地质灾害平台模拟装置的研制

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泥石流灾害以及滑坡灾害等国内外常见的地质灾害有着巨大的危害。尤其是对于我国来说高达三分之二的山地面积占比、多变的气象以及复杂的地形让我国成为了世界上地质灾害最为严重的国家之一。近些年来,我国经济高速发展伴随的是对土地的过度开发、排放大量的温室气体以及过度的砍伐树木导致了我国泥石流、滑坡等地质灾害发生的次数逐年递增。因此对地质灾害进行更加深入的研究刻不容缓,而地质灾害模拟装置是研究地质灾害不可或缺的一部分同样需要不断地研究创新。本文致力于为泥石流以及滑坡等地质灾害的研究提供一个能同时改变多种影响因素,可以对不同地形条件的地质灾害进行模拟试验的地质灾害平台模拟装置。设计的装置包含了物源区、流通区、堆积区、支撑系统四大部分。同时设计了一套能够对地质灾害的影响因素如冲击力、速度、运动形态等进行测量记录的测控系统,该系统包括数据采集系统、三轴力传感器、应变片、高清摄像机以及无人机等仪器设备。通过ANSYS Workbench软件对设计的装置进行有限元分析,模拟结果显示底座、支架以及滑道在装满物源的情况下底座所受最大应力分别为22.097MPa、61.466MPa和11.177MPa均小于其构成材料Q235钢的国家安全许可应力,装置的稳定性较好。同时对装置进行了相似性分析得出了原型与模型之间的各物理量之比。在该平台模拟装置建造完成后,设计了以坡度和有无石块作为变量的6组泥石流试验来验证装置性能。试验结果表明,测控系统能清晰的观测到泥石流的运动过程中的四个阶段。有石块的泥石流其流速在坡度相同的情况下,均低于无石块的泥石流。无石块泥石流三组试验的流速的平均值为5.53m/s,而有石块泥石流三组试验的流速的平均值为4.89m/s是无石块泥石流的88.5%。在试验未加入石块时,泥石流的最大冲击力随着坡度的增加而增大,在试验加入石块时,泥石流的最大冲击力同样随着坡度的增加而增大,但是增加的幅度由于石块在泥石流分布的随机性,使其同样存在着一定的随机性。三轴力传感器B的最大冲击力平均值为40.03N,是三轴力传感器A的最大冲击力平均值的55.4%。这说明泥石流的冲击力随着高度的增加而逐渐降低。在测试钢板受到泥石流冲击的应变响应时发现无石块且坡度不同时,钢板的最大微应变均出现在下方测量点,并且随着坡度的增大,钢板上的最大微应变变化并不明显。这些分析结果证明了地质灾害平台模拟装置能较好的模拟地质灾害并为地质灾害研究提供一定的帮助。
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