CN102798706B - 一种散体材料的室内堆坝模型实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种散体材料的室内堆坝模型实验装置，属于岩土工程领域。本发明包括模拟降雨装置、加压装置、模拟实验容器、组合传力板；加压装置上部安设有模拟降雨装置，下部安设有模拟实验容器，组合传力板放置于模拟实验容器中散体土样的顶部。本发明能模拟在不同降雨强度及地震条件下的散体边坡稳定性、同时可以改变降雨的范围、能改变散体模型顶部台阶的受力面积、可开展复杂条件下的室内堆坝模型实验。

Description

一种散体材料的室内堆坝模型实验装置

技术领域

本发明涉及一种室内模拟现场边坡工程的实验装置，主要用于矿山排土场、尾矿坝等散体边坡工程的室内堆坝模型实验研究，属于岩土工程中的矿山边坡工程。

背景技术

排土场、尾矿坝等散体边坡是矿山企业的重要设施，也是保证矿山企业正常生产的重要环节。现在，随着各类厂矿的建设和生产规模的日益增大，矿山所排放的废石和尾矿量也急剧增加，所以导致许多尾矿坝和排土场安全和环保问题日益突出，尾矿坝、排土场的滑坡及泥石流等恶性事故时有发生。此外，由于扩大库容和延长服务年限等历史遗留的问题，尾矿坝、排土场等矿山散体边坡带病运行，存在较多隐患，再加上排土场、尾矿坝还具备了滑坡及泥石流等形成重大自然灾害的两大地理要素：（1）矿山生产过程中排弃的大量散体为滑坡及泥石流形成提供了充足的土体来源；（2）排放的散体会形成地形高差，使上部堆积体具有巨大的能量，进而成为排土场、尾矿坝的不稳定因素。再加上大而高的排土场、尾矿坝，若遇降雨或地震就极易诱发崩塌、滑坡、泥石流等矿山地质灾害。从而给矿山企业和下游村民造成了巨大的安全威胁。

然而，由于影响尾矿坝和排土场边坡稳定性的影响因素较多，且是由散体材料组成，所以仅仅靠室内的常规土工实验和现场实验无法深入研究其边坡的破坏模式及其滑坡和泥石流的启动触发机制。为此，本发明设计了一种散体材料的室内堆坝模型实验装置，以全方位模拟排土场、尾矿坝的边坡失稳机理，研究其滑坡用泥石流触发机制。物理堆坝模型试验的基本思想是采用不同比尺，按照工作规律相似，对事物原型的现象或本质进行定性的研究，再现或超前预测原型中已经出现或可能出现的一些情况，以验证和解决实际工程问题。作为工程科学研究的重要手段之一，已被广泛应用于许多领域。通过室内堆坝模型试验，对排土场、尾矿坝在降雨和地震情况下失稳破坏全过程进行研究，探索排土场、尾矿坝在不同条件作用下的坝体垮塌机制和溃决模式，寻求一些规律。

当前，排土场、尾矿库的运行状况不仅关系到矿山的生产建设能否顺利进行，还关系到坝体下游人民群众的生命财产安危及周边环境。据有关研究显示，我国尾矿、排土场堆积坝发生滑坡、泥石流的现象普遍较高，而发生原因多是由于降雨或地震造成的。因此，从工程的角度研究降雨和地震条件下的边坡破坏机制具有重大的指导意义。散体室内堆坝模型实验不仅能更系统地开展排土场、尾矿坝滑坡及泥石流的触发机制研究，而且能为散体边坡滑坡及泥石流触发模型及预测理论的建立提供理论基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种散体材料室内堆坝模型实验装置，该装置可以针对排土场、尾矿坝等散体边坡工程的组成与结构特点，构建不同的室内堆坝模型，并可开展在不同降雨和地震条件下的散体室内堆坝物理模拟实验，以研究考虑多因素影响条件下的矿山散体边坡工程的失稳破坏模式。

本发明按以下技术方案实现：一种散体材料的室内堆坝模型实验装置，包括模拟降雨装置A、加压装置B、模拟实验容器C、组合传力板；加压装置B上部安设有模拟降雨装置A，下部安设有模拟实验容器C，组合传力板放置于模拟实验容器C中散体土样32的顶部。

所述模拟降雨装置A包括加压泵2、主管4、流量控制阀5、流量表6、支撑架8；加压泵2安装在主管4端部，加压泵2的进口设有止水阀1，主管4安装在支撑架8上，流量控制阀5、流量表6安置在主管4上，其作用在于控制和测定水流的流量和压力，主管4上设有支管7，支管7上安设有止水阀1，其末端设有一个或多个降雨器3，作用在于模拟降雨的过程，且通过止水阀1来调节降雨范围，降雨器3底部设有降雨器底面9、其上开设有喷孔10。

所述加压装置B包括加压装置支座11、活塞12、油泵16、固定螺栓17；加压装置支座11通过固定螺栓17固定在地面上，作用在于加压过程中其产生反作用力，活塞12安装在加压装置支座11上，其通过油泵16上设有的进油管13、出油管15与油泵16连接，作用在于通过油泵16来推动活塞12移动，从而达到加压目的，油泵16上设有压力表14。

所述组合传力板包括附加传力板Ⅰ18、附加传力板Ⅱ19、固定传力板21、附加传力板Ⅲ23、传力台25；传力台25固定在固定传力板21上，固定传力板21通过设于外侧面的螺杆孔24与附加传力板Ⅰ18、附加传力板Ⅱ19、附加传力板Ⅲ23内侧面设有的螺杆20连接，目的在于改变传力板的面积，进而改变散体的受力面积，固定传力板21和附加传力板Ⅰ18、附加传力板Ⅱ19、附加传力板Ⅲ23的表面均设有漏雨孔22，作用在于能使雨水通过传力板流入散体中。

所述模拟实验容器C包括可变坡装置、后挡板26、左挡板27、右挡板28、前挡板29、弹簧31、底板33、震动台34；后挡板26、左挡板27、右挡板28、前挡板29与底板33组合成容器壁，弹簧31、震动台34安置在底板33下侧，作用在于模拟地震条件下边坡稳定性，可变坡装置安装在后挡板26上。所述可变坡装置包括可变坡面角架30、滑动板38；后挡板26设有滑槽35，滑动板38安装在滑槽35内，滑动板38上设有固定螺杆39、活动铰链40，后挡板26通过滑动板38、固定螺杆39及活动铰链40与可变坡面角架30连接，作用在于调节可变坡面角架30的角度，可变坡面角架30上设有细铁丝网37，作用在于固定可变坡面角架30上的土样，以模拟基地土。

所述左挡板27、右挡板28、前挡板29为透明材料，且可拆卸，其作用是在能观察散体边坡过程的同时，还便于装、卸样。所述加压装置B的活塞12与组合传力板的传力台25连接，组合传力板放置于模拟实验容器C中散体土样32的顶部台阶上，作用在于为散体边坡模型施加法向力。所述后挡板26采用钢板制成，以能承受一定的力。

本实验装置的实验目的是开展多因素影响（原始地形的坡角、基底土、边坡顶部平台的受力面积、降雨强度及降雨面积、外部荷载及震动频率等）下散体边坡的室内物理模拟实验。

实验原理为：

第一步，调整可变坡装置，将其坡角调整到实验所需角度，然后在板上装入制备好的基地土样36，并用细铁丝网37将土样固定于可变坡面角架30上，然后将制备好的散体土样32装入模拟实验容器中；

第二步，根据需要的边坡顶部平台的受力面积，调整组合传力板，使其与所需受力面积相符，然后将组合传力板放在边坡顶部平台上；

第三步，启动震动台34，并通过模拟降雨装置来施加降雨，同时，通过为加压装置施加垂直荷载（即外部荷载），直至边坡发生滑坡为止；

第四步，记录下边坡的破坏模式、滑坡位置、施加的荷载、震动频率、基地土样36、顶部平台的受力面积、原始地形的坡角、降雨强度及降雨面积；

第五步，改变以上荷载、基地土样36、震动频率、顶部平台的受力面积及原始地形的坡角、降雨强度及降雨面积参数，重复第一到第四步。

本发明具有以下有益效果：

1、能模拟降雨有地震条件下的散体边坡稳定性；

2、可以改变降雨的范围；

3、能改变散体模型顶部台阶的受力面积；

4、通过在传力板上设置漏雨孔，可以能很好模拟加压过程中降雨对边坡的影响；

5、能模拟不同基地面坡角的室内堆坝模型；

6、能模拟土体（基地土）对散体边坡稳定性的影响；

7、可开展复杂条件下的室内堆坝模型实验。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的模拟降雨装置示意图；

图3为本发明的加压装置示意图；

图4为本发明的组合传力板示意图；

图5为本发明的模拟实验容器示意图；

图6为本发明的可变坡装置示意图。

图中各标号为：A：模拟降雨装置、B：加压装置、C：模拟实验容器、1：止水阀、2：加压泵、3：降雨器、4：主管、5：流量控制阀、6：流量表、7：支管、8：支撑架、9：降雨器底面、10：喷孔、11：加压装置支座、12：活塞、13：进油管、14：压力表、15：出油管、16：油泵、17：固定螺栓、18：附加传力板Ⅰ、19：附加传力板Ⅱ、20：螺杆、21：固定传力板、22：漏雨孔、23：附加传力板Ⅲ、24：螺杆孔、25：传力台、26：后挡板、27：左挡板、28：右挡板、29：前挡板、30：可变坡面角架、31：弹簧、32：散体土样、33：底板、34：震动台、35：滑槽、36：基地土样、37：细铁丝网、38：滑动板、39：固定螺杆、40：活动铰链。

具体实施方式

本发明通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明专利进行各种变换及等同代替，因此，本发明专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。

实施例1：如图1-6所示，一种散体材料的室内堆坝模型实验装置，包括模拟降雨装置A、加压装置B、模拟实验容器C、组合传力板；加压装置B上部安设有模拟降雨装置A，下部安设有模拟实验容器C，组合传力板放置于模拟实验容器C中散体土样32的顶部。

模拟降雨装置A包括加压泵2、主管4、流量控制阀5、流量表6、支撑架8；加压泵2安装在主管4端部，加压泵2的进口设有止水阀1，主管4安装在支撑架8上，流量控制阀5、流量表6安置在主管4上，主管4上设有支管7，支管7上安设有止水阀1，其末端设有4个降雨器3，降雨器3底部设有降雨器底面9、其上开设有喷孔10。

加压装置B包括加压装置支座11、活塞12、油泵16、固定螺栓17；加压装置支座11通过固定螺栓17固定在地面上，活塞12安装在加压装置支座11上，其通过油泵16上设有的进油管13、出油管15与油泵16连接，油泵16上设有压力表14。

组合传力板包括附加传力板Ⅰ18、附加传力板Ⅱ19、固定传力板21、附加传力板Ⅲ23、传力台25；传力台25固定在固定传力板21上，固定传力板21通过设于外侧面设有的螺杆孔24与附加传力板Ⅰ18、附加传力板Ⅱ19、附加传力板Ⅲ23内侧面的螺杆20连接，固定传力板21和附加传力板Ⅰ18、附加传力板Ⅱ19、附加传力板Ⅲ23的表面均设有漏雨孔22。

模拟实验容器C包括可变坡装置、后挡板26、左挡板27、右挡板28、前挡板29、弹簧31、底板33、震动台34；后挡板26、左挡板27、右挡板28、前挡板29与底板33组合成容器壁，弹簧31、震动台34安置在底板33下侧，可变坡装置安装在后挡板26上。可变坡装置包括可变坡面角架30、滑动板38；后挡板26设有滑槽35，滑动板38安装在滑槽35内，滑动板38上设有固定螺杆39、活动铰链40，后挡板26通过滑动板38、固定螺杆39及活动铰链40与可变坡面角架30连接，可变坡面角架30上设有细铁丝网37。

左挡板27、右挡板28、前挡板29为透明材料，且可拆卸。加压装置B的活塞12与组合传力板的传力台25连接，组合传力板放置于模拟实验容器C中散体土样32的顶部台阶上。后挡板26采用钢板制成。

实施例2：如图1-6所示，一种散体材料的室内堆坝模型实验装置，包括模拟降雨装置A、加压装置B、模拟实验容器C、组合传力板；加压装置B上部安设有模拟降雨装置A，下部安设有模拟实验容器C，组合传力板放置于模拟实验容器C中散体土样32的顶部。

模拟降雨装置A包括加压泵2、主管4、流量控制阀5、流量表6、支撑架8；加压泵2安装在主管4端部，加压泵2的进口设有止水阀1，主管4安装在支撑架8上，流量控制阀5、流量表6安置在主管4上，主管4上设有支管7，支管7上安设有止水阀1，其末端设有6个降雨器3，降雨器3底部设有降雨器底面9、其上开设有喷孔10。

加压装置B包括加压装置支座11、活塞12、油泵16、固定螺栓17；加压装置支座11通过固定螺栓17固定在地面上，活塞12安装在加压装置支座11上，其通过油泵16上设有的进油管13、出油管15与油泵16连接，油泵16上设有压力表14。

组合传力板包括附加传力板Ⅰ18、附加传力板Ⅱ19、固定传力板21、附加传力板Ⅲ23、传力台25；传力台25固定在固定传力板21上，固定传力板21通过设于外侧面的螺杆孔24与附加传力板Ⅰ18、附加传力板Ⅱ19内侧面设有的螺杆20连接，固定传力板21和附加传力板Ⅰ18、附加传力板Ⅱ19的表面均设有漏雨孔22。

模拟实验容器C包括可变坡装置、后挡板26、左挡板27、右挡板28、前挡板29、弹簧31、底板33、震动台34；后挡板26、左挡板27、右挡板28、前挡板29与底板33组合成容器壁，弹簧31、震动台34安置在底板33下侧，可变坡装置安装在后挡板26上。可变坡装置包括可变坡面角架30、滑动板38；后挡板26设有滑槽35，滑动板38安装在滑槽35内，滑动板38上设有固定螺杆39、活动铰链40，后挡板26通过滑动板38、固定螺杆39及活动铰链40与可变坡面角架30连接，可变坡面角架30上设有细铁丝网37。

左挡板27、右挡板28、前挡板29为透明材料，且可拆卸。加压装置B的活塞12与组合传力板的传力台25连接，组合传力板放置于模拟实验容器C中散体土样32的顶部台阶上。后挡板26采用钢板制成。

实施例3：如图1-6所示，一种散体材料的室内堆坝模型实验装置，包括模拟降雨装置A、加压装置B、模拟实验容器C、组合传力板；加压装置B上部安设有模拟降雨装置A，下部安设有模拟实验容器C，组合传力板放置于模拟实验容器C中散体土样32的顶部。

模拟降雨装置A包括加压泵2、主管4、流量控制阀5、流量表6、支撑架8；加压泵2安装在主管4端部，加压泵2的进口设有止水阀1，主管4安装在支撑架8上，流量控制阀5、流量表6安置在主管4上，主管4上设有支管7，支管7上安设有止水阀1，其末端设有10个降雨器3，降雨器3底部设有降雨器底面9、其上开设有喷孔10。

加压装置B包括加压装置支座11、活塞12、油泵16、固定螺栓17；加压装置支座11通过固定螺栓17固定在地面上，活塞12安装在加压装置支座11上，其通过油泵16上设有的进油管13、出油管15与油泵16连接，油泵16上设有压力表14。

组合传力板包括附加传力板Ⅰ18、附加传力板Ⅱ19、固定传力板21、附加传力板Ⅲ23、传力台25；传力台25固定在固定传力板21上，固定传力板21通过设于外侧面的螺杆孔24与附加传力板Ⅰ18、附加传力板Ⅲ23内侧面设有的螺杆20连接，固定传力板21和附加传力板Ⅰ18、附加传力板Ⅲ23的表面均设有漏雨孔22。

模拟实验容器C包括可变坡装置、后挡板26、左挡板27、右挡板28、前挡板29、弹簧31、底板33、震动台34；后挡板26、左挡板27、右挡板28、前挡板29与底板33组合成容器壁，弹簧31、震动台34安置在底板33下侧，可变坡装置安装在后挡板26上。可变坡装置包括可变坡面角架30、滑动板38；后挡板26设有滑槽35，滑动板38安装在滑槽35内，滑动板38上设有固定螺杆39、活动铰链40，后挡板26通过滑动板38、固定螺杆39及活动铰链40与可变坡面角架30连接，可变坡面角架30上设有细铁丝网37。

左挡板27、右挡板28、前挡板29为透明材料，且可拆卸。加压装置B的活塞12与组合传力板的传力台25连接，组合传力板放置于模拟实验容器C中散体土样32的顶部台阶上。后挡板26采用钢板制成。

Claims (2)

1.一种散体材料的室内堆坝模型实验装置，其特征在于：包括模拟降雨装置（A）、加压装置（B）、模拟实验容器（C）、组合传力板；加压装置（B）上部安设有模拟降雨装置（A），下部安设有模拟实验容器（C），组合传力板放置于模拟实验容器（C）中散体土样（32）的顶部；

所述模拟降雨装置（A）包括加压泵（2）、主管（4）、流量控制阀（5）、流量表（6）、支撑架（8）；加压泵（2）安装在主管（4）端部，加压泵（2）的进口设有止水阀（1），主管（4）安装在支撑架（8）上，流量控制阀（5）、流量表（6）安置在主管（4）上，主管（4）上设有支管（7），支管（7）上安设有止水阀（1）、其末端设有一个或多个降雨器（3），降雨器（3）底部设有降雨器底面（9）、其上开设有喷孔（10）；

所述加压装置（B）包括加压装置支座（11）、活塞（12）、油泵（16）、固定螺栓（17）；加压装置支座（11）通过固定螺栓（17）固定在地面上，活塞（12）安装在加压装置支座（11）上、其通过油泵（16）上设有的进油管（13）、出油管（15）与油泵（16）连接，油泵（16）上设有压力表（14）；

所述组合传力板包括附加传力板Ⅰ（18）、附加传力板Ⅱ（19）、固定传力板（21）、附加传力板Ⅲ（23）、传力台（25）；传力台（25）固定在固定传力板（21）上，固定传力板（21）通过设于外侧面的螺杆孔（24）与附加传力板Ⅰ（18）、附加传力板Ⅱ（19）、附加传力板Ⅲ（23）内侧面设有的螺杆（20）连接，固定传力板（21）和附加传力板Ⅰ（18）、附加传力板Ⅱ（19）、附加传力板Ⅲ（23）的表面均设有漏雨孔（22）；

所述模拟实验容器（C）包括可变坡装置、后挡板（26）、左挡板（27）、右挡板（28）、前挡板（29）、弹簧（31）、底板（33）、震动台（34）；后挡板（26）、左挡板（27）、右挡板（28）、前挡板（29）与底板（33）组合成容器壁，弹簧（31）、震动台（34）安置在底板（33）下侧，可变坡装置安装在后挡板（26）上；

所述可变坡装置包括可变坡面角架（30）、滑动板（38）；后挡板（26）设有滑槽（35），滑动板（38）安装在滑槽（35）内，滑动板（38）上设有固定螺杆（39）、活动铰链（40），后挡板（26）通过滑动板（38）、固定螺杆（39）及活动铰链（40）与可变坡面角架（30）连接，可变坡面角架（30）上设有细铁丝网（37）；

所述加压装置（B）的活塞（12）与组合传力板的传力台（25）连接。

2.根据权利要求1所述的散体材料的室内堆坝模型实验装置，其特征在于：所述左挡板（27）、右挡板（28）、前挡板（29）为透明材料、且可拆卸。