具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是 全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创 造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，并不是本发明的内 容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内 容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明涉及一种模拟冰崩涌浪导致冰碛湖漫顶溃决灾害全过程 的实验装置及其实验方法。该实验装置配备了“六置二统”用以实现冰 湖溃决中冰崩涌浪的触发、传播、漫顶、致灾、演化全寿命、全过程 中的动力学参数、环境噪声振动信号、图像学参数的同步测量，包括 供水装置、涌浪触发装置、消能装置、缓冲装置、实验水槽主体装置、 收集装置、同步测量系统、监控系统。

供水装置具有流量供给、主动调控、流量监测的功能。参见附图 3，实验系统的供水由三个功率大小不等的抽水泵100(0.5,1.0,1.5 kW)组成，同时连接于直通三出PVC水管300，其中三个管口连接 不同功率的抽水泵100，为整个实验系统的供水口；通过同时或者分 批次开关该三个水泵可实现六级(0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0kW)不同 强度的供水量供给。直通三出PVC水管300上安装两个水阀400， 直通三出PVC水管的水源主要来自于蓄水池500。管口出水口右端 通过法兰连接有一个电磁流量计200，法兰中间须增加橡胶垫，防止渗水影响流量计精度。电磁流量计200采用220V独立交流电供电， 配置有独立液晶显示屏，可实时显示通过管道中的流体的体积流量。 电磁流量计200出水口右端连接一个铸钢闸阀碳钢高温蒸汽法兰，可 实现对出水口流量的微调用以抵消抽水泵功率虚标或者实际工况下 由于水头损失引起的流量波动。此外，电磁流量计理想的安装位置是 其上下游流体的流动状态为单相稳定流，这样流量计上下游局部阻力 管件对流体流动状态的影响不直接影响流量计的测量精度。因此，电 磁流量计200的安置需注意设置足够长度的直管段，具体设置要求可 根据实际工况调整，宜长不宜短。本装置中设置为前10D后5D(D 为管道直径)。由于电磁流量计的工作原理限制，仅能准确测量‘满管’ 工况下的流量。因此，电磁流量计还需要安置于铸钢闸阀开关的进水 口一侧。实验进行时，可适当关闭法兰的出水口，强行降低管道中的 流量用以确保‘满管’工况。电磁流量计的出水管直接与水槽的进水口 直接相连，可确保已经准确测量过流量的流体能够以最小的流量损耗 流入水槽系统，保证实验的供水来流具有足够的准确度。

涌浪触发装置和、缓冲装置、消能装置搭配使用，参见附图4, 通过更换不同体积的模拟冰块700，可以实现不同高度的冰崩涌浪的 激发与传播。涌浪触发装置为一个高度可调节的T形支架600，T形 支架600的底端设置有凸出的棱台(棱台台面仅仅伸出5mm)用于支撑模拟冰块700下沿(模拟冰块700采用与冰块密度相同的聚丙烯 塑料板(Polypropylene Plastic)制作为长宽高尺寸为：0.5m×0.42 m×0.18m的长方体，改变并设置不同厚度为0.06，0.12，0.18m可实 现不同体积的冰崩物体模拟)；模拟冰块700上沿内嵌电磁铁阴极， 与T形支架上阳极电磁铁可紧密吸附，实现冰崩模拟前冰块的固定功 能。当实验开始时，断开电磁铁内的电流，磁铁失去磁性，模拟冰块 700由于仅仅受内侧支点(棱台)支撑，转动惯量失去平衡，从而开 始旋转掉落，发生倾覆激发涌浪。由于水槽内水位高度仅有0.4m， 为防止冰块砸落触碰水槽底部，T形支架600的正下方设置有0.2m 深的缓冲池800。由于T形架600左端靠进水槽端壁一侧，为防止涌 浪向左传播，触壁反射而影响水波的向右运动，使实验涌浪波形变得 复杂而失去控制，故在T形架左侧设置了消能装置900(长方体的金 属网状物)。此装置可消除水波的向左运动，还可以抵消供水系统来 流的冲击作用，减少紊动的流体对水槽右侧静水水库的影响。

水槽主体配合同步测量系统、监控系统进行使用。参见附图1， 实验水槽主体分为三段，长宽高尺寸为：9m×0.5m×0.5m，分别为 定义为涌浪激发传播段(4m)、冰碛坝坝体侵蚀模拟段(2.5m)、 泥石流运动监测段(2.5m)。三段水槽通过螺栓连接，连接处采用 橡胶垫缓冲，并涂上玻璃胶用作防水处理，调整三段水槽处于同一水 平面并放置于预先调水平的钢管支架之上。调平后水槽内部增放相同 长度、高度的冲压木板，调整冲压木板的位置还可以得到不同宽度的 水槽。

(1)涌浪激发和传播段(4.0m)

涌浪激发和传播段水槽上方，从原点开始每间隔0.4m配置了一 个超声波距离传感器，超声波传感器通过两端三脚架搭配一根可自由 旋转的横杆固定，将声波发生面调整于垂直水槽底面后拧紧三脚架圆 孔中的螺丝将传感器固定。超声波传感器设置成9个，包括-01、-02、 -03、-04、-05、-06、-07、-08、-09，布局图请参见附图。靠近坝脚 时按相同的位置规律设置两个孔压传感器，共计七个孔压传感器A1、 A2、A3、A4、A5、A6、A7，可用于监测涌浪的最大浪高等运动特 征(附图1)。此外，相机#2和相机#5可用于监控此段水槽内涌浪 波的波形，两个相机错位相间布置是为了消除相机的广角效应导致的 测量误差。此外，涌浪在水槽中的传播过程中会有能量损耗，其涌浪 波高度会逐渐降低。为了定量控制这种传播过程中的能量损耗，本发 明实施例中采用了一种弧形水槽壁设计(5)，即通过收窄水槽宽度 来增大波高，从而抵消能量损耗。实验结果显示，涌浪在传播至弧形 水槽部分时候，涌浪高度保持不变(附图6)，说明了该设计具有较 好的控制能量损耗作用。

(2)冰碛坝坝体侵蚀模拟段(2.5m)

冰碛坝坝体侵蚀模拟段内侧水槽壁设置预留直径7mm圆孔孔位 (附图8)，可穿过微型孔隙水压力传感器，预埋置于模型冰碛坝体 内部。传感器探头伸出水槽壁内侧3cm，可以实现对坝体内部孔隙 水压力变化的实时监测，用以计算变形前后的渗流场。水槽底部还预 留有4个孔压传感器预留孔，孔位处于水槽中轴线上，通过水槽外部 可接入4个孔压传感器实现无接触测量水槽内的水位、孔压的变化。 此外，坝体上游坡面和下游坡面中轴线上分别设置有一台数码摄像机 (相机#3和相机#4)用来监测坡面侵蚀；水槽正面设置有一台数码 摄像机#1用来捕捉冰碛坝坝体溃决过程中的侵蚀面变化；一台高速 摄像机#11可以实现高频自动拍照(拍照频率50Hz-10000Hz可变)， 依托粒子图像测速法(PIV：ParticleImage Velocimetry)用以计算溃 决前后的变形场。下游坝脚处的孔压传感器上方设置有激光位移传感 器(激光-A4)、超声波传感器(超声波-06)以及数码相机#6，用以 测量坝脚处的流深和流速，用以换算坝脚处的溃决流量。此外，4个 功率大小为50W的摄影拍照无影灯用以辅助整个实验水槽系统的照 明系统。4个小型无影灯用以照明水槽第1段，光线斜交45°照亮水 面，使得相机#2和相机#5拍摄的波形更加明显。

(3)泥石流运动监测段(2.5m)

泥石流运动监测段设置有三个地声采集与力板应力采集同步测 量模块预留槽，用以安装力板模块和地声测量模块，槽内设有突出的 台阶，便于两个模块在水槽内横向方向上可以自由移动(附图7)， 以保证采用不同宽度的水槽实验时，两个模块能随时处于中轴线两侧 位置，消除边壁影响。此装置可实现泥石流运动过程中同一截面上的 动力学参数、环境噪声振动信号的同步测量与存储。同时预留槽顶部 还设置有激光位移传感器、超声波距离传感器和高清数码摄像机用以 记录模块位置处的流体的流深、流速及运动状态，全部的采集数据同 步传输至水槽的同步测量系统并记录于存储器中。由于实验中的流深较浅，因此直接采用可自由转动的横杆以及两端焊接在水槽固定位置 的固定圆环进行激光传感器、超声波传感器以及摄像机的固定。水槽 正面还设置了数码摄像机#10用以记录坝体侵蚀之后的沿沟道的堆积 情况，通过分析视频资料可得到沟道堆积情况随时间的变化规律。此 外，整个泥石流的运动区域(包括有第二段水槽的后半段以及整个第 三段水槽)水槽底部均涂抹有与模型坝体颗粒材料级配相同的石子材 料，并使用环氧树脂将其均匀涂抹固定于水槽底部，用以模拟真实沟 道环境中泥石流运动过程中的摩擦效应。此外，2个300W的激光大 灯用以辅助整个实验水槽系统的照明系统用以抵消高速相机拍摄坝 体时候的阴影问题。

收集装置为水槽末端的废料收集箱子，长宽高尺寸为：1m×0.5 m×0.5m。收集箱4个侧面和底面材质均为0.2mm厚的钢板，箱子 侧面预挖0.3m×0.2m的方形孔，孔内安装了0.005×0.005m的金属 筛子，用以过虑实验废水中的固体颗粒物质，进行废料收集。虑出的废水汇入下游的大型废水收集箱(长宽高尺寸为：10m×8m×2m) 等待集中处理，避免水资源浪费。

实施例2：

本发明用于模拟天然冰崩涌浪造成冰湖漫顶溃决全过程灾害演 化，具体包括以下步骤(实例1)：

(1)标定传感器

在进行实验之前，首先应当对各传感器进行静态、动态标定。在 静态标定中，先对超声波测距传感器、孔隙水压力传感器和力板进行 标定；具体是，利用不同高度的静止水头产生的压力对孔隙水压力传 感器进行标定，找到孔隙水压力与电压信号的对应关系；同时，不同 高度的水头可以标定力板传感器中的正应力，正应力和孔压传感器之 间进行相互验证；利用不同重量的砝码产生的压力对力板正应力和剪 应力进行标定，找到力板上泥石流的正应力和剪应力分别与电压信号 的对应关系；利用超声波测距传感器与障碍物之间不同的距离标定该 类型传感器，找到超声波测距传感器与电压信号的对应线性关系。微型孔压传感器需要真空泵先将透水石内部空气抽空，然后迅速浸泡进 入水中，使得水倒吸如透水石中使其饱和，已达到排除透水石中空气 的目的。重复此操作数十次之后，可开始正常流程的孔压传感器标定， 同上所述不再描述。静态标定完成之后，将所有传感器安装于水槽指 定位置，包括还未进行标定的地声传感器(只能动态标定)，进行动 态标定。所谓动态标定，即使用固定来流的流量供水，打开全部的采 集、监控、灯光设备，通过静态标定的结果将实际清水流速、流深、 流量、剪切力、正应力、孔隙水压力进行换算，可以进行相互验证估 算误差。地声设备采集到的振动信号则可以作为一个基础环境噪声信 号，用以对比分析泥石流振动信号。

(2)实验装置布置

静态标定完成之后，将5个超声波传感器和2个孔压传感器安装 于水槽的第一段，超声波传感器用三脚架固定，孔压传感器通过预留 孔位从水槽底部进行安装。微型孔压传感器穿过水槽内侧预留孔位并 伸出内壁约3cm，用以避免孔压传感器传输线对坝体内部形成加筋 作用，影响溃决过程。将标定好的孔隙水压力传感器和力板进行组装 形成测力传感器模块，并将测力传感器模块安装于实验水槽的力板模 块预留槽内，同时安装地声模块，使其位于中轴线两侧并用玻璃胶做 防水贴合处理。模块顶部用于测量流深的激光传感器和超声波距离传 感器用可自由旋转的横杆进行固定，并于同一位置安装垂直于水槽底部的数码摄像机用以监测流速。设置高速摄像机的拍摄速度和快门速 度，将高速摄像机的镜头调整至最佳位置并调节光圈大小，最后将孔 隙水压力传感器、力板、电磁感应供电信号线、激光位移传感器和超 声波测距传感器的接头接在同步数据采集系统上。

(3)实验准备工作

1)将实验用土采用分层堆积的方法将坝体堆叠到预先绘制好轮 廓的几何形状，形状轮廓线通过计算并提前绘制与水槽一侧的玻璃 上；堆坝时，层层之间用手轻拍至指定的水平线，通过控制每一层之 间的土体质量就可以用来确保堆坝的密实度；反复此操作即可实现整 个模型坝体的密实度相对均匀；

2)不同体积的冰块模拟体的预先放置：本实验中采用与冰块密 度相同的聚丙烯塑料板(Polypropylene Plastic)制作为长宽高尺寸为： 0.5m×0.42m×0.18m的长方体，长方体顶部内嵌有电磁铁，能够被 紧紧吸附在T形支架上。实验开始前，将该PP板塑料放置到T形支 架上并提为电磁铁通电，冰块的放置工作完成；

3)打开所有传感器，测试所有传感器的响应情况。用不透光的 方形纸板依次挡住超声波、激光传感器的信号源，观察同步采集系统 上的信号强度是否发生变化，有变化即为有响应；用手轻轻按压微型 孔压传感器探头，观察同步采集系统上的信号强度是否发生变化，有 变化即为有响应；用手轻推、轻按压力板所连接的力板模块，分别测 试剪应力和正应力的响应，同时观察同步采集系统上的信号强度是否 发生变化，有变化即为有响应；底部孔压传感器需要先用针管注满水 后再进行轻轻按压测试，以避免空气对孔压信号的影响，观察同步采 集系统上的信号强度是否发生变化，有变化即为有响应。

(4)开始实验

待全部的传感器进行测试完毕，便可以开始实验。实验开始时， 采集系统预先打开并采集一段数据用以标定初始值；随后打开供水系 统和流量监测系统，通过电磁流量计显示屏上读数可以适时显示当前 流量，通过右方的流量法兰可以微调流量至实验指定流量；带水槽内 部水位到达指定体积的3/4时，关闭供水系统并在水面上抛洒大量的 直径为5mm的泡沫球用作示踪粒子用以捕捉水面波形的变化情况； 等待湖面铺满示踪粒子后，再次打开供水系统，以相同的操作将水位 加至指定位置后停止供水。随后，用采集系统触发电磁铁开关，释放 冰块，冰块发生旋转崩塌掉入水中并激发涌浪，实验正式开始。

(5)实验清理

实验完成后，水槽内部堆积的坝体材料需用铲子清理干净，还需 要对水槽底部的孔隙水压力内部淤积的泥沙进行清理，防止对下一次 实验造成影响。此外，微型孔压传感器表面的泥沙也需要做进一步的 清理。水槽末端的废料收集箱内的坝体材料清空之后便可以开始准备 下一次实验。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但本发明并不局限 于上述具体实施方式，上述实施方式仅是示意性的，不是限制性的， 本领域的技术人员在本发明的启示、不脱离本发明宗旨和权利要求保 护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。