位移，随物源的抵抗力矩持续衰减，十字板头406的转动位移持续增加，直至物源的抵抗力矩小于极限值时，十字板头406产生转动，造成物源起动。在物源起动前的力矩为静力力矩，在物源起动之后力矩电机402输出的力矩为动力力矩，此时力矩值与十字板头406所受的阻力力矩为平衡力矩(在误差可接受范围内)，十字板头406的力矩值可由扭矩传感器403准确测得。力矩施加之后十字板头406产生的扭转位移由光电编码器401测得，光电编码器401测得的十字板头406扭转位移参数在起动前可以表征物源的应变，在起动之后表征泥石流的流速。
[0048]同时，由于上游泥石流运移模拟装置3的工作而产生动力荷载作用，该动力荷载作用使十字板头406周围的物源产生变形导致其体积含水量(土水比例)发生变化，同时使物源的孔隙水压力在运移过程中聚集而在运移过后消散，使物源产生附加土压力，使得物源的水平和竖向方向上的土压力演化。并且，在十字板头406促使物源起动的前后过程中，这些物理量的演化规律表征了上游泥石流对于沟床堆积物起动的扰动特征。在这个过程中，水压力传感器501、含水量传感器502和土压力传感器503可以分别监测物源内部孔隙水压力、含水量和物源水平与竖向土压力的数据变化。测控系统6实时采集并显示水压力传感器501、含水量传感器502和土压力传感器503监测到的物源内部的孔隙水压力、含水量和土压力变化数据，通过对采集到的这些数据进行分析归纳总结其演化规律，可以用以阐述上游泥石流对沟床堆积物起动时的扰动特征和机理，同时，测控系统6采集扭矩传感器403测得的十字板头406力矩值和光电编码器401测得的十字板头406产生的扭转位移，对测控系统6采集到力矩值和扭转位移进行分析，可以归纳总结物源的应变随泥石流的流速的变化规律。
[0049]并且，在上述试验过程中，通过控制滚筒301内注入的水量改变其质量，用以模拟泥石流的流深，通过串联滚筒301的数量用以模拟泥石流的规模(一阵泥石流的长度)，通过控制电机305的转速模拟泥石流的流速，以及选择不同直径规格的十字板头406并埋设在距离物源上表面不同深度处来对物源起动，可以把泥石流扰动因素作为具有严格边界条件的作用施加，可以避免泥石流扰动作用的随机性和不可控制因素，使得泥石流对沟床堆积物的扰动因素具有可测控性和定量化。
[0050]本发明提供了一种模拟沟床堆积物在上游泥石流扰动下的起动试验系统，能够仿真模拟上游泥石流对运移路径上的沟床堆积物产生的扰动作用，通过对上游泥石流扰动作用下的沟床堆积物的孔隙水压力、水平和竖向土压力变化规律的分析，以及对沟床堆积物的土体变形和起动的判断，可以揭示泥石流灾害形成过程中的沿程侵蚀现象。
[0051]最后所应说明的是，以上【具体实施方式】仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种模拟沟床堆积物在上游泥石流扰动下的起动试验系统，其特征在于:包括物源箱、对所述物源箱内物源喷水的人工降雨模拟装置、设置在所述物源表层用于模拟泥石流运移作用的上游泥石流运移模拟装置、伸入所述物源箱内使所述物源起动的十字板头剪切流变仪、设置在物源箱内用于监测所述物源内部含水量、土压力和孔隙水压力的多物理量监测系统、以及分别与所述人工降雨模拟装置、上游泥石流运移模拟装置、十字板头剪切流变仪和多物理量监测系统连接的测控系统。2.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于:所述人工降雨模拟装置包括设置在所述物源箱上方的多个降雨喷头以及通过输水管网与所述降雨喷头连接的水栗。3.根据权利要求2所述的试验系统，其特征在于:所述上游泥石流运移模拟装置包括设置在所述物源箱内部物源表层的至少一滚筒和设置在物源箱外部的电机，所述滚筒轴心设置筒轴，所述滚筒通过所述筒轴两端设置的牵引线连接于所述电机的电机轴延伸轴。4.根据权利要求3所述的试验系统，其特征在于:所述滚筒的数量为1-5个，所述滚筒为中空式滚筒，所述滚筒的一端设有滚筒密封口。5.根据权利要求3所述的试验系统，其特征在于:所述十字板头剪切流变仪包括设置在所述物源箱内的十字板头，通过连接杆与所述十字板头连接的力矩电机，所述力矩电机通过支撑杆固定在承载柱上，所述力矩电机上设置有扭矩传感器用于检测所述十字板头起动后的力矩值，所述力矩电机上设置有光电编码器用于检测所述十字板头产生的扭转位移。6.根据权利要求5所述的试验系统，其特征在于:所述多物理量监测系统包括用于监测物源内部含水量变化的含水量传感器、用于监测物源内部孔隙水压力变化的水压力传感器和用于监测物源水平方向和竖直方向土压力变化的土压力传感器。7.根据权利要求6所述的试验系统，其特征在于:所述多物理量监测系统在所述物源箱内与所述十字板头处于同一高度且正对所述十字板头。8.根据权利要求7所述的试验系统，其特征在于:所述测控系统包括测控模块以及与所述测控模块连接用于显示所述测控模块数据的显示终端，所述测控模块分别与所述人工降雨模拟装置的水栗连接用于调节人工降雨的降雨强度、与所述上游泥石流运移模拟装置的电机连接用于控制泥石流运移速率、与所述十字板头剪切流变仪的力矩电机连接用于控制所述力矩电机的力矩输出。9.根据权利要求8所述的试验系统，其特征在于:所述测控模块分别与所述的含水量传感器、水压力传感器和土压力传感器连接，用于采集所述含水量传感器、土压力传感器和水压力传感器监测的物源内部的含水量、土压力和孔隙水压力变化数据，所述测控模块分别与所述十字板头剪切流变仪的光电编码器和扭矩传感器，用于采集所述光电编码器检测的扭转位移和所述扭矩传感器检测的力矩值。10.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于:所述物源箱底部四周设置有可启闭的排水孔，所述物源箱的一个侧面不同高度位置设置有可启闭的设备孔。
【专利摘要】本发明提供了一种模拟沟床堆积物在上游泥石流扰动下的起动试验系统，包括物源箱、设置在物源箱上方的人工降雨模拟装置、设置在物源箱上部的上游泥石流运移模拟装置、连接到物源箱内的十字板头剪切流变仪、设置在物源箱内的多物理量监测系统、以及分别与人工降雨模拟装置、上游泥石流运移模拟装置、和十字板头剪切流变仪和多物理量监测系统连接的测控系统。本发明提供的模拟沟床堆积物在上游泥石流扰动下的起动试验系统，能够较准确的模拟沟床堆积物在上游泥石流扰动下的起动作用和机理，可以揭示泥石流灾害形成过程中的沿程侵蚀现象。
【IPC分类】G01N33/24
【公开号】CN105628896
【申请号】CN201610081047
【发明人】刘晓丽, 刘中港, 王恩志, 王芳, 赵宜婷, 颜永国, 杨志超
【申请人】清华大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年2月5日