專利名稱：一種泥石流泥位測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種泥位測量裝置及方法，特別是涉及一種泥石流多點泥位測量裝置及方法，屬于水利工程測量測試領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
泥石流的泥位(也稱為泥深)是指泥石流運動時，從泥面某點到它在底床對應(yīng)的垂 直投影點的距離。泥位是泥石流的一個非常關(guān)鍵的參數(shù)，可用于計算泥石流的流速和規(guī)模等。通過監(jiān)測泥位的連續(xù)動態(tài)變化指標(biāo)，還可分析泥石流的發(fā)生與運動變化。泥石流的工程設(shè)計、運動計算和監(jiān)測預(yù)警中都需要準(zhǔn)確的泥位值。泥石流泥位測量通常有3類方法，分別是泥痕觀測法、泥位標(biāo)尺法與無線測量傳感器泥位計測量方法。其中，傳感器泥位計測量方法是在泥石流通過的溝道上空懸掛超聲波/激光傳感器，通過測量發(fā)射超聲波/激光的回波時間來測量泥石流的泥位。該方法可用于測量泥石流泥位的連續(xù)動態(tài)變化值，是目前使用最廣泛的方法。發(fā)表在1987年第04期《山地學(xué)報》的“超聲波儀在泥石流泥位測試中的應(yīng)用”一文公開了傳感器泥位計測量方法及其系統(tǒng)的技術(shù)方案。該測量系統(tǒng)將無線測量傳感器(超聲波/激光)安裝在泥石流觀測斷面的纜道上，泥石流未發(fā)生時，傳感器測得的是溝床表面高程(常數(shù))，一旦有泥石流通過，傳感器測得的數(shù)據(jù)就是泥石流體的表面高程。用溝床表面高程減去泥石流體表面高程，就是泥石流流動時的泥深。測量系統(tǒng)中的傳感器可根據(jù)主流的游動情況隨時調(diào)整測點的水平位置，并可根據(jù)溝槽的沖淤情況適當(dāng)?shù)卣{(diào)整換能器到溝底的高度。目前在泥石流研究領(lǐng)域，泥位測量依然延續(xù)這一技術(shù)方案的主體內(nèi)容，即將無線測量傳感器安裝在泥石流溝道的正上方?，F(xiàn)有的測量系統(tǒng)及方法在實際應(yīng)用中至少存在三方面不足一、由于需要將無線測量傳感器安裝在泥石流溝道的正上方，因此需要在溝道兩岸同時架設(shè)支架并連接橫梁/纜繩，或者在溝道一側(cè)岸架設(shè)支架以及很長的懸臂。這樣的懸臂或橫梁/纜繩受風(fēng)的影響較大，容易晃動，使得傳感器隨著搖擺，嚴(yán)重影響泥位的測量精度；二、泥石流龍頭的高度往往4-5m，且運動時石塊、泥漿向上飛濺。為了避免被泥石流撞到，傳感器安裝在溝道正上方時，懸臂或橫梁/纜繩都必須架設(shè)到很高的位置，極大增加了設(shè)計與安裝成本；三、距離地面很高的懸臂或橫梁/纜繩容易受環(huán)境條件影響而損壞、損毀，造成測量系統(tǒng)使用維護(hù)成本聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，能夠有效防止惡劣環(huán)境干擾，且節(jié)約安裝運行成本的泥石流泥位測量裝置與測量方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種泥石流泥位測量裝置，包裝立柱與安裝在立體上的無線測量傳感器，其特征在于所述立柱垂直固定在泥石流溝道的一側(cè)，立柱所在的溝道橫截面為平面α ;所述無線測量傳感器2能夠從發(fā)射點A發(fā)射出η條傾角Θ不相同的測量線，所有測量線位于平面α內(nèi)，η彡2。上述測量裝置將測量高程的無線測量傳感器集中安裝在泥石流溝道的一側(cè)，去除了傳統(tǒng)測量裝置中最容易受到環(huán)境影響甚至損壞的跨越溝道的橫梁或長(懸)臂，有效降低了裝置受損風(fēng)險，提高了裝置在惡劣天氣條件下的測量精度，提高了工作效能。裝置的傳感器探頭從同一點發(fā)出的多根測量線均位于同一平面內(nèi)。為了簡化后期計算，該平面是立柱所在的泥石流溝道的橫截面。本發(fā)明還提供利用上述測量裝置實施的泥石流泥位測量方法，具體技術(shù)方案如下一種泥石流泥位測量方法，其特征在于依照如下步驟進(jìn)行步驟SI、安裝泥石流泥位測量裝置在泥石流流過的溝道一側(cè)，垂直安裝立柱，確定立柱所在的溝道橫截面為平面α，立柱上安裝無線測量傳感器；無線測量傳感器從發(fā)射點A發(fā)出傾角Θ不同的η條測量線，n ^ 2，所有測量線都位于平面α內(nèi)，并將平面α劃分為η + I個區(qū)間；步驟S2、測量記錄現(xiàn)場測量，以泥石流溝道底床的最低點為基準(zhǔn)點B，記發(fā)射點A到基準(zhǔn)點B的垂直
距離為H ;η條測量線的傾角分別記為Q1, θ2，......θη;無泥石流通過時，η條測量線從
發(fā)射點A至底床的斜距記為L1, L2,......Ln ;當(dāng)泥石流通過時，η條測量線從發(fā)射點A至泥
面的斜距記為H ......ιη;步驟S3、泥位計算步驟S31、依式I計算每根測量線與底床交點距立柱I的平距Xl，X2,……XnXi = LiSin Θ i 式 I步驟S32、依式2計算每根測量線與泥面交點距立柱I的平距X1, X2，......XnXi = IiSin Qi 式 2步驟S33、計算每根測量線與底床交點處的泥位H1, H2,……Hn判斷每根測量線與底床交點在泥面投影點在平面α內(nèi)所對應(yīng)的區(qū)間，并通過線性插值計算每根測量線與底床交點處的泥位Hi,具體是假設(shè)第j根測量線的平距Xj符合條件\0^〈^+1，則認(rèn)為該測量線底床交點在泥面投影點落入第i個區(qū)間，該測量線與底床交點處的泥位Hj通過式3、式4求得

權(quán)利要求
1.一種泥石流泥位測量裝置，包裝立柱(I)與安裝在立體(I)上的無線測量傳感器(2)，其特征在于所述立柱(I)垂直固定在泥石流溝道的一側(cè)，立柱(I)所在的溝道橫截面為平面α ;所述無線測量傳感器(2)能夠從發(fā)射點A發(fā)射出η條傾角Θ不相同的測量線，所有測量線位于平面α內(nèi)，η > 2。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于測量線數(shù)量n^ W/2根，W為溝道截面寬度，單位m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于將測量線的布置與溝道底床斷面形狀相結(jié)合，使充分?jǐn)?shù)量的測量線與底床交點與底床斷面轉(zhuǎn)折點重合。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述測量線傾角Θ的確定方法為用全站儀、GPS或其他地形測量設(shè)備測得溝道橫截面α上q個點的坐標(biāo)(xt，ht)，t從I到q ;記有向線段TtIV1 (xrxt-i，W1)與有向線段TtTt+1 (xt+1-xt, ht+「ht)的夾角為β ;若β e (90° , 135° ) U (225°，270 ° )，則確定點Tt為轉(zhuǎn)折點，該點傾斜角 將測量線的傾斜角設(shè)置為Θ，測量線與底床的交點與Tt重合。
5.一種泥石流泥位測量方法，其特征在于依照如下步驟進(jìn)行 步驟SI、安裝泥石流泥位測量裝置 在泥石流流過的溝道一側(cè)，垂直安裝立柱(I )，確定立柱(I)所在的溝道橫截面為平面α，立柱I上安裝無線測量傳感器(2)，無線測量傳感器(2)從發(fā)射點A發(fā)出不同傾角的η條測量線，n ^ 2，所有測量線都位于平面α內(nèi)，并將平面α劃分為η + I個區(qū)間； 步驟S2、測量記錄 以泥石流溝道底床的最低點為基準(zhǔn)點B，記發(fā)射點A到基準(zhǔn)點B的垂直距離為H ;η條測量線的傾角分別記為Q1, θ2，......θη;無泥石流通過時，η條測量線從發(fā)射點A至底床的斜距記為L1, L2,......Ln ;當(dāng)泥石流通過時，η條測量線從發(fā)射點A至泥面的斜距記為!I，！2，......！η ; 步驟S3、泥位計算 步驟S31、依式I計算每根測量線與底床交點距立柱I的平距X1, X2,……Xn Xi = LiSin Θ j 式 I 步驟S32、依式2計算每根測量線與泥面交點距立柱I的平距X1, X2，......Xn Xi = IiSin Θ j 式 2 步驟S33、計算每根測量線與底床交點處的泥位H1, H2,......Hn 判斷每根測量線與底床交點在泥面投影點在平面α內(nèi)所對應(yīng)的區(qū)間，并通過線性插值計算每根測量線與底床交點處的泥位Hi ;具體是假設(shè)第j根測量線的平距Xj符合條件Xi〈X^Xi+1，則認(rèn)為該測量線底床交點在泥面投影點落入第i個區(qū)間，該測量線與底床交點處的泥位Hj通過式3、式4求得 Hj = H_h, -Ij cos Θ j 式 4。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于測量線數(shù)量n^ W/2根，W為溝道寬度，單位m。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于將測量線的布置與溝道底床斷面形狀相結(jié)合，使充分?jǐn)?shù)量的測量線與底床交點與底床斷面轉(zhuǎn)折點重合。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述測量線的布置方法為用全站儀、GPS或其他地形測量設(shè)備測得溝道橫截面α上q個點的坐標(biāo)(xt，ht)，t從I到q ;記有向線段TJV1 (w，W1)與有向線段TtTt+1(xt+1-xt，ht+1-ht)的夾角為 ;若 β e (90。，135。)或β e (225°，270° )，則確定點Tt為轉(zhuǎn)折點，該點傾斜角
全文摘要
本發(fā)明公開了一種泥石流泥位測量裝置及方法。針對現(xiàn)有技術(shù)中利用無線測量傳感器測量泥石流泥位技術(shù)中將無線測量傳感器安裝在泥石流溝道正上方造成的諸多技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種利用無線測量傳感器測量泥石流泥位的裝置。該裝置將無線測量傳感器安裝在泥石流溝道側(cè)岸，從發(fā)射點同時發(fā)出多根傾角不同的測量線，同時結(jié)合溝道地形特征對測量線傾角設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明還提供一種利用上述裝置實現(xiàn)的泥石流泥位測量方法，該方法通過測量裝置獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)插值計算與三角計算確定泥位值。本發(fā)明裝置省略了現(xiàn)有測量裝置中最易損壞且嚴(yán)重影響測量精度的結(jié)構(gòu)，節(jié)約了測量系統(tǒng)成本，通過配合計算方法，提高了測量精度，特別適用于工程領(lǐng)域的需要。
文檔編號G01F23/28GK102829842SQ20121027326
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月2日
發(fā)明者胡凱衡, 崔鵬, 洪勇, 馬超, 田密, 黎曉宇 申請人:中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所