一种叶轮式泥石流流速监测预警装置及其应用方法与流程

本发明涉及泥石流灾害的预警及防治领域，具体涉及一种叶轮式泥石流流速监测预警装置及其应用方法。

背景技术：

泥石流是中国山区常见多发的一种地质灾害，具有突发性，速度快，能量大，破坏力极强，携带物质体积大等特点。因此，常常会对泥石流发生的城镇，村庄造成较大的经济损失和人员伤亡。泥石流流速是泥石流防治工程中重要的设计参数之一，但由于其突发性较强，其流速通常难以准确监测到，这使得泥石流流速现场测试技术如何快速简便变得尤为重要。

当前对泥石流流速测定方法主要是载波相位差分法、多普勒法、光弹法、图像解译法等。它们多基于泥石流的流体表面测定，但由于泥石流是一种包含大量泥沙、石块、水等的一种不均匀多相流体，泥石流表面流速与内部流速明显不同。因此，现有的方法难以实时地监测泥石流的流速，较准确地测定泥石流内部流速，并能达到预警的效果，上述方法难以得到解决。

技术实现要素：

针对现有泥石流流速测定技术的不足，为了实现监测泥石流内部的流速，并对泥石流灾害进行预警。本发明提供一种叶轮式泥石流流速监测预警装置及其应用方法。

本发明的一种叶轮式泥石流流速监测预警装置，包括支架结构系统、同速转轮系统和电路系统。

其中支架结构系统有左右对称的两根相同升降脚架，在每个升降脚架的下部通过支架枢纽安装两根辅助支架，在升降脚架的上端通过可拆卸螺丝固定一根水平横梁，且水平横梁与升降脚架之间通过固定钢条加固。水平横梁上面通过固定螺丝安装水平支板，两块竖向支板通过底边设置的合页分别连接于水平支板的左右两端；水平支板中部设置有刚性绝缘支架。

其中同速转轮系统结构为：一个转轮的内环刚接于水平横梁的中部，转轮的外环沿其径向均匀固定八根绝缘刚性杆，在每根绝缘刚性杆的中部均焊接有变阻电刷；绝缘刚性杆的端部焊接有圆形叶片状的同速转叶。轮轴灵敏度高，摩擦阻力几乎可忽略，以确保泥石流流速能高效率转化为同速转轮的转速。

其中电路系统结构为：电极探针设置在刚性绝缘支架的顶部，与变阻电刷配合接触，电极探针通过导线依次连接电流信号监测仪、蓄电装置和开关形成回路。同时电流信号监测仪通过数据线与模数转换器连接，模数转换器连接信号发射器。

进一步的，绝缘刚性杆由内外螺纹一调节长度；升降脚架由内外螺纹二调节高度。以满足不同沟深泥石流沟的测试需求。

进一步的，变阻电刷是电阻沿着空间环形分布，电阻值依次变化的，且直径大小略大于绝缘刚性杆的环状电刷。

进一步的，电路系统还包括太阳能光伏板，太阳能光伏板通过合页安装在竖向支板的顶部；所述太阳能光伏板连接蓄电装置为其提供电源。除此之外太阳能光伏板还能够作为雨棚，起到发电、遮雨的双重作用。

进一步的，支架结构系统的材料为铝合金，绝缘刚性杆为工程塑料、玻璃纤维或环氧树脂材料制造，具有一定刚度。

本发明的一种叶轮式泥石流流速监测预警装置的应用方法，包括以下步骤：

步骤1、选点预埋：在泥石流流通区沟道上，选取至少3处地面平整的试验点，并在沟道两侧各挖一个一定深度的凹坑；将升降脚架和辅助支架埋入夯实。

步骤2、安装支架结构系统：通过可拆卸螺丝将水平横梁和升降脚架连接，并用固定钢条将水平横梁与升降脚架进行二次加固；通过固定螺丝将水平支板固定，安装刚性绝缘支架。

步骤3、调节同速转轮系统：将焊接有变阻电刷的绝缘刚性杆，根据泥石流沟深情况调节绝缘刚性杆至对应长度，并调整同速转叶使其法向方向平行于沟道纵向方向，最后固定。

步骤4、安装电路系统：将电极探针、电流信号监测仪、蓄电装置和开关依次用导线连接组装；将模数转换器和信号发射器安装在特定位置，并接到蓄电装置和电流信号监测仪。

步骤5、信号监测：打开各电源开关，等待泥石流；当泥石流来临时，泥石流首先接触到同速转叶，泥石流的冲击带动整个同速转轮一起同速转动，与此同时，绝缘刚性杆中部的变阻电刷与电极探针接触，电流信号监测仪监测到电路中的电流变化并收集电流信号。

步骤6、信号处理与预警：电流信号监测仪将电流信号发送到模数转换器，模数转换器将接收到的电流信号转换成数字信号，并发送给信号发射器，信号发射器将信号通过无线传输的方式发送到终端处理器，信号经过终端处理器处理后得到泥石流的流速，当流速达到预设的阈值，终端处理器立即将预警信号无线传送至当地预警装置，发出警报提醒村民及时疏散至安全区域。

上述方法步骤4中还包括，将竖向支板安装在水平支板的左右两端，再将太阳能光伏板通过合页安装在竖向支板上；把太阳能光伏板用导线连接蓄电装置并为其提供电力。

本发明的有益技术效果为：

本发明通过采用同速转轮的方式测量泥石流的流速，将线性运动转化为转动，通过测转速进而测得线性速度，该方法易于理解；本发明装置能通过转动方式将泥石流巨大的冲击力巧妙转化，较大地降低监测装置被损坏的风险，同时还能较准确地实时测得泥石流体内部流速，对工作人员还原泥石流运动过程有重要帮助，对泥石流的研究与防治提供了更可靠的数据。除此之外，该装置灵活可调，便于拆卸安装，自动化程度高，太阳能供电，节约成本。

附图说明

图1为泥石流流速监测装置的整体结构示意图；

图2为泥石流流速监测装置的结构正视图；

图3为泥石流流速监测装置的结构左视图；

图4为泥石流流速监测装置电路连接示意图；

图5为泥石流发生时装置进入工作状态的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。

图中各标号为：11：升降脚架，111：支架枢纽，112：内外螺纹一，113：辅助支架，114：内外螺纹二，12：水平横梁，121：可拆卸螺丝，122：固定钢条，123：固定螺丝，13：水平支板，14：合页，15：竖向支板，16：绝缘支架，21：转轮，22：绝缘刚性杆，23：同速转叶，31：电流信号监测仪，32：电极探针，33：太阳能光伏板，34：变阻电刷，35：开关，36：蓄电装置，41：模数转换器，42：信号发射器。

本发明提供的一种叶轮式泥石流流速监测预警装置，结构如图1所示，包括支架结构系统、同速转轮系统和电路系统。

其中，支架结构系统如图1，图2所示，起到整个装置支撑受力与安装调整的作用。具体有左右对称的两根相同升降脚架11，在每个升降脚架11的下部通过支架枢纽111安装两根辅助支架113，在升降脚架11的上端通过可拆卸螺丝121固定一根水平横梁12，且水平横梁12与升降脚架11之间通过固定钢条122加固。水平横梁12上面通过固定螺丝123安装水平支板13，两块竖向支板15通过底边设置的合页14分别连接于水平支板13的左右两端；水平支板13中部设置有刚性绝缘支架16。

其中，同速转轮系统结构如图1，图3所示，是随泥石流流体一起转动的叶轮式设备，具体为：一个转轮21的内环刚接于水平横梁12的中部，转轮21的外环沿其径向均匀固定八根绝缘刚性杆22，在每根绝缘刚性杆22的中部均焊接有变阻电刷34；绝缘刚性杆22的端部焊接有圆形叶片状的同速转叶23。轮轴21灵敏度高，摩擦阻力几乎可忽略，以确保泥石流流速能高效率转化为同速转轮的转速。

其中，电路系统结构如图4所示，具体为：电极探针32设置在刚性绝缘支架16的顶部，与变阻电刷34配合接触，电极探针32通过导线依次连接电流信号监测仪31、蓄电装置36和开关35形成回路。同时电流信号监测仪31通过数据线与模数转换器41连接，模数转换器41连接信号发射器42。如图2所示，导线可通过水平横梁12内的线槽穿过。

进一步的，绝缘刚性杆22由内外螺纹一112调节长度；升降脚架11由内外螺纹二114调节高度。以满足不同沟深泥石流沟的测试需求。

进一步的，变阻电刷34是电阻沿着空间环形分布，电阻值依次变化的，且直径大小略大于绝缘刚性杆22的环状电刷。

进一步的，电路系统还包括太阳能光伏板33，太阳能光伏板33通过合页14安装在竖向支板15的顶部；所述太阳能光伏板33连接蓄电装置36为其提供电源。除此之外太阳能光伏板33还能够作为雨棚，起到发电、遮雨的双重作用。

进一步的，支架结构系统的材料为铝合金，绝缘刚性杆22为工程塑料、玻璃纤维或环氧树脂材料制造，具有一定刚度。

本发明的一种叶轮式泥石流流速监测预警装置的应用方法，包括以下步骤：

步骤1、选点预埋：在泥石流流通区沟道上，选取至少3处地面相对较平整的试验点，如图5所示。并在沟道两侧各挖一个一定深度的凹坑；将升降脚架11和辅助支架113埋入夯实。条件允许可浇筑。

步骤2、安装支架结构系统：通过可拆卸螺丝121将水平横梁12和升降脚架11连接，并用固定钢条122将水平横梁12与升降脚架11进行二次加固；通过固定螺丝123将水平支板13固定，安装刚性绝缘支架16。

步骤3、调节同速转轮系统：将焊接有变阻电刷34的绝缘刚性杆22，根据泥石流沟深情况调节绝缘刚性杆22至对应长度，并调整同速转叶23使其法向方向平行于沟道纵向方向，最后固定。

步骤4、安装电路系统：将电极探针32、电流信号监测仪31、蓄电装置36和开关35依次用导线连接组装；将模数转换器41和信号发射器42安装在特定位置，并接到蓄电装置36和电流信号监测仪31。

步骤5、搭建太阳能光伏板33(可选)：将竖向支板15安装在水平支板13的左右两端，再将太阳能光伏板33通过合页14安装在竖向支板15上；把太阳能光伏板33用导线连接蓄电装置36并为其提供电力。

步骤6、信号监测：打开各电源开关35，等待泥石流；当泥石流来临时，泥石流首先接触到同速转叶23，泥石流的冲击带动整个同速转轮一起同速转动，与此同时，绝缘刚性杆22中部的变阻电刷34与电极探针32接触，电流信号监测仪31监测到电路中的电流变化并收集电流信号。

步骤7、信号处理与预警：电流信号监测仪31将电流信号发送到模数转换器41，模数转换器41将接收到的电流信号转换成数字信号，并发送给信号发射器42，信号发射器42将信号通过无线传输的方式发送到终端处理器，信号经过终端处理器处理后得到泥石流的流速，当流速达到预设的阈值，终端处理器立即将预警信号无线传送至当地预警装置，发出警报提醒村民及时疏散至安全区域。

其中，终端处理器是安装在当地地质灾害监测的相关部门的设备，能够及时地处理信号发射器42发来的数据，经过终端处理器处理后，将得到泥石流流速等参数，当测定泥石流流速值超过设定的阈值时，终端处理器立即将预警信号发送给预警装置。其中，预警装置是安装在泥石流影响所在区域的警报装置，在接收到终端处理器发来的信号后及时地对泥石流影响区域进行预警。