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測(cè)量泥石流: 追蹤極限力

發(fā)布時(shí)間:2023-08-09      點(diǎn)擊次數(shù):548

重新翻新 - 2012

經(jīng)過8年時(shí)間,系統(tǒng)一直工作正常,并且沒有進(jìn)行過任何維護(hù)。2012年 4月,秤體需要進(jìn)行翻新,因?yàn)榫奘臎_擊,已經(jīng)對(duì)鋼梁早成了損害。并且有斷裂的可能。

這次更新是非常廣泛的,不僅對(duì)秤臺(tái)和鋼梁進(jìn)行了替換,另外還希望重新更換了傳感器和彈性體,以確保精度和壽命。

在替換之前,我們一直懷疑傳感器存在著很大誤差,認(rèn)為有10噸左右。但結(jié)果顯示,誤差是恒定的,也就是我們可以繼續(xù)使用舊傳感器。

測(cè)量泥石流: 追蹤極限力

泥石流中,數(shù)以噸計(jì)的泥土,碎片和水被沖刷到山谷中。 為了更好的理解過程中產(chǎn)生的力,瑞士聯(lián)邦研究院WSL 采用 HBM 測(cè)量技術(shù)制作了一個(gè)特殊的秤。

"如果您見過山體滑坡,你不會(huì)很快忘記那雷鳴般的咆哮", 瑞士聯(lián)邦研究院 WSL Yolanda Deubelbeiss 博士說。

山體滑坡經(jīng)常發(fā)生在強(qiáng)降雨或冰雪融化過程中或者之后一段時(shí)間。松散的泥土浸水飽和后開始滑動(dòng)并沿途產(chǎn)生很多碎片。樹木和石塊也一起被沖刷并以每秒幾米的速度沖入山谷,經(jīng)常會(huì)造成災(zāi)難性的后果。如果泥石流對(duì)河床進(jìn)行沖刷,其將嚴(yán)重?fù)p害房屋,道路和橋梁。

地質(zhì)災(zāi)害地圖 表示發(fā)生這種災(zāi)害的危險(xiǎn)性和可能性。其實(shí)根據(jù)相關(guān)定義進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果。但更重要的是需要進(jìn)行實(shí)地考察,尤其在進(jìn)行新區(qū)域規(guī)劃時(shí)。例如建筑水壩或擴(kuò)大河床時(shí)。計(jì)算機(jī)只能進(jìn)行理論的模擬。

為了給人類提供更好的保護(hù),我們需要知道山體滑坡中到底發(fā)生了什么。我們需要建立更先進(jìn)的仿真模型,以便更真實(shí)地反映自然過程,以便進(jìn)行更方便容易的預(yù)測(cè)。

稱量山體滑坡

因此,瑞士聯(lián)邦研究院 (WSL) 2000年在阿爾卑斯山設(shè)立了 山體滑坡 觀測(cè)站。 "地點(diǎn)非常合適,因?yàn)樵谌鹗康陌柋八股矫磕甓紩?huì)有數(shù)次山體滑坡,因此我們能夠測(cè)量真實(shí)的自然過程,"  Deubelbeiss 博士說。 自2004年以來,視頻攝像機(jī),超聲波傳感器和雷達(dá)等各種設(shè)備都已經(jīng)安裝到位,添加到一臺(tái)泥石流秤上。 "這臺(tái)秤幫助我們更好地理解山體滑坡的物理過程,而不是僅僅從外部觀測(cè)。" 實(shí)際上,這是全球第一個(gè)也是最大的秤。

解耦力的測(cè)量

科學(xué)家們使用混凝土橋梁結(jié)構(gòu)作為秤體基礎(chǔ)。 其扁平的 U 型結(jié)構(gòu)架立在 Illbach 溪床的上方。8米見方,12毫米厚,重達(dá)300公斤的鋼板作為秤體臺(tái)面。其還包括了 HEB360 部分 (2800 公斤), 作為測(cè)量部分。

"測(cè)量如此 巨大的動(dòng)態(tài)力 實(shí)際上非常困難。山體滑坡是運(yùn)動(dòng)的,我們不可能讓其停下來進(jìn)行測(cè)量?!?WSL 測(cè)量專家 Bruno Fritschi 解釋道。為了表示泥石流的力,秤體記錄了垂直的法向力。這些力表示了從上到下施加的壓力,并且同時(shí)測(cè)量了水平剪切力。

因?yàn)樵诓牧舷蚯耙苿?dòng)時(shí),不斷的負(fù)載被產(chǎn)生。泥石流深度,速度和水流壓力也同時(shí)被測(cè)量。 "首先我們獲得了流經(jīng)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的泥石流的真實(shí)概括。同時(shí),數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系對(duì)于測(cè)量技術(shù)來說是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。因?yàn)檫@些值必須進(jìn)行解耦。這也是我們?yōu)楹问褂?HBM 傳感器的原因,因?yàn)?HBM 不僅非常精確,并且能夠讓我們測(cè)量垂直力,而不會(huì)受到水平剪切力的影響。

泥石流產(chǎn)生的力通過彈性體傳遞到 稱重傳感器 (C2, 50 噸) 上。 ZEL 彈性支撐有多層鋼板和橡膠層組成,并位于傳感器的上方,這種結(jié)構(gòu)可以消除水平方向的剪切力。 另外一個(gè)方向也安裝了 U2A 稱重傳感器 ,同樣可以消除其他方向的分力。

承受巨大沖擊

泥石流的沖擊高達(dá)數(shù)噸, "因此測(cè)量技術(shù)不僅需要獲得高精度的測(cè)量結(jié)果, 其還需要承擔(dān)更多," Fritschi 解釋道. "泥石流中大型的石頭在高速運(yùn)動(dòng)中,會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊,傳感器必須承受巨大的負(fù)載。我們必須對(duì)其進(jìn)行保護(hù),防止對(duì)傳感器造成損害?!?/p>

根據(jù)測(cè)量結(jié)果,泥石流會(huì)以高達(dá) 40噸沖擊力行進(jìn),速度高達(dá)每秒6米。HBM 的傳感器系統(tǒng)的彈性支撐必須能夠吸收這些力。并且傳感器需要能在惡劣環(huán)境下工作。秤體的四周充滿了泥漿和水,并且冬天異常的寒冷。