CN103076200B - 毛细水带分层取样试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种毛细水带分层取样试验装置。该装置由n个单元柱串联累叠而成，单元柱的隔离网嵌入嵌网板中，密封槽为沿嵌网板的内沿向外沿打磨约20mm宽、1mm深的浅槽圆环，其圆环直径和深度约等于隔离网的直径和厚度；下法兰盘下表面、密封槽边沿、嵌网板上表面均匀涂抹有机玻璃胶，使下法兰盘与嵌网板粘合在一起，进而将隔离网与有机玻璃柱管紧密固定；单元柱上法兰盘与下法兰盘和嵌网板内外径尺寸相同，上一单元柱的下法兰盘可以无缝隙的累叠到下一层单元柱的上法兰盘上；上下法兰盘与有机玻璃柱管连接处设有筋板；各单元柱通过法兰螺孔内的螺栓实现相互连接，从而实现各单元柱密封串联累叠。该装置结构简单、制造和维修成本低、操作方便、适用性强，可广泛推广应用于土木工程、岩土工程等领域，进行毛细水作用下各种岩土体的物理模拟研究。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程领域，具体涉及尾矿坝坝体的相似模拟、模拟坝体内毛细水上升速度和高度的测试、毛细水存在下尾矿坝坝体受力情况分析，方便对模拟坝体内毛细水带不同高度处的尾矿砂进行分层取样，进而分别测试其物理力学性质，研究毛细水带不同高度处坝体的物理力学性质及其变化规律的分层取样装置。
背景技术
尾矿坝是尾矿库用来挡尾矿和水的围护构筑物。用当地土、石等材料修筑成的低坝叫做初期坝或基坝。在生产过程中随着尾矿的不断排入，逐渐用尾矿来沉积加高的坝叫做后期坝或尾矿堆积坝。然而，随着矿产资源的大规模开采，我国修筑了数以万计的尾矿坝。与之相对的却是近年来，尾矿坝溃坝事故的频频发生，给人民的生命和财产造成了重大损失，同时也给周边环境造成了严重破坏，因此，有关尾矿坝稳定性的研究显得日益重要。而垮坝事故绝大部分均是由于水的作用引起的，国内外有关水对尾矿坝稳定性的研究也证明了水的存在的确对尾矿坝稳定性构成影响。
在水对尾矿坝稳定性的影响研究方面，Kealy等(1971)建立了确定尾矿坝渗流特征的有限元方法。随后，国内外学者们进一步地建立了渗流失效、流固耦合作用等多种分析模型。其中，Van(1977)分析了地下排水对尾矿坝稳定状况的改善情况；Abadjiev(1976)和Van(1980)建立了水在尾矿坝内的渗流模型；Klohn(1979)探讨了尾矿坝稳定性分析中的渗流控制问题；Jeyapalan(1981，1983)、C.B.阿巴德耶夫(1982)、Chandler(1995)和Blight(1997)等研究了渗透静力对尾矿坝稳定性的影响；速宝玉(1991，1994)、尹光志(2005)、Mihai(2009)、信文山(2009)和王强(2009)等研究了尾矿坝渗流场的数值模拟技术；陈友根等(1991)采用极限平衡理论，评价了坝体抗滑和抗渗稳定性；Martin(1999)研究了孔隙水压力的分布特征；Fourie(2000)研究了静力作用下的液化问题；路美丽(2002)分析了多种因素对尾矿坝内渗流场的影响；郑怀昌等(2005)将界壳理论引入到尾矿库管理中，在分析尾矿库界壳结构和各类界门物量交换率的基础上，探讨了通过界壳的物质(水、岩土)对尾矿库稳定性的影响；潘建平等(2006)提出了尾矿坝超静孔压的简化计算式；Rico(2008)探讨了洪水漫滩时溃坝的原因；敬小非等(2009)则采用尾矿坝堆坝物理模型试验模拟了尾矿坝堆积的全过程，并对模型中渗流场进行了监测，最后采用有限元法分析了尾矿坝的稳定性。马池香等(2009)运用地球化学、力学及相关理论，从宏观和微观两方面探讨了尾矿坝内水土交互作用，并将其概括为水土化学作用、水土物理作用和渗流力学作用。
上述研究对尾矿坝的设计建造，及减小尾矿坝溃坝事故起到了重要作用，但这些研究提出的方法和模型都忽略了毛细水的作用。2001年，ICOLD(国际大坝委员会)在一份公告文献中提出，毛细现象对于尾矿坝的稳定性可能存在着影响。2009年，María等采用数值模拟方法研究了毛细水对尾矿坝稳定性的影响，提出尾矿坝的稳定性在很大程度上取决于毛细水的作用，毛细水的存在，使得尾矿坝的安全储备大大降低。这是María等通过数值模拟研究首次得到的结论，具有开创性的意义。因此，研究尾矿坝中毛细水带的物理力学性质，进而分析尾矿坝的安全储备，对尾矿坝的稳定性进行评估，以确保其安全稳定，这对于丰富和发展铀尾矿坝稳定性分析理论、对于防范垮坝事故的发生都具有重要意义。
分析María等的研究发现，其不足之处在于将毛细水带作为一个整体来进行分析尾矿坝的稳定性，这样的分析结果与实际值会存在较大的偏差。这是因为，尾矿坝中毛细水带不同高度处的尾矿砂含水率是有变化的，其差别可能会很大，而含水率的不同必将导致其物理力学性质的不同，从而影响稳定性分析结果。因此，必须对毛细水带进行分层研究，其结果才能与实际情况更加吻合。
而传统的毛细水试验装置，当装置直径较小时，试样很难取出；装置直径较大时，取样深度则很难控制，且只能在表层进行正常取样，对于深层试样，取样时则无法做到少扰动或不扰动尾矿砂原有状态并保持其应有的含水率。因此，不能对毛细水带不同高度处的尾矿砂进行取样，就无法准确研究尾矿坝坝体物理力学性质随毛细水带不同高度的变化规律，也就无法准确分析尾矿坝的稳定性。此外，由于尾矿砂中毛细水带的水份含量较少，且在自然状态下蒸发速度很快，所以必须控制和保持取样时毛细水带中砂土样的状态。
基于此，对传统试验装置进行改进，研究和创造新的毛细水试验装置，对评估毛细水对尾矿坝稳定性的影响、丰富尾矿坝稳定性研究理论，有着极其重要的科学意义和现实意义。
发明内容
针对上述情况，本发明提供了一种取样简单、操作方便，制造、维修成本低的毛细水带分层取样试验装置。本装置能直观地模拟毛细水存在下的尾矿坝坝体，准确地观测尾矿坝坝体毛细水上升过程和上升速度，精确地量测坝体内毛细水的上升高度。其最具特色之处在于可进行毛细水带不同高度处尾矿砂试样的取样工作，以实现对其物理力学性质的研究，进而推导出尾矿坝坝体中不同高度处毛细水带的物理力学性质和变化规律，而这些研究内容依靠现有实验装置是无法完成的。
毛细水带分层取样试验装置，由n个单元柱竖向串联累叠而成，上下层单元柱通过螺钉固定连接，装置最下层为进水单元柱，其特征在于，单元柱包括尾矿砂1、上法兰盘2、螺孔3、有机玻璃柱管4、筋板5、下法兰盘6、隔离网7、密封槽8、嵌网板9、土工布10、进水口11、排水口12、底座13，
其中，隔离网7嵌入嵌网板9中，密封槽8为沿嵌网板9的内沿向外沿打磨的浅槽圆环；下法兰盘6下表面、密封槽8边沿、嵌网板9上表面均匀涂抹有机玻璃胶，使下法兰盘6与嵌网板9粘合在一起，将隔离网7与有机玻璃柱管4紧密固定；单元柱上法兰盘2与下法兰盘6和嵌网板9内外径尺寸相同，上一单元柱的下法兰盘6可以无缝隙的累叠到下一层单元柱的上法兰盘2上；上下法兰盘与有机玻璃柱管4连接处加有筋板5；各单元柱通过螺孔3内的螺栓实现相互连接，从而实现各单元柱密封串联累叠；在进水单元柱距底座5cm处布有两个进水口11，对称布置于柱管两侧；设置排水口12两个，对称布置于两进水口之间，用于保持水位，模拟浸润线的位置；进水口和排水口内侧均布设有土工布10防止尾矿砂流出；底座13为加厚有机玻璃板。
其中，所述n个单元柱为6-15个单元柱，具体所需单元柱的个数需根据实际尾矿坝坝体密实度、尾矿砂粒径、预估坝体毛细水高度、试验所需取样高度等因素综合确定；隔离网7厚约1mm，与嵌网板9打磨深度相同；有机玻璃柱管4的内径d=20cm，其水平截面内可同时用标准环刀取3-4个试样做平行试验；上法兰盘2、下法兰盘6、嵌网板9的内径等于有机玻璃柱管4的外径，外径d=30cm，保证整个单元柱水平内径截面面积始终相同；隔离网7的网格密度根据试验尾矿砂1粒径而定，一般为1.5－2cm；单元柱整体高度由土力学试验所需试样量而定，即应满足土样的密度试验、含水率试验、抗剪强度试验以及三轴试验所需，取为15cm。
其中，所述密封槽8沿嵌网板9的内沿向外沿打磨约20mm宽、1mm深，密封槽的圆环直径和深度约等于隔离网7的直径和厚度。
其中，所有单元柱沿竖向叠放，每个分层设置一个单元柱，每节单元柱下法兰盘6设有隔离网7，与下一节单元柱的上法兰盘2相连接。
当需在某个高度上取砂土试样时，将该层上一层面螺孔3上螺栓拧去，该层单元柱与装置上层的单元柱连接已脱离，在毛细水的作用下尾矿砂具有一定粘聚力，且在单元柱底面隔离网7的承载下，该层单元柱以上的单元柱可以很方便的从下层单元柱上取下；若所需取样高度单元柱上层单元柱过多，超过隔离网的承载值，将该单元柱上层的柱体逐层取下。与装置分离的单元柱顶面和底面及下一单元柱顶面需用保鲜膜迅速密封，防止毛细水挥发，从而减小试验误差，保证取样过程的严谨性；土工试验取样时将所需取样的单元柱上层的保鲜膜去除，用环刀取样，同层可取3-4个样品做平行试验用；该取样装置每个单元柱高度合理，在少扰动或不扰动尾矿砂原有状态并保持其应有的含水率的状态下，可对毛细水带的每层单元柱分别取样，从而实现了对尾矿坝坝体毛细水带不同层次矿砂物理力学性质的研究。
其中，所述整个试验装置用耐腐蚀有机玻璃制成。装置中单元柱的数量，可根据实际需要来确定，其内径和高度亦是根据实际需求来确定的，科学合理。单元柱中填装矿砂（试验预先定好的级配配比），每加入单元柱体积的三分之一时，进行密实，可最大还原现场尾矿坝坝体密实度；本层单元柱加满并密实后将下一个单元柱叠加到下层单元柱上，采用螺栓固定两个单元柱，随后填装第二个单元柱并密实；重复上述步骤至试验预计高度；进水单元柱进水口进水，排水口排水用于确定及稳定浸水线高度，等待毛细水上升。待毛细水带上升稳定后，即可对装置内尾矿砂进行分层取样操作。
本发明提供的分层取样试验装置，具有以下优点：
1、采用透明有机玻璃制成的分层取样试验装置，可模拟观测尾矿坝堆积坝中毛细水上升速率、上升高度，进而分析温度、压强等因素对毛细水上升高度变化的影响规律。
2、模拟不同尾矿坝坝体时，可以根据实际需要确定所需试验装置的高度，即调整所需单元柱的个数。
3、分层取样试验装置可对尾矿坝坝体中毛细水带不同高度的试样进行取样，每个单元柱高度内都可以方便取样，克服了传统模型在少扰动或不扰动尾矿砂原有状态并保持其应有的含水率的状态下，只能取一组试样的严重缺陷。对不同高度单元柱取样，可研究尾矿坝毛细水带坝体不同高度的物理力学性质，并确定其随毛细水高度的变化规律，进而探究毛细水的存在对坝体稳定性的影响。
4、分层取样试验装置，单元柱内径d=20cm，每层可以同时用标准环刀取3-4个试样进行平行试验，满足了实验要求，保证了试验数据的准确可靠性。
5、分层取样试验装置组合灵活，能满足多种试验所需要求；取样操作简单，方便实用。
6、试验装置具有制作简单、成本低、适用性强、可重复使用、测量数据真实可靠，能准确、方便地得到试验所需试样等优点。
附图说明
图1—图3分层取样试验装置单元柱示意图；
图4下法兰盘、密封槽及隔离网俯视图；
图5下法兰盘、密封槽及隔离网主视图；
图6分层取样试验装置单元柱组合及安装示意图。
具体实施方式
1、材料组成
单元柱、底座、尾矿砂、注水瓶。
2、材料配置及使用方法
毛细水带分层取样试验装置单元柱组合及安装示意图见附图6。
毛细水带分层取样试验装置使用的具体步骤是：
①先根据所模拟的尾矿坝坝体尾矿砂物理性质确定单元柱的数量；
②向底座单元柱装尾矿砂，每加入三分之一高度的尾矿砂，进行一次密实，最大程度还原尾矿坝坝体的初始状态；
③当底座装满后，在其上部安装一节单元柱，并通过螺孔3将其与底座栓到一起，向单元柱中加入尾矿砂（填装尾矿砂方式同②）；
④本节单元柱加满并密实后，叠加下一节单元柱并将其与前一节单元柱栓到一起，继续填装尾矿砂；
⑤重复④步骤直至试验预计高度；
⑥采用注水瓶向进水口11注水，排水口12用以模拟并保持浸润线高度；
⑦待毛细水带稳定后，根据试验目的进行分层取样。
毛细水上升过程中需吸收底座中一定量的水，从而导致浸润线下降，本试验装置可通过注水瓶不断注水以及排水口12不断地排水，借以控制浸润线保持在固定的高度，并以其为参考线量测毛细水带的上升高度和确定毛细水带的上升速率。同时，根据试验要求需在毛细水带某个高度上取样时，可将该层单元柱上下法兰盘螺孔内的螺栓拧去，使该层单元柱分别与上下层单元柱脱离，随后用环刀直接在该单元柱内取样（同一高度可取3-4个样品），从而达到分层取样的目的。为防止毛细水蒸发，试验中需将取出的每节单元柱的顶面和底面用保鲜膜迅速密封。
3、原理
本发明专利提供的毛细水带分层取样试验装置，由多个单元柱串联而成，可用于模拟毛细水存在下的尾矿坝坝体、观测尾矿坝坝体毛细水上升过程和上升速度、量测坝体内毛细水的上升高度，以及其它散体材料在毛细水作用下不同高度处的物理力学性质的实验。本试验装置是基于土的毛细性原理，即土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上及向其他方向移动的现象。因此，砂土中毛细水的存在，能够产生一定的毛细压力，可使干燥的尾矿砂产生一定的假内聚力，从而使得单元柱内的尾矿砂在下法兰盘中隔离网的承载下不会散落，并仍能保持原状，从而达到分层取样的目的。
4、具体实施方式
本发明专利提供一种尾矿堆积坝坝体毛细水带分层取样试验装置，可按附图6进行组合安装。
试验如需研究现场毛细水上升速率及其随温度、湿度、气压等因素的变化规律，可在装置底座注水并保持浸润线稳定后，按规定时间进行记录毛细水的上升高度，含毛细水的矿砂相对于不含毛细水的矿砂颜色较深，通过肉眼即可辨别（可作为判定毛细水上升高度的依据）。考虑到开始阶段毛细水上升速度较快，需间隔较短时间进行记录（一般取5-10分钟）；其后可将记录时间间隔延长；通过分析试验数据，来研究尾矿坝中毛细水上升的速率，及其随温度、气压、湿度等因素的变化规律。
试验如需研究毛细水带不同高度处尾矿砂的物理力学性质，应待毛细水带上升稳定后，根据试验要求将该高度处的单元柱上下法兰盘螺孔内的螺栓拧去，使该层单元柱分别与上下层单元柱脱离并单独取出，随后用环刀直接在该单元柱内取样（同一高度可取3-4个样品），进行土力学相关试验。为防止毛细水蒸发，试验中需将取出的每节单元柱的顶面和底面用保鲜膜迅速密封。
5、实施例
实施：
选用未筛分的尾矿砂作为试验原料，将未筛分的尾矿砂按上述装料方法依次装入各单元柱中并密实，装样高度为10个单元柱约（1.5m）；装置组合并装样完成后即可进行试验。通过注水瓶向底座单元柱的进水口注水，使尾矿砂中浸水，浸润线高度由排水口控制。浸水后立即对毛细水上升高度进行记录，开始阶段前一个小时时间间隔为5分钟，即记录12次；第二、三个小时时间间隔分别为10分钟和30分钟；3小时后每4小时测记一次，晚上为8小时；由于毛细水初期的上升速率非常快，因此记录时间间隔较短，记录次数密集，一天后毛细水上升速度开始变得缓慢，即可隔天记录或隔2天记录一次。约一个月后，毛细水上升高度基本稳定下来，即可对毛细水带砂土试样进行分层取样，研究每层尾矿砂的物理力学性质。按照前述使用方法进行取样，每层单元柱高度为15cm，取样时再可分为上、中、下三部分，即沿毛细水上升方向每间隔5cm取一次样，每层取得的样品通过土力学实验测得其含水率、密度、比重、内摩擦角及粘聚力等物理力学参数，各层数据整理表，由表中数据经过分析研究即可得到毛细水带不同高度处坝体的物理力学性质及其变化规律。
Claims (5)
1.毛细水带分层取样试验装置，由n个单元柱竖向串联累叠而成，上下层单元柱通过螺钉固定连接，装置最下层为进水单元柱，单元柱包括尾矿砂（1）、上法兰盘（2）、螺孔（3）、有机玻璃柱管（4）、筋板（5）、下法兰盘（6）、隔离网（7）、密封槽（8）、嵌网板（9）、土工布（10）、进水口（11）、排水口（12）、底座（13），其特征在于，隔离网（7）嵌入嵌网板（9）中，密封槽（8）为沿嵌网板（9）的内沿向外沿打磨的浅槽圆环；下法兰盘（6）下表面、密封槽（8）边沿、嵌网板（9）上表面均匀涂抹有机玻璃胶，使下法兰盘（6）与嵌网板（9）粘合在一起，将隔离网（7）与有机玻璃柱管（4）紧密固定；单元柱上法兰盘（2）与下法兰盘（6）和嵌网板（9）内外径尺寸相同，上一单元柱的下法兰盘可以无缝隙的累叠到下一层单元柱的上法兰盘上；上下法兰盘与有机玻璃柱管（4）连接处设有筋板（5）；各单元柱通过螺孔（3）内的螺栓实现相互连接，从而实现各单元柱密封串联累叠；在进水单元柱距底座5cm处布有两个进水口（11），对称布置于柱管两侧；设置排水口（12）两个，对称布置于两进水口之间；进水口和排水口内侧均布有土工布（10）；底座（13）为加厚有机玻璃板。
2.根据权利要求1所述的毛细水带分层取样试验装置，其特征在于：n个单元柱为6-15个单元柱；有机玻璃柱管（4）的内径由取样环刀的内径而定的，其水平截面内可同时用标准环刀取3-4个试样做平行试验；上法兰盘（2）、下法兰盘(6)、嵌网板（9）的内径等于有机玻璃柱管（4）的外径，外径d=30cm，整个单元柱水平内径截面面积始终相同；隔离网（7）的网格密度根据试验尾矿砂的粒径而定，为1.5－2cm；有机玻璃柱管（4）的高度为15cm。
3.根据权利要求1所述的毛细水带分层取样试验装置，其特征在于：所述密封槽（8）沿嵌网板（9）的内沿向外沿打磨20mm宽、1mm深，密封槽的圆环直径和深度约等于隔离网（7）的直径和厚度。
4.根据权利要求1所述的毛细水带分层取样试验装置，其特征在于：所有单元柱沿竖向叠放，每个分层设置一个单元柱，每节单元柱下法兰盘（6）设有隔离网（7），与下一节单元柱的上法兰盘（2）相连接。
5.根据权利要求1所述的毛细水带分层取样试验装置的试验方法，其特征在于：毛细水带分层取样试验装置使用的具体步骤是：
①先根据所模拟的尾矿坝坝体尾矿砂物理性质确定单元柱的数量；
②向底座单元柱装尾矿砂，每加入三分之一高度的尾矿砂，进行一次密实，最大程度还原尾矿坝坝体的初始状态；
③当底座装满后，在其上部安装一节单元柱，并通过螺孔（3）将其与底座栓到一起，向单元柱中加入尾矿砂，填装尾矿砂方式同步骤②；
④本节单元柱加满并密实后，叠加下一节单元柱并将其与前一节单元柱栓到一起，继续填装尾矿砂；
⑤重复④步骤直至试验预计高度；
⑥采用注水瓶向进水口（11）注水，排水口（12）用以模拟并保持浸润线高度；
⑦待毛细水带稳定后，根据试验目的进行分层取样。
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