新型泥石流平均流速測量方法的實驗研究

王小軍，陳 銘，楊 航

（安陽工學(xué)院，河南安陽455000）

在山洪泥石流研究領(lǐng)域，流速作為泥石流運動學(xué)的一項主要指標(biāo)，也是泥石流防治工程設(shè)計的重要參數(shù)。然而，泥石流體本身性質(zhì)復(fù)雜，野外原型觀測和室內(nèi)實驗測量困難，測量手段和運動機理研究的滯后一直制約著泥石流相關(guān)研究的發(fā)展[1]。

目前，對泥石流流速的測量可分為野外觀測和水槽模擬實驗測量，野外觀測手段主要有斷面測量法[2-3]、雷達測速[4]、攝像機成像解析表面流速法[5]、基于沖擊力流速分布反算法[6-7]以及利用超聲波、震動、電磁波及相應(yīng)探測器測量龍頭流速的方法[8-9]。而模擬實驗中采用的測量方法主要常用的有秒表斷面法、圖像解析法和體積反算法等[1，10]，總體而言，這些測量方法均是平均值測量法，不能反映流速在垂直和橫向的分布規(guī)律。

因此，本文針對水槽模擬實驗條件下，如何測得準(zhǔn)確的泥石流斷面平均流速以及流速隨時間的變化，提出一種新的測量裝置和測量方法，并與水槽模擬試驗中常用的其他方法進行對比，驗證新方法的有效性；并對不同容重條件下的泥石流漿體進行測試，以測試該方法的適用性，為泥石流流速研究特別是水槽模擬實驗的泥石流流速測量提供新的依據(jù)。

1 新型泥石流流速測量裝置

為了測試泥石流斷面的平均流速及流速隨時間的變化規(guī)律，需要裝置能連續(xù)工作且其測量的時間精度要很高，受水車原理啟發(fā)，提出了一種圓周式旋轉(zhuǎn)測速裝置（見圖1）。

圖1 圓周式旋轉(zhuǎn)測速裝置示意圖及實物圖

該裝置整體可分為葉輪、傳動軸、底座、指針和儀表盤幾個部分，葉輪、傳動軸及指針固定連接為一整體并通過軸承同底座及儀表盤連接，儀表盤呈圓形，并對其進行刻度劃分；為減小圓周式測速裝置在流速測量過程中對漿體的擾動以及充分利用漿體的動能，將葉片部分加工成弧形，弧形凸起方向同漿體流動方向一致。將裝置固定在某斷面處，當(dāng)泥石流漿體流動時，漿體沖擊葉輪邊緣帶動傳動軸及指針進行圓周式旋轉(zhuǎn)，通過攝像機動態(tài)捕捉指針單位時間內(nèi)在儀表盤的旋轉(zhuǎn)角度得出指針的角速度，也即葉輪的角速度，再由葉輪的角速度轉(zhuǎn)化成線速度便可得到該斷面微小時間段內(nèi)的平均流速。

式中，l：葉輪葉片長度，即葉輪外側(cè)至傳動軸中心最大距離；b：漿體（水流）接觸在葉片上的徑向長度；Δt：圖像解譯時所取的微小時間段；n：Δt時間段內(nèi)指針在儀表盤上旋轉(zhuǎn)度數(shù)；

當(dāng)儀表盤上的刻度劃分得足夠小，所取時間段足夠小時，便可認(rèn)為得到的平均速度為某一時刻的瞬時速度，連續(xù)解譯不同時間段的流速，即可得到整個運動過程中某斷面流速隨時間的變化情況。

2 水槽模擬實驗測試

2.1 預(yù)備實驗

為了測試該裝置的有效性，首先進行了水管直接沖擊測試流速試驗，用2寸水泵滿管水狀態(tài)對準(zhǔn)裝置葉片直接沖擊，在裝置轉(zhuǎn)速穩(wěn)定之后用攝像機對指針旋轉(zhuǎn)情況進行動態(tài)捕捉，最后利用相關(guān)軟件對影像資料進行解譯；同時，采用體積反算法測得水管出水流速（見表1），以便與流速測量裝置結(jié)果進行對比。本實驗中將儀表盤劃分成8個象限，每個象限再5等分，也即最小刻度9°，利用公式1計算實驗結(jié)果見表1。

從表1可以看出，圓周旋轉(zhuǎn)式測速裝置所測得的平均流速略小于體積反算法所得到的平均流速，若以體積反算法所測值為近似真實值，則圓周旋轉(zhuǎn)測速裝置測量結(jié)果相對誤差為1.6%，說明該裝置所測結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

表1 水管直接沖擊測試清水流速試驗

對測速過程中的錄像進行解譯可知，攝像機影像每秒25幀，即最小時間間距為0.04s。分別繪制1s時間段內(nèi)以Δt=0.04s的速度圖和Δt=0.2s的速度圖（圖2），可以看出，Δt=0.04s條件下的速度值會出現(xiàn)較大的鋸齒波動，這主要是由于安裝過程中軸承與傳動不完全垂直而造成的滾動阻力及軸承在轉(zhuǎn)動過程中的摩擦阻力作用造成的，而0.2s條件下的速度值則較好地平滑了上述作用造成的影響，因此，其時間精度可達0.2s，具有較高的精度。由于要克服阻力做功，需消耗一部分動能，故而裝置測得的流速值要比實際的流體流速值偏小，而相應(yīng)的修正系數(shù)可通過進一步的實驗得到。

圖2 不同時間精度下的水管沖擊條件下裝置所測清水流速

2.2 不同漿體條件下流速的測量

上述實驗較好地證明了該裝置在水管直接沖擊條件下的清水流速測試的適用性。為了進一步測試該裝置對泥石流漿體流速測試的有效性，進行了相關(guān)水槽實驗。將裝置安裝在水槽上，模擬溝道條件下山洪和泥石流的流速測量，且同時采用圖像解析法（浮標(biāo)法）和手持雷達測速儀進行測量，事后進行對比分析，以進行相互交叉驗證。

2.2.1 實驗裝置及方案

已有研究成果表明，泥石流流速存在垂向和橫向分布問題，在橫向上泥石流表面流速基本呈中間大兩側(cè)小的分布規(guī)律[3,11]，為了便于測量以及不同方法間的比較，本文實驗均以測量泥石流體中間位置的流速為準(zhǔn)。

實驗水槽長8m、寬0.6m、高0.5m，縱坡比降為100‰，料斗出口寬度0.5m，高度0.12m。測速裝置葉輪長16cm，寬15cm，共8個葉片。將圓周測速裝置安裝在水槽末端，傳動軸中心與水槽底板平行并橫穿整個水槽，葉輪部位位于水槽正中，且葉輪底部距水槽地板相距一定的距離，防止泥石流攜帶的大顆粒卡住葉輪，并減小裝置測速過程中對流體的擾動；儀表盤及指針裝置外露于水槽一側(cè)，整個裝置由外露于水槽兩側(cè)的底座部分同架設(shè)在水槽兩側(cè)的螺桿進行固定（見圖3）。在水槽上方和外側(cè)分別架設(shè)攝像機，分別拍攝流體的運動情況和測速裝置的指針轉(zhuǎn)動情況，以便流速解析。將雷達測速儀安裝在7m位置，固定于水槽一側(cè)，使其測量斷面位于圓周式測速裝置正前方約0.1～0.3m范圍內(nèi)。在末端設(shè)置接料桶測流體容重，實驗水槽裝置示意圖見圖3。

圖3 實驗水槽裝置示意圖

分別選取渾水流以及實測容重為1100kg/m3～1900kg/m3的8種泥石流漿體來進行測試，其中，用于泥石流漿體配置的固體物質(zhì)為蔣家溝泥石流堆積扇堆積物質(zhì)，最大粒徑10mm。對蔣家溝泥石流堆積體進行體積樣采集、分析得出蔣家溝泥石流物源顆粒級配組成（如圖4所示），其中1mm以下未做具體篩分。

圖4 水槽模擬實驗物料顆分曲線

2.2.2 實驗步驟及流程

1）根據(jù)預(yù)設(shè)的容重配置泥石流漿體于料池，并進行充分?jǐn)嚢?。為使?jié){體出流具有不同的初速度及實驗時長不宜太短，單次試驗漿體總量不小于0.6m3，且并非常量;

2）打開攝像機，提前準(zhǔn)備好攝像；

3）打開料池閘門，同時打開雷達測速儀，并同時向水槽中部有規(guī)律地拋撒乒乓球；

4）直至流體充分流出料池，測速裝置停止轉(zhuǎn)動為止，測量尾部接料桶內(nèi)流體的容重；

5）下一容重的實驗，重復(fù)步驟1）～4），直至所有組次的實驗結(jié)束。

2.2.3 實驗結(jié)果和分析

根據(jù)圓周旋轉(zhuǎn)式測速裝置的安裝方式，流速計算時需考慮葉輪與水槽底板相垂直預(yù)留一定間距，因此，公式（1）可改寫為

式中，h：流體深度，也即式（1）中的漿體接觸葉輪的徑向長度b。

h2：為了防止葉輪被泥石流中固體顆?？ㄗ。~輪與水槽底板相垂直預(yù)留一定間距，其以＞泥石流固體物質(zhì)中值粒徑d50為宜，本實驗取6mm。

α：包括因機械滾動摩擦阻力和裝置安置過程中不能完全保證傳動軸與軸承相互垂直而造成的阻力產(chǎn)生能量損失時對流速的修正系數(shù)。由于機械阻力造成的能量損失具有不定性，故本文修正系數(shù)α?xí)喝?。

l、Δt、n：同上文。

浮標(biāo)法所測流速的計算方法為

式中，Δl：乒乓球流經(jīng)水槽上兩個斷面的距離，為了不同方法的對比，本實驗選取水槽6～7m段。水槽側(cè)壁預(yù)先貼有刻度條，在讀取距離過程中依據(jù)乒乓球運動特征及清晰度隨機讀取，故Δl為一變量。

t：乒乓球通過該段距離所用的時間。

雷達測速儀的工作原理為前10s內(nèi)以1s為周期進行測量，隨后以5s為一個周期測量，屏幕上顯示上一個周期內(nèi)的平均流速。因此，可直接根據(jù)測量結(jié)果讀取平均流速值。

根據(jù)上述介紹，可分別得出圓周旋轉(zhuǎn)式測量裝置的流速、浮標(biāo)法和雷達測速儀所測流速值。其中，圓周測速儀流速解析以每組實驗指針開始旋轉(zhuǎn)時開始解析?？紤]到浮標(biāo)法及雷達測速法數(shù)據(jù)量較少，圓周式裝置測量結(jié)果以Δt=1s為時間間隔，解析結(jié)果見表2，三種方法的對比結(jié)果見圖5。

表2 圓周旋轉(zhuǎn)式測速裝置測量結(jié)果

圖5 不同流速測量方法結(jié)果對比

從圖5可以看出，浮標(biāo)法測量得出的流速偏大，且集中在前半段時間內(nèi)，這是因為浮標(biāo)個數(shù)有限，其次當(dāng)流體流速減小到一定程度時，浮標(biāo)便很難移動，多殘留在槽內(nèi)。手持雷達測速儀可持續(xù)整個時間，但因其測試原理是前10s速度每秒讀取一次，其后以5s為一個周期測量，測量時顯示單位時間或一個時間周期內(nèi)的平均流速，因此，其更適合測量長時間穩(wěn)定流動的流體，對于本次水槽實驗，流動過程持續(xù)時間往往不長，短則幾秒，最長也才二十幾秒，相對而言該裝置對流速的變化不敏感，靈敏度不高。本文所提圓周旋轉(zhuǎn)測速裝置可以持續(xù)測量整個過程中的流速，對流速的變化很靈敏。隨著整個過程流量的減少，流速不斷減小，較客觀地反映出了試驗中流體運動過程中的流速變化情況。這說明了該裝置對流速的測量具有較高的精度和靈敏度。

圖6 不同容重條件下浮標(biāo)法（上）與圓周旋轉(zhuǎn)裝置（下）流速測量結(jié)果

從圖6可以看出，對于不同容重的流體流速，浮標(biāo)法所測得的流速區(qū)別不大，而圓周旋轉(zhuǎn)測速裝置測得的流速則反映出隨著容重的增大，流體流速有減小的趨勢。這是因為浮標(biāo)法測量的是表面流速，容易被表面流體帶著運動，即使是容重較大的流體，由于水石分離現(xiàn)象，表層的液體將浮標(biāo)帶走運動；而圓周旋轉(zhuǎn)式測速裝置是利用流體整體運動去沖擊葉輪的轉(zhuǎn)動，僅表面的水體則達不到轉(zhuǎn)動葉輪的效果，因此，該裝置測量的是包括大顆粒在內(nèi)的流體某斷面的整體流速，因而對流體性質(zhì)的變化更為敏感，這說明了該裝置對不同流體性質(zhì)也較敏感，適用于測試不同性質(zhì)泥石流運動速度。

3 討論

3.1 流體流深對測量結(jié)果的影響

根據(jù)式（2）可知，流體泥深h對測量結(jié)果產(chǎn)生重要影響。漿體沖擊葉輪邊緣轉(zhuǎn)動，葉輪旋轉(zhuǎn)角速度換算成線速度時，旋轉(zhuǎn)半徑應(yīng)為葉片長度減去流體深度值的一半。由于本文水槽實驗中未直接測量h值，故用龍頭在出料口及葉輪前端處流量相等換算而來，見式（4）：

式中，b1：料斗出口寬度；

h1：料斗出口高度；

b2：水槽寬度；

v1、v2：分別為料斗出料口及裝置前緣位置出的流體平均流速。

通過式（3）計算的流體泥深為一定值。而在本文實驗中，漿體總量一定，隨著流體流出，流體泥深逐漸減小。因此，實驗后期流體泥深計算值與真實值差異逐漸增大，由此導(dǎo)致圓周式裝置測得的后期數(shù)據(jù)偏小。若在實驗過程中準(zhǔn)確測得葉輪轉(zhuǎn)動瞬時（或小時間間隔）對應(yīng)的漿體深度，則裝置的測量結(jié)果將更為準(zhǔn)確。

3.2 流體性質(zhì)對測量結(jié)果的影響

已有研究成果表明，泥石流漿體的黏性影響著流體的運動特性，高濃度的黏性泥石流漿體會形成較厚的黏附層[12]，可能對裝置測速結(jié)果產(chǎn)生影響。

從實驗現(xiàn)象可以看出，在實測容重為1 837kg/m3的情況下，葉輪上黏滯的漿體較少。一方面是因為弧形的葉片在運動過程中具有較大的離心力，且裝置表層均涂有油漆，減弱了漿體在葉輪及葉片上的黏滯作用。其次，本文泥石流漿體為蔣家溝泥石流堆積物經(jīng)篩分去除＞10mm的大顆粒之后的原料配成，可以認(rèn)為具有蔣家溝泥石流的黏性特征，但蔣家溝天然泥石流最大容重可達2 300kg/m3，泥沙體積濃度通常大于0.5，本次實驗中并未模擬如此高濃度高黏度情況下的流體，因此，還需進一步的研究探討高濃度泥石流條件下測速裝置的適用性。

圖7 不同容重下葉輪的黏結(jié)情況

3.3 測速裝置修正系數(shù)的確定

本文所提的圓周旋轉(zhuǎn)測速裝置，雖然可以連續(xù)測量斷面的平均流速，但其測量結(jié)果偏小于真實流速，這主要是因為葉輪與傳動軸之間的摩擦阻力以及在裝置安裝固定的臺座產(chǎn)生的阻力造成。由于在裝置安置過程中，安置手法的差異會導(dǎo)致系統(tǒng)阻力并不完全一致，本文沒有也無法給予統(tǒng)一修正系數(shù)，另外，本文側(cè)重對一種泥石流流速測量新裝置的介紹及其原始數(shù)據(jù)的可行性，文中由圓周式裝置測得的漿體流速值也并未進行系數(shù)修正。

在實際應(yīng)用中，修正系數(shù)的確定方法為：在測速裝置安裝完成后，利用已知流量的清水流對其進行沖擊（如水泵抽水），將裝置測得的流速與體積反算法測得的流速進行對比、擬合得出。

4 結(jié)論

1）圓周旋轉(zhuǎn)式測速能夠連續(xù)測量斷面的平均流速，可以看作是一種龍頭之后漿體平均流速連續(xù)測量法；

2）在水槽實驗中，與目前常用的浮標(biāo)法和雷達測速儀測速法相比，該裝置具有較高的靈敏度和精度，且圓周測速裝置可記錄流體運動整個過程的速度變化情況，且能較好地反應(yīng)速度隨時間的變化；

3）該裝置測量斷面整體平均流速而非表面流速，對容重小于1900kg/m3的泥石流漿體的適用性較好。

雖然圓周旋轉(zhuǎn)式測速裝置具有較高的精度和適用性，但也存在不足之處：

1）該裝置所測流速值較真實流速值偏小，這主要是由于裝置本身的摩擦阻力與安裝過程形成的阻力造成的，測量結(jié)果還需一修正系數(shù)對其進行校正；

2）該裝置對于高容重高黏度以及含有大顆粒的泥石流體的適用性還有待進一步探討；

3）該裝置僅為作為一個概念提出，是對泥石流流速測量方法的一個試探性研究，對其設(shè)計還有待進一步完善。