一種降雨作用下尾礦壩漫壩模擬實驗裝置及實驗方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種降雨作用下尾礦壩漫壩模擬實驗裝置及實驗方法，屬于降雨作用下尾礦壩漫壩的理論與實驗技術領域。從理論和試驗技術兩個方面相結合，共同揭示尾礦壩漫壩機理。實驗裝置包括水循環(huán)及靜水荷載施加系統(tǒng)，模擬降雨系統(tǒng)，水平度控制系統(tǒng)，模擬庫區(qū)系統(tǒng)；模擬庫區(qū)系統(tǒng)在模擬真實現(xiàn)場條件降雨時需將壩體屬性替換體換成真實材料。本發(fā)明將基于過水斷面形狀的微分靜水壓力理論與模擬真實降雨條件的相似實驗相結合，并且有節(jié)水環(huán)保、成本低廉、動靜荷載施加方便靈活、壩體屬性靈活替換、可控性高等優(yōu)點。
【專利說明】
一種降雨作用下尾礦壩漫壩模擬實驗裝置及實驗方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于降雨作用下尾礦壩漫壩的理論與實驗技術領域，公開了一種降雨作用下尾礦壩漫壩模擬實驗裝置及實驗方法。
【背景技術】
[0002]大量的尾礦現(xiàn)潰現(xiàn)機制表明:尾礦庫作為一種具有尚勢能的人造泥石流危險源，無論是閉庫、廢庫還是在運行期，都存在著不同程度的安全隱患。宏觀的把握眾多尾礦壩潰壩原因，無論是滲透、沖刷、漫頂還是液化等原因都和水因素有關。洪水漫頂雖然稱不上是最頻繁、最主要的破壞形式，但是洪水漫頂導致的尾礦壩潰壩事故所造成的負面影響卻是空前的。有直接數(shù)據(jù)，1985年8月25日，湖南柿竹園有色礦牛角壟尾礦庫漫頂潰壩事故，礦區(qū)直接經濟損失1300萬元。由此可見，降雨作用下尾礦壩穩(wěn)定問題的研究對于保障礦山安全和減少國民經濟損失具有重大意義。
[0003]目前，國內外研究方向主要集中在尾礦庫工程對周圍環(huán)境的影響及其自身穩(wěn)定性問題、尾礦壩潰決的因素以及尾礦壩地質災害與危險性評估等方面，針對尾礦壩漫頂潰壩機理的研究相對較少，且大部分文獻將理論和實驗分開研究，少數(shù)能夠做到兩種方法一起研究，也未能將其機理闡述清楚。分析大量國內外關于尾礦壩漫頂方面資料可以看出，在理論分析方面與設計實驗方面大都依據(jù)巖土力學理論知識，對流體力學(特別是多孔介質中流體動力學)和泥沙運動力學的重視度不夠。因此，設計一臺能夠基于流體力學、泥沙運動力學及巖土力學理論之上的實驗器材，對于揭示降雨作用下尾礦壩漫頂機理具有關鍵性的幫助作用。
[0004]同時，針對降雨作用下尾礦壩漫頂潰壩時間模型的研究鮮有發(fā)表。現(xiàn)有的研究或者在二維坐標，或者在三維空間，大都脫離了時間維度。在四維時空下研究降雨作用下尾礦壩的穩(wěn)定性將會更加精確的詮釋其潰壩機理，同樣對于防災減災意義深遠。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種在四維時空下從不同角度全面揭示降雨作用下尾礦壩漫壩機理實驗裝置，能夠對最基本的不同壩高、上下游坡比、降雨強度、尾礦壩材料相似性進行模擬;實現(xiàn)對流體力學、泥沙運動力學和巖土力學的結合，揭示降雨作用下尾礦壩漫頂潰壩的機制;獲得降雨作用下尾礦壩漫頂潰壩模型及潰壩時間模型，分別從理論和模擬實際現(xiàn)場降雨兩個方面共同揭示尾礦壩漫壩機理。
[0006]本發(fā)明技術方案:一種降雨作用下尾礦壩漫壩模擬實驗裝置，包括水循環(huán)及靜水荷載施加系統(tǒng)A、模擬降雨系統(tǒng)B、水平度控制系統(tǒng)C、模擬庫區(qū)系統(tǒng)D，所述水循環(huán)及靜水荷載施加系統(tǒng)A分別與模擬降雨系統(tǒng)B、模擬庫區(qū)系統(tǒng)D相連;模擬庫區(qū)系統(tǒng)D放置在水平度控制系統(tǒng)C上；
所述水循環(huán)及靜水荷載施加系統(tǒng)A包括循環(huán)水箱1、潛水栗2、溢水管3、水頭水箱4、溢水槽5、水頭水箱給水制動閥6，所述循環(huán)水箱I與水頭水箱4連接，循環(huán)水箱I與水頭水箱4之間設有水頭水箱給水制動閥6，循環(huán)水箱I內設有有潛水栗2，水頭水箱4外側設有溢水槽5，溢水槽5上設有溢水管3，溢水管3伸入循環(huán)水箱I內；
所述模擬降雨系統(tǒng)B包括降雨噴頭13，所述循環(huán)水箱I與降雨噴頭13之間通過橡膠管連接，橡膠管上面設置有降雨制動閥12;
所述水平度控制系統(tǒng)C包括水平度控制基座14，水平度控制基座14上設有橫向卡尺15和縱向卡尺16，水平度控制基座14的四角上設有腳螺旋17;
所述模擬庫區(qū)系統(tǒng)D包括一透明箱體，透明箱體內中部設有壩體模型22，壩體模型22上設有濾網20，透明箱體靠近給水管8—端內設有堿水19，堿水19中設有消能球18，透明箱體另一端設有回水過濾槽23，回水過濾槽23與回水管11相連并連接到循環(huán)水箱I上。
[0007]所述水循環(huán)及靜水荷載施加系統(tǒng)A和模擬庫區(qū)系統(tǒng)D之間通過給水管8連接，給水管8—端連接水頭水箱4，另一端連接模擬庫區(qū)系統(tǒng)D的透明箱體，給水管8上設置有水荷載總制動閥7、流量表9和微控閥1。
[0008]所述降雨噴頭13設置在模擬庫區(qū)系統(tǒng)之上，并覆蓋其2/3的庫面積。
[0009]所述濾網20浸有酚酞，依據(jù)過水斷面流速在壩頂設置不同數(shù)量的濾網20。
[0010]所述消能球18集中布置在給水管8附近。
[0011]所述壩體模型22包括壩頂、可伸縮上游坡24、和可伸縮下游坡27;所述可伸縮上游坡24和可伸縮下游坡27分別通過第一轉軸25和第二轉軸26固定在壩頂上。
[0012]所述壩頂、可伸縮上游坡24和可伸縮下游坡27均為有機玻璃。
[0013]降雨作用下尾礦壩漫壩模擬實驗裝置的實驗方法，包括過水斷面形狀實驗和降雨條件模擬實驗，其中過水斷面形狀實驗步驟如下:
1)打開給水制動閥6，關閉降雨制動閥12，調節(jié)腳螺旋17使得橫向卡尺15和縱向卡尺16的氣泡居中；
2)將壩體模型22放置在模擬庫區(qū)系統(tǒng)的透明箱體中，調節(jié)可伸縮上游坡24和可伸縮下游坡27的長度，通過第一轉軸25和第二轉軸26調節(jié)可伸縮上游坡24和可伸縮下游坡27的坡度；
3)根據(jù)過水斷面流速在壩頂布置濾網20;
4)測量每個浸有酚酞的濾網20的過水斷面長度和中間高度，并根據(jù)其間隔距離，繪制沿著壩肩方向的過水斷面的總體形狀；
降雨條件模擬實驗步驟如下:
1)關閉給水制動閥6，打開降雨制動閥12;
2)將用實際尾礦材料制成的尾礦壩放置在模擬庫區(qū)系統(tǒng)的透明箱體中，將孔隙水壓力傳感器22插入尾礦壩中；
3)記錄孔隙水壓力傳感器22的數(shù)據(jù)，用數(shù)碼相機記錄潰口形成初期的形狀，以及擴展情況。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
1、本發(fā)明將基于過水斷面形狀的微分靜水壓力理論與模擬實際降雨條件的相似實驗相結合，可以任意變換壩高、上下游坡比等參數(shù)。
[0015]2、本發(fā)明的模擬庫區(qū)系統(tǒng)均采用透明的有機玻璃制作，在進行模擬實際降雨實驗的核心部分中，能夠很清晰的觀察到尾礦壩模型從漫頂開始到潰壩的整個過程，并能在關鍵的時間節(jié)點做記錄。
[0016]3、本發(fā)明可實現(xiàn)水自動循環(huán)，結構簡單，經濟實惠。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明各組成部分的結構示意圖；
圖2是本發(fā)明水循環(huán)及靜水荷載施加系統(tǒng)示意圖；
圖3是本發(fā)明模擬降雨系統(tǒng)示意圖；
圖4是本發(fā)明水平度控制系統(tǒng)示意圖；
圖5是本發(fā)明模擬庫區(qū)系統(tǒng)示意圖；
圖6是本發(fā)明壩體模型示意圖；
圖中各標號:1-循環(huán)水箱;2-潛水栗;3-溢水管;4-水頭水箱;5-溢水槽;6-水頭水箱給水制動閥；7-水荷載總制動閥；8-給水管;9-流量表；I O-微控閥；11-回水管；12-降雨制動閥；13-降雨噴頭；14-水平度控制基座；15-橫向卡尺;16-縱向卡尺;17-腳螺旋；18-消能球；19-堿水;20-濾網；21-孔隙水壓力傳感器;22-壩體模型；23-回水過濾槽;24-可伸縮上游坡;25-第一轉軸;26-第二轉軸;27-可伸縮下游坡。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0019]實施例1:基于過水斷面形狀的微分靜水壓力理論方面的實驗裝置，如圖1-6所示:包括水循環(huán)及靜水荷載施加系統(tǒng)A、模擬降雨系統(tǒng)B、水平度控制系統(tǒng)C、模擬庫區(qū)系統(tǒng)D，所述水循環(huán)及靜水荷載施加系統(tǒng)A分別與模擬降雨系統(tǒng)B、模擬庫區(qū)系統(tǒng)D相連;模擬庫區(qū)系統(tǒng)放D置在水平度控制系統(tǒng)C上；
所述水循環(huán)及靜水荷載施加系統(tǒng)A包括循環(huán)水箱1、潛水栗2、溢水管3、水頭水箱4、溢水槽5、水頭水箱給水制動閥6，所述循環(huán)水箱I與水頭水箱4連接，循環(huán)水箱I與水頭水箱4之間設有水頭水箱給水制動閥6，循環(huán)水箱I內設有有潛水栗2，水頭水箱4外側設有溢水槽5，溢水槽5上設有溢水管3，溢水管3伸入循環(huán)水箱I內；
所述模擬降雨系統(tǒng)B包括降雨噴頭13，所述循環(huán)水箱I與降雨噴頭13之間通過橡膠管連接，橡膠管上面設置有降雨制動閥12;
所述水平度控制系統(tǒng)C包括水平度控制基座14，水平度控制基座14上設有橫向卡尺15和縱向卡尺16，水平度控制基座14的四角上設有腳螺旋17;
所述模擬庫區(qū)系統(tǒng)D包括一透明箱體，透明箱體內中部設有壩體模型22，壩體模型22上設有濾網20，透明箱體靠近給水管8—端內設有堿水19，堿水19中設有消能球18，透明箱體另一端設有回水過濾槽23，回水過濾槽23與回水管11相連并連接到循環(huán)水箱I上。
[0020]所述水循環(huán)及靜水荷載施加系統(tǒng)A和模擬庫區(qū)系統(tǒng)D之間通過給水管8連接，給水管8—端連接水頭水箱4，另一端連接模擬庫區(qū)系統(tǒng)D的透明箱體，給水管8上設置有水荷載總制動閥7、流量表9和微控閥1。
[0021]所述降雨噴頭13設置在模擬庫區(qū)系統(tǒng)之上，并覆蓋其2/3的庫面積。
[0022]所述濾網20浸有酚酞，依據(jù)過水斷面流速在壩頂設置不同數(shù)量的濾網20。
[0023]所述消能球18集中布置在給水管8附近。
[0024]所述壩體模型22包括壩頂、可伸縮上游坡24、和可伸縮下游坡27;所述可伸縮上游坡24和可伸縮下游坡27分別通過第一轉軸25和第二轉軸26固定在壩頂上。
[0025]所述壩頂、可伸縮上游坡24和可伸縮下游坡27均為有機玻璃。
[0026]實驗步驟如下:
1)打開給水制動閥6，關閉降雨制動閥12，調節(jié)腳螺旋17使得橫向卡尺15和縱向卡尺16的氣泡居中；
2)將壩體模型22通過硅酮密封膠固定在模擬庫區(qū)系統(tǒng)的透明箱體中，調節(jié)可伸縮上游坡24和可伸縮下游坡27的長度，通過第一轉軸25和第二轉軸26調節(jié)可伸縮上游坡24和可伸縮下游坡27的坡度，調到所需角度時，可將第一轉軸25和第二轉軸26鎖死固定；
3)根據(jù)過水斷面流速在壩頂布置濾網20;當水流即將漫頂時應放置2張，當形成穩(wěn)定的漫壩水流時應增加至6張。
[0027]4)測量每個浸有酚酞的濾網20的過水斷面長度和中間高度，并根據(jù)其間隔距離，繪制沿著壩肩方向的過水斷面的總體形狀；
實施例2:模擬實際降雨條件的相似實驗裝置如圖1-6所示:包括水循環(huán)及靜水荷載施加系統(tǒng)A、模擬庫區(qū)系統(tǒng)D，所述水循環(huán)及靜水荷載施加系統(tǒng)A與模擬庫區(qū)系統(tǒng)D相連；
所述水循環(huán)及靜水荷載施加系統(tǒng)A包括循環(huán)水箱1、潛水栗2、溢水管3、水頭水箱4、溢水槽5、水頭水箱給水制動閥6，所述循環(huán)水箱I與水頭水箱4連接，循環(huán)水箱I與水頭水箱4之間設有水頭水箱給水制動閥6，循環(huán)水箱I內設有有潛水栗2，水頭水箱4外側設有溢水槽5，溢水槽5上設有溢水管3，溢水管3伸入循環(huán)水箱I內；
所述模擬庫區(qū)系統(tǒng)D包括一透明箱體，透明箱體靠近給水管8—端內設有堿水19，堿水19中設有消能球18，透明箱體另一端設有回水過濾槽23，回水過濾槽23與回水管11相連并連接到循環(huán)水箱I上，用來防止真實材料的尾礦壩體在沖刷過程中尾礦砂將回水管11阻塞。
[0028]所述水循環(huán)及靜水荷載施加系統(tǒng)A和模擬庫區(qū)系統(tǒng)D之間通過給水管8連接，給水管8—端連接水頭水箱4，另一端連接模擬庫區(qū)系統(tǒng)D的透明箱體，給水管8上設置有水荷載總制動閥7、流量表9和微控閥1。
[0029]所述消能球18集中布置在給水管8附近。
[0030]實驗步驟如下:
1)關閉給水制動閥6，打開降雨制動閥12;
2)將用實際尾礦材料制成的尾礦壩放置在模擬庫區(qū)系統(tǒng)的透明箱體中，將孔隙水壓力傳感器21插入尾礦壩中；
3)記錄孔隙水壓力傳感器21的數(shù)據(jù)，用數(shù)碼相機記錄潰口形成初期的形狀，以及擴展情況。
[0031]通過控制雨降制動閥12來實現(xiàn)模擬庫區(qū)系統(tǒng)內的降雨，漫頂潰壩的過程分為三個宏觀過程即漫頂之前、漫頂沖刷初期和漫頂沖刷后期(潰壩);整個過程均需要不斷記錄孔隙水壓力傳感器21的數(shù)據(jù)，并從第二階段(漫頂沖刷初期)開始記錄時間直到潰口形成，并且記錄從第二階段到第三階段(漫頂沖刷后期)所用時間，用數(shù)碼相機記錄潰口形成初期的形狀，以及擴展情況。
[0032]通過變換不同的降雨強度、不同的筑壩干密度、不同的上下游坡比重復上述步驟，可以刻畫出整個壩體從漫頂?shù)綕蔚恼麄€過程，并能得到尾礦壩漫頂潰壩的時間模型。
[0033]上面結合附圖對本發(fā)明的具體實施例作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施例，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。
【主權項】
1.一種降雨作用下尾礦壩漫壩模擬實驗裝置，其特征在于:包括水循環(huán)及靜水荷載施加系統(tǒng)(A)、模擬降雨系統(tǒng)(B)、水平度控制系統(tǒng)(C)、模擬庫區(qū)系統(tǒng)(D)，所述水循環(huán)及靜水荷載施加系統(tǒng)(A)分別與模擬降雨系統(tǒng)(B)、模擬庫區(qū)系統(tǒng)(D)相連;模擬庫區(qū)系統(tǒng)(D)放置在水平度控制系統(tǒng)(C)上； 所述水循環(huán)及靜水荷載施加系統(tǒng)(A)包括循環(huán)水箱(1)、潛水栗(2)、溢水管(3)、水頭水箱(4)、溢水槽(5)、水頭水箱給水制動閥(6)，所述循環(huán)水箱(I)與水頭水箱(4)連接，循環(huán)水箱(I)與水頭水箱(4)之間設有水頭水箱給水制動閥(6)，循環(huán)水箱(I)內設有有潛水栗(2)，水頭水箱(4)外側設有溢水槽(5)，溢水槽(5)上設有溢水管(3)，溢水管(3)伸入循環(huán)水箱(I)內； 所述模擬降雨系統(tǒng)(B)包括降雨噴頭(13)，所述循環(huán)水箱(I)與降雨噴頭(13)之間通過橡膠管連接，橡膠管上面設置有降雨制動閥(12); 所述水平度控制系統(tǒng)(C)包括水平度控制基座(14)，水平度控制基座(14)上設有橫向卡尺(15)和縱向卡尺(16)，水平度控制基座(14)的四角上設有腳螺旋(17); 所述模擬庫區(qū)系統(tǒng)(D)包括一透明箱體，透明箱體內中部設有壩體模型(22)，壩體模型(22 )上設有濾網(20)，透明箱體靠近給水管(8)—端內設有堿水(19)，堿水(19 )中設有消能球(18)，透明箱體另一端設有回水過濾槽(23)，回水過濾槽(23)與回水管(11)相連并連接到循環(huán)水箱(I)上。2.根據(jù)權利要求1所述的降雨作用下尾礦壩漫壩模擬實驗裝置，其特征在于:所述水循環(huán)及靜水荷載施加系統(tǒng)(A)和模擬庫區(qū)系統(tǒng)(D)之間通過給水管(8)連接，給水管(8)—端連接水頭水箱(4)，另一端連接模擬庫區(qū)系統(tǒng)(D)的透明箱體，給水管(8)上設置有水荷載總制動閥(7 )、流量表(9 )和微控閥(1 )。3.根據(jù)權利要求1所述的降雨作用下尾礦壩漫壩模擬實驗裝置，其特征在于:所述降雨噴頭(13)設置在模擬庫區(qū)系統(tǒng)之上，并覆蓋其2/3的庫面積。4.根據(jù)權利要求1所述的降雨作用下尾礦壩漫壩模擬實驗裝置，其特征在于:所述濾網(20)浸有酚酞，依據(jù)過水斷面流速在壩頂設置不同數(shù)量的濾網(20)。5.根據(jù)權利要求1所述的降雨作用下尾礦壩漫壩模擬實驗裝置，其特征在于:所述消能球(18)集中布置在給水管(8)附近。6.根據(jù)權利要求1所述的降雨作用下尾礦壩漫壩模擬實驗裝置，其特征在于:所述壩體模型(22)包括壩頂、可伸縮上游坡(24)、和可伸縮下游坡(27);所述可伸縮上游坡(24)和可伸縮下游坡(27)分別通過第一轉軸(25)和第二轉軸(26)固定在壩頂上。7.根據(jù)權利要求6所述的降雨作用下尾礦壩漫壩模擬實驗裝置，其特征在于:所述壩頂、可伸縮上游坡(24)和可伸縮下游坡(27)均為有機玻璃。8.根據(jù)權利要求1-7所述的降雨作用下尾礦壩漫壩模擬實驗裝置的實驗方法，其特征在于:包括過水斷面形狀實驗和降雨條件模擬實驗，其中過水斷面形狀實驗步驟如下: . 1)打開給水制動閥(6)，關閉降雨制動閥(12)，調節(jié)腳螺旋(17)使得橫向卡尺(15)和縱向卡尺(16)的氣泡居中； . 2)將壩體模型(22)放置在模擬庫區(qū)系統(tǒng)的透明箱體中，調節(jié)可伸縮上游坡(24)和可伸縮下游坡(27)的長度，通過第一轉軸(25)和第二轉軸(26)調節(jié)可伸縮上游坡(24)和可伸縮下游坡(27)的坡度；. 3 )根據(jù)過水斷面流速在壩頂布置濾網(20 ); .4)測量每個浸有酚酞的濾網(20)的過水斷面長度和中間高度，并根據(jù)其間隔距離，繪制沿著壩肩方向的過水斷面的總體形狀； 降雨條件模擬實驗步驟如下: . 1)關閉給水制動閥(6)，打開降雨制動閥(12); .2)將用實際尾礦材料制成的尾礦壩放置在模擬庫區(qū)系統(tǒng)的透明箱體中，將孔隙水壓力傳感器(21)插入尾礦壩中； .3)記錄孔隙水壓力傳感器(21)的數(shù)據(jù)，用數(shù)碼相機記錄潰口形成初期的形狀，以及擴展情況。
【文檔編號】G01N33/00GK106093316SQ201610694213
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月22日 公開號201610694213.8, CN 106093316 A, CN 106093316A, CN 201610694213, CN-A-106093316, CN106093316 A, CN106093316A, CN201610694213, CN201610694213.8
【發(fā)明人】劉海明, 姚美良, 趙超
【申請人】昆明理工大學