件可包括物料箱110，用于盛放模拟泥石流的物料，物料 箱110相对于一基面具有一定高度，该高度可通过例如在所述基面上、物料 箱110下设置具有一定高度的物料箱基座130来实现；供水装置，为物料箱 110内的物料提供降水，以形成模拟泥石流的固液混合物；以及流通装置150， 一端与物料箱110相连，另一端位于所述基面，流通装置150与物料箱110 的高度方向具有一小于90度的夹角，该夹角优选为30～60°。进一步地， 泥石流模拟组件还可包括收集装置160。

本发明一实施方式的排土场泥石流物理模型实验系统，通过供水装置给 物料箱110内的物料供水，形成固液混合物，以模拟雨水降落到矿山排土场， 随后使物料箱110内的固液混合物沿流通装置150流至收集装置160堆积， 模拟泥石流发生的全过程。期间，实时监测组件用以监测相关数据的变化， 并采集该收据将其传至监测数据处理组件进行分析处理。排土场泥石流物理 模型实验系统各部件的结构及分布关系以下述实施方式为例进行具体说明。

物料箱110设置于物料箱基座130上，物料箱基座130具有一定的高度， 以使物料箱110内的模拟泥石流物料在降雨后能够沿流通装置150倾泻而下。 物料箱110可以为上部开口的长方体箱，在物料箱110内盛放有与排土场物 源区地形地貌相似的物料。在物料箱110的一侧面设有一开口，该开口与流 通装置150相连，沿该开口还设置有可沿竖直方向移动的活动挡板111，以 控制物料箱110与流通装置150之间的切断与连通。在物料箱110的另一侧 面，与活动挡板111相邻的一侧还可设置网格观测窗112，网格光侧窗112 可以通过在物料箱111的侧面设置一开口，并在该开口上安装透明材质的带 有网格的挡板形成，以观测物料箱110内的物料在模拟降雨下的变化情况， 并通过网格测定物料箱内水量的变化。此外，物料箱110的材质也可以为透 明材质，如此可省去网格观测窗112的开设，直接在物料箱110的侧面设置 代表一定体积的网格，便可观测到物料的状态及水量的变化。

供水装置可包括供水管141、设置于供水管141端部的多个喷头142以 及用于控制喷头142的水流量的水闸143。多个喷头142位于物料箱110上 部、物料的正上方，以便于模拟降雨。供水管141的高度优选为物料箱110 与物料箱基座130的高度之和，为便于对设置于供水管141上部的水闸143 等部件的操作，可在所述基面上紧邻物料箱基座130设置一具有台阶的高台 144，高台144的高度可与物料箱基座130相等。供水管141和高台144均可 设置于与流通装置150相对的一侧。

流通装置150优选为两端开口的方形管，包括依次相连的上端部、本体 部和下端部，三者可分别为独立的部件，也可一体成型。流通装置150可通 过其上端部与物料箱110的开口相连，其下端部的开口位于收集装置160内， 且收集装置160与物料箱基座130均位于所述基面上，使得流通装置150倾 斜地设置于物料箱110和收集装置160之间，模拟泥石流可自物料箱110通 过流通装置150流至收集装置160。为使流通装置150的上端部与物料箱110、 下端部与收集装置160之间的连接或作用更加稳固，优选地，流通装置150 的上端部、下端部分别为可变形的软管。

流通装置150的作用在于模拟排土场内供泥石流滑落的斜坡，由此流通 装置150的底面优选为平面，该底面指的是模拟泥石流在流通装置150的流 经面。为观测流通装置150内模拟泥石流的运动特征，可在流通装置150本 体部的上表面开设观测窗151，也可以不设置观测窗151而是用高强度的透 明材质制作流通装置150的本体部或整个流通装置150。在流通装置150外 部，流通装置150的上端开口与物料箱110之间设置有α角铰链152，可通 过调节α角铰链152来调整流通装置150相对于物料箱110的倾斜角度，该 倾斜角度优选为30～60°。千斤顶基座153设置于流通装置150的下方，在 千斤顶基座153上设置有用以支撑流通装置150的千斤顶154，在千斤顶154 的支撑下，流通装置150能够以一定的倾斜角度固定于物料箱110和收集装 置160之间。因此，α角铰链152与千斤顶154的配合使用，可实现不同排 土场边坡角度的物理模拟。

在流通装置150下端口(位于下端部的开口)的下部设置有滑槽155， 流通装置150通过β角铰链156和扇面控制铰链157的配合使用，固定于滑 槽155，以便于流通装置150下端口的移动。两组β角铰链156和扇面控制 铰链157分别位于流通装置150下端口的两侧，可通过调整每组β角铰链156 和扇面控制铰链157与流通装置150下端口的夹角，实现泥石流不同冲击扇 面的模拟。即，保持β角铰链156的位置不变，通过调整扇面控制铰链157 的位置可实现泥石流不同冲击扇面的模拟。

如图1至3所示，收集装置160包括网格测距板161、挡板162、微型锚 坝163及微型锚墩164。网格测距板161呈正方形或长方形状，可由多个固 定边长的正方形黑、白瓷砖交替设置组成。模拟泥石流自流通装置150的下 端口流至网格测距板161，可通过泥石流所覆盖的网格的个数获取泥石流在 收集装置160上的运动距离、覆盖面积等数据。围绕网格测距板161的四个 侧面分别设置有三个挡板162及一个微型锚坝163，挡板162例如可以是砼 挡板，微型锚坝163的高度大于网格测距板161及挡板162，并位于与流通 装置150下端口相对的一侧，起到防护的作用。在网格测距板161上还设置 有多个微型锚墩164，微型锚墩164位于流通装置150下端口与微型锚坝163 之间。

实时监测组件可包括水压采集仪210、流量计220、水压计230、横阻锚 杆测力计240及图像采集仪250。水压采集仪210可设置于物料箱110上与 活动挡板111相对一侧的外壁上，并与设置于物料箱110内喷头142下方的 多个水压计230相连。水压采集仪210与水压计230可实现物源区模拟泥石 流启动前孔隙水压力的实时监测。流量计220可设置于供水管141上，水闸 143与喷头142之间，通过流量计220实时监测数据变化可计算出模拟雨量 变化。多个横阻锚杆测力计240设置于收集装置160内，并通过多个锚栓241 分别固定于收集装置160的微型锚坝163及微型锚墩164，横阻锚杆测力计 240可实现泥石流运动中力学因素的实时监测。图像采集仪250设置于收集 装置160的微型锚坝163的外侧，正对物料箱110、流通装置150及收集装 置160，可实时掌握泥石流形成的全过程，其配合网格测距板161可得到泥 石流排泄-堆积区泥石流侵占面积的实时变化。

监测数据处理组件包括无线接收处理台300，其可无线接收实时监测组 件得到的孔隙水压力监测数据、锚杆受力监测数据、水量数据、动态图像数 据，并对数据进行初步处理，得到相应的曲线等分析结果。

本发明一实施方式的排土场泥石流物理模型实验系统的操作步骤如下：

1)确定模拟排土场地形地貌，依据相似理论，确定物理模拟所用物料配 比，并确定模拟降雨工况；

2)安装活动挡板111使其遮住物料箱110侧面的开口，并向物料箱110 中填装物料，使之与排土场物源区地形地貌相似；

3)调整α角铰链152，使之与模拟排土场流动区坡度相符；调整β角铰 链157，使之与模拟排土场排泄堆积区相符；调整微型锚墩164、锚坝163 自重，与设计加固与监测参数相符；

4)启动无线数据接收处理台300，检查设备运行情况，并开启水压采集 仪210，图像采集仪250，横阻锚杆测力计240；

5)开启活动挡板111；

6)供水管141开始供水，记录流量计220流经水量；通过网格观测窗 112观测记录物源区在模拟降雨下的变化情况；通过观测窗151观测记录流 动区泥石流运动特征；通过网格测距板161观测记录泥石流排泄堆积特征；

7)降雨量模拟达到设计值时关闭水闸143；

8)观察泥石流运动情况，当泥石流停止运动时图像采集仪250、横阻锚 杆测力计240、水压采集仪210停止工作；关闭无线接收处理台300，基于所 采集数据，进行深入分析与研究。

本发明的泥石流物理模型实验系统带有多种监测系统，实现排土场泥石 流形成全过程关键参数的实时监测，掌握排土场泥石流演变特征。

除非特别限定，本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。

本发明所描述的实施方式仅出于示例性目的，并非用以限制本发明的保 护范围，本领域技术人员可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改 进，因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。