CN106368164B

CN106368164B - 划分尾矿砂推移质和悬移质临界粒径的自循环节能装置

Info

Publication number: CN106368164B
Application number: CN201610904240.3A
Authority: CN
Inventors: 姚美良; 刘海明; 赵超; 周小贵
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2016-10-18
Filing date: 2016-10-18
Publication date: 2019-02-19
Anticipated expiration: 2036-10-18
Also published as: CN106368164A

Abstract

本发明公开了一种划分尾矿砂推移质和悬移质临界粒径的自循环节能装置，基于现有泥沙方面的理论知识，以物理模型为载体，通过试验手段找到划分尾矿砂推移质和悬移质的临界粒径。通过手动卷扬机升降水头水箱、升降支架和消能球来获得不同单宽流量的类似均匀流；所述消能球置于连接水头水箱和模型箱的进水管口处；所述升降支架位于模型箱下部。本发明显著效果是：节水环保、成本低廉、操作简单、可变更砂样各项指标重复试验，可通过变更水头和升降支架获得不同特性的类似均匀流。找到划分推移质和悬移质的临界粒径，对于输沙率、推移质和悬移质的淤积部位以及漫顶溃坝时溃口的形状和扩展等方面的研究具有重要意义。

Description

划分尾矿砂推移质和悬移质临界粒径的自循环节能装置

技术领域

本发明属于研究无粘性散粒堆积体在水流作用下运移规律的技术领域,具体地说,是一种研究降雨作用下尾矿坝漫坝溃口形成和扩展的基础性试验装置。

背景技术

目前，在尾矿坝漫顶溃决时,溃口的形成机理和扩展规律方面的研究鲜有发表，仅有的些许论著中，大都借助流体力学，从理论方面突破，所得到的结论往往是存在较大误差的解析解，缺少定性的规律作为映证。除此之外的一些研究，大都基于土工试验，研究尾矿坝体在水流侵蚀下的稳定性和溃坝机理，所借助的理论往往以不饱和土力学为主。并未能对溃坝时溃口是如何形成的，和溃口是如何扩展的等问题做出正面的准确解释。能否清晰溃口的形成和扩展规律不仅对于尾矿坝的设计具有指导意义，而且对于防灾减灾同样意义重大。

鉴于尾矿砂在流体中的诸多特性与泥沙极为相似，所以将河流泥沙起动方面的理论引入尾矿坝漫顶时尾矿砂起动的研究具有一定优势。其中所要用到的两个重要的概念推移质和悬移质最早来源于泥沙学与河流动力学中。两者本质上的不同导致了其运动机理、运动状态、输沙率、挟砂能力和淤积部位的不同，进而使得尾矿坝漫顶溃坝时溃口的形成、扩展以及溃坝后下游冲击滩长差别较大。无论是输沙率、挟砂能力还是淤积部位，都将是坝体溃决时溃口的形成和扩展规律的重要影响因子。克雷塞（W.Kresser）曾对欧洲四条河流的资料进行过归纳整理，并提出了推移质和悬移质临界粒径的经验公式，它反映出的是河流平均流速和颗粒粒径之间的函数关系。但是，该公式是一个地区性的经验公式，具有极大的局限性，并不能应用于其他河流。

通过类比，如果可以类比泥沙运动力学，找到尾矿砂推移质和悬移质的临界粒径，就可以获得溃坝时过水断面水流平均流速和尾矿砂粒径的关系，这样不仅可以应证尾矿坝溃坝机理，而且可以为后面研究溃口的形成和扩展提供基础性的研究理论。所以从试验的角度出发，设计一台能够清晰观测到尾矿砂推移质和悬移质之间交换状态的设备将会有极大的必要性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够清晰显示不同特性的尾矿砂在水流作用下的运移规律和揭示尾矿坝漫坝时溃口的形状和扩展规律的试验装置，能够对不同的筑坝干密度、不同的上下游坡比、不同的尾砂颗粒级配以及不同单宽流量的类似均匀流进行模拟；试验时，通过控制其中的一项指标(比如尾矿砂颗粒级配)，改变其他指标，并通过体积法测量单宽流量，求解过水断面平均流速，观察尾矿砂在水流中运动状态，记录数据，进而总结规律，获得划分尾矿砂推移质和悬移质的临界粒径。

本发明采用的技术方案是：一种划分尾矿砂推移质和悬移质临界粒径的自循环节能装置，包括模拟尾砂起动系统I，水头控制系统II，水循环系统III，流量量测装置IV；所述模拟尾砂起动系统I通过升降支架4和基座5放置于水循环系统III之上；所述水头控制系统II通过模型箱给水管8与模拟尾砂起动系统I相连，并通过水头水箱给水管16和溢流槽回水管15与水循环系统III相连；所述流量量测装置IV分别通过排水管6和循环回水管19与模拟尾砂起动系统I、水循环系统III相连。

进一步地，所述模拟尾砂起动系统I包括模型箱1、尾砂堆积体2、消能球3、升降支架4、基座5、排水管6、排水制动阀7、模型箱给水管8；

所述模型箱1内置有尾砂堆积体2和消能球3；所述消能球3放置在模型箱给水管8和尾砂堆积体2之间；所述尾矿砂堆积体2根据现场实测尾矿砂颗粒级配和尾矿堆干密度综合确定；

所述升降支架4由两个可调节高度的钢支撑组成，并放置在基座5和模型箱1之间，其高度的调节需要通过销杆4b插入不同的销孔4a来实现；

所述排水管6上面有排水制动阀7，试验进行时将模型箱1内的水排入流量量测装置IV。

进一步地，所述水头控制系统II包括水头水箱10、溢流板11、溢流槽13、定滑轮12、手动卷扬机14、水头水箱给水管16和溢流槽回水管15；

所述水头水箱10和溢流槽13由一个完整的水箱制作，中间放置溢流板11，所述溢流板11的顶标高低于水头水箱10的顶标高。

所述水头水箱10和溢流槽13通过手动卷扬机14和定滑轮12相连，用于灵活控制水头；

所述水头水箱给水管16和溢流槽回水管15分别连接在水头水箱10和溢流槽13下部，所述溢流槽回水管15将溢流槽中的水流直接导入循环水箱17。

进一步地，所述水头水箱给水管16和溢流槽回水管15均由橡胶软管制作而成。

进一步地，所述水循环系统III包括循环水箱17、小型潜水泵18和循环回水管19；

所述循环水箱17内置小型潜水泵18，并外接循环回水管19；所述小型潜水泵18与水头水箱给水管16相连，为水头水箱10给水。

进一步地，所述流量量测装置IV包括流量量测筒22和回水制动阀20；所述流量量测筒22上面刻有刻度21；

所述流量量测筒22通过排水管6和排水制动阀7接收模型箱1的排水，并通过循环回水管19与循环水箱17相连，组成水循环回路。

本发明的有益效果有以下几点：

节能性——得益于水自循环系统的帮助，本发明能够实现仅需加一次水就可以连续重复地进行多次试验。

灵活性——本发明既可以通过手动卷扬机14控制水头高度获得不同流速的水流，也可以通过升降支架，改变上下游水流的势能，从而获得不同流速的水流。

直观性——本发明的四大部分均采用透明的有机玻璃制作，在进行尾砂起动方面的研究试验时能够清晰的观察到尾矿砂颗粒的起动情况。同时，在尾矿堆积体的下游坡面上能够清晰的观察水流中推移质和悬移质的状态。

可控性——本发明中的尾矿堆积体由人工筛分尾矿砂颗粒，首先粒径可控；其次可参考实际筑坝干密度，通过相似条件控制模型试验中的堆积体干密度；再者漫坝水流流速可控。

经济性——本发明所采用的材料大部分为有机玻璃、PVC水管和阀门等，购置较为方便，且价格相对低廉。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明模拟尾砂起动系统I的结构示意图；

图3是本发明水头控制系统II的结构示意图；

图4是本发明水循环系统III的结构示意图；

图5是本发明流量量测装置IV的结构示意图；

图6是本发明升降支架4的结构示意图。

其中各标号：I-模拟尾砂起动系统；II-水头控制系统；III-水循环系统；IV-流量量测装置； 1-模型箱；2-尾砂堆积体；3-消能球；4-升降支架；4a-销孔；4b-销杆；5-基座；6-排水管；7-排水制动阀；8-模型箱给水管；9-模型箱给水制动阀；10-水头水箱；11-溢流板；12-定滑轮；13-溢流槽；14-手动卷扬机；15-溢流槽回水管；16-水头水箱给水管；17-循环水箱；18-小型潜水泵；19-回水管；20-回水制动阀；21-刻度；22-流量量测筒。

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。

本发明根据附图1-6给出两个实施例分别为：

实施例1：

一种划分尾矿砂推移质和悬移质临界粒径的自循环节能装置，包括模拟尾砂起动系统I，水头控制系统II，水循环系统III，流量量测装置IV；所述模拟尾砂起动系统I通过升降支架4和基座5放置于水循环系统III之上，以减少设备所占空间；所述水头控制系统II通过模型箱给水管8与模拟尾砂起动系统I相连，并通过水头水箱给水管16和溢流槽回水管15与水循环系统III相连，同时可以沿垂直方向上下移动，移动区间为模型箱的水平位置到其垂直方向2m处；所述流量量测装置IV分别通过排水管6和循环回水管19与模拟尾砂起动系统I、水循环系统III相连。

所述模拟尾砂起动系统I包括模型箱1、尾砂堆积体2、消能球3、升降支架4、基座5、排水管6、排水制动阀7、模型箱给水管8。所述模型箱1是一个由有机玻璃制作而成的透明的顶部敞口装置，其内置有尾砂堆积体2和消能球3，所述尾砂堆积体2是由真实的尾矿砂堆积而成，其中，内外坡比由相似条件率定，尾砂颗粒粒径参照实际尾矿坝取样后，经过土工试验确定尾矿砂颗粒的中值粒径平均值d₅₀=0.14mm。

所述消能球3放置在模型箱给水管8和尾砂堆积体2之间；所述尾矿砂堆积体2根据现场实测尾矿砂颗粒级配和尾矿堆干密度综合确定。所述所述升降支架4由两个直径不同，且管身钻有销孔的钢套管制作而成，其高度的调节需要通过销杆4b插入不同的销孔4a来实现，升降支架4上面托起模型箱，并架立在基座上，试验时可以通过改变两个钢支撑的高度实现水流流速的变化。所述排水管6上面有排水制动阀7，试验进行时将模型箱1内的水，入流量量测装置IV。所述模型箱给水管8是一根橡胶软管，其上面安装有模型箱给水制动阀9；所述消能球3实际是一些玻璃球，位于模型箱给水管8和尾砂堆积体2之间，用来缓冲模型箱给水管8中流出的不均匀流。所述基座5是一块机玻璃平面板，放置在循环水箱之上。

所述水头控制系统II包括水头水箱10、溢流板11、溢流槽13、定滑轮12、手动卷扬机14、水头水箱给水管16和溢流槽回水管15，所述水头水箱10和溢流槽13由一个完整的、由有机玻璃制作而成的顶部敞口容器制作，中间放置溢流板11，所述溢流板11的顶标高低于水头水箱10的顶标高，所述溢流板与水头水箱之间通过硅酮密封胶粘结，保证其不透水。所述水头水箱10和溢流槽13通过手动卷扬机14和定滑轮12相连，试验时可灵活控制水头，所述水头水箱10通过定滑轮12和手动卷扬机14实现从模型箱水平标高到其竖直方向2m标高之间往返移动。试验开始时，水头水箱10与模型箱位于同一水平，而后根据试验需要逐渐升高。所述水头水箱给水管16和溢流槽回水管15均由橡胶软管制作而成。

所述水循环系统III包括循环水箱17、小型潜水泵18和循环回水管19；所述循环水箱17是由有机玻璃制成的透明敞口容器，所述循环水箱17内置小型潜水泵18，并外接循环回水管19；所述小型潜水泵18与水头水箱给水管16相连，为水头水箱10给水。

所述流量量测装置IV包括流量量测筒22和回水制动阀20；所述流量量测筒22是一个容积比一般量筒和烧杯大的玻璃筒，所述流量量测筒22上面刻有刻度21；所述流量量测筒22通过排水管6和排水制动阀7接收模型箱1的排水，并通过循环回水管19与循环水箱17相连，组成水循环回路。试验时流量量测筒22敞口承接排水管6排出的模型箱里面的水，通过循环回水管19实现水循环，配合回水制动阀20实现流量的测量。

在具体实验中，通过控制尾砂堆积体2的属性进行试验。具体实施步骤如下：

1)通过手动卷扬机14将水头水箱10降落到和模型箱1相同水平高度上，将循环水箱17内注入2/3的水，并将所有制动阀7、9、20开启，打开小型潜水泵18试运行，检查各系统有故障。

2)待系统运行流畅之后关闭小型潜水泵18，并关闭所有制动阀7、9、20，将模型箱内1和流量量测装置IV的水抽出。

3)将尾砂颗粒粒径分为四组，分别为0.074-0.106（mm），0.106-0.125（mm），0.125-0.25（mm），0.25-2（mm），并用筛子筛分尾砂，而后在模型箱内1堆筑尾砂堆积体2，控制其压实干密度在1.63g/cm³左右。

4)开启小型潜水泵18以及除回水制动阀以外的其他阀门7、9，待水流漫过尾砂堆积体2之时开始计时，观察尾矿砂颗粒在水中的起动情况及运动状态。

5)若无尾砂起动，则通过水头控制系统II，或者升降支架4改变水流流速，直到尾砂开始起动。当尾砂起动并转换为悬移质的运动状态时，停止记录时间，通过流量量测装置IV，配合体积法计算流量，换算成过水断面平均流速。

6)改变尾砂颗粒粒径，并堆筑尾砂堆积体2重复以上四个步骤，得到不同过水断面流速下推移质和悬移质的临界粒径。

实施例2：

本实施例与实施例1采用相同的装置。实施例1中控制了压实干密度在1.63g/cm³左右，鉴于实际尾矿坝的筑坝干密度各不相同，本实施例将控制实验室测得的尾矿砂颗粒的中值粒径平均值d₅₀=0.14mm不变，改变尾矿坝实测筑坝干密度值，将不同的实测干密度值分别进行划分推移质和悬移质临界粒径的试验。具体的试验步骤描述如下：

3)将筛分好的粒径为0.14mm的尾矿砂在模型箱1内堆筑尾砂堆积体2，将尾矿坝实测干密度为1.16 g/cm³，1.46 g/cm³，（1.63 g/cm³）2.74 g/cm³作为尾砂堆积体2的压实干密度依次进行试验。

5)尾砂起动并转换为悬移质状态时停止记录时间，通过流量量测装置IV，配合体积法计算流量，换算成过水断面平均流速。

6)改变压实干密度值，并堆筑尾砂堆积体2，重复以上四个步骤，得到不同过水断面流速下推移质和悬移质的临界粒径。

通过实施例1和实施例2的试验结果，拟合尾矿砂颗粒粒径和断面平均流速的函数关系。若想获得实际尾矿坝漫顶溃坝时过水断面的平均流速的大小，只需要获得尾矿坝实际筑坝干密度和尾矿砂的中值范围内的粒径值即可通过本试验装置实现。

以上通过优选的两个实施例，并结合附图将本试验装置的原理和操作进行了描述，但是本发明并非局限于上述两个实施例的具体实施方式。任何该领域熟知此技术的人士在本发明的基础上，在不违背权利要求及发明原理的前提下，均可以做出有益的改进，但是任何在未脱离本发明所揭示的精神和技术的前提下所完成的改变或修饰，仍应纳入本发明所涵盖的保护范围之内。

Claims

1.一种划分尾矿砂推移质和悬移质临界粒径的自循环节能装置，其特征在于：包括模拟尾砂起动系统（I），水头控制系统（II），水循环系统（III），流量量测装置（IV）；所述模拟尾砂起动系统（I）通过升降支架（4）和基座（5）放置于水循环系统（III）之上；所述水头控制系统（II）通过模型箱给水管（8）与模拟尾砂起动系统（I）相连，并通过水头水箱给水管（16）和溢流槽回水管（15）与水循环系统（III）相连；所述流量量测装置（IV）分别通过排水管（6）和循环回水管（19）与模拟尾砂起动系统（I）、水循环系统（III）相连；

所述模拟尾砂起动系统（I）包括模型箱（1）、尾砂堆积体（2）、消能球（3）、升降支架（4）、基座（5）、排水管（6）、排水制动阀（7）、模型箱给水管（8）；

所述模型箱（1）内置有尾砂堆积体（2）和消能球（3）；所述消能球（3）放置在模型箱给水管（8）和尾砂堆积体（2）之间；所述尾砂堆积体（2）根据现场实测尾矿砂颗粒级配和尾矿堆干密度综合确定，尾砂堆积体（2）的形状为棱台形；

所述升降支架（4）由两个可调节高度的钢支撑组成，并放置在基座（5）和模型箱（1）之间，其高度的调节需要通过销杆（4b）插入不同的销孔（4a）来实现；

所述排水管（6）上面有排水制动阀（7），试验进行时将模型箱（1）内的水排入流量量测装置（IV）；

所述水头控制系统（II）包括水头水箱（10）、溢流板（11）、溢流槽（13）、定滑轮（12）、手动卷扬机（14）、水头水箱给水管（16）和溢流槽回水管（15）；

所述水头水箱（10）和溢流槽（13）由一个完整的水箱制作，中间放置溢流板（11），所述溢流板（11）的顶标高低于水头水箱（10）的顶标高；

所述水头水箱（10）和溢流槽（13）通过手动卷扬机（14）和定滑轮（12）相连，用于灵活控制水头；

所述水头水箱给水管（16）和溢流槽回水管（15）分别连接在水头水箱（10）和溢流槽（13）下部，所述溢流槽回水管（15）将溢流槽中的水流直接导入循环水箱（17）；

所述水循环系统（III）包括循环水箱（17）、小型潜水泵（18）和循环回水管（19）；

所述循环水箱（17）内置小型潜水泵（18），并外接循环回水管（19）；所述小型潜水泵（18）与水头水箱给水管（16）相连，为水头水箱（10）给水；

所述流量量测装置（IV）包括流量量测筒（22）和回水制动阀（20）；所述流量量测筒（22）上面刻有刻度（21）；

所述流量量测筒（22）通过排水管（6）和排水制动阀（7）接收模型箱（1）的排水，并通过循环回水管（19）与循环水箱（17）相连，组成水循环回路。

2.根据权利要求1所述的划分尾矿砂推移质和悬移质临界粒径的自循环节能装置，其特征在于：所述水头水箱给水管（16）和溢流槽回水管（15）均由橡胶软管制作而成。