CN115094818B - 模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决的试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决的试验系统及试验方法。该系统包括支架和冷冻箱，冷冻箱设置在支架上并且包括侧壁和基底，侧壁和基底的内部至少部分地设置有换热管，冷冻箱适于容纳待模拟的冰坝和冰碛坝中的至少一者的坝体材料并且经由与换热管的热交换而处理坝体材料，以生成相应的模拟坝体，冰碛坝包括间隙冰冰碛坝和埋藏冰冰碛坝中的至少一者。系统还包括制冷组件，制冷组件经由介质通道与换热管流体地耦接并且包括控制组件，制冷组件被配置为能够响应于控制组件的操作，向换热管输送预定工况的换热介质，预定工况与所生成的模拟坝体相关联。以此方式，能够确保模拟精度，使得模拟坝体土力学参数接近实际环境。

Description

模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决的试验系统及试验方法

技术领域

本公开一般地涉及环境保护、环境监测评估、地质勘探、生态治理与修复及水土保持等技术领域，特别地涉及模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决的试验系统及试验方法。

背景技术

青藏高原作为全球气候的响应器与放大器，在全球气候变暖的大背景下，高原冰冻圈及其土壤水文环境正在发生显著的变化，如土壤有机碳降解、土壤冻融、地下水水文地质参数和水化学类型变化、积雪期缩短、冰川退缩、冰川跃动和冰崩加剧等。而且，高原冰冻圈因为冰川部分融化，还会形成很多大型湖泊，如冰湖等。

高原冰冻圈及其土壤水文环境的改变导致各类冰雪灾害及链生灾害增多，其中，由冰岩崩进入冰湖引起的涌起浪波对冰碛堰塞坝稳定性的影响最大，严重威胁青藏高原地区基础设施建设和经济社会发展。因此，对于高原冰冻圈冰碛坝和冰坝的土壤环境监测评估以及地质勘探，关系着青藏高原、甚至是全球生态的治理和修复。

研究表明，冰碛坝的稳定性取决于几个因素，即粒径分布、几何形状、矿物组成，其内部结构和材料特性也会影响大坝的表层和地下侵蚀作用。冰碛坝的内部结构只有在大坝决口后才可见。因此，为了在冰碛坝被破坏之前正确地评估其稳定性，必须采用岩土/地球物理方法进行地质勘探。这些方法包括探地雷达成像技术、地震折射层析成像、自电位、重力测深和电阻率成像等。但是，这样的物理方法不仅耗时耗力，导致高额的研究成本，而且高原冰冻圈气候、土壤等恶劣环境，使得现场物理方法的探测还会给研究人员带来极大的安全隐患。

CN113405769A公开了一种模拟冰碛湖漫顶溃决灾害全过程的实验装置及实验方法。在模拟“模型坝”的过程中，本公开将实验用土采用分层堆积的方法将坝体堆叠到预先绘制好轮廓的几何形状，形状轮廓线通过计算并提前绘制与水槽一侧的玻璃上；堆坝时，层层之间用手轻拍至指定的水平线，通过控制每一层之间的土体质量就可以用来确保堆坝的密实度；反复此操作即可实现整个模型坝体的密实度相对均匀。然而，这种模拟模型坝的方式仅仅采用了土体堆叠的方式，本质上是一种土坝，该模拟方式未充分考虑模型坝本身的结构，因为不同的冰碛坝结构类型(如间隙冰冰碛坝、埋藏冰冰碛坝以及纯冰坝等)具有不同的冰和土的组成，因而性能参数也大不相同，因此这样模拟的方式精度很低。而且，该装置缺乏有效的制冷手段，没有考虑冰碛坝所处的生态环境的温度等气候情况，其模型坝的土力学参数与实际环境差别很大，无法准确进行冰碛坝模拟。此外，该方法仅仅能对一种模型坝进行研究，不能在相同参数或不同参数下下同时对于不同类型的冰碛坝进行模拟。另外，该模型结构对水、涌浪等的模拟需要不同的部件或单独的部件来执行，这样的结构构造复杂，造价成本高，集成度不足。最后，该模型坝也没有办法模拟研究地区的真实生态环境，如空气湿度、风速等，进一步造成模拟结果存在较大偏差。

因此，急需一种能够在试验环境下高效、准确地模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决的试验系统及试验方法。

发明内容

本公开的目的是提供一种模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决的试验系统及试验方法，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。

根据本公开的第一方面，提供了一种模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决的试验系统。该系统包括支架和冷冻箱，冷冻箱设置在所述支架上并且包括侧壁和基底，所述侧壁和所述基底的内部至少部分地设置有换热管，其中所述冷冻箱适于容纳待模拟的所述冰坝和所述冰碛坝中的至少一者的坝体材料并且经由与所述换热管的热交换而处理所述坝体材料，以生成相应的模拟坝体，其中所述冰碛坝包括间隙冰冰碛坝和埋藏冰冰碛坝中的至少一者。该系统还包括制冷组件，经由介质通道与所述换热管流体地耦接并且包括控制组件，所述制冷组件被配置为响应于所述控制组件的控制操作，向所述换热管输送预定工况的换热介质，所述预定工况与所生成的所述模拟坝体相关联。其中，换热介质可以是水、氟利昂等任意合适的制冷剂。预定工况可以是模拟坝体形成所需要的工况，可以在试验前提前确定或在试验过程中进行调整。

根据本公开的实施例，冰冻系统的设置，能够精确地模拟出纯冰堰塞坝、间隙冰冰碛坝与埋藏冰冰碛坝，填补了对冰坝及冰碛坝进行室内模拟试验的空白。而且，该冰冻系统能够根据试验前采集的环境参数精确地模拟冰坝或冰碛坝，使得冰碛坝模拟坝体土力学参数接近实际环境，提升模拟精度，从而使得试验系统能够更准确地对研究环境进行模拟，提升环境监测评估精确度，为后期的地质勘探、真实环境的生态治理与修复等工作提供扎实的数据参数和理论基础。

在一些实施例中，冷冻箱可以包括第一操作空间、第二操作空间以及第三操作空间中的一者或多者，所述第一操作空间、所述第二操作空间以及所述第三操作空间彼此隔离并且被配置为能够同时模拟所述冰坝、所述间隙冰冰碛坝、所述埋藏冰冰碛坝中的一者或多者。在这样的实施例中，能够同时模拟多种类型的冰坝或冰碛坝。

在一些实施例中，所述第一操作空间、所述第二操作空间以及所述第三操作空间可以操作地热耦接至所述制冷组件，并且适于能够经由所述控制组件的控制操作而被单独地控制。在这样的实施例中，控制组件可以单独控制操作空间，从而使得可以单独地对不同类型的冰坝进行模拟。在控制参数一致时，能够对比不同类型或不同组成成分(如不同级配的间隙冰冰碛坝、不同冰芯位置、冰芯尺寸的埋藏冰冰碛坝)的冰坝和冰碛坝对于相同模拟条件的不同受力特性，从而为真实环境的地质勘探、生态治理与修复提供更为精确的参考。

在一些实施例中，所述试验系统还可以包括第一复合管嘴和第二复合管嘴中的至少一个管嘴，所述第一复合管嘴和第二复合管嘴中的至少一个管嘴经由管路系统耦接至所述冷冻箱，并且适于向所述冷冻箱输送水、空气、涌浪以及泥石流或滚石中的一者或多者。其中泥石流或滚石可以单独模拟真实研究环境中存在的泥石流或滚石，也可以用来模拟冰岩崩产生的涌浪对冰碛坝产生破坏性影响的场景，还可以来模拟滚石或泥石流撞击墙体的研究。

在这样的实施例中，试验系统的输送系统被高度集成化，输送蓄水所用的水源、与真实环境中的空气参数相同的空气，从而简化系统结构，便于试验人员进行试验操作。而且，多个复合管嘴的设置，不同复合管嘴能够独立工作，使得能够同时对多个操作空间进行模拟试验，也能够互为彼此的备用管嘴，使得在管嘴阻塞或功能障碍时及时工作，保证试验顺利。这样，大大提升了系统的鲁棒性。

另外，这样的设置使得不仅能够精确地监测和评估在冰碛坝被破坏之前的稳定性，还能够模拟出冰碛坝被破坏之后冰碛坝溃决所产生的破坏性，使得在生态治理时能够提前对坝体进行修复，还能够提前对于可能产生的破坏性较大的位置采取预防性措施。此外，多个复合管嘴还能够模拟不期望外力冲击坝体的不同位置而对坝体的稳定性带来影响的场景。例如，其中一个复合管嘴冲击坝体下部，另外一个复合管嘴冲击坝体上部。

在一些实施例中，所述第一复合管嘴和第二复合管嘴中的至少一个管嘴可以通信地耦接至所述控制组件，并且适于经由所述控制组件进行控制。在这样的实施例中，控制组件对复合管嘴的控制，使得系统进一步集成化。

在一些实施例中，所述制冷组件还可以包括压缩装置、冷凝装置以及显示装置，所述压缩装置、所述冷凝装置与所述换热管串联连接，并且所述显示装置耦接到所述冷冻箱并且被配置为显示与所述冷冻箱以及所述预定工况中的至少一者相关联的至少一个参数。在这样的实施例中，提供了一种制冷具体实现，并且使得控制参数能够可视化，便于操作。

在一些实施例中，所述冷冻箱还可以包括密封侧门、密封盖以及侧门卡槽，所述密封盖适于盖住所述冷冻箱，所述密封侧门包括推拉把手并且与所述侧门卡槽滑动地耦接，所述推拉把手适于在受力时推动所述密封侧门在所述侧门卡槽内移动，以使得所述冷冻箱在所述密封侧门所处的一侧封闭或至少部分地打开。在这样的实施例中，因为冷冻后的冷冻箱容易因冷冻而无法打开，这样的推拉式门把手结构比较省力，同时还可以在试验过程中基于门的开合程度而对参数进行误差调整。

在一些实施例中，所述试验系统还可以包括：摄像组件，耦接至所述支架并且适于在试验过程中对所述模拟坝体侵蚀过程进行图像记录；尾料箱，被配置为接收试验尾料；以及称重装置，设置在所述尾料箱下，以对所述试验尾料进行称重。在这样的实施例中，溃水过程中的侵蚀特性能够观被充分记录。

根据本公开的第二方面，提供了一种模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决的试验方法，采用根据本公开第一方面所述的试验系统，该方法包括：S201、确定试验对象为冰坝、间隙冰冰碛坝以及埋藏冰冰碛坝中的一种或多种，依据相似比确定一个或多个模拟坝体的尺寸；S203、在冷冻箱内堆积坝体材料，用所述冷冻箱的密封侧门和密封盖将冷冻箱密封，并且通过控制组件开始冷冻，等待所述坝体材料成型且整体结构稳定后撤下所述密封侧门和所述密封盖，得到模拟坝体；当同时模拟多个试验对象时，所述坝体材料分别设置在所述冷冻箱内不同的隔离空间内；S205、通过第一复合管嘴和第二复合管嘴中的至少一个管嘴针对所述模拟坝体进行蓄水，并且通过第一复合管嘴和第二复合管嘴中的至少一个管嘴控制水流补给速度，并且利用浮球阀保持水位不变；S207、利用采集到针对试验对象的图像信息、冲击力信息、滚落速度信息和点云数据进行计算，进行滚石或泥石流撞击墙体的模拟研究；S209、通过摄像组件对坝体溢流侵蚀过程和渗流侵蚀过程中的至少一个过程进行图像记录，并且通过流速仪检测溢流流速或渗流流速中的至少一个流速，并且设置水位计对水位变化数据进行采集，对比试验前三维激光扫描仪的模拟坝体点云数据，以得到所述模拟坝体试验前后的侵蚀量和坝面形变特征。

在一些实施例中，试验方法还可以包括：密封侧门将冷冻箱侧面封闭，将水通过所述第一复合管嘴和所述第二复合管嘴中的至少一个管嘴灌入所述冷冻箱，在水量满足试验需求后用密封盖将冷冻箱密封，基于预定参数开启所述冷冻箱，经过预定时间形成所述冰坝；和/或确定冰碛坝的级配，根据试验对象参数对含水量进行配比，将模拟坝体置于冷冻箱内并且设置预定义参数，基于预定参数开启所述冷冻箱，经过预定时间形成所述间隙冰冰碛坝；和/或根据试验对象确定冰芯冰碛坝内埋藏冰的尺寸及位置，利用模具制作模拟冰芯，并且将模拟冰芯冰与坝体材料放入冷冻箱，基于预定参数开启所述冷冻箱，经过预定时间形成所述埋藏冰冰碛坝。

总体来说，本公开的各个实施例至少可以起到如下有益效果：

(1)冷冻系统的设置，能够精确地模拟出纯冰堰塞坝、间隙冰冰碛坝与埋藏冰冰碛坝，填补了对冰坝及冰碛坝进行室内模拟试验的空白。

(2)该冰冻系统能够根据试验前采集的环境参数精确地模拟冰坝或冰碛坝，使得冰碛坝模拟坝体土力学参数接近实际环境，提升模拟精度，从而使得试验系统能够更准确地对研究环境进行模拟，提升环境监测评估精确度，为后期的地质勘探、真实环境的生态治理与修复等工作提供扎实的数据参数和理论基础。

(3)多个操作空间的设置能够使得同时模拟多种类型的冰坝和冰碛坝，并且能够同时以相同参数对于多种类型冰坝和冰碛坝进行对比模拟，从而比较冰坝和冰碛坝相同外力参数下的蓄水溃决参数(如试验前后的侵蚀量和坝面形变特征等)，以更好地服务于真实研究环境的地质勘探、生态治理与修复；而且，多个空间的设置也能够分别独立地对多种类型冰坝和冰碛坝进行模拟，提升操作效率，并且能够节约能源。

(4)复合管嘴能够提供蓄水所需的水，还能够根据预定参数向冷冻箱输送与真实研究环境相同的空气以及激发溃决前产生的涌浪，同时还能够模拟自然环境中存在的或者撞击试验所需的滚石或泥石流，使得设备集成度高，便于操作，同时节约设备成本。

(5)多个复合管嘴的设置，不同复合管嘴能够独立工作，使得能够同时对多个操作空间进行模拟试验，也能够互为彼此的备用管嘴，使得在管嘴阻塞或功能障碍时及时工作，保证试验顺利。这样，大大提升了系统的鲁棒性。

(6)复合管嘴的设置，使得不仅能够精确地监测和评估在冰碛坝被破坏之前的稳定性，还能够模拟出冰碛坝被破坏之后冰碛坝溃决所产生的破坏性，使得在生态治理时能够提前对坝体进行修复，还能够提前对于可能产生的破坏性较大的位置采取预防性措施。

(7)控制组件能够控制制冷组件、单独地控制不同操作空间，并且单独地或组合地控制复合管嘴，使得系统进一步集成化和智能化，简化操作步骤，便于试验工作人员进行操作。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开的实施例的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例而非限制性的方式示出了本公开的若干实施例，其中：

图1是示出根据本公开一些实施例的模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决试验系统的示意图；

图2是示出根据本公开的一些实施例的模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决试验系统的俯视示意图；

图3是示出根据本公开的一些实施例的模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决试验系统的侧视示意图；

图4是示出根据本公开的一些实施例的密封侧门的示意图；

图5、图6和图7是示出根据本公开一个实施例的模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决试验系统的部分物理部件示意图；

图8是模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决的试验方法的示意流程图。

在各个附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

在本公开的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

根据形成情况，冰碛坝包括推覆冰碛坝、逆冲冰碛坝、倾倒冰碛坝和冰芯冰碛坝。推覆冰碛坝高度一般较低(小于9米)，只储存少量的水，是最稳定的冰碛结构，因为它的某一部分属于冰川本身。逆冲冰碛坝是由冰川底部侵蚀的沉积物和岩屑堆积而成，而倾倒冰碛坝是由冰内和冰面的沉积物和岩屑沿冰前缘倾倒而成。因此，逆冲冰碛坝和倾倒冰碛坝在形成过程中是不同的。另一方面，由于大坝中存在冰芯，冰芯冰碛坝在上面讨论的其他类型的冰碛中最容易破坏。这些冰芯的退化导致冰碛垄的沉降，减少了冰碛坝的高度，使冰碛坝极易发生破坏。而且，冰碛坝的稳定性还会和土壤参数存在很大关联，例如当土壤有机碳降解或土壤发生冻融，会导致地基不稳，进一步导致冰碛堰稳定性降低。此外，冰碛坝的稳定性还和土壤与冰的结合情况有关，冰中存在的土壤的含量以及结合方式，也能直接影响冰碛坝的稳定性。

考虑以上因素，冰坝通常可以指纯冰坝，冰碛坝通常可以分类为具有间隙冰的冰碛坝(又称为“间隙冰冰碛坝”)和具有埋藏冰的冰碛坝(又称为“埋藏冰冰碛坝”)。纯冰坝通常指纯冰形成的坝，而间隙冰冰碛坝则通常指冰与土壤或其他固体形成的冰碛坝，埋藏冰冰碛坝则指具有被沉积物掩埋的生成于地表的埋藏冰的冰碛坝，其通常具有冰芯。

如前文所述，由于冰碛坝和冰坝通常存在于高原环境中，如前文提及的青藏高原，如果实地研究，通常会耗时耗力，并且存在安全隐患。目前的模拟装置无法模拟出具有埋藏冰或间隙冰的冰碛坝。鉴于此，本公开提供了一种模拟冰碛堰塞坝蓄水溃决的试验装置，该试验装置通过冷冻箱和制冷装置，能够精确地模拟高原冻土区的冰碛堰塞坝。另外，冷冻箱的操作空间设置使得装置能够同时模拟多种类型或者同一类型不同力学参数的冰碛坝或冰坝。此外，该装置将蓄水、涌浪、泥石流或滚石以及空气提供装置进行一体化集成，通过统一复合管嘴实现，使得系统紧凑，便于操作和控制。

下面将结合附图1至8详细地介绍本公开的示例性实施例。

图1是示出根据本公开一些实施例的模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决试验系统100的示意图。整体上，如图1所示，在一个示例实施例中，试验系统100可以包括冷冻箱1、支架2、制冷组件3、第一复合管嘴5、第二复合管嘴6、摄像组件7、管路系统8、尾料箱9和称重装置10。其中，冷冻箱1可以设置在支架2上，支架2可以是钢支架、木支架或其他任意合适的支架，本公开对此不作限制。支架2的构造可以与冷冻箱1相适配。摄像组件7可以耦接至支架2并且适于在试验过程中对所述模拟坝体侵蚀过程进行图像记录，其中侵蚀可以包括溢流侵蚀或渗流侵蚀。摄像组件7可以包括高清摄像头，从而可以对全过程进行拍照。尾料箱9可以接收试验尾料，称重装置10则设置在尾料箱9下，以对试验尾料进行称重。这样一来，称重装置10可以对尾料重量进行称重，并且基于称重结果和初始结果进行重量比对和分析，得到与坝体损失重量相关的参数。称重装置10例如可以是电子秤或者其他任意合适的装置，本公开对此不作限制。其中，在一些实施例中，第一复合管嘴5、第二复合管嘴6、摄像组件7和称重装置10还可以通信地耦接至制冷组件3的控制组件33和显示装置35，以提升系统集成度，这将在下文进行介绍。

在一些实施例中，参考图1，冷冻箱1可以包括侧壁11、密封侧门12、密封盖13和基底14。侧壁11可以是不包括密封侧门12的三个侧壁，基底14可以在冰冻箱1的底部。密封盖13用于盖住冷冻箱1。侧壁11和基底14内可以至少部分地设置有换热管39，该换热管39适于接纳来自制冷组件3的换热介质，这将在下文更详细地介绍。

在一些实施例中，换热管39可以在侧壁11和基底14内部满铺，以提升换热效率。在一些实施例中，换热管39可以以螺旋形状布置，从而尽可能提升换热面积。替代地或备选地，密封盖13和密封侧门12也可以根据实际需要相应地设置换热管39，从而进一步提升换热效率。替代地或备选地，侧壁11、密封侧门12、密封盖13和基底14还可以采用保温材料进行包覆，以防止冷冻箱1与外界不期望的热交换，降低试验误差。

下面将结合图2来介绍密封侧门12和密封盖13配合的示例性实施例，以及冷冻箱1包括多个操作空间的实施例。

图2是示出根据本公开的一些实施例的模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决试验系统100的俯视示意图。在一些实施例中，参照图2，冷冻箱1还可以包括侧门卡槽19，密封盖13用于盖住冷冻箱1。在一个实施例中，如图4所示，密封侧门12可以包括推拉把手121，并且密封侧门12可以与侧门卡槽19滑动地耦接，推拉把手121能够在受力时推动密封侧门12在侧门卡槽19内移动，以使得冷冻箱1在密封侧门12所处的一侧封闭或至少部分地打开。

这样的顶盖和侧盖双开门的设置，便于在冷冻箱内进行堆料操作。而且，因为冷冻后的冷冻箱容易因冷冻而无法打开，这样的推拉式门把手结构比较省力，同时还可以在试验过程中基于门的开合程度(例如半开或全开)而对参数进行误差调整。

下面将结合图2和图3介绍冷冻箱1包括多个操作空间的示例性实施例。其中，图3是示出根据本公开的一些实施例的模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决试验系统100的侧视示意图。其中制冷组件3以简易的框图形式示出。

在一些实施例中，参考图2和图3，冷冻箱1可以包括第一操作空间16、第二操作空间17以及第三操作空间18。第一操作空间16、第二操作空间17以及第三操作空间18可以彼此隔离并且被配置为能够同时模拟所述冰坝、所述间隙冰冰碛坝、所述埋藏冰冰碛坝中的一者或多者。具体地，如图2所示，第一操作空间16、第二操作空间17以及第三操作空间18分别经由第一隔板20和第二隔板22隔开。第一隔板20和第二隔板22可以是绝热隔板，这样既能够分隔开不同的操作空间，同时又能够避免不同操作空间的不期望的热交换。在另一实施例中，在第一隔板20和第二隔板22内也可以设置换热管39，以提升各个操作空间的热交换效率。在一个实施例中，参考图2，冷冻箱1在基底14的位置处还可以设置有一个或多个防滑动钢条101，用于防止冰坝及冰碛坝在蓄水过程中发生滑动。其中，防滑动钢条101可以对称均匀设置，以确保受力均匀。

在一个实施例中，例如可以在第一操作空间16中模拟纯冰坝，在第二操作空间17中模拟间隙冰冰碛坝，在第三操作空间18模拟埋藏冰冰碛坝。这样，可以对蓄水溃决试验设置同样的试验参数，从而对比各种冰坝和冰碛坝的对于相同干涉或影响参数的受力能力，从而为环境监测评估以及研究环境的生态治理与修复提供参考。例如，第一操作空间16的纯冰坝可以用冷冻箱密封侧门12将冷冻箱1的侧面封闭，然后将水灌入冷冻箱，水量满足实验需求后用冷冻箱密封盖13将冷冻箱1密封，温度设定在0℃以下，经过足够时间后冰坝便可以冷冻成型。对于第二操作空间17的间隙冰冰碛坝，可以确定冰碛坝的级配后根据研究对象实际情况对含水量进行配比。然后将模拟坝体置于冷冻箱1内冷冻，在经过足够时间的冷冻后，便能在冷冻箱内形成具有间隙冰的模拟冰碛坝。而对于埋藏冰冰碛坝，可以根据研究对象确定冰芯冰碛坝内埋藏冰的尺寸及位置。利用模具制作模拟冰芯，冰芯制作完成后与坝体一同放入冷冻箱1内冷冻，在经过足够时间的冷冻后，便能在冷冻箱内形成具有埋藏冰的冰芯冰碛坝。

需要说明，上述模拟各种冰坝和冰碛坝的方式仅仅是示例性的，还可以采用其他合适的方式来进行堆砌和模拟，本公开对此不作限制。

在另一实施例中，也可以在第一操作空间16、第二操作空间17和第三操作空间18中模拟相同类型的冰碛坝，例如在第一操作空间16、第二操作空间17和第三操作空间18中模拟但是尺寸或者构造不同的埋藏冰冰碛坝，从而对比不同构造或尺寸的埋藏冰冰碛坝的受力能力，从而为该类型的冰碛坝的生态治理与修复提供可靠的参考数据。

在一些实施例中，第一操作空间16、第二操作空间17和第三操作空间18能够操作地热耦接至制冷组件3，并且第一操作空间16、第二操作空间17和第三操作空间18能够经由控制组件33的控制操作而被单独地控制。这样一来，不同的操作空间可以单独被操作，使得能够单独模拟冰坝或冰碛坝，不受不同操作空间的干涉。而且，控制组件33控制不同操作空间，使得系统高度集成化，不需要额外的部件，紧凑度高，节约成本。

需要说明，上述第一操作空间16、第二操作空间17以及第三操作空间18三个操作空间的设置是示例性的，本领域技术人员还可以根据试验的具体需要设置为2个、4个或者其他任意合适的数目的操作空间，本公开对此不作限制。

继续参考图1和图2，在一些实施例中，冷冻箱1可以用于容纳待模拟的冰坝和冰碛坝中的至少一者的坝体材料。具体地，在确定好需要研究的冰坝或冰碛坝之后，可以根据类型和原始获取的数据，按照相似比例确定坝体尺寸。随后，可以在冷冻箱1内设置相应模具或者利用物理手段将坝体材料进行堆积，用冷冻箱密封侧门12和冷冻箱密封盖13将冷冻箱密封。随后，冷冻箱则能够经由与换热管39的热交换而处理(例如以多种方式来冷却)坝体材料，以生成相应的模拟坝体。冷冻箱1可以模拟间隙冰冰碛坝和埋藏冰冰碛坝中的一者或多者，也可以用来模拟纯冰坝。

在这样的实施例中，参考图1，换热管39可以经由介质通道32流体地耦接到制冷组件3，制冷组件3可以包括控制组件33，并且可以响应于控制组件33的控制操作，向换热管39输送预定工况的换热介质。其中，控制组件33不仅可以控制制冷组件3的操作，还可以控制第一复合管嘴5、第二复合管嘴6、摄像组件7等，这将在下文进行更详细地介绍。换热介质可以是具有热稳定性和化学稳定性的化合物，并用于连接加热或除热等传热的介质，具体可以是水(蒸汽)、油、熔盐和液态金属、含氟物等，本公开对此不作限制。在该实施例中，换热介质的预定工况与所生成的模拟坝体相关联。也就是说，形成模拟坝体所需要的换热介质的工况是预定的，从而才能根据真实模拟对象的实际参数，生成所期望的模拟坝体，这样有助于提升模拟精度。

在一个实施例中，继续参考图1，制冷组件3还可以包括压缩装置37、冷凝装置31以及显示装置35，压缩装置37、冷凝装置31与换热管39可以串联连接，这样提供了一种制冷的工程具体实现。压缩装置37可以是压缩机或者其他任意合适的压缩装置，冷凝装置31可以是冷凝器或者其他任意合适的冷凝装置，换热管39可以是薄壁铜管或其他任意合适的管。

需要说明，上述制冷组件的设置仅仅是示例性的，本公开对此不作限制。另外，根据本公开的制冷组件3对温度等参数的要求很高，例如其精度可以设置为0.1摄氏度或者更高的精度，以提升模拟的准确性。

在一个实施例中，参考图1，显示装置35可以耦接到冷冻箱1并且被配置为显示与冷冻箱1以及所述预定工况中的至少一者相关联的至少一个参数。预定工况的参数可以包括温度、流量、流速以及与换热量相关的任意合适的参数。优选地，显示装置35为高度集成化的显示装置，可以用来显示与第一复合管嘴5、第二复合管嘴6、摄像组件7、管路系统8、尾料箱9和称重装置10相关的参数。例如，显示装置35可以显示第一复合管嘴5和第二复合管嘴6水流量和水流速、产生涌浪的外力(如风力)大小、泥石流或滚石的流量参数或者模拟真实研究环境的空气的参数，例如相对湿度、空气流动速度等。在这样的布置中，可以使得复杂的试验系统高度集成化，使得试验人员在操作过程中只需要关注特定的设置，避免误操作，提升用户体验。

继续参考图1，试验系统100还可以包括第一复合管嘴5(图2中同样示出)和第二复合管嘴6，第一复合管嘴5和第二复合管嘴6可以经由管路系统8耦接至冷冻箱1，并且适于向冷冻箱1输送水、空气、涌浪以及泥石流或滚石中的一者或多者。该管路系统8可以包括一个或多个管道，用于单独地或合并地输送水、空气、涌浪以及泥石流或滚石的一者或多者。下面将分别介绍冷冻箱1输送水、空气、涌浪以及泥石流或滚石的示例性实施例。

在一些实施例中，当第一复合管嘴5和第二复合管嘴6向冷冻箱1输送的水属于模拟冰坝或冰碛坝的蓄水，也就是说，此时第一复合管嘴5和第二复合管嘴6可以充当第一水阀和第二水阀的作用。具体地，可以将水管接入第一复合管嘴5或者第二复合管嘴6开始蓄水。蓄水完成后也经由第一复合管嘴5或者第二复合管嘴6(例如第一复合管嘴5用作上部水阀，第二复合管嘴用作下部水阀)来控制水流补给速度，并且可利用浮球阀保持水位不变。

在一些实施例中，第一复合管嘴5和第二复合管嘴6向冷冻箱1输送的空气可以是模拟真实环境中的空气，例如该空气可以具有和真实环境中的空气相一致的风速、相对湿度以及温度等参数。这样，可以使得模拟结果更加准确。此时，第一复合管嘴5和第二复合管嘴6可以经由管路系统8向冷冻箱1输送空气。应当理解，输送空气的管路可以与输送水的管路是同一管路，也可以是不同的管路。

在一些实施例中，第一复合管嘴5和第二复合管嘴6可以向冷冻箱1输送涌浪或者提供产生涌浪所需的外力。在输送涌浪的实施例中，第一复合管嘴5和第二复合管嘴6可以通过率先将涌浪的形态进行模拟，并且可以在控制组件33的控制下将涌浪输送至模拟坝体，以对模拟坝体进行蓄水溃决试验，测试不同模拟坝体受涌浪影响程度的大小，从而服务于真实环境的地质勘探和生态修复。在提供涌浪所需外力的实施例中，第一复合管嘴5和第二复合管嘴6可以直接通过吹风提供产生涌浪所需的外力，从而产生涌浪。此时，摄像组件7可以将涌浪过程全程记录，以用于后续分析。应当理解，上述产生涌浪的方式是示意性的，还可以采用本领域其他的方式模拟产生涌浪。还应当理解，输送涌浪的管路可以与输送水以及输送空气的管路是同一管路，也可以是不同的管路。

在一些实施例中，第一复合管嘴5和第二复合管嘴6可以通过管路系统8向冷冻箱1输送泥石流或滚石。这样，系统就可以模拟在突发自然灾害的情况下冰坝或冰碛坝的溃决情况。泥石流或滚石的参数可以预先设定，这样可以测试冰坝或冰碛坝的最大稳定性，也可以在冰坝或冰碛坝溃决时进行测定，从而得到冰坝和冰碛坝遭受自然灾害影响情况下的最大稳定性。在一个实施例中，还可以利用该设置进行泥石流或滚石撞击墙体的模拟研究。应当理解，输送泥石流或滚石的管路可以与输送水、空气以及涌浪的管路是同一管路，也可以是不同的管路。

在一些实施例中，第一复合管嘴5和第二复合管嘴6可以单独地工作，也可以互相配合工作。例如，第一复合管嘴5可以单独地用来输送空气和水，而第二复合管嘴6则用来输送泥石流或滚石。又例如，第一复合管嘴5用作主管嘴，第二复合管嘴6可以用作备用管嘴，提升系统的可靠性。还例如，第一复合管嘴5用作主操作管嘴，第二复合管嘴6用作误差修复管嘴，抵消第一复合管嘴5的操作误差等。

在一些实施例中，继续参照图1和图2，第一复合管嘴5和第二复合管嘴6可以通信地耦接至控制组件33，并且适于经由控制组件33进行控制。这样一来，系统集成化程度进一步提高。第一复合管嘴5和第二复合管嘴6还可以通信地耦接至显示装置35，以对操作过程中的各种参数进行显示，便于在试验中出现错误或误差时进行参数调整。

通过复合管嘴的设置，试验系统的输送系统被高度集成化，输送蓄水所用的水源、与真实环境中的空气参数相同的空气、涌浪和滚石或泥石流，从而简化系统结构，便于试验人员进行试验操作。而且，这样的设置使得不仅能够精确地监测和评估在冰碛坝被破坏之前的稳定性，还能够模拟出冰碛坝被破坏之后冰碛坝溃决所产生的破坏性，使得在生态治理时能够提前对坝体进行修复，还能够提前对于可能产生的破坏性较大的位置采取预防性措施。并且，多个复合管嘴的设置，不同复合管嘴能够独立工作，使得能够同时对多个操作空间进行模拟试验，也能够互为彼此的备用管嘴，使得在管嘴阻塞或功能障碍时及时工作，保证试验顺利。这样，大大提升了系统的鲁棒性。

需要说明，上述实施例的第一复合管嘴5和第二复合管嘴6的设置是示例性的，本领域技术人员还可以根据试验的具体需要设置为3个、4个或者其他任意合适的数目的复合管嘴，也可以对复合管嘴的位置作适应性修改，本公开对此不作限制。

图4是示出根据本公开的一些实施例的密封侧门12的示意图。在图4所示的实施例中，如前文所述，密封侧门12可以包括推拉把手121，并且密封侧门12可以与侧门卡槽19滑动地耦接，推拉把手121能够在受力时推动密封侧门12在侧门卡槽19内移动，以使得冷冻箱1在密封侧门12所处的一侧封闭或至少部分地打开。

图5、图6和图7是示出根据本公开一个实施例的模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决试验系统100的部分物理部件示意图。

在图5中，可以看到冷冻箱1的构造，其采用支架2进行支撑，并且包括透明玻璃，方便摄像组件7进行图像捕捉。需要理解，冷冻箱的尺寸、冰坝/冰碛坝的尺寸、冷冻温度等都可以根据实验需求进行调整，本公开对此不作限制。

在图6中，除了可以清晰地看出冷冻箱1的构造之外，还可以看到位于冰冻箱1下部的制冷组件3和被绝热材料包覆的介质通道32。图7则更清晰地示出了制冷组件3的一种示例性构造，该制冷组件包括压缩机和冷凝器以及相应的开关装置和温度显示装置。

图8是模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决的试验方法的示意流程图200。

参考图8，在S201处，确定试验对象为冰坝、间隙冰冰碛坝以及埋藏冰冰碛坝中的一种或多种，依据相似比确定一个或多个模拟坝体的尺寸。这样一来，可以提前确认需要研究的对象为何种类型和尺寸的冰坝或冰碛坝。

在S203处，在冷冻箱内堆积坝体材料，用冷冻箱的密封侧门和密封盖将冷冻箱密封，并且通过控制组件开始冷冻，等待坝体材料成型且整体结构稳定后撤下密封侧门和密封盖，得到模拟坝体；当同时模拟多个试验对象时，坝体材料分别设置在冷冻箱内不同的隔离空间内。以此方式，可以得到精度高、环境接近真实环境的模拟坝体。

在S205处，通过第一复合管嘴和第二复合管嘴中的至少一个管嘴针对模拟坝体进行蓄水，并且通过第一复合管嘴和第二复合管嘴中的至少一个管嘴控制水流补给速度，并且利用浮球阀保持水位不变。这样，可以实现坝体的蓄水。

在S207处，利用采集到针对试验对象的图像信息、冲击力信息、滚落速度信息和点云数据进行计算，进行滚石或泥石流撞击墙体的模拟研究。以此方式，可以得到蓄水溃决试验的初始参数和过程参数。

在S209处，通过摄像组件对坝体溢流侵蚀过程和渗流侵蚀过程中的至少一个过程进行图像记录，并且通过流速仪检测溢流流速或渗流流速中的至少一个流速，并且设置水位计对水位变化数据进行采集，对比试验前三维激光扫描仪的模拟坝体点云数据，以得到模拟坝体试验前后的侵蚀量和坝面形变特征。通过这样的操作，能够得到模拟坝体试验前后的侵蚀量和坝面形变特征，从而为实际环境的监测评估、地质勘探、生态治理与修复提供扎实的理论基础。

在一些实施例中，可以通过以下的方式分别得到冰坝、间隙冰冰碛坝及埋藏冰冰碛坝。

对于纯冰坝，密封侧门将冷冻箱侧面封闭，将水通过第一复合管嘴和第二复合管嘴中的至少一个管嘴灌入冷冻箱，在水量满足试验需求后用密封盖将冷冻箱密封，基于预定参数开启冷冻箱，经过预定时间形成冰坝。

对于间隙冰冰碛坝，可以确定冰碛坝的级配，根据试验对象参数对含水量进行配比，将模拟坝体置于冷冻箱内并且设置预定义参数，基于预定参数开启冷冻箱，经过预定时间形成间隙冰冰碛坝。

对于埋藏冰冰碛坝，可以根据试验对象确定冰芯冰碛坝内埋藏冰的尺寸及位置，利用模具制作模拟冰芯，并且将模拟冰芯冰与坝体材料放入冷冻箱，基于预定参数开启冷冻箱，经过预定时间形成埋藏冰冰碛坝。

本公开针对现有室内模型试验无法模拟具有埋藏冰与间隙冰的问题，提出一种可以模拟冰碛堰塞坝蓄水溃决的试验装置，从而能够模拟高原冻土区的冰碛堰塞坝。冷冻系统的设置，能够精确地模拟出纯冰堰塞坝、间隙冰冰碛坝与埋藏冰冰碛坝，填补了对冰坝及冰碛坝进行室内模拟试验的空白；该冰冻系统能够根据试验前采集的环境参数精确地模拟冰坝或冰碛坝，使得冰碛坝模拟坝体土力学参数接近实际环境，提升模拟精度，从而使得试验系统能够更准确地对研究环境进行模拟，提升环境监测评估精确度，为后期的地质勘探、真实环境的生态治理与修复等工作提供扎实的数据参数和理论基础；多个操作空间的设置能够使得同时模拟多种类型的冰坝和冰碛坝，并且能够同时以相同参数对于多种类型冰坝和冰碛坝进行对比模拟，从而比较冰坝和冰碛坝相同外力参数下的蓄水溃决参数(如试验前后的侵蚀量和坝面形变特征等)，以更好地服务于真实研究环境的地质勘探、生态治理与修复；而且，多个空间的设置也能够分别独立地对多种类型冰坝和冰碛坝进行模拟，提升操作效率，并且能够节约能源；复合管嘴能够提供蓄水所需的水，还能够根据预定参数向冷冻箱输送与真实研究环境相同的空气以及激发溃决前产生的涌浪，同时还能够模拟自然环境中存在的或者撞击试验所需的滚石或泥石流，使得设备集成度高，便于操作，同时节约设备成本；多个复合管嘴的设置，不同复合管嘴能够独立工作，使得能够同时对多个操作空间进行模拟试验，也能够互为彼此的备用管嘴，使得在管嘴阻塞或功能障碍时及时工作，保证试验顺利，这样大大提升了系统的鲁棒性；复合管嘴的设置，还使得不仅能够精确地监测和评估在冰碛坝被破坏之前的稳定性，还能够模拟出冰碛坝被破坏之后冰碛坝溃决所产生的破坏性，使得在生态治理时能够提前对坝体进行修复，还能够提前对于可能产生的破坏性较大的位置采取预防性措施；控制组件能够控制制冷组件、单独地控制不同操作空间，并且单独地或组合地控制复合管嘴，使得系统进一步集成化和智能化，简化操作步骤，便于试验工作人员进行操作。

虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决的试验系统（100），其特征在于，包括：

支架（2）；

冷冻箱（1），设置在所述支架（2）上并且包括侧壁（11）和基底（14），所述侧壁（11）和所述基底（14）的内部至少部分地设置有换热管（39），其中所述冷冻箱（1）适于容纳待模拟的所述冰坝和所述冰碛坝的坝体材料并且经由与所述换热管（39）的热交换而处理所述坝体材料，以生成相应的模拟坝体，所述模拟坝体被用于进行蓄水溃决试验，其中所述冰碛坝包括间隙冰冰碛坝和埋藏冰冰碛坝中的至少一者；以及

制冷组件（3），经由介质通道（32）与所述换热管（39）流体地耦接并且包括控制组件（33），所述制冷组件（3）被配置为响应于所述控制组件（33）的控制操作，向所述换热管（39）输送预定工况的换热介质，所述预定工况与所生成的所述模拟坝体相关联；

其中所述冷冻箱（1）包括第一操作空间（16）、第二操作空间（17）以及第三操作空间（18），所述第一操作空间（16）、所述第二操作空间（17）以及所述第三操作空间（18）彼此隔离并且被配置为能够同时模拟所述冰坝、所述间隙冰冰碛坝以及所述埋藏冰冰碛坝；

所述试验系统（100）还包括第一复合管嘴（5）和第二复合管嘴（6）中的至少一个管嘴，所述第一复合管嘴（5）和所述第二复合管嘴（6）中的至少一个管嘴经由管路系统（8）耦接至所述冷冻箱（1），并且适于向所述冷冻箱（1）输送水、空气、涌浪、泥石流和滚石中的一者或多者。

2.根据权利要求1所述的试验系统（100），其特征在于，所述第一操作空间（16）、所述第二操作空间（17）以及所述第三操作空间（18）操作地热耦接至所述制冷组件（3），并且适于能够经由所述控制组件（33）的控制操作而被单独地控制。

3.根据权利要求1所述的试验系统（100），其特征在于，所述第一复合管嘴（5）和所述第二复合管嘴（6）中的至少一个管嘴通信地耦接至所述控制组件（33），并且适于经由所述控制组件（33）进行控制。

4.根据权利要求1所述的试验系统（100），其特征在于，所述制冷组件（3）还包括压缩装置（37）、冷凝装置（31）以及显示装置（35），所述压缩装置（37）、所述冷凝装置（31）与所述换热管（39）串联连接，并且所述显示装置（35）耦接到所述冷冻箱（1）并且被配置为显示与所述冷冻箱（1）以及所述预定工况中的至少一者相关联的至少一个参数。

5.根据权利要求1所述的试验系统（100），其特征在于，所述冷冻箱（1）还包括密封侧门（12）、密封盖（13）以及侧门卡槽（19），所述密封盖（13）适于盖住所述冷冻箱（1），所述密封侧门（12）包括推拉把手（121）并且与所述侧门卡槽（19）滑动地耦接，所述推拉把手（121）适于在受力时推动所述密封侧门（12）在所述侧门卡槽（19）内移动，以使得所述冷冻箱（1）在所述密封侧门（12）所处的一侧封闭或至少部分地打开。

6.根据权利要求1所述的试验系统（100），其特征在于，所述试验系统（100）还包括：

摄像组件（7），耦接至所述支架（2）并且适于在试验过程中对所述模拟坝体侵蚀过程进行图像记录；

尾料箱（9），被配置为接收试验尾料；以及

称重装置（10），设置在所述尾料箱（9）下，以对所述试验尾料进行称重。

7.一种模拟冰坝及冰碛坝蓄水溃决的试验方法，采用根据权利要求5中所述的试验系统（100），其特征在于，所述试验方法包括：

步骤一：确定试验对象为冰坝、间隙冰冰碛坝以及埋藏冰冰碛坝，依据相似比确定模拟坝体的尺寸；

步骤二：在冷冻箱内堆积坝体材料，用所述冷冻箱的密封侧门和密封盖将所述冷冻箱密封，并且通过控制组件开始冷冻，等待所述坝体材料成型且整体结构稳定后撤下所述密封侧门和所述密封盖，得到模拟坝体；当同时模拟多个试验对象时，所述坝体材料分别设置在所述冷冻箱内不同的隔离空间内；

步骤三：通过第一复合管嘴和第二复合管嘴中的至少一个管嘴针对所述模拟坝体进行蓄水，并且通过第一复合管嘴和第二复合管嘴中的至少一个管嘴控制水流补给速度，并且利用浮球阀保持水位不变，并且通过第一复合管嘴和第二复合管嘴中的至少一个管嘴向冷冻箱输送与真实环境相同参数的空气；

步骤四：利用采集到针对试验对象的图像信息、冲击力信息、滚落速度信息和点云数据进行计算，进行滚石或泥石流撞击墙体的模拟研究；

步骤五：通过摄像组件对坝体溢流侵蚀过程和渗流侵蚀过程中的至少一个过程进行图像记录，并且通过流速仪检测溢流流速或渗流流速中的至少一个流速，并且设置水位计对水位变化数据进行采集，对比试验前三维激光扫描仪的模拟坝体点云数据，以得到所述模拟坝体试验前后的侵蚀量和坝面形变特征。

8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，所述试验方法还包括：

密封侧门将冷冻箱侧面封闭，将水通过所述第一复合管嘴和所述第二复合管嘴中的至少一个管嘴灌入所述冷冻箱，在水量满足试验需求后用密封盖将冷冻箱密封，基于预定参数开启所述冷冻箱，经过预定时间形成所述冰坝；

确定冰碛坝的级配，根据试验对象参数对含水量进行配比，将模拟坝体置于冷冻箱内并且设置预定参数，基于预定参数开启所述冷冻箱，经过预定时间形成所述间隙冰冰碛坝；

根据试验对象确定冰芯冰碛坝内埋藏冰的尺寸及位置，利用模具制作模拟冰芯，并且将模拟冰芯冰与坝体材料放入冷冻箱，基于预定参数开启所述冷冻箱，经过预定时间形成所述埋藏冰冰碛坝。

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