CN106093316B - 一种降雨作用下尾矿坝漫坝模拟实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降雨作用下尾矿坝漫坝模拟实验装置及实验方法,属于降雨作用下尾矿坝漫坝的理论与实验技术领域。从理论和试验技术两个方面相结合,共同揭示尾矿坝漫坝机理。实验装置包括水循环及静水荷载施加系统,模拟降雨系统,水平度控制系统,模拟库区系统;模拟库区系统在模拟真实现场条件降雨时需将坝体属性替换体换成真实材料。本发明将基于过水断面形状的微分静水压力理论与模拟真实降雨条件的相似实验相结合,并且有节水环保、成本低廉、动静荷载施加方便灵活、坝体属性灵活替换、可控性高等优点。
Description
技术领域
本发明属于降雨作用下尾矿坝漫坝的理论与实验技术领域,公开了一种降雨作用下尾矿坝漫坝模拟实验装置及实验方法。
背景技术
大量的尾矿坝溃坝机制表明:尾矿库作为一种具有高势能的人造泥石流危险源,无论是闭库、废库还是在运行期,都存在着不同程度的安全隐患。宏观的把握众多尾矿坝溃坝原因,无论是渗透、冲刷、漫顶还是液化等原因都和水因素有关。洪水漫顶虽然称不上是最频繁、最主要的破坏形式,但是洪水漫顶导致的尾矿坝溃坝事故所造成的负面影响却是空前的。有直接数据,1985年8月25日,湖南柿竹园有色矿牛角垄尾矿库漫顶溃坝事故,矿区直接经济损失1300万元。由此可见,降雨作用下尾矿坝稳定问题的研究对于保障矿山安全和减少国民经济损失具有重大意义。
目前,国内外研究方向主要集中在尾矿库工程对周围环境的影响及其自身稳定性问题、尾矿坝溃决的因素以及尾矿坝地质灾害与危险性评估等方面,针对尾矿坝漫顶溃坝机理的研究相对较少,且大部分文献将理论和实验分开研究,少数能够做到两种方法一起研究,也未能将其机理阐述清楚。分析大量国内外关于尾矿坝漫顶方面资料可以看出,在理论分析方面与设计实验方面大都依据岩土力学理论知识,对流体力学(特别是多孔介质中流体动力学)和泥沙运动力学的重视度不够。因此,设计一台能够基于流体力学、泥沙运动力学及岩土力学理论之上的实验器材,对于揭示降雨作用下尾矿坝漫顶机理具有关键性的帮助作用。
同时,针对降雨作用下尾矿坝漫顶溃坝时间模型的研究鲜有发表。现有的研究或者在二维坐标,或者在三维空间,大都脱离了时间维度。在四维时空下研究降雨作用下尾矿坝的稳定性将会更加精确的诠释其溃坝机理,同样对于防灾减灾意义深远。
发明内容
本发明的目的是提供一种在四维时空下从不同角度全面揭示降雨作用下尾矿坝漫坝机理实验装置,能够对最基本的不同坝高、上下游坡比、降雨强度、尾矿坝材料相似性进行模拟;实现对流体力学、泥沙运动力学和岩土力学的结合,揭示降雨作用下尾矿坝漫顶溃坝的机制;获得降雨作用下尾矿坝漫顶溃坝模型及溃坝时间模型,分别从理论和模拟实际现场降雨两个方面共同揭示尾矿坝漫坝机理。
本发明技术方案:一种降雨作用下尾矿坝漫坝模拟实验装置,包括水循环及静水荷载施加系统A、模拟降雨系统B、水平度控制系统C、模拟库区系统D,所述水循环及静水荷载施加系统A分别与模拟降雨系统B、模拟库区系统D相连;模拟库区系统D放置在水平度控制系统C上;
所述水循环及静水荷载施加系统A包括循环水箱1、潜水泵2、溢水管3、水头水箱4、溢水槽5、水头水箱给水制动阀6,所述循环水箱1与水头水箱4连接,循环水箱1与水头水箱4之间设有水头水箱给水制动阀6,循环水箱1内设有有潜水泵2,水头水箱4外侧设有溢水槽5,溢水槽5上设有溢水管3,溢水管3伸入循环水箱1内;
所述模拟降雨系统B包括降雨喷头13,所述循环水箱1与降雨喷头13之间通过橡胶管连接,橡胶管上面设置有降雨制动阀12;
所述水平度控制系统C包括水平度控制基座14,水平度控制基座14上设有横向卡尺15和纵向卡尺16,水平度控制基座14的四角上设有脚螺旋17;
所述模拟库区系统D包括一透明箱体,透明箱体内中部设有坝体模型22,坝体模型22上设有滤网20,透明箱体靠近给水管8一端内设有碱水19,碱水19中设有消能球18,透明箱体另一端设有回水过滤槽23,回水过滤槽23与回水管11相连并连接到循环水箱1上。
所述水循环及静水荷载施加系统A和模拟库区系统D之间通过给水管8连接,给水管8一端连接水头水箱4,另一端连接模拟库区系统D的透明箱体,给水管8上设置有水荷载总制动阀7、流量表9和微控阀10。
所述降雨喷头13设置在模拟库区系统之上,并覆盖其2/3的库面积。
所述滤网20浸有酚酞,依据过水断面流速在坝顶设置不同数量的滤网20。
所述消能球18集中布置在给水管8附近。
所述坝体模型22包括坝顶、可伸缩上游坡24、和可伸缩下游坡27;所述可伸缩上游坡24和可伸缩下游坡27分别通过第一转轴25和第二转轴26固定在坝顶上。
所述坝顶、可伸缩上游坡24和可伸缩下游坡27均为有机玻璃。
降雨作用下尾矿坝漫坝模拟实验装置的实验方法,包括过水断面形状实验和降雨条件模拟实验,其中过水断面形状实验步骤如下:
1)打开给水制动阀6,关闭降雨制动阀12,调节脚螺旋17使得横向卡尺15和纵向卡尺16的气泡居中;
2)将坝体模型22放置在模拟库区系统的透明箱体中,调节可伸缩上游坡24和可伸缩下游坡27的长度,通过第一转轴25和第二转轴26调节可伸缩上游坡24和可伸缩下游坡27的坡度;
3)根据过水断面流速在坝顶布置滤网20;
4)测量每个浸有酚酞的滤网20的过水断面长度和中间高度,并根据其间隔距离,绘制沿着坝肩方向的过水断面的总体形状;
降雨条件模拟实验步骤如下:
1)关闭给水制动阀6,打开降雨制动阀12;
2)将用实际尾矿材料制成的尾矿坝放置在模拟库区系统的透明箱体中,将孔隙水压力传感器22插入尾矿坝中;
3)记录孔隙水压力传感器22的数据,用数码相机记录溃口形成初期的形状,以及扩展情况。
本发明的有益效果:
1、本发明将基于过水断面形状的微分静水压力理论与模拟实际降雨条件的相似实验相结合,可以任意变换坝高、上下游坡比等参数。
2、本发明的模拟库区系统均采用透明的有机玻璃制作,在进行模拟实际降雨实验的核心部分中,能够很清晰的观察到尾矿坝模型从漫顶开始到溃坝的整个过程,并能在关键的时间节点做记录。
3、本发明可实现水自动循环,结构简单,经济实惠。
附图说明
图1是本发明各组成部分的结构示意图;
图2是本发明水循环及静水荷载施加系统示意图;
图3是本发明模拟降雨系统示意图;
图4是本发明水平度控制系统示意图;
图5是本发明模拟库区系统示意图;
图6是本发明坝体模型示意图;
图中各标号:1-循环水箱;2-潜水泵;3-溢水管;4-水头水箱;5-溢水槽;6-水头水箱给水制动阀;7-水荷载总制动阀;8-给水管;9-流量表;10-微控阀;11-回水管;12-降雨制动阀;13-降雨喷头;14-水平度控制基座;15-横向卡尺;16-纵向卡尺;17-脚螺旋;18-消能球;19-碱水;20-滤网;21-孔隙水压力传感器;22-坝体模型;23-回水过滤槽;24-可伸缩上游坡;25-第一转轴;26-第二转轴;27-可伸缩下游坡。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1:基于过水断面形状的微分静水压力理论方面的实验装置,如图1-6所示:包括水循环及静水荷载施加系统A、模拟降雨系统B、水平度控制系统C、模拟库区系统D,所述水循环及静水荷载施加系统A分别与模拟降雨系统B、模拟库区系统D相连;模拟库区系统放D置在水平度控制系统C上;
所述水循环及静水荷载施加系统A包括循环水箱1、潜水泵2、溢水管3、水头水箱4、溢水槽5、水头水箱给水制动阀6,所述循环水箱1与水头水箱4连接,循环水箱1与水头水箱4之间设有水头水箱给水制动阀6,循环水箱1内设有有潜水泵2,水头水箱4外侧设有溢水槽5,溢水槽5上设有溢水管3,溢水管3伸入循环水箱1内;
所述模拟降雨系统B包括降雨喷头13,所述循环水箱1与降雨喷头13之间通过橡胶管连接,橡胶管上面设置有降雨制动阀12;
所述水平度控制系统C包括水平度控制基座14,水平度控制基座14上设有横向卡尺15和纵向卡尺16,水平度控制基座14的四角上设有脚螺旋17;
所述模拟库区系统D包括一透明箱体,透明箱体内中部设有坝体模型22,坝体模型22上设有滤网20,透明箱体靠近给水管8一端内设有碱水19,碱水19中设有消能球18,透明箱体另一端设有回水过滤槽23,回水过滤槽23与回水管11相连并连接到循环水箱1上。
所述水循环及静水荷载施加系统A和模拟库区系统D之间通过给水管8连接,给水管8一端连接水头水箱4,另一端连接模拟库区系统D的透明箱体,给水管8上设置有水荷载总制动阀7、流量表9和微控阀10。
所述降雨喷头13设置在模拟库区系统之上,并覆盖其2/3的库面积。
所述滤网20浸有酚酞,依据过水断面流速在坝顶设置不同数量的滤网20。
所述消能球18集中布置在给水管8附近。
所述坝体模型22包括坝顶、可伸缩上游坡24、和可伸缩下游坡27;所述可伸缩上游坡24和可伸缩下游坡27分别通过第一转轴25和第二转轴26固定在坝顶上。
所述坝顶、可伸缩上游坡24和可伸缩下游坡27均为有机玻璃。
实验步骤如下:
1)打开给水制动阀6,关闭降雨制动阀12,调节脚螺旋17使得横向卡尺15和纵向卡尺16的气泡居中;
2)将坝体模型22通过硅酮密封胶固定在模拟库区系统的透明箱体中,调节可伸缩上游坡24和可伸缩下游坡27的长度,通过第一转轴25和第二转轴26调节可伸缩上游坡24和可伸缩下游坡27的坡度,调到所需角度时,可将第一转轴25和第二转轴26锁死固定;
3)根据过水断面流速在坝顶布置滤网20;当水流即将漫顶时应放置2张,当形成稳定的漫坝水流时应增加至6张。
4)测量每个浸有酚酞的滤网20的过水断面长度和中间高度,并根据其间隔距离,绘制沿着坝肩方向的过水断面的总体形状;
实施例2:模拟实际降雨条件的相似实验装置如图1-6所示:包括水循环及静水荷载施加系统A、模拟库区系统D,所述水循环及静水荷载施加系统A与模拟库区系统D相连;
所述水循环及静水荷载施加系统A包括循环水箱1、潜水泵2、溢水管3、水头水箱4、溢水槽5、水头水箱给水制动阀6,所述循环水箱1与水头水箱4连接,循环水箱1与水头水箱4之间设有水头水箱给水制动阀6,循环水箱1内设有有潜水泵2,水头水箱4外侧设有溢水槽5,溢水槽5上设有溢水管3,溢水管3伸入循环水箱1内;
所述模拟库区系统D包括一透明箱体,透明箱体靠近给水管8一端内设有碱水19,碱水19中设有消能球18,透明箱体另一端设有回水过滤槽23,回水过滤槽23与回水管11相连并连接到循环水箱1上,用来防止真实材料的尾矿坝体在冲刷过程中尾矿砂将回水管11阻塞。
所述水循环及静水荷载施加系统A和模拟库区系统D之间通过给水管8连接,给水管8一端连接水头水箱4,另一端连接模拟库区系统D的透明箱体,给水管8上设置有水荷载总制动阀7、流量表9和微控阀10。
所述消能球18集中布置在给水管8附近。
实验步骤如下:
1)关闭给水制动阀6,打开降雨制动阀12;
2)将用实际尾矿材料制成的尾矿坝放置在模拟库区系统的透明箱体中,将孔隙水压力传感器21插入尾矿坝中;
3)记录孔隙水压力传感器21的数据,用数码相机记录溃口形成初期的形状,以及扩展情况。
通过控制雨降制动阀12来实现模拟库区系统内的降雨,漫顶溃坝的过程分为三个宏观过程即漫顶之前、漫顶冲刷初期和漫顶冲刷后期(溃坝);整个过程均需要不断记录孔隙水压力传感器21的数据,并从第二阶段(漫顶冲刷初期)开始记录时间直到溃口形成,并且记录从第二阶段到第三阶段(漫顶冲刷后期)所用时间,用数码相机记录溃口形成初期的形状,以及扩展情况。
通过变换不同的降雨强度、不同的筑坝干密度、不同的上下游坡比重复上述步骤,可以刻画出整个坝体从漫顶到溃坝的整个过程,并能得到尾矿坝漫顶溃坝的时间模型。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施例,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种降雨作用下尾矿坝漫坝模拟实验装置,其特征在于:包括水循环及静水荷载施加系统(A)、模拟降雨系统(B)、水平度控制系统(C)、模拟库区系统(D),所述水循环及静水荷载施加系统(A)分别与模拟降雨系统(B)、模拟库区系统(D)相连,水循环及静水荷载施加系统(A)和模拟库区系统(D)之间通过给水管(8)连接;模拟库区系统(D)放置在水平度控制系统(C)上;
所述水循环及静水荷载施加系统(A)包括循环水箱(1)、潜水泵(2)、溢水管(3)、水头水箱(4)、溢水槽(5)、水头水箱给水制动阀(6),所述循环水箱(1)与水头水箱(4)连接,循环水箱(1)与水头水箱(4)之间设有水头水箱给水制动阀(6),循环水箱(1)内设有潜水泵(2),水头水箱(4)外侧设有溢水槽(5),溢水槽(5)上设有溢水管(3),溢水管(3)伸入循环水箱(1)内;
所述模拟降雨系统(B)包括降雨喷头(13),所述循环水箱(1)与降雨喷头(13)之间通过橡胶管连接,橡胶管上面设置有降雨制动阀(12);
所述水平度控制系统(C)包括水平度控制基座(14),水平度控制基座(14)上设有横向卡尺(15)和纵向卡尺(16),水平度控制基座(14)的四角上设有脚螺旋(17);
所述模拟库区系统(D)包括一透明箱体,透明箱体内中部设有坝体模型(22),坝体模型(22)上设有滤网(20),透明箱体靠近给水管(8)一端内设有碱水(19),碱水(19)中设有消能球(18),透明箱体另一端设有回水过滤槽(23),回水过滤槽(23)与回水管(11)相连并连接到循环水箱(1)上。
2.根据权利要求1所述的降雨作用下尾矿坝漫坝模拟实验装置,其特征在于:所述给水管(8)一端连接水头水箱(4),另一端连接模拟库区系统(D)的透明箱体,给水管(8)上设置有水荷载总制动阀(7)、流量表(9)和微控阀(10)。
3.根据权利要求1所述的降雨作用下尾矿坝漫坝模拟实验装置,其特征在于:所述降雨喷头(13)设置在模拟库区系统之上,并覆盖其2/3的库面积。
4.根据权利要求1所述的降雨作用下尾矿坝漫坝模拟实验装置,其特征在于:所述滤网(20)浸有酚酞,依据过水断面流速在坝顶设置不同数量的滤网(20)。
5.根据权利要求1所述的降雨作用下尾矿坝漫坝模拟实验装置,其特征在于:所述消能球(18)集中布置在给水管(8)附近。
6.根据权利要求1所述的降雨作用下尾矿坝漫坝模拟实验装置,其特征在于:所述坝体模型(22)包括坝顶、可伸缩上游坡(24)、和可伸缩下游坡(27);所述可伸缩上游坡(24)和可伸缩下游坡(27)分别通过第一转轴(25)和第二转轴(26)固定在坝顶上。
7.根据权利要求6所述的降雨作用下尾矿坝漫坝模拟实验装置,其特征在于:所述坝顶、可伸缩上游坡(24)和可伸缩下游坡(27)均为有机玻璃。
8.根据权利要求6或7所述的降雨作用下尾矿坝漫坝模拟实验装置的实验方法,其特征在于:包括过水断面形状实验和降雨条件模拟实验,其中过水断面形状实验步骤如下:
1)打开给水制动阀(6),关闭降雨制动阀(12),调节脚螺旋(17)使得横向卡尺(15)和纵向卡尺(16)的气泡居中;
2)将坝体模型(22)放置在模拟库区系统的透明箱体中,调节可伸缩上游坡(24)和可伸缩下游坡(27)的长度,通过第一转轴(25)和第二转轴(26)调节可伸缩上游坡(24)和可伸缩下游坡(27)的坡度;
3)根据过水断面流速在坝顶布置滤网(20);
4)测量每个浸有酚酞的滤网(20)的过水断面长度和中间高度,并根据其间隔距离,绘制沿着坝肩方向的过水断面的总体形状;
降雨条件模拟实验步骤如下:
1)关闭给水制动阀(6),打开降雨制动阀(12);
2)将用实际尾矿材料制成的尾矿坝放置在模拟库区系统的透明箱体中,将孔隙水压力传感器(21)插入尾矿坝中;
3)记录孔隙水压力传感器(21)的数据,用数码相机记录溃口形成初期的形状,以及扩展情况。
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