专利名称：一种泥石流泥位测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种泥位测量装置及方法，特别是涉及一种泥石流多点泥位测量装置及方法，属于水利工程测量测试领域。
背景技术：
泥石流的泥位(也称为泥深)是指泥石流运动时，从泥面某点到它在底床对应的垂 直投影点的距离。泥位是泥石流的一个非常关键的参数，可用于计算泥石流的流速和规模等。通过监测泥位的连续动态变化指标，还可分析泥石流的发生与运动变化。泥石流的工程设计、运动计算和监测预警中都需要准确的泥位值。泥石流泥位测量通常有3类方法，分别是泥痕观测法、泥位标尺法与无线测量传感器泥位计测量方法。其中，传感器泥位计测量方法是在泥石流通过的沟道上空悬挂超声波/激光传感器，通过测量发射超声波/激光的回波时间来测量泥石流的泥位。该方法可用于测量泥石流泥位的连续动态变化值，是目前使用最广泛的方法。发表在1987年第04期《山地学报》的“超声波仪在泥石流泥位测试中的应用”一文公开了传感器泥位计测量方法及其系统的技术方案。该测量系统将无线测量传感器(超声波/激光)安装在泥石流观测断面的缆道上，泥石流未发生时，传感器测得的是沟床表面高程(常数)，一旦有泥石流通过，传感器测得的数据就是泥石流体的表面高程。用沟床表面高程减去泥石流体表面高程，就是泥石流流动时的泥深。测量系统中的传感器可根据主流的游动情况随时调整测点的水平位置，并可根据沟槽的冲淤情况适当地调整换能器到沟底的高度。目前在泥石流研究领域，泥位测量依然延续这一技术方案的主体内容，即将无线测量传感器安装在泥石流沟道的正上方。现有的测量系统及方法在实际应用中至少存在三方面不足一、由于需要将无线测量传感器安装在泥石流沟道的正上方，因此需要在沟道两岸同时架设支架并连接横梁/缆绳，或者在沟道一侧岸架设支架以及很长的悬臂。这样的悬臂或横梁/缆绳受风的影响较大，容易晃动，使得传感器随着摇摆，严重影响泥位的测量精度；二、泥石流龙头的高度往往4-5m，且运动时石块、泥浆向上飞溅。为了避免被泥石流撞到，传感器安装在沟道正上方时，悬臂或横梁/缆绳都必须架设到很高的位置，极大增加了设计与安装成本；三、距离地面很高的悬臂或横梁/缆绳容易受环境条件影响而损坏、损毁，造成测量系统使用维护成本闻。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种结构简单，能够有效防止恶劣环境干扰，且节约安装运行成本的泥石流泥位测量装置与测量方法。为实现上述目的，本发明的技术方案如下一种泥石流泥位测量装置，包装立柱与安装在立体上的无线测量传感器，其特征在于所述立柱垂直固定在泥石流沟道的一侧，立柱所在的沟道横截面为平面α ;所述无线测量传感器2能够从发射点A发射出η条倾角Θ不相同的测量线，所有测量线位于平面α内，η彡2。上述测量装置将测量高程的无线测量传感器集中安装在泥石流沟道的一侧，去除了传统测量装置中最容易受到环境影响甚至损坏的跨越沟道的横梁或长(悬)臂，有效降低了装置受损风险，提高了装置在恶劣天气条件下的测量精度，提高了工作效能。装置的传感器探头从同一点发出的多根测量线均位于同一平面内。为了简化后期计算，该平面是立柱所在的泥石流沟道的横截面。本发明还提供利用上述测量装置实施的泥石流泥位测量方法，具体技术方案如下一种泥石流泥位测量方法，其特征在于依照如下步骤进行步骤SI、安装泥石流泥位测量装置在泥石流流过的沟道一侧，垂直安装立柱，确定立柱所在的沟道横截面为平面α，立柱上安装无线测量传感器；无线测量传感器从发射点A发出倾角Θ不同的η条测量线，n ^ 2，所有测量线都位于平面α内，并将平面α划分为η + I个区间；步骤S2、测量记录现场测量，以泥石流沟道底床的最低点为基准点B，记发射点A到基准点B的垂直
距离为H ;η条测量线的倾角分别记为Q1, θ2，......θη;无泥石流通过时，η条测量线从
发射点A至底床的斜距记为L1, L2,......Ln ;当泥石流通过时，η条测量线从发射点A至泥
面的斜距记为H ......ιη;步骤S3、泥位计算步骤S31、依式I计算每根测量线与底床交点距立柱I的平距Xl，X2,……XnXi = LiSin Θ i 式 I步骤S32、依式2计算每根测量线与泥面交点距立柱I的平距X1, X2，......XnXi = IiSin Qi 式 2步骤S33、计算每根测量线与底床交点处的泥位H1, H2,……Hn判断每根测量线与底床交点在泥面投影点在平面α内所对应的区间，并通过线性插值计算每根测量线与底床交点处的泥位Hi,具体是假设第j根测量线的平距Xj符合条件\0^〈^+1，则认为该测量线底床交点在泥面投影点落入第i个区间，该测量线与底床交点处的泥位Hj通过式3、式4求得
权利要求
1.一种泥石流泥位测量装置，包装立柱(I)与安装在立体(I)上的无线测量传感器(2)，其特征在于所述立柱(I)垂直固定在泥石流沟道的一侧，立柱(I)所在的沟道横截面为平面α ;所述无线测量传感器(2)能够从发射点A发射出η条倾角Θ不相同的测量线，所有测量线位于平面α内，η > 2。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于测量线数量n^ W/2根，W为沟道截面宽度，单位m。
3.根据权利要求I所述的装置，其特征在于将测量线的布置与沟道底床断面形状相结合，使充分数量的测量线与底床交点与底床断面转折点重合。
4.根据权利要求I所述的装置，其特征在于所述测量线倾角Θ的确定方法为用全站仪、GPS或其他地形测量设备测得沟道横截面α上q个点的坐标(xt，ht)，t从I到q ;记有向线段TtIV1 (xrxt-i，W1)与有向线段TtTt+1 (xt+1-xt, ht+「ht)的夹角为β ;若β e (90° , 135° ) U (225°，270 ° )，则确定点Tt为转折点，该点倾斜角 将测量线的倾斜角设置为Θ，测量线与底床的交点与Tt重合。
5.一种泥石流泥位测量方法，其特征在于依照如下步骤进行 步骤SI、安装泥石流泥位测量装置 在泥石流流过的沟道一侧，垂直安装立柱(I )，确定立柱(I)所在的沟道横截面为平面α，立柱I上安装无线测量传感器(2)，无线测量传感器(2)从发射点A发出不同倾角的η条测量线，n ^ 2，所有测量线都位于平面α内，并将平面α划分为η + I个区间； 步骤S2、测量记录 以泥石流沟道底床的最低点为基准点B，记发射点A到基准点B的垂直距离为H ;η条测量线的倾角分别记为Q1, θ2，......θη;无泥石流通过时，η条测量线从发射点A至底床的斜距记为L1, L2,......Ln ;当泥石流通过时，η条测量线从发射点A至泥面的斜距记为!I，！2，......！η ; 步骤S3、泥位计算 步骤S31、依式I计算每根测量线与底床交点距立柱I的平距X1, X2,……Xn Xi = LiSin Θ j 式 I 步骤S32、依式2计算每根测量线与泥面交点距立柱I的平距X1, X2，......Xn Xi = IiSin Θ j 式 2 步骤S33、计算每根测量线与底床交点处的泥位H1, H2,......Hn 判断每根测量线与底床交点在泥面投影点在平面α内所对应的区间，并通过线性插值计算每根测量线与底床交点处的泥位Hi ;具体是假设第j根测量线的平距Xj符合条件Xi〈X^Xi+1，则认为该测量线底床交点在泥面投影点落入第i个区间，该测量线与底床交点处的泥位Hj通过式3、式4求得 Hj = H_h, -Ij cos Θ j 式 4。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于测量线数量n^ W/2根，W为沟道宽度，单位m。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于将测量线的布置与沟道底床断面形状相结合，使充分数量的测量线与底床交点与底床断面转折点重合。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述测量线的布置方法为用全站仪、GPS或其他地形测量设备测得沟道横截面α上q个点的坐标(xt，ht)，t从I到q ;记有向线段TJV1 (w，W1)与有向线段TtTt+1(xt+1-xt，ht+1-ht)的夹角为 ;若 β e (90。，135。)或β e (225°，270° )，则确定点Tt为转折点，该点倾斜角
全文摘要
本发明公开了一种泥石流泥位测量装置及方法。针对现有技术中利用无线测量传感器测量泥石流泥位技术中将无线测量传感器安装在泥石流沟道正上方造成的诸多技术缺陷，本发明提供了一种利用无线测量传感器测量泥石流泥位的装置。该装置将无线测量传感器安装在泥石流沟道侧岸，从发射点同时发出多根倾角不同的测量线，同时结合沟道地形特征对测量线倾角设置进行优化。本发明还提供一种利用上述装置实现的泥石流泥位测量方法，该方法通过测量装置获取数据，经插值计算与三角计算确定泥位值。本发明装置省略了现有测量装置中最易损坏且严重影响测量精度的结构，节约了测量系统成本，通过配合计算方法，提高了测量精度，特别适用于工程领域的需要。
文档编号G01F23/28GK102829842SQ20121027326
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月2日 优先权日2012年8月2日
发明者胡凯衡, 崔鹏, 洪勇, 马超, 田密, 黎晓宇 申请人:中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所
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