本實(shí)用新型屬于研究無粘性散粒堆積體在水流作用下運(yùn)移規(guī)律的技術(shù)領(lǐng)域,具體地說,是一種研究降雨作用下尾礦壩漫壩潰口形成和擴(kuò)展的基礎(chǔ)性試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

目前，在尾礦壩漫頂潰決時(shí),潰口的形成機(jī)理和擴(kuò)展規(guī)律方面的研究鮮有發(fā)表，僅有的些許論著中，大都借助流體力學(xué)，從理論方面突破，所得到的結(jié)論往往是存在較大誤差的解析解，缺少定性的規(guī)律作為映證。除此之外的一些研究，大都基于土工試驗(yàn)，研究尾礦壩體在水流侵蝕下的穩(wěn)定性和潰壩機(jī)理，所借助的理論往往以不飽和土力學(xué)為主。并未能對(duì)潰壩時(shí)潰口是如何形成的，和潰口是如何擴(kuò)展的等問題做出正面的準(zhǔn)確解釋。能否清晰潰口的形成和擴(kuò)展規(guī)律不僅對(duì)于尾礦壩的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，而且對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)同樣意義重大。

鑒于尾礦砂在流體中的諸多特性與泥沙極為相似，所以將河流泥沙起動(dòng)方面的理論引入尾礦壩漫頂時(shí)尾礦砂起動(dòng)的研究具有一定優(yōu)勢(shì)。其中所要用到的兩個(gè)重要的概念推移質(zhì)和懸移質(zhì)最早來源于泥沙學(xué)與河流動(dòng)力學(xué)中。兩者本質(zhì)上的不同導(dǎo)致了其運(yùn)動(dòng)機(jī)理、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、輸沙率、挾砂能力和淤積部位的不同，進(jìn)而使得尾礦壩漫頂潰壩時(shí)潰口的形成、擴(kuò)展以及潰壩后下游沖擊灘長差別較大。無論是輸沙率、挾砂能力還是淤積部位，都將是壩體潰決時(shí)潰口的形成和擴(kuò)展規(guī)律的重要影響因子?？死兹╓.Kresser）曾對(duì)歐洲四條河流的資料進(jìn)行過歸納整理，并提出了推移質(zhì)和懸移質(zhì)臨界粒徑的經(jīng)驗(yàn)公式，它反映出的是河流平均流速和顆粒粒徑之間的函數(shù)關(guān)系。但是，該公式是一個(gè)地區(qū)性的經(jīng)驗(yàn)公式，具有極大的局限性，并不能應(yīng)用于其他河流。

通過類比，如果可以類比泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)，找到尾礦砂推移質(zhì)和懸移質(zhì)的臨界粒徑，就可以獲得潰壩時(shí)過水?dāng)嗝嫠髌骄魉俸臀驳V砂粒徑的關(guān)系，這樣不僅可以應(yīng)證尾礦壩潰壩機(jī)理，而且可以為后面研究潰口的形成和擴(kuò)展提供基礎(chǔ)性的研究理論。所以從試驗(yàn)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一臺(tái)能夠清晰觀測到尾礦砂推移質(zhì)和懸移質(zhì)之間交換狀態(tài)的設(shè)備將會(huì)有極大的必要性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠清晰顯示不同特性的尾礦砂在水流作用下的運(yùn)移規(guī)律和揭示尾礦壩漫壩時(shí)潰口的形狀和擴(kuò)展規(guī)律的試驗(yàn)裝置，能夠?qū)Σ煌闹胃擅芏?、不同的上下游坡比、不同的尾砂顆粒級(jí)配以及不同單寬流量的類似均勻流進(jìn)行模擬；試驗(yàn)時(shí)，通過控制其中的一項(xiàng)指標(biāo)(比如尾礦砂顆粒級(jí)配)，改變其他指標(biāo)，并通過體積法測量單寬流量，求解過水?dāng)嗝嫫骄魉?，觀察尾礦砂在水流中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)而總結(jié)規(guī)律，獲得劃分尾礦砂推移質(zhì)和懸移質(zhì)的臨界粒徑。

本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：一種劃分尾礦砂推移質(zhì)和懸移質(zhì)臨界粒徑的自循環(huán)節(jié)能裝置，包括模擬尾砂起動(dòng)系統(tǒng)I，水頭控制系統(tǒng)II，水循環(huán)系統(tǒng)III，流量量測裝置IV；所述模擬尾砂起動(dòng)系統(tǒng)I通過升降支架4和基座5放置于水循環(huán)系統(tǒng)III之上；所述水頭控制系統(tǒng)II通過模型箱給水管8與模擬尾砂起動(dòng)系統(tǒng)I相連，并通過水頭水箱給水管16和溢流槽回水管15與水循環(huán)系統(tǒng)III相連；所述流量量測裝置IV分別通過排水管6和循環(huán)回水管19與模擬尾砂起動(dòng)系統(tǒng)I、水循環(huán)系統(tǒng)III相連。

進(jìn)一步地，所述模擬尾砂起動(dòng)系統(tǒng)I包括模型箱1、尾砂堆積體2、消能球3、升降支架4、基座5、排水管6、排水制動(dòng)閥7、模型箱給水管8；

所述模型箱1內(nèi)置有尾砂堆積體2和消能球3；所述消能球3放置在模型箱給水管8和尾砂堆積體2之間；所述尾礦砂堆積體2根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測尾礦砂顆粒級(jí)配和尾礦堆干密度綜合確定；

所述升降支架4由兩個(gè)可調(diào)節(jié)高度的鋼支撐組成，并放置在基座5和模型箱1之間，其高度的調(diào)節(jié)需要通過銷桿4b插入不同的銷孔4a來實(shí)現(xiàn)；

所述排水管6上面有排水制動(dòng)閥7，試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)將模型箱1內(nèi)的水排入流量量測裝置IV。

進(jìn)一步地，所述水頭控制系統(tǒng)II包括水頭水箱10、溢流板11、溢流槽13、定滑輪12、手動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)14、水頭水箱給水管16和溢流槽回水管15；

所述水頭水箱10和溢流槽13由一個(gè)完整的水箱制作，中間放置溢流板11，所述溢流板11的頂標(biāo)高低于水頭水箱10的頂標(biāo)高。

所述水頭水箱10和溢流槽13通過手動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)14和定滑輪12相連，用于靈活控制水頭；

所述水頭水箱給水管16和溢流槽回水管15分別連接在水頭水箱10和溢流槽13下部，所述溢流槽回水管15將溢流槽中的水流直接導(dǎo)入循環(huán)水箱17。

進(jìn)一步地，所述水頭水箱給水管16和溢流槽回水管15均由橡膠軟管制作而成。

進(jìn)一步地，所述水循環(huán)系統(tǒng)III包括循環(huán)水箱17、小型潛水泵18和循環(huán)回水管19；

所述循環(huán)水箱17內(nèi)置小型潛水泵18，并外接循環(huán)回水管19；所述小型潛水泵18與水頭水箱給水管16相連，為水頭水箱10給水。

進(jìn)一步地，所述流量量測裝置IV包括流量量測筒22和回水制動(dòng)閥20；所述流量量測筒22上面刻有刻度21；

所述流量量測筒22通過排水管6和排水制動(dòng)閥7接收模型箱1的排水，并通過循環(huán)回水管19與循環(huán)水箱17相連，組成水循環(huán)回路。

本實(shí)用新型的有益效果有以下幾點(diǎn)：

節(jié)能性——得益于水自循環(huán)系統(tǒng)的幫助，本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)僅需加一次水就可以連續(xù)重復(fù)地進(jìn)行多次試驗(yàn)。

靈活性——本實(shí)用新型既可以通過手動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)14控制水頭高度獲得不同流速的水流，也可以通過升降支架，改變上下游水流的勢(shì)能，從而獲得不同流速的水流。

直觀性——本實(shí)用新型的四大部分均采用透明的有機(jī)玻璃制作，在進(jìn)行尾砂起動(dòng)方面的研究試驗(yàn)時(shí)能夠清晰的觀察到尾礦砂顆粒的起動(dòng)情況。同時(shí)，在尾礦堆積體的下游坡面上能夠清晰的觀察水流中推移質(zhì)和懸移質(zhì)的狀態(tài)。

可控性——本實(shí)用新型中的尾礦堆積體由人工篩分尾礦砂顆粒，首先粒徑可控；其次可參考實(shí)際筑壩干密度，通過相似條件控制模型試驗(yàn)中的堆積體干密度；再者漫壩水流流速可控。

經(jīng)濟(jì)性——本實(shí)用新型所采用的材料大部分為有機(jī)玻璃、PVC水管和閥門等，購置較為方便，且價(jià)格相對(duì)低廉。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型模擬尾砂起動(dòng)系統(tǒng)I的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實(shí)用新型水頭控制系統(tǒng)II的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實(shí)用新型水循環(huán)系統(tǒng)III的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實(shí)用新型流量量測裝置IV的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本實(shí)用新型升降支架4的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中各標(biāo)號(hào)：I-模擬尾砂起動(dòng)系統(tǒng)；II-水頭控制系統(tǒng)；III-水循環(huán)系統(tǒng)；IV-流量量測裝置； 1-模型箱；2-尾砂堆積體；3-消能球；4-升降支架；4a-銷孔；4b-銷桿；5-基座；6-排水管；7-排水制動(dòng)閥；8-模型箱給水管；9-模型箱給水制動(dòng)閥；10-水頭水箱；11-溢流板；12-定滑輪；13-溢流槽；14-手動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)；15-溢流槽回水管；16-水頭水箱給水管；17-循環(huán)水箱；18-小型潛水泵；19-回水管；20-回水制動(dòng)閥；21-刻度；22-流量量測筒。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本實(shí)用新型根據(jù)附圖1-6給出兩個(gè)實(shí)施例分別為：

實(shí)施例1：

一種劃分尾礦砂推移質(zhì)和懸移質(zhì)臨界粒徑的自循環(huán)節(jié)能裝置，包括模擬尾砂起動(dòng)系統(tǒng)I，水頭控制系統(tǒng)II，水循環(huán)系統(tǒng)III，流量量測裝置IV；所述模擬尾砂起動(dòng)系統(tǒng)I通過升降支架4和基座5放置于水循環(huán)系統(tǒng)III之上，以減少設(shè)備所占空間；所述水頭控制系統(tǒng)II通過模型箱給水管8與模擬尾砂起動(dòng)系統(tǒng)I相連，并通過水頭水箱給水管16和溢流槽回水管15與水循環(huán)系統(tǒng)III相連，同時(shí)可以沿垂直方向上下移動(dòng)，移動(dòng)區(qū)間為模型箱的水平位置到其垂直方向2m處；所述流量量測裝置IV分別通過排水管6和循環(huán)回水管19與模擬尾砂起動(dòng)系統(tǒng)I、水循環(huán)系統(tǒng)III相連。

所述模擬尾砂起動(dòng)系統(tǒng)I包括模型箱1、尾砂堆積體2、消能球3、升降支架4、基座5、排水管6、排水制動(dòng)閥7、模型箱給水管8。所述模型箱1是一個(gè)由有機(jī)玻璃制作而成的透明的頂部敞口裝置，其內(nèi)置有尾砂堆積體2和消能球3，所述尾砂堆積體2是由真實(shí)的尾礦砂堆積而成，其中，內(nèi)外坡比由相似條件率定，尾砂顆粒粒徑參照實(shí)際尾礦壩取樣后，經(jīng)過土工試驗(yàn)確定尾礦砂顆粒的中值粒徑平均值d₅₀=0.14mm。

所述消能球3放置在模型箱給水管8和尾砂堆積體2之間；所述尾礦砂堆積體2根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測尾礦砂顆粒級(jí)配和尾礦堆干密度綜合確定。所述所述升降支架4由兩個(gè)直徑不同，且管身鉆有銷孔的鋼套管制作而成，其高度的調(diào)節(jié)需要通過銷桿4b插入不同的銷孔4a來實(shí)現(xiàn)，升降支架4上面托起模型箱，并架立在基座上，試驗(yàn)時(shí)可以通過改變兩個(gè)鋼支撐的高度實(shí)現(xiàn)水流流速的變化。所述排水管6上面有排水制動(dòng)閥7，試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)將模型箱1內(nèi)的水，入流量量測裝置IV。所述模型箱給水管8是一根橡膠軟管，其上面安裝有模型箱給水制動(dòng)閥9；所述消能球3實(shí)際是一些玻璃球，位于模型箱給水管8和尾砂堆積體2之間，用來緩沖模型箱給水管8中流出的不均勻流。所述基座5是一塊機(jī)玻璃平面板，放置在循環(huán)水箱之上。

所述水頭控制系統(tǒng)II包括水頭水箱10、溢流板11、溢流槽13、定滑輪12、手動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)14、水頭水箱給水管16和溢流槽回水管15，所述水頭水箱10和溢流槽13由一個(gè)完整的、由有機(jī)玻璃制作而成的頂部敞口容器制作，中間放置溢流板11，所述溢流板11的頂標(biāo)高低于水頭水箱10的頂標(biāo)高，所述溢流板與水頭水箱之間通過硅酮密封膠粘結(jié)，保證其不透水。所述水頭水箱10和溢流槽13通過手動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)14和定滑輪12相連，試驗(yàn)時(shí)可靈活控制水頭，所述水頭水箱10通過定滑輪12和手動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)14實(shí)現(xiàn)從模型箱水平標(biāo)高到其豎直方向2m標(biāo)高之間往返移動(dòng)。試驗(yàn)開始時(shí)，水頭水箱10與模型箱位于同一水平，而后根據(jù)試驗(yàn)需要逐漸升高。所述水頭水箱給水管16和溢流槽回水管15均由橡膠軟管制作而成。

所述水循環(huán)系統(tǒng)III包括循環(huán)水箱17、小型潛水泵18和循環(huán)回水管19；所述循環(huán)水箱17是由有機(jī)玻璃制成的透明敞口容器，所述循環(huán)水箱17內(nèi)置小型潛水泵18，并外接循環(huán)回水管19；所述小型潛水泵18與水頭水箱給水管16相連，為水頭水箱10給水。

所述流量量測裝置IV包括流量量測筒22和回水制動(dòng)閥20；所述流量量測筒22是一個(gè)容積比一般量筒和燒杯大的玻璃筒，所述流量量測筒22上面刻有刻度21；所述流量量測筒22通過排水管6和排水制動(dòng)閥7接收模型箱1的排水，并通過循環(huán)回水管19與循環(huán)水箱17相連，組成水循環(huán)回路。試驗(yàn)時(shí)流量量測筒22敞口承接排水管6排出的模型箱里面的水，通過循環(huán)回水管19實(shí)現(xiàn)水循環(huán)，配合回水制動(dòng)閥20實(shí)現(xiàn)流量的測量。

在具體實(shí)驗(yàn)中，通過控制尾砂堆積體2的屬性進(jìn)行試驗(yàn)。具體實(shí)施步驟如下：

1)通過手動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)14將水頭水箱10降落到和模型箱1相同水平高度上，將循環(huán)水箱17內(nèi)注入2/3的水，并將所有制動(dòng)閥7、9、20開啟，打開小型潛水泵18試運(yùn)行，檢查各系統(tǒng)有故障。

2)待系統(tǒng)運(yùn)行流暢之后關(guān)閉小型潛水泵18，并關(guān)閉所有制動(dòng)閥7、9、20，將模型箱內(nèi)1和流量量測裝置IV的水抽出。

3)將尾砂顆粒粒徑分為四組，分別為0.074-0.106（mm），0.106-0.125（mm），0.125-0.25（mm），0.25-2（mm），并用篩子篩分尾砂，而后在模型箱內(nèi)1堆筑尾砂堆積體2，控制其壓實(shí)干密度在1.63g/cm³左右。

4)開啟小型潛水泵18以及除回水制動(dòng)閥以外的其他閥門7、9，待水流漫過尾砂堆積體2之時(shí)開始計(jì)時(shí)，觀察尾礦砂顆粒在水中的起動(dòng)情況及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

5)若無尾砂起動(dòng)，則通過水頭控制系統(tǒng)II，或者升降支架4改變水流流速，直到尾砂開始起動(dòng)。當(dāng)尾砂起動(dòng)并轉(zhuǎn)換為懸移質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，停止記錄時(shí)間，通過流量量測裝置IV，配合體積法計(jì)算流量，換算成過水?dāng)嗝嫫骄魉佟?/p>

6)改變尾砂顆粒粒徑，并堆筑尾砂堆積體2重復(fù)以上四個(gè)步驟，得到不同過水?dāng)嗝媪魉傧峦埔瀑|(zhì)和懸移質(zhì)的臨界粒徑。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例與實(shí)施例1采用相同的裝置。實(shí)施例1中控制了壓實(shí)干密度在1.63g/cm³左右，鑒于實(shí)際尾礦壩的筑壩干密度各不相同，本實(shí)施例將控制實(shí)驗(yàn)室測得的尾礦砂顆粒的中值粒徑平均值d₅₀=0.14mm不變，改變尾礦壩實(shí)測筑壩干密度值，將不同的實(shí)測干密度值分別進(jìn)行劃分推移質(zhì)和懸移質(zhì)臨界粒徑的試驗(yàn)。具體的試驗(yàn)步驟描述如下：

1)通過手動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)14將水頭水箱10降落到和模型箱1相同水平高度上，將循環(huán)水箱17內(nèi)注入2/3的水，并將所有制動(dòng)閥7、9、20開啟，打開小型潛水泵18試運(yùn)行，檢查各系統(tǒng)有故障。

2)待系統(tǒng)運(yùn)行流暢之后關(guān)閉小型潛水泵18，并關(guān)閉所有制動(dòng)閥7、9、20，將模型箱內(nèi)1和流量量測裝置IV的水抽出。

3)將篩分好的粒徑為0.14mm的尾礦砂在模型箱1內(nèi)堆筑尾砂堆積體2，將尾礦壩實(shí)測干密度為1.16 g/cm³，1.46 g/cm³，（1.63 g/cm³）2.74 g/cm³作為尾砂堆積體2的壓實(shí)干密度依次進(jìn)行試驗(yàn)。

4)開啟小型潛水泵18以及除回水制動(dòng)閥以外的其他閥門7、9，待水流漫過尾砂堆積體2之時(shí)開始計(jì)時(shí)，觀察尾礦砂顆粒在水中的起動(dòng)情況及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

5)尾砂起動(dòng)并轉(zhuǎn)換為懸移質(zhì)狀態(tài)時(shí)停止記錄時(shí)間，通過流量量測裝置IV，配合體積法計(jì)算流量，換算成過水?dāng)嗝嫫骄魉佟?/p>

6)改變壓實(shí)干密度值，并堆筑尾砂堆積體2，重復(fù)以上四個(gè)步驟，得到不同過水?dāng)嗝媪魉傧峦埔瀑|(zhì)和懸移質(zhì)的臨界粒徑。

通過實(shí)施例1和實(shí)施例2的試驗(yàn)結(jié)果，擬合尾礦砂顆粒粒徑和斷面平均流速的函數(shù)關(guān)系。若想獲得實(shí)際尾礦壩漫頂潰壩時(shí)過水?dāng)嗝娴钠骄魉俚拇笮?，只需要獲得尾礦壩實(shí)際筑壩干密度和尾礦砂的中值范圍內(nèi)的粒徑值即可通過本試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)。

以上通過優(yōu)選的兩個(gè)實(shí)施例，并結(jié)合附圖將本試驗(yàn)裝置的原理和操作進(jìn)行了描述，但是本實(shí)用新型并非局限于上述兩個(gè)實(shí)施例的具體實(shí)施方式。任何該領(lǐng)域熟知此技術(shù)的人士在本實(shí)用新型的基礎(chǔ)上，在不違背權(quán)利要求及實(shí)用新型原理的前提下，均可以做出有益的改進(jìn)，但是任何在未脫離本實(shí)用新型所揭示的精神和技術(shù)的前提下所完成的改變或修飾，仍應(yīng)納入本實(shí)用新型所涵蓋的保護(hù)范圍之內(nèi)。