Using the variation of energy integral to analyze the property of debris flow

本文利用能量積分值方法，來分析土石流運動及特性。並將土石流流動的特徵頻率分為四部份，第一、二部份為土石流本身運動的特徵頻率，包含河水泥水流動及土石滑動摩擦的頻率：0~40Hz，以及土石相互撞擊的頻率：40~80Hz；第三、四部分是土石流通過產生的聲音頻率：120~160Hz及160~200Hz。 本文首先經由鐵球撞擊砂面的實驗，觀察能量積分值隨地聲探測器與撞擊點的距離改變的趨勢，並利用高速攝影機拍攝撞擊過程，與地聲探測器量測到的時域訊號及FFT轉換後的頻域訊號做比較。再利用相同的分析方法針對南投縣神木村愛玉子溪上的地聲探測器在七二水災土石流發生時所接收到的地聲訊號進行分析。首先分析單場土石流事件中，土石流特徵頻率範圍能量積分值的變化，確認利用能量積分值的變化的確可以反應土石流的流況及特性。接著再更進一步分析2004年7月2日整天的地聲資料，發現在已知的土石流事件中，能量積分值產生明顯的突然躍起現象，並由此推論未經紀錄的土石流事件，驗證了能量積分值方法是可行的物理方法。By using Fast Fourier Transform, we transformed the data from time domain to frequency domain and integrate a range of frequency domain in order to obtain the accumulative energy curve and to analyze the debris flow event. First of all, we consider four ranges of characteristic frequency of debris flow which ranges from 0-40Hz, 40-80Hz, 120-160Hz and 160-200Hz. Secondly, we do the experiment by using an iron ball to hit gravels and use a high speed CCD to catch images. Then we compare the images with time domain signals and frequency domain signals. Finally, we analyze the geophone data from debris flow event occurred in Aiyuzi River, Nantou County on July 2, 2004 by using energy integral method. We integrate the energy between the specific ranges for a one minute and every 0.001 minute record. Then calculate the time increment. In this way, we obtain the variation of the energy integral of the characteristic frequency of debris flow per minute and every 0.001 minute. We use the variation to compare with the time domain signals and the CCD image. It is found that the result can pinpoint the properties of debris flow. We prove that the energy integral method is a practicable method and it may be used for debris flow warning in the future.第一章 緒論……………………………………………………………1 1.1 前言……………………………………………………………1 1.2 文獻回顧…………………………………………………………2 1.2.1 國外研究……………………………………………………2 1.2.2 國內研究……………………………………………………3 1.3 研究目的及特色………………………………………………… 5 第二章 研究方法……………………………………………………6 2.1 快速傅利葉轉換………………………………………………6 2.2 能量積分………………………………………………………7 2.3 土石流特徵頻率範圍……………………………………………9 2.4 室內地聲撞擊實驗………………………………………10 2.5 環境雜訊………………………………………………………13 2.6 研究步驟………………………………………………………16 第三章 室內實驗及結果分析………………………………………17 3.1 實驗設備及佈置…………………………………………… 17 3.2 實驗分析…………………………………………………… 29 3.3 實驗結果與討論…………………………………………… 33 3.3.1 第一部份：地聲探測器率定實驗結果……………… 33 3.3.2 第二、三部份：鐵球撞擊實驗結果………………… 36 3.4 小結………………………………………………………… 63 第四章 七二水災現場地聲資料分析…………………………… 64 4.1 背景資料………………………………………………… 64 4.2 利用能量積分值分析單一土石流事件………………… 66 4.2.1 利用0~40Hz及40~80Hz能量積分值分析土石流事件66 4.2.2 利用0~80Hz能量積分圖推估土石流波峰 …………… 71 4.2.3 土石流速度推估 ……………………………………… 73 4.2.4 推估地聲探測器偵測距離 …………………………… 74 4.2.5 加入土石流通過產生聲音頻率進行分析……………… 75 4.2.6 原始訊號與能量積分值方法之比較…………………… 77 4.3 利用能量積分值分析多場土石流事件…………………… 79 4.3.1 利用能量積分值分析全天資料……………………… 79 4.3.2 利用能量積分差值分析全天資料…………………… 85 4.3.3 能量積分值與能量積分差值之比較…………………… 89 4.2.4 不同取樣時間間隔比較………………………………… 92 4.4 小結………………………………………………………… 93 第五章 結論與建議……………………………………………… 94 5.1 結論………………………………………………………… 94 5.2 建議………………………………………………………… 9