CN103308434B - 浑水入渗实验装置 - Google Patents

Abstract

一种浑水入渗实验装置，属于岩土工程技术领域，主要用于研究岩土材料在浑水入渗情况下不同层位沙土沿岩土空隙入渗量，以及浑水对整个岩土材料渗流特性的改变规律。本发明能够实现浑水自动搅拌、水头高度及浑水入渗角度调节功能；整个装置安全稳定，机动灵活。本发明包括底座，在底座上设置有若干根滑道，滑道形成架体，在架体的上部设置有升降机构，在升降机构上设置有水箱；在升降机构的前方设置有悬臂梁，在悬臂梁上设置有土柱，在升降机构的下方设置有折叠梁，折叠梁由上、下连接杆组成；在下连接杆之间固定设置有上推横梁，上推横梁与液压油缸相铰接，液压油缸与底座相铰接；土柱下部与绳索的一端相连接，绳索的另一端与配重块相连接。

Description

浑水入渗实验装置

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域,特别是涉及一种浑水入渗实验装置，主要用于研究岩土材料在浑水入渗情况下不同层位沙土沿岩土空隙入渗量，以及浑水对整个岩土材料渗流特性的改变规律。

背景技术

随着经济的快速发展，人类对矿产资源的需求量也日益增加。在矿物加工过程中，不可避免的带来了大量尾矿的排放。由于现阶段对于尾矿沙利用技术不够成熟，因此现阶段通过尾矿库对尾矿沙进行存储是行之有效的方法。尾矿排放量的增加以及土地资源的日益短缺，势必造成对尾矿库库容需求的增加。通过提高尾矿库坝体高度是行之有效的方法。随着尾矿库坝体高度的不断增加，尾矿库坝体的安全问题成为各级政府和人民关注的焦点。对尾矿库坝体稳定性的研究对于解决这一矛盾至关重要。引起尾矿库坝体事故的因素很多，包括渗流和内部侵蚀、静力或地震造成的不稳定性、漫顶、基础条件等，其中由于渗流问题直接造成坝体失事的比例约占30～40%。可见渗流安全在尾矿库坝体整体安全中有着十分重要的地位。

在对尾矿库坝体渗流的研究中，现有的实验装置的渗流作用都是假定为净水，没有考虑细小尾矿颗粒的运动和沉积，实际上尾矿库中的尾矿砂存在很大的孔隙，且完全由于自然固结很容易被水冲击发生移动。浑水渗流过程是一种复杂的物理过程，除了沉积情况外，还需要研究其渗透系数随着孔隙率的变化情况，以及由于孔隙率和渗透系数的变化对整个渗流路径的影响。

因此，考虑浑水的渗流作用，对于尾矿库坝体稳定性研究更具有实际意义。通过调节不同的水头高度以及不同的入渗角度，建立浑水渗流作用下尾矿库坝体流固耦合数学模型是尾矿库坝体稳定性问题分析的关键。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种浑水入渗实验装置，该装置能够实现浑水自动搅拌、水头高度及浑水入渗角度调节功能，通过支架升降使物料装卸更加方便；整个装置安全稳定，机动灵活，结构简单，操作方便，自动化程度较高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种浑水入渗实验装置，包括底座，在底座上垂直设置有若干根滑道，所述滑道形成架体，在架体的上部设置有升降机构，升降机构的下部设置有升降机构架体，升降机构架体由上、下固定梁及支撑梁组成，在升降机构架体的外侧设置有升降滚轮，升降滚轮设置在滑道内，并能在滑道内上、下滑动；支撑梁为竖直方向设置，上、下固定梁分别设置在支撑梁的上、下端，在上、下固定梁之间的支撑梁上设置有承载板；在升降机构架体的上方设置有左、右平台滑道，左、右平台滑道的下端固定在升降机构架体上，在左、右平台滑道之间水平方向上设置有平台，在平台上设置有具有搅拌机的水箱，在水箱侧壁上部设置有溢流孔；在水箱侧壁上设置有液位计，液位计的底部与水箱底部相连通，在平台上设置有位移传感器，位移传感器上的拉线垂直固定在承载板上，平台的左、右两侧设置有滚轮，所述滚轮设置在平台滑道内，并能在平台滑道内上、下滑动；在升降机构架体与平台之间设置有丝杆升降机及驱动电机，丝杆升降机的输入轴与驱动电机的电机轴相连接，在升降机构架体的下部固定设置有滑轮横梁，在滑轮横梁下部设置有定滑轮；在下固定梁上水平固定设置有悬臂梁，且悬臂梁的前部设置在升降机构架体的前方，在悬臂梁前上部设置有悬臂梁凹槽；在悬臂梁上设置具有注水口和出水口的土柱，所述水箱的出水口与土柱的注水口通过入渗管相连接，在土柱上设置有土柱挂杆，土柱挂杆设置在悬臂梁凹槽内；在土柱的侧壁上设置有若干个出水口，在土柱的侧壁和底部的出水口处设置有流量计；在土柱的注水口、侧壁和底部的出水口处均设置有泥沙浓度测量仪，在悬臂梁凹槽的外侧固定设置有角度表盘，在悬臂梁上部、土柱挂杆的上方设置有卡扣；在升降机构的下方设置有折叠梁，折叠梁由相互之间铰链连接的上、下连接杆组成，上连接杆的另一端与下固定梁铰接，下连接杆的另一端与底座铰接，在下连接杆之间固定设置有上推横梁，上推横梁的中部与液压油缸的一端相铰接，液压油缸的另一端与底座相铰接；在所述架体后部的滑道之间设置有绳索梁，且绳索梁设置在升降机构下方，在绳索梁上设置有绳索孔；所述土柱下部与绳索的一端相连接，绳索的另一端依次通过定滑轮、绳索孔与配重块相连接；所述位移传感器、流量计和泥沙浓度测量仪分别通过数据线与数据采集仪相连接，数据采集仪通过数据线与计算机相连接。

所述丝杆升降机及驱动电机固定在承载板上，在平台底部的中央设置有平台凹槽，在承载板上设置有通孔，丝杆升降机的丝杆上端设置在平台凹槽内，丝杆下端通过承载板上的通孔设置在承载板的下方。

在所述平台凹槽与丝杆上端的接触面上填充有润滑脂。

在所述平台的左、右两侧设置有滚轮固定梁，所述滚轮设置在滚轮固定梁的上、下端。

在所述下固定梁上设置有固定梁固定铰支座，所述上连接杆与下固定梁上的固定梁固定铰支座铰接。

在所述底座上设置有底座固定铰支座，所述下连接杆与底座上的底座固定铰支座铰接。

在所述上推横梁的中部和底座上分别设置有上推横梁固定铰支座和第二底座固定铰支座，所述液压油缸的两端分别与上推横梁固定铰支座和第二底座固定铰支座铰接。

所述滑道和平台滑道均采用U型钢。

在所述架体的下部设置有若干个移动滚轮。

本发明的有益效果：

本发明提供一种浑水入渗实验装置，该装置能够实现浑水自动搅拌、水头高度及浑水入渗角度调节功能。通过支架升降使物料装卸更加方便。整个装置安全稳定，机动灵活，结构简单，操作方便，自动化程度较高。

附图说明

图1是去掉数据采集仪和计算机的本发明的浑水入渗实验装置的结构示意图；

图2是与数据采集仪和计算机连接后的土柱的结构示意图；

图3是去掉土柱、小车和水箱的本发明的浑水入渗实验装置的结构示意图；

图4是图3的侧视图；

图5是升降机构架体、承载板、滑轮横梁和定滑轮安装后的结构示意图；

图6是本发明的升降机构的结构示意图；

图7是图6的侧视图；

其中，1—底座，2—滑道，3—升降机构，4—支撑梁，5—上固定梁，6—下固定梁，7—升降滚轮，8—通孔，9—承载板，10—平台滑道，11—平台，12—位移传感器，13—滚轮，14—平台凹槽，15—丝杆升降机，16—驱动电机，17—悬臂梁，18—角度表盘，19—卡扣，20—上连接杆，21—下连接杆，22—液压油缸，23—上推横梁，24—配重块，25—绳索孔，26—固定梁固定铰支座，27—底座固定铰支座，28—上推横梁固定铰支座，29—第二底座固定铰支座，30—移动滚轮，31—定滑轮，32--斜拉杆，33—稳固梁，34—土柱，35--入渗管，36—搅拌机电机，37—水箱，38—液位计，39--小车，40—绳索，41--泥沙浓度测量仪，42--流量计，43—出水口，44—水桶，45--数据采集仪，46--计算机，47—土柱挂杆，48--滑轮横梁，49--滚轮固定梁，50--绳索梁，51—架体，52—升降机构架体，53—折叠梁，54—悬臂梁凹槽，55—溢流孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～图7所示，一种浑水入渗实验装置，包括底座1，在底座1上垂直设置有若干根滑道2，所述滑道2形成架体51，在架体51的上部设置有升降机构3，升降机构3的下部设置有升降机构架体52，升降机构架体52由上、下固定梁及支撑梁4组成，在升降机构架体52的外侧设置有升降滚轮7，升降滚轮7设置在滑道2内，并能在滑道2内上、下滑动；支撑梁4为竖直方向设置，上、下固定梁分别设置在支撑梁4的上、下端，在上、下固定梁之间的支撑梁4上设置有承载板9；在升降机构架体52的上方设置有左、右平台滑道10，左、右平台滑道10的下端固定在升降机构架体52上，在左、右平台滑道10之间水平方向上设置有平台11，在平台11上设置有具有搅拌机的水箱37，在水箱37底部周边设置有四个连接底座，连接底座与平台11之间通过螺栓固定，在水箱37侧壁三分之一处设置有溢流孔55；在水箱37侧壁上设置有液位计38，液位计38的底部与水箱37底部相连通，在平台11上设置有位移传感器12，位移传感器12上的拉线垂直固定在承载板9上；平台11的左、右两侧设置有滚轮13，所述滚轮13设置在平台滑道10内，并能在平台滑道10内上、下滑动；在升降机构架体52与平台11之间设置有丝杆升降机15及驱动电机16，丝杆升降机15的输入轴与驱动电机16的电机轴相连接，在升降机构架体52的下部、避开丝杆升降机15的丝杆下端对应位置固定设置有滑轮横梁48，在滑轮横梁48下部设置有定滑轮31；在下固定梁6上水平固定设置有悬臂梁17，且悬臂梁17的前部设置在升降机构架体52的前方，在悬臂梁17前上部设置有悬臂梁凹槽54，在悬臂梁17上设置具有注水口和出水口43的土柱34，所述水箱37的出水口与土柱34的注水口通过橡胶的入渗管35相连接，在土柱34上设置有土柱挂杆47，土柱挂杆47设置在悬臂梁凹槽54内；在土柱34的侧壁上设置有若干个出水口43，在土柱34的侧壁和底部的出水口43处设置有流量计42；在土柱34的注水口、侧壁和底部的出水口43处均设置有泥沙浓度测量仪41，实现对土柱34的注水口，出水口43泥沙含量的实时监控；在悬臂梁凹槽54的外侧固定设置有角度表盘18，且角度表盘18上的零刻度在最上方，角度表盘18用来实现对悬挂物角度的精确控制，在悬臂梁17上部、土柱挂杆47的上方设置有卡扣19；在升降机构3的下方设置有折叠梁53，折叠梁53由相互之间铰链连接的上、下连接杆组成，上连接杆20的另一端与下固定梁6铰接，下连接杆21的另一端与底座1铰接，在下连接杆21之间固定设置有上推横梁23，上推横梁23的中部与液压油缸22的一端相铰接，液压油缸22的另一端与底座1相铰接；在所述架体51后部的滑道2之间设置有绳索梁50，且绳索梁50设置在升降机构3下方，在绳索梁50上设置有绳索孔25，所述土柱34下部与绳索40的一端相连接，绳索40的另一端绕过定滑轮31、穿过绳索孔25与配重块24相连接；所述位移传感器12、流量计42和泥沙浓度测量仪41分别通过数据线与数据采集仪45相连接，数据采集仪45通过数据线与计算机46相连接。

所述丝杆升降机15及驱动电机16固定在承载板9上，在平台11底部的中央设置有平台凹槽14，在承载板9上设置有通孔8，丝杆升降机15的顶板式丝杆上端设置在平台凹槽14内，丝杆下端通过承载板9上的通孔8设置在承载板9的下方。

在所述平台凹槽14与顶板式丝杆上端的接触面上填充有润滑脂。

为了平台11能够更加稳定地沿着平台滑道10上、下滑动，在所述平台11的左、右两侧设置有滚轮固定梁49，所述滚轮13设置在滚轮固定梁49的上、下端。

在所述下固定梁6上设置有固定梁固定铰支座26，所述上连接杆20与下固定梁21上的固定梁固定铰支座26铰接。

在所述底座1上设置有底座固定铰支座27，所述下连接杆21与底座1上的底座固定铰支座27铰接。

在所述上推横梁23的中部和底座1上分别设置有上推横梁固定铰支座28和第二底座固定铰支座29，所述液压油缸22的两端分别与上推横梁固定铰支座28和第二底座固定铰支座29铰接。

所述滑道2和平台滑道10均采用U型钢。

在所述平台滑道10与上固定梁5之间、上固定梁5与悬臂梁17之间以及架体51的后部均固定设置有斜拉杆32，用来实现本发明的稳固、安全。

在所述架体51的下部设置有若干个移动滚轮30，方便架体51的整体移动。

在所述架体51的上部、相邻滑道2之间设置有稳固梁33，实现架体51的稳固、安全。

在所述土柱34下方设置有水桶44，使土柱34内的浑水从不同高度的土柱出水口43经管道流入水桶44中。

为了便于移动土柱34，本发明配备有小车39。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

如图1～图7所示，本实施例采用的土柱34由3段柱形结构组成，将沙子以5㎝高度为一层，层层进行夯实，一直将土柱34填充，确保沙子密实的充满整个土柱34。实验前，准备沙子与水的比例为1比3的浑水。

实验时，关闭水箱37出水口的阀门，通过水泵将准备好的浑水注入水箱37中，高于溢流孔55的浑水将通过溢流孔55排出，并在实验过程中观察水箱37上的液位计38，保持水箱37中的浑水一直在溢流孔55的高度。通过丝杆升降机15调整水箱37底部与土柱34顶部的距离，并通过位移传感器12确定水箱37底部与土柱34顶部的距离，例如10cm；再调整不同入渗角度，例如30°，即调整土柱34与水平面的夹角为60°；开启水箱37顶部的搅拌机电机36，通过水箱37内的搅拌叶片对水箱37内的浑水进行搅拌5分钟，直至浑水混合均匀。打开水箱37出水口的阀门，使浑水流入土柱34内，土柱34内的浑水通过不同高度的土柱出水口43经管道流入土柱34外的水桶44中。通过土柱34上的流量计42与泥沙浓度测量仪41测量不同高度土柱出水口43的浑水流量与泥沙含量，所述位移传感器12、流量计42和泥沙浓度测量仪41分别将测得的数据通过数据线输送至数据采集仪45，数据采集仪45通过数据线将采集的数据输送至计算机46，进而对数据进行研究，并得出结论；在实验过程中，水箱37顶部的搅拌机电机36一直处于工作状态。

所述调节土柱34与水平面的夹角的方法：对液压油缸22供油，使平台11缓缓升起，由于配重块24不能通过绳索孔25，绳索40对土柱34进行拉扯，土柱34在绳索40的拉力下顺时针转动，当土柱挂杆47上的基准线与角度表盘18的30°重合时，停止对液压油缸22供油。

再次通过丝杆升降机15调整水箱37底部与土柱34顶部的距离，并通过位移传感器12确定水箱37底部与土柱34顶部的距离，例如20cm；再次调整不同入渗角度，例如60°，即调整土柱34与水平面的夹角为30°，采集数据并与上一次实验进行对比。

可进行多次采集数据并与已有的数据进行对比。

若进行垂直角度入渗，即调整土柱34与水平面垂直，则在开始时不将土柱34与绳索40连接，直接实验。

所述位移传感器12采用的是型号为TWLC的小型拉线式位移传感器，所述丝杆升降机15的型号为WB005JWB010JWB025，所述流量计42采用的是型号为BY-LDE的小口径电磁流量计，所述泥沙浓度测量仪41采用的是型号为AQUAscat1000L泥沙浓度测量仪。

Claims (9)

1.一种浑水入渗实验装置，其特征在于包括底座，在底座上垂直设置有若干根滑道，所述滑道形成架体，在架体的上部设置有升降机构，升降机构的下部设置有升降机构架体，升降机构架体由上、下固定梁及支撑梁组成，在升降机构架体的外侧设置有升降滚轮，升降滚轮设置在滑道内，并能在滑道内上、下滑动；支撑梁为竖直方向设置，上、下固定梁分别设置在支撑梁的上、下端，在上、下固定梁之间的支撑梁上设置有承载板；在升降机构架体的上方设置有左、右平台滑道，左、右平台滑道的下端固定在升降机构架体上，在左、右平台滑道之间水平方向上设置有平台，在平台上设置有具有搅拌机的水箱，在水箱侧壁上部设置有溢流孔；在水箱侧壁上设置有液位计，液位计的底部与水箱底部相连通，在平台上设置有位移传感器，位移传感器上的拉线垂直固定在承载板上，平台的左、右两侧设置有滚轮，所述滚轮设置在平台滑道内，并能在平台滑道内上、下滑动，在升降机构架体与平台之间设置有丝杆升降机及驱动电机，丝杆升降机的输入轴与驱动电机的电机轴相连接，在升降机构架体的下部固定设置有滑轮横梁，在滑轮横梁下部设置有定滑轮；在下固定梁上水平固定设置有悬臂梁，且悬臂梁的前部设置在升降机构架体的前方，在悬臂梁前上部设置有悬臂梁凹槽；在悬臂梁上设置具有注水口和出水口的土柱，所述水箱的出水口与土柱的注水口通过入渗管相连接，在土柱上设置有土柱挂杆，土柱挂杆设置在悬臂梁凹槽内；在土柱的侧壁上设置有若干个出水口，在土柱的侧壁和底部的出水口处设置有流量计；在土柱的注水口、侧壁和底部的出水口处均设置有泥沙浓度测量仪，在悬臂梁凹槽的外侧固定设置有角度表盘，在悬臂梁上部、土柱挂杆的上方设置有卡扣；在升降机构的下方设置有折叠梁，折叠梁由相互之间铰链连接的上、下连接杆组成，上连接杆的另一端与下固定梁铰接，下连接杆的另一端与底座铰接，在下连接杆之间固定设置有上推横梁，上推横梁的中部与液压油缸的一端相铰接，液压油缸的另一端与底座相铰接；在所述架体后部的滑道之间设置有绳索梁，且绳索梁设置在升降机构下方，在绳索梁上设置有绳索孔；所述土柱下部与绳索的一端相连接，绳索的另一端依次通过定滑轮、绳索孔与配重块相连接；所述位移传感器、流量计和泥沙浓度测量仪分别通过数据线与数据采集仪相连接，数据采集仪通过数据线与计算机相连接。

2.根据权利要求1所述的浑水入渗实验装置,其特征在于所述丝杆升降机及驱动电机固定在承载板上，在平台底部的中央设置有平台凹槽，在承载板上设置有通孔，丝杆升降机的丝杆上端设置在平台凹槽内，丝杆下端通过承载板上的通孔设置在承载板的下方。

3.根据权利要求2所述的浑水入渗实验装置,其特征在于在所述平台凹槽与丝杆上端的接触面上填充有润滑脂。

4.根据权利要求1所述的浑水入渗实验装置,其特征在于在所述平台的左、右两侧设置有滚轮固定梁，所述滚轮设置在滚轮固定梁的上、下端。

5.根据权利要求1所述的浑水入渗实验装置,其特征在于在所述下固定梁上设置有固定梁固定铰支座，所述上连接杆与下固定梁上的固定梁固定铰支座铰接。

6.根据权利要求1所述的浑水入渗实验装置,其特征在于在所述底座上设置有底座固定铰支座，所述下连接杆与底座上的底座固定铰支座铰接。

7.根据权利要求1所述的浑水入渗实验装置,其特征在于在所述上推横梁的中部和底座上分别设置有上推横梁固定铰支座和第二底座固定铰支座，所述液压油缸的两端分别与上推横梁固定铰支座和第二底座固定铰支座铰接。

8.根据权利要求1所述的浑水入渗实验装置,其特征在于所述滑道和平台滑道均采用U型钢。

9.根据权利要求1所述的浑水入渗实验装置,其特征在于在所述架体的下部设置有若干个移动滚轮。