多功能泥石流模拟试验装置的制作方法

本新型涉及一种模拟试验装置，具体涉及一种多功能泥石流模拟试验装置，属于山地灾害技术领域。

背景技术：

随着山区经济的发展以及国家对山区开发力度的不断加大，对于山地灾害防治研究的重要性和意义已经不言而喻。泥石流作为山地灾害中一种常见的地质灾害，具有历时短、突发性及灾害性强等特点，难以对其展开现场的实时研究，因而开展针对性的水槽模拟试验成为主要研究手段之一。现有研究中的泥石流水槽模拟试验按研究内容不同可分为：泥石流形成模拟、泥石流运动模拟、泥石流堆积模拟、泥石流工程防治模拟。无论哪一种试验，都需要产生泥石流，目前产生泥石流的方式可分为两种，一是事先配置好泥石流体直接通过出料装置出料，二是通过清水或泥浆冲刷固体砂石物料形成泥石流。现有泥石流试验模拟装置多只能模拟一次性短暂的泥石流作用，然而很多时候，一场泥石流包含了不同的性质的流体和运动特点，例如，我国云南蒋家沟泥石流过程可以概括划分为前期稀性泥石流连续流、前期过渡性泥石流阵性连续流(界于连续流和阵性流之间,即各阵泥石流间不断流)、前期粘性泥石流阵性流、粘性泥石流连续流、后期粘性泥石流阵性流、后期过渡性泥石流阵性连续流、后期稀性泥石流连续流等过程，因此，有必要研发一种可以模拟多阵次多过程多性质的泥石流模拟试验装置。

现有的泥石流模拟试验水槽一般由投料斗、水槽槽身、尾料池等核心部分组成。投料斗一般用于模拟泥石流形成区或水源汇集区，具体用于投放已配置好的泥石流体或液体用于冲刷沟道固体物质而形成泥石流。水槽槽身用于模拟泥石流流通区和堆积区，通常由钢铁板、玻璃板、圆形钢材、方形钢材等材料加工而成。尾料池用于回收试验物料，一般由砖混结构体或钢铁板加工而成。

常规投料斗有底部出流和侧向出流两种方式，由于投料斗装满物料后出流挡板在垂向的巨大压力下难以顺畅开启，所以侧向出流式投料斗应用更为广泛。投料斗出流口挡板与料斗接触的部位因有一定的空隙，如不能很好地对其进行密封则会造成大量的水体和黏性土颗粒的流失。

当配好的泥石流体注入投料斗后，会产生水石分离现象，浆体的容重值越小，浆体水石分离越明显。为解决这一问题，目前试验常用的解决方案为料斗下部为倾斜底板或内置搅拌装置以便于浆体流出，然而，随着试验进行，浆体逐渐减小，大量固体颗粒物仍然沉积在料斗内，从而导致事先配置好的泥石流体无法全部流出，实际出流的泥石流体性质不可控。

如中国发明专利申请cn110082067a公开了一种泥石流动床水槽模型试验装置，该装置包括固定部、备料部、水槽部和堆积部，主要解决现有泥石流水槽模型试验系统存在的变坡范围小的技术问题。

目前，大部分泥石流模拟试验装置采用的水槽为等宽平直槽身，宽度固定不可调节，这与实际情况并不相符，不能很好模拟实际沟道宽度变化对泥石流运动沉积规律的影响；且在同样相似比条件下，不能便捷模拟不同沟道规模条件下的泥石流事件。

技术实现要素：

针对现有泥石流模拟试验装置料斗内物料停淤问题和水槽宽度不能自由调节的问题，提供一种能够减小泥石流物料在投料斗内停淤、并能自由调节水槽宽度的装置，同时本装置还能便捷模拟多阵次多过程的泥石流事件。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种多功能泥石流模拟试验装置，包括梁式起重结构1、多级料斗及支撑结构2、水槽主体结构3、水槽前端支撑体27和水槽尾部支撑体28；其中：

所述梁式起重结构1包括梁式起重机4、梁式起重机支撑结构5和箱体分离式小车6；所述梁式起重机4包括滑轨、装配于滑轨上的起重电机和装配于起重电机上的起重绳索和起重钩，起重绳索和起重钩用于起重多级交错式投料斗12、起重水槽主体结构3和起重物料移动斗61；箱体分离式小车6是装配和移送物料的装置，主要包括物料移动斗61，物料移动斗可在起重电机、起重绳索和起重钩的牵引下相对于梁式起重机的滑轨垂直和水平移动，以把物料运送至需要的位置；所述梁式起重机4置于梁式起重机支撑结构5上，可固定连接或滑动连接，梁式起重机支撑结构5起支撑梁式起重机4的作用，并为梁式起重机与水槽主体结构提供有效安全间隙，其结构包含但不限于刚架结构；如实际过程中对梁式起重机有双向移动需求，可依据实际场地条件采购并安置双向电动控制梁式起重机；

多级料斗及支撑结构2包括刚架支撑结构10和多级交错式投料斗12。所述刚架支撑结构10包含但不限于脚手架结构，其目的主要在于支撑多级交错式投料斗；所述多级交错式投料斗12有2个或2个以上，主要由钢铁板等质地坚硬的材料加工而成，结构体断面可呈梯形、三角形、矩形或其他组合形态，尺寸规格依据需承接的物料多少确定；为增加投料斗的承载强度，还可进一步在投料斗的外轮廓增加框架结构；每个交错式投料斗下部固定有卡槽，卡槽插于刚架支撑结构10的对应横梁上，多级交错式投料斗后部有提升环，提升环与起重绳索和起重钩相连，使得多级交错式投料斗在机械牵引下，投料斗沿固定卡槽旋转，致使物料从前端出口流出，所述卡槽可采用焊接等方式固定连接在多级交错式投料斗下部；

水槽主体结构3包括水槽侧壁22、水槽底板23、常规投料斗24和分流板25；水槽侧壁与水槽底板构成水槽，水槽侧壁一般由玻璃板组成，玻璃板可通过卡接、粘结等方式连接在水槽主体结构上，以便于动态观察实验现象；水槽底板一般由钢铁板加工而成，为物料的流动提供底面板；常规投料斗24置于水槽主体结构前端，一般由钢铁板制成，为减少死角对物料的停淤作用，其整体俯视图和左视图均可加工为梯形截面；分流板25置于水槽中，前端向一侧水槽侧壁倾斜设立，把水槽分割成不同的形状，分流板25可由钢铁板、树脂版等质地坚硬的材料加工而成，分流板的数量和纵向形态依据需模拟的沟道形态而定，分流板与水槽底板之间通过粘结等方式固定连接；

水槽前端支撑体27和水槽尾部支撑体28一起为水槽提供支撑，所述水槽前端支撑体27为可升降结构，灵活调节水槽比降，可以由钢铁质材料制成；水槽尾部支撑体28主要用于支撑水槽主体结构的中下部以避免水槽主体结构滑动及为水槽比降调节提供支点，在支撑位置处，水槽主体结构的底部呈左右对称固定连接有卡槽，所述固定连接为焊接等常用的固定连接方式；水槽尾部支撑体断面可以为三角形的架体架构。

进一步地，水槽主体结构3还包括分流板固定夹26，并且在水槽主体结构上设置有水槽横梁，分流板固定夹用于把分流板与水槽横梁连接起来，防止物料流动时导致分流板移位。分流板固定夹26主要由钢铁板块等坚硬材料制成。

进一步地，所述水槽前端支撑体27可以是常用的电动升降杆，也可以是机械式调节的升降结构。当采用机械式升降结构时，具体结构可以为：在水槽前端支撑体左右有支撑梁预留穿孔32，大小同水槽支撑梁31相适宜，同一侧孔的间距依据水槽比降调整幅度需求而定，水槽支撑梁31插入支撑梁预留穿孔中并起到支撑水槽前端的作用，即水槽支撑梁穿过两侧的支撑梁预留穿孔后，水槽主体结构前端置于支撑梁31之上；通过水槽支撑梁插入不同高度的支撑梁预留穿孔中，实现调节水槽比降。

进一步地，刚架支撑结构10的横梁上安装有转向定滑轮14，转向定滑轮套至或独立焊接于刚架支撑结构相应的横梁上，起重绳索和起重钩穿过转向定滑轮后与水槽主体结构3前端结构相连，以达到机械提升水槽，灵活调节水槽比降的目的。所述前端结构可以是提升环，也可以是横梁；如，在水槽主体结构3前端设置提升环，起重绳索和起重钩穿过转向定滑轮后与水槽主体结构3前端的提升环相连，以达到机械提升水槽，灵活调节水槽比降的目的；除提升环外，起重绳索和起重钩也可穿过转向定滑轮后与水槽主体结构3前端的横梁相连，以提升水槽。转向定滑轮的作用是避免多级交错式投料斗对水槽主体结构前端横梁或提升环的遮挡。

进一步地，在多级料斗及支撑结构2中还包括预制踏板11，所述预制踏板可依据需求尺寸灵活组装，其主要作用在于提供人力站立平台及安全性。

进一步地，在多级料斗及支撑结构2中还包括过渡投料斗13，过渡投料斗外形与多级交错式投料斗相似，横向尺寸略短；过渡投料斗下部固定设置有卡槽18，可采用焊接等方式固定卡槽，过渡投料斗的卡槽插于刚架支撑结构10相应的横梁上，过渡投料斗后部增设过渡投料斗角度调节管套19，过渡投料斗固定梁20依据实验需求的角度和高度插入相应的过渡投料斗角度调节管套19中，并将固定梁20通过脚手架连接扣件与刚架支撑结构10相应的横梁相连接，所述固定梁20可以是脚手架的钢管。过渡投料斗的目的在于实验过程中可能存在对常规投料斗出口的试验现象观察，起到提高多级交错式投料斗与主体水槽的有效高度，改变流体方向的作用。当试验对常规投料斗的出流现象无特别要求时，该装置可省，相应改变多级交错式投料斗的交替顺序即可。

进一步地，本实验装置还包括尾料池29，可由钢铁板加工而成或砖混等结构，尺寸规格依据需求承接浆体物料的方量确定。

进一步地，水槽主体结构3还包括水槽固定框架结构21。水槽固定框架结构可由方形管、角钢焊接而成，其目的在于稳固整段水槽体。

进一步地，为避免流体在小比降条件下会在水槽上端溢流，可在水槽的上端增设一水槽后壁30，该水槽后壁为短板，材质不限，可通过粘结、焊接、卡接等方式与水槽相连，宽度同水槽一致，高度依据需求而定。

本实用新型的有益效果：

(1)多功能泥石流模拟试验装置可以规避常规投料斗渗水、漏水甚至涌水的问题。

(2)多功能泥石流模拟试验装置采用了多级交错式投料斗，可以实现势能向动能的转化，使物料流进水槽前已具有一定的初速度而避免或减少物料的沉淤。

(3)水槽内设置分流板装置，能实现水槽宽度和形态的自由调节，可便捷模拟不同沟道宽度条件下的泥石流事件及同时进行实验组和对照组实验。

(4)多级交错式投料斗的合理组合，为一次大方量泥石流试验及多阵次多过程泥石流模拟提供新的思路。

附图说明

图1为多功能性泥石流模拟试验装置整体结构图。

图2为多功能性泥石流模拟试验装置分解图。

图3为梁式起重结构图。

图4为多级料斗及支撑结构分解图。

图5为多级交错式投料斗及过渡投料斗(图左为立体图，图右为左视图)。

图6为水槽主体结构分解图。

图7为水槽主体结构局部结构左视图。

图8为水槽前端支撑体结构图。

图9为分流板固定夹结构图。

其中：

1：梁式起重结构，2：多级料斗及支撑结构，3：水槽主体结构，4：梁式起重机，5：梁式起重机支撑结构，6：箱体分离式小车，61：物料移动斗，62：小车架体，7、8、9：起重绳索和起重钩，10：刚架支撑结构，11：预制踏板，12：多级交错式投料斗，13：过渡投料斗，14：转向定滑轮，17：投料斗提升环，18：卡槽，19：过渡投料斗角度调节管套，20：过渡投料斗固定梁，21：水槽固定框架结构，22：水槽侧壁，23：水槽底板，24：常规投料斗，25：分流板，26：分流板固定夹，27：水槽前端支撑体，28：水槽尾部支撑体，29：尾料池，30：水槽后壁，31：水槽支撑梁，32：支撑梁预留穿孔。

具体实施方式

本实用新型提供了一种多功能泥石流模拟试验装置，如图1、图2所示，包括梁式起重结构1、多级料斗及支撑结构2、水槽主体结构3、水槽前端支撑体27、水槽尾部支撑体28和尾料池29。

梁式起重结构1包括梁式起重机4、梁式起重机支撑结构5和箱体分离式小车6；一套梁式起重机4包括一条横跨在梁式起重机支撑结构5上的滑轨、一个装配于该滑轨上的起重电机、以及一套装配于该起重电机上的起重绳索和起重钩，起重电机可在滑轨上水平滑动；箱体分离式小车6是装配和移送物料的装置，在一个实施例中，包括物料移动斗61和小车架体62，整个试验装置配置两套梁式起重机，如图3所示，图3中的梁式起重机4的滑轨两端与梁式起重机支撑结构5接触之处没有安装滚动轮，表示两套梁式起重机41与42在梁式起重机支撑结构5上不可滑动；在另一个实施例中，选择采购并安置2套双向电动控制梁式起重机(如型号为ld1501-0006悍象双向电动控制梁式起重机)，实现梁式起重机4的双向移动。梁式起重机的数量同多级交错式投料斗的数量呈一一对应关系。

如图4、5所示，多级料斗及支撑结构2包括刚架支撑结构10、预制踏板11、多级交错式投料斗12、过渡投料斗13和转向定滑轮14。刚架支撑结构10上有多个横梁；多级交错式投料斗12有2个，由钢铁板加工而成，结构体断面呈梯形；每个交错式投料斗和过渡投料斗下部均固定有2个卡槽，每个交错式投料斗的卡槽插于刚架支撑结构10的对应横梁上，交错式投料斗后部有投料斗提升环17，投料斗提升环17与起重绳索和起重钩相连，使得多级交错式投料斗在机械牵引下沿固定卡槽旋转，致使物料从前端出口流出。过渡投料斗13的后部有过渡投料斗角度调节管套19和过渡投料斗固定梁20，过渡投料斗固定梁20依据实验需求的角度和高度插入相应的过渡投料斗角度调节管套19中，并将投料斗固定梁20通过脚手架连接扣件与刚架支撑结构10相应的横梁相连接；在一个实施例中，过渡投料斗的卡槽插于刚架支撑结构10相应的横梁上，接受从最下面一级交错式投料斗流出的物料；在另一个实施例中，如图8所示，为了提高水槽前端支撑体27的结构稳定性，在水槽前端支撑体27顶部设置有一顶部横梁，过渡投料斗的卡槽除了插于刚架支撑结构10相应的横梁上，也可以插于该顶部横梁上，接受从最下面一级交错式投料斗流出的物料。

如图6所示，水槽主体结构3包括水槽固定框架结构21、水槽侧壁22、水槽底板23、常规投料斗24、分流板25、分流板固定夹26和水槽后壁30，水槽侧壁与水槽底板构成水槽，在水槽固定框架结构21上设置有多个横梁；在不采用水槽固定框架结构的情况下，可将横梁设置在水槽上，设置横梁的目的是使得分流板固定夹26可以更稳定地把分流板固定在水槽中。水槽固定框架结构底部呈左右对称焊接2个卡槽，可对应地插在水槽尾部支撑28上，如图7所示。在一个实施例中，试验装置用于模拟平直型沟道，此种情况下分流板25整体上分为上下两个部分，下部的分流板平直且与水槽侧壁平行，上部分流板依据实际需求倾斜式(俯视图角度)分别与下部分流板和水槽侧壁相连，促使常规投料斗24接受来自过渡投料斗或直接来自多级交错式投料斗中的物料后，使来流物料流入指定区域，分流板上下部分之间以及分流板与水槽底板之间通过粘结等方式固定连接。在一个实施例中，分流板固定夹的结构如图9所示，其上方为卡槽，下方为倒“凹”字型，在其顶部及侧部有孔，孔部位分别外置螺帽并采用焊接或粘接等方式固定连接为一整体，通过插入螺杆，将分流板固定夹上方卡槽与水槽主体结构3上的横梁相连，下方的倒“凹”字型槽插入分流板，通过另一螺杆固定分流板。本试验装置还可以模拟非平直沟道的泥石流情况，在非平直沟道模拟试验中，需要采用两侧分流板共同组合成预设模拟沟道形态，每一侧分流板整体上分成2个或2个以上部分，分流板每部分的固定方式与平直型沟道中的分流板各部分固定方式相同。

本试验装置实际使用情况如下：

依据实际需求调整水槽比降，确定分流板的位置和形态。

实验开始阶段，梁式起重机42上的起重电机水平移动到水槽主体结构上方，梁式起重机42上的起重绳索和起重钩7通过转向定滑轮14在起重电机的作用下钩住水槽主体结构前端横梁，对水槽主体结构提升进行比降调节，通过水槽前端支撑体27和水槽尾部支撑体28支撑并固定水槽主体结构，释放起重钩。

梁式起重机41的起重电机通过起重绳索和起重钩9先垂向提升装有物料的物料移动斗61，然后起重电机带着物料在滑轨上水平移动，将物料倾倒至距离梁式起重机41最近的交错式投料斗中；另外，梁式起重机42的起重电机通过起重绳索和起重钩8先垂向提升装有物料的物料移动斗61，然后起重电机带着物料在滑轨上水平移动，将物料倾倒至距离梁式起重机42最近的交错式投料斗中。所有物料装好之后，梁式起重机41与42上的起重绳索和起重钩9和8分别同2个交错式投料斗的尾部提升环相连，对投料斗进行提升，通过机械牵引，投料斗倾斜，物料流入过渡投料斗，经过渡型投料斗的改向，以具有一定初速度的状态流入常规投料斗，通过常规投料斗的出流口断面的设定来改变流入水槽中的浆体流量，最终流入水槽。通过数据采集设备，对试验现象和结果数据进行采集。

其中，起重绳索和起重钩8与起重绳索和起重钩7是同一个，为了区别其在不同地方的使用，将其标号为7和8，即一套梁式起重机的组成是固定的，但起重绳索和起重钩在不同的时间具有不同的用途。

若使用的物料水石分离较为严重，上料过程中，将容重较小的物料装置于上方的交错式投料斗，容重较大的物料装置于下方的交错式投料斗。借助上方容重低、流动性大的浆体物料对下方容重大、流动性小的浆体物料的冲刷扰动减少水石分离现象对实验结果的不利。

若一次实验需要大方量浆体物料或模拟多阵次泥石流，依据需求增加多级交错式投料斗的规格尺寸或数量，由下至上连续性提升投料斗，以完成一次实验大方量浆体实验；由下至上间隔性提升投料斗，完成多阵次泥石流浆体试验；若不同层级的多级交错式投料斗承接不同浆体性质的泥石流，则本装置可模拟一次泥石流过程中，不同性质泥石流浆体试验。