CN105136638A - 尾矿坝渗流场相似模拟试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种尾矿坝渗流场相似模拟试验系统及方法，根据弗劳德相似准则制作了模拟系统，包括尾矿坝模型和辅助结构，尾矿坝模型包括初期坝和后期坝，辅助结构包括试验台、外边框、测压管；尾矿坝模型设置于试验台上；尾矿坝模型被外边框四面围挡，被围挡的四面是底面、后期坝一侧面及两个横断面，初期坝一侧面及顶面不进行围挡；测压管间隔垂直排布在尾矿坝模型中，且位于同一个横断面上。通过对模型渗流特性的直观观察和数据记录，并根据长度比尺推算出原型的浸润线位置、渗流量和渗流速度，从而对工程中的尾矿坝的排水工程、尾矿坝稳定性评价和尾矿坝安全管理等工作提供指导。

Description

尾矿坝渗流场相似模拟试验系统及方法

技术领域

本发明属于水工模型技术领域，具体涉及一种尾矿坝渗流场相似模拟系统及方法。

背景技术

尾矿坝是指在河道、山谷口或洼地的周围筑坝，将非金属或金属矿山进行矿石精选后的尾矿或固体废料排入其内进行沉淀和堆存的储存场所。

尾矿坝的浸润线是指库内水位与放矿过程中渗水形成的坝体内部地下水位线，由于尾矿库是自然沉积的散粒体，这就决定了坝体浸润线是尾矿坝的生命线，它是直接影响坝体稳定性的最重要因素之一。目前大多采用有限元方法和水力学法对尾矿坝的浸润线进行计算，其中有限元法需要建立准确的模型，而真实的尾矿坝各层尾矿砂的物理性质是不同的，所以建模会有很大的困难，水力学法是一种简单的计算浸润线的方法，其中有很多的基本假定，因而计算结果会有很大的误差。而通过尾矿坝相似材料模拟试验技术可以更准确直观的反应出浸润线的位置。相似材料模拟试验是以相似理论为基础的模型试验技术，是利用事物或现象间存在的相似和类似等特征来研究自然规律的一种方法。它特别适用于那些难以用理论分析方法获取结果的研究领域，同时也是一种用于对理论研究结果进行对比分析和比较验证的有效手段。

发明内容

针对现有技术中对尾矿坝浸润线计算的缺陷，本发明旨在提供一种尾矿坝渗流场的相似模拟试验系统及方法，以最大程度模拟原型尾矿坝的渗流场情况，通过直观地观察渗流规律，并根据观测数据对原型坝的排水、稳定性、安全管理等提供指导。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种尾矿坝渗流场相似模拟试验系统，包括尾矿坝模型和辅助结构，尾矿坝模型包括初期坝和后期坝，辅助结构包括试验台、外边框、测压管；尾矿坝模型设置于试验台上；尾矿坝模型被外边框四面围挡，被围挡的四面是底面、后期坝一侧面及两个横断面，初期坝一侧面及顶面不进行围挡；测压管间隔垂直排布在尾矿坝模型中，且位于同一个横断面上。

所述尾矿坝模型由分层注水筑坝法建造而成，首先用砂石修筑初期坝，然后在初期坝内加入尾矿砂，加至与初期坝齐平，然后向尾矿砂内注水，加至水位与初期坝顶部齐平，静置两小时后，用尾矿砂修筑初期坝上一层的一级子坝，同样在一级子坝内加入尾矿砂至与一级子坝齐平，然后向尾矿砂内注水至与一级子坝齐平，同样静置两小时后修筑二级子坝，直到修筑至尾矿坝坝顶，修筑完成后静置几天至测压管中没有水。

所述外边框由透明材料制成，优选有机玻璃，可以方便观察模型内部情况。外边框的3个立面和1个底面用胶粘牢，保证接口不渗水。

在外边框的前横断面侧面的左边和底边粘上纸尺，建立直角坐标系。

保证外边框的最底边离地面不小于40厘米，以保证漏斗和量筒有足够的空间放置。

在外边框的后期坝一侧上设置供液管，供液管的高度高于后期坝高度，供液管连接一水泵，水泵用于向供液管中泵水，以向尾矿坝模型内均匀注水。

在外边框后期坝一侧的水位线位置安装溢流管，使注水时水位线保持恒定。

在初期坝一侧的试验台下方安装一支漏斗，漏斗下方放置量筒，用于盛接透过初期坝的水并实时准确测量水的体积。

所述测压管位于与外边框相接触的横断面上，以方便观测其中水的高度，且测压管等距分布，测压管的下端口用纱布缠住，下端口顶在外边框的底面，测压管的高度大于等于水位线高度。

一种基于上述尾矿坝渗流场相似模拟试验系统的试验方法，以弗劳德相似准则(F_r)_p＝(F_r)_m设计模型，包括以下步骤：

(1)选取待模拟尾矿坝的垂直剖面；

(2)根据该尾矿坝的相关资料绘出该剖面的原型二维图；

(3)选择运动粘度比尺λ_υ＝1，根据原型规模选取长度比尺λ_l，并根据弗劳德相似准则推导出渗流速度比尺λ_v＝λ_l ^1/2，渗流量比尺λ_Q＝λ_l ^5/2；

(4)根据所选λ_l绘制该剖面的模型二维图；

(5)根据模型二维图制作相似模拟试验系统；

(6)打开水泵、供液管阀门，向尾矿坝模型内均匀注水，加至与水位线齐平，齐平后开始计时，每隔一段固定时间t记录量筒读数V_n，并用相机拍摄测压管水位以记录所有测压管在同一时间的水位值h_ni，其中n＝1,2,3……,n，代表记录的次数，i＝1,2,3……,i，代表测压管的编号；

(7)模型数据计算：根据上一步记录的数据计算模型渗流量并求取平均值根据渗流量计算模型渗流速度并求取平均值计算测压管高度平均值其中b是模型的厚度；

(8)原型数据处理：根据渗流量比尺求得原型渗流量根据渗流速度比尺求得原型渗流速度根据长度比尺求得原型坝体内各位置水位高度根据以上数据绘制原型浸润线位置图。

所述步骤(2)中二维图中包括：初期坝几何形状、各级子坝几何形状、干滩位置、水位线位置，且尾矿坝底边的长度为坝高的4～5倍。

所述步骤(3)中λ_l取30～100。

所述步骤(5)中，尾矿坝模型的厚度为b＝0.2m，即尾矿坝模型的两个横断面之间的垂直距离为0.2m，尾矿坝模型边界的宽度和高度根据模型二维图定出，宽度和高度均比模型二维图的宽和高多出0.2m。

所述步骤(6)中，时间t优选5分钟，并连续记录2小时。

本发明通过构建尾矿坝渗流场的高相似度模型，利用相似材料模拟试验技术对原型尾矿坝渗流场进行模拟，可以有效、直观、准确的反应尾矿坝筑坝完成后坝体的渗流规律，包括浸润线位置、渗流量和渗流速度等，不仅可以验证渗流理论问题，而且可以对工程中的尾矿坝的排水工程、尾矿坝稳定性评价和尾矿坝安全管理等工作有很大的帮助。

附图说明

图1本发明实施例尾矿坝渗流场相似模拟试验系统结构示意图；

图2本发明实施例河东尾矿坝某危险剖面原型二维图；

图3本发明实施例河东尾矿坝某危险剖面模型二维图；

图4本发明实施例河东尾矿坝某危险剖面原型浸润线位置图。

图中，1-水泵；2-供液管；3-阀门；4-水位线；5-外边框；6-后期坝(子坝)；7-测压管；8-初期坝；9-漏斗；10-量筒；11-溢流管；12-试验台；13-通过模拟试验系统计算得到的原型浸润线；14-在线监测系统检测得到的原型浸润线。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。

1.原型的选择：

本试验选择河东尾矿坝作为试验模型。河东金矿尾矿库位于河东金矿选矿厂以南约700米的洼地上，占地面积约0.1187平方公里，四周筑坝。河东金矿初期坝为碾压土石坝。东侧坝段，坝顶标高80米，初期坝高28米，后期坝共5级子坝，子坝用尾矿砂堆筑，外坡覆土0.2～0.3米，并密植火炬树、山槐树、黑松。该坝段坝顶长88米，坝内边坡比为1：2.25，外边坡比为1：2.0，内外坡均铺复合土工膜防渗。经过现场查看和有关资料分析，由于东部坡段坡度较大且坝高较高，所以选择东部坡段的某一断面作为试验的原型。

2.模型的选择：

由于尾矿砂土孔隙的形状、大小及分布情况极其复杂，要详细地确定渗流在尾矿砂土孔隙通道中的流动情况极其困难，也无此必要。工程中所关心的是渗流的宏观平均效果，而不是孔隙内的流动细节，为此引入简化的渗流模型来代替实际的渗流。渗流模型是渗流区域(流体和空隙介质所占据的空间)的边界条件保持不变，略去全部尾矿砂土颗粒，认为渗流区连续充满流体。

3.相似准则的选择：

在流体模型中，堰顶溢流、闸孔出流、明渠流动等，重力起主要作用，应按弗劳德准则设计模型，根据渗流模型选择雷诺相似准则。在尾矿坝渗流问题中，重力起主要作用，因此选用弗劳德相似准则。

弗劳德相似准则：

(F_r)_p＝(F_r)_m

即

(F_r)_p——原型弗劳德数

(F_r)_m——模型弗劳德数

l_p——原型几何长度

l_m——模型几何长度

v_p——原型流速

v_m——模型流速

g_p——原型重力加速度

g_m——模型重力加速度

4.相似条件的确定：

选择运动粘度比尺λ_υ＝1，可用分层注水法保证λ_υ＝1，选择合适的长度比尺λ_l，根据弗劳德相似准则可推导流速比尺λ_v＝λ_l ^1/2，流量比尺λ_Q＝λ_l ^5/2，各相似比尺如表1所示。

表1试验相似比例系数

5.相似材料的选取：

为了满足试验材料的相似条件，确保试验结果的相对可靠性，即λ_υ＝1，此模型材料均选用现场尾矿坝堆坝用尾矿砂，并用分层注水筑坝法加以保证；用砂石代替初期坝材料。

6.试验所需材料和仪器：

有机玻璃、测压管、纱布、纸尺、溢流管、供液管、水泵、漏斗、量筒、秒表、相机、尾矿砂、砂石等。

7.试验步骤：

(1)选取待模拟尾矿坝的垂直剖面(河东尾矿坝)。

(2)根据该尾矿坝的相关资料绘出该剖面的原型二维图。该二维图包括：初期坝8几何形状、各级子坝6几何形状、干滩位置、水位线4位置，原型二维图如图2所示。注：尾矿坝底边的长度应为坝高的4～5倍，本试验选取4.5倍。

(3)选取适当的λ_l，一般λ_l取30～100，本试验选取λ_l＝80。

(4)根据所选λ_l绘制该剖面的模型二维图，如图3所示。

(5)根据模型二维图制作模型的外边框5。选择模型的厚度为0.2m，模型边界的宽度和高度分别为4.7m和1.2m。模型的外边框5选用有机玻璃材料，裁出模型边框的前后两面、底面、左立面，将这四个平面用有玻璃胶粘牢，保证接口不会渗水。

(6)在外边框5的前面的有机玻璃的左边和底边粘上纸尺，建立直角坐标系。

(7)将外边框5固定在试验台12上，安装时保证外边框5不倾斜，保证外边框5的最底边离地面不小于40厘米。

(8)在外边框5的前面的有机玻璃内侧，从坐标原点开始，每隔30厘米竖直安装一个测压管7，共设置14个测压管7。测压管7的下端口用纱布缠住，下端口顶在外边框5的底面；测压管7的高度不能小于水位线4高度。

(9)在外边框5的左立面的水位线4位置安装溢流管11，使注水时水位线4保持恒定。

(10)在外边框5的左立面的水位线4的上方位置安装供液管2，通过水泵1供水。

(11)在模型的右下侧安装一支漏斗9，下方放置量筒10。

(12)筑坝：用分层注水筑坝法筑坝，首先在对应的位置用砂石修筑初期坝8，然后在初期坝8内加入尾矿砂，加至与初期坝8齐平，然后向尾矿砂内注水，加至水位与初期坝顶部齐平，静置2小时后，用尾矿砂修筑初期坝上一层的一级子坝6，同样在一级子坝6内加入尾矿砂至与一级子坝6齐平，然后向尾矿砂内注水至与一级子坝6齐平，同样静置两小时后修筑二级子坝6，直到修筑至尾矿坝坝顶，修筑完成后静置几天至测压管中没有水。制作完成的尾矿坝渗流场相似模拟试验系统结构示意图如图1所示。

(13)打开水泵1，打开供液管2的阀门3，向尾矿坝模型内均匀注水，加至与水位线4齐平，齐平后开始计时，每隔五分钟记录量筒10读数，并用相机拍摄测压管7水位，连续记录2小时，记录25次，记录表如表2所示：

表2试验观测测压管及量筒记录值

(14)数据处理。根据记录数据求出试验模型渗流量如表3所示；模型渗流速度如表4所示：

表3模型渗流量

表4模型测压管水位高度和渗流速度

根据渗流量相似比尺求得原型渗流量

即

根据渗流速度相似比尺求得原型渗流速度如表5所示；根据长度比尺求得原型坝体内各位置水位高度如表6所示：

表5原型渗流速度

表6原型坝体内各位置水位高度

(15)数据分析。通过试验求得渗流量和渗流速度绘制浸润线13的位置图，如图4所示。

依据《尾矿库安全监测技术规范》和《选矿厂尾矿设施设计规范》，分析试验得出的该断面浸润线13的位置和渗流量，该断面排渗正常，能满足尾矿坝的正常运行。

图4中还显示了尾矿坝在线监测系统对该断面正常运行状态下浸润线14的实际监测图，该系统通过渗压计对浸润线14高度的变化进行安全在线实时监测，结合尾矿库设计单位所设定的浸润线深度等，严格依据《尾矿库安全技术规程》等规范要求，在该断面合理布置4个监测点，科学分析监测结果和系统设定发出预警信息，该系统可以监测到坝体浸润线所产生的达到毫米级的水位微小变化状况，可以认为该系统监测到的浸润线14与实际浸润线高度基本一致。

通过在线监测系统得到该断面浸润线14的位置，通过尾矿坝渗流场模拟试验系统计算得到该断面浸润线13的位置，通过对比，二者基本一致，误差不大于2％。

Claims (10)

1.一种尾矿坝渗流场相似模拟试验系统，其特征在于，包括尾矿坝模型和辅助结构，尾矿坝模型包括初期坝(8)和后期坝(6)，辅助结构包括试验台(12)、外边框(5)、测压管(7)；尾矿坝模型设置于试验台(12)上；尾矿坝模型被外边框(5)四面围挡，被围挡的四面是底面、后期坝(6)一侧面及两个横断面，初期坝(8)一侧面及顶面不进行围挡；测压管(7)间隔垂直排布在尾矿坝模型中，且位于同一个横断面上。

2.根据权利要求1所述的尾矿坝渗流场相似模拟试验系统，其特征在于，所述尾矿坝模型由分层注水筑坝法建造而成，首先用砂石修筑初期坝(8)，然后在初期坝(8)内加入尾矿砂，加至与初期坝(8)齐平，然后向尾矿砂内注水，加至水位与初期坝(8)顶部齐平，静置两小时后，用尾矿砂修筑初期坝(8)上一层的一级子坝，同样在一级子坝内加入尾矿砂至与一级子坝齐平，然后向尾矿砂内注水至与一级子坝齐平，同样静置两小时后修筑二级子坝，直到修筑至尾矿坝坝顶，修筑完成后静置几天至测压管(7)中没有水。

3.根据权利要求1或2所述的尾矿坝渗流场相似模拟试验系统，其特征在于，所述外边框(5)由透明材料制成，在外边框(5)的前横断面侧面的左边和底边粘上纸尺，建立直角坐标系，外边框(5)的最底边离地面不小于40厘米。

4.根据权利要求1或2所述的尾矿坝渗流场相似模拟试验系统，其特征在于，在外边框(5)的后期坝(6)一侧上设置供液管(2)，供液管(2)的高度高于后期坝(6)高度，供液管(2)连接一水泵(1)；在外边框(5)后期坝一侧的水位线(4)位置安装溢流管(11)。

5.根据权利要求1或2所述的尾矿坝渗流场相似模拟试验系统，其特征在于，在初期坝(8)一侧的试验台(12)下方安装一支漏斗(9)，漏斗(9)下方放置量筒(10)。

6.根据权利要求1或2所述的尾矿坝渗流场相似模拟试验系统，其特征在于，所述测压管(7)位于与外边框(5)相接触的横断面上，且测压管(7)等距分布，测压管(7)的下端口用纱布缠住，下端口顶在外边框(5)的底面，测压管(7)的高度大于等于水位线(4)高度。

7.一种基于上述尾矿坝渗流场相似模拟试验系统的试验方法，其特征在于，以弗劳德相似准则(F_r)_p＝(F_r)_m设计模型，包括以下步骤：

(1)选取待模拟尾矿坝的垂直剖面；

(2)根据该尾矿坝的相关资料绘出该剖面的原型二维图；

(3)选择运动粘度比尺λ_υ＝1，根据原型规模选取长度比尺λ_l，并根据弗劳德相似准则推导出渗流速度比尺λ_v＝λ_l ^1/2，渗流量比尺λ_Q＝λ_l ^5/2；

(4)根据所选λ_l绘制该剖面的模型二维图；

(5)根据模型二维图制作相似模拟试验系统；

(6)打开水泵、供液管阀门，向尾矿坝模型内均匀注水，加至与水位线齐平，齐平后开始计时，每隔一段固定时间t记录量筒读数V_n，并用相机拍摄测压管水位以记录所有测压管在同一时间的水位值h_ni，其中n＝1,2,3……,n，代表记录的次数，i＝1,2,3……,i，代表测压管的编号；

(7)模型数据计算：根据上一步记录的数据计算模型渗流量并求取平均值根据渗流量计算模型渗流速度并求取平均值计算测压管高度平均值式中b是模型的厚度；

(8)原型数据处理：根据渗流量比尺求得原型渗流量根据渗流速度比尺求得原型渗流速度根据长度比尺求得原型坝体内各位置水位高度根据以上数据绘制原型浸润线位置图。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中二维图中包括：初期坝几何形状、各级子坝几何形状、干滩位置、水位线位置，且尾矿坝底边的长度为坝高的4～5倍。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中λ_l取30～100。

10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述步骤(6)中，时间t为5分钟，并连续记录2小时。