CN106501154A - 模拟覆盖层降雨渗透的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟覆盖层降雨渗透的实验装置，包括梯形箱体、降雨模拟水槽、支撑壳体和供水装置；后面板上设置有方形仪器探头预埋通道和圆形仪器探头预埋通道；降雨模拟水槽为一长方形槽体，水槽底板上均布有通孔，通孔为降雨通道；支撑壳体包括壳体支撑板、壳体底板和抽插隔板；多个壳体支撑板竖直并列均布在壳体底板上；相邻壳体支承板之间的上边分别插装有一个抽插隔板；梯形箱体的两侧板的底边与两侧的壳体支撑板连接；供水装置包括水桶、输水软管和蠕动泵，输水软管的两端分别与水桶和降雨模拟水槽连接，蠕动泵安装在输水软管上。本申请实验结构简单实用，精准度高，方法便于操作，监测过程直观易测。

Description

模拟覆盖层降雨渗透的实验装置及方法

技术领域

本发明属于非饱和土力学范畴，具体涉及一种模拟不同降雨条件下松散碎石土覆盖层的非饱和渗透方法。

背景技术

深凹露天转地下开采是国内外的一项重要研究课题，涉及多学科多领域。涉及露天转地下开采的矿山多采用无底柱分段崩落法进行开采，需要在露天采坑的上部形成30-50m厚度的碎石覆盖层，以达到放矿工艺和防渗水、防露风的技术要求。露天转地下覆盖层由整体下移层和流动层组成，起到阻水作用的主要是整体下移层，矿山多通过一次排弃露天开采剥离的废石形成整体下移层，为验证排弃所形成覆盖层的结构是否具有阻止暴雨入渗的能力，开展本次发明设计。

很多情况下矿山水患的发生都是由于地表水与矿井连通所至。大气降水和地表水对于矿山的危害主要在于其突发性涌入矿坑，使井下水量急剧增加，甚至造成淹井事故，结果往往是人们始料不及的，因此，研究大气降水和地表水的汇流与入渗过程，对于矿山防治水至关重要。覆盖层的降雨入渗过程应是一个非饱和—饱和的渗流过程。目前，对于非饱和带的研究只是针对土壤开展，松散碎石土的非饱和渗透过程鲜有研究。

发明内容

本发明所要解决的问题是研究松散碎石土覆盖层在不同降雨条件下的非饱和渗透过程，一是提供一种模拟覆盖层降雨渗透的实验装置，二是提供用该装置模拟覆盖层降雨渗透的实验方法。

为解决上述问题，本发明专利是这样实现的：一种模拟覆盖层降雨渗透的实验装置，包括梯形箱体、降雨模拟水槽、支撑壳体和供水装置，

所述梯形箱体包括前面板、后面板和侧板，前面板为梯形板，后面板上部为与前面板等大的梯形板，其下部为长方形板；后面板、前面板和两个侧板组装成梯形箱体结构，前、后面板和侧板结合处的外围分别以阶段式用三角铁连接固定；所述后面板上设置有方形仪器探头预埋通道和圆形仪器探头预埋通道；

所述降雨模拟水槽为一长方形槽体，水槽底板上均布有通孔，该通孔为降雨通道；

所述支撑壳体包括壳体支撑板、壳体底板和抽插隔板，所述梯形箱体的后面板的底边与壳体底板固定连接在一起；多个壳体支撑板竖直并列均布在壳体底板上；相邻壳体支承板之间的上边分别插装有一个抽插隔板；所述梯形箱体的两侧板的底边分别通过连接件与两侧的壳体支撑板连接；

所述供水装置包括水桶、输水软管和蠕动泵，输水软管的两端分别与水桶和降雨模拟水槽连接，蠕动泵安装在输水软管上。

支撑壳体为长方形中空壳体；所述抽插隔板的长度大于壳体底板长度200mm；所述的壳体支撑板顶部截面均匀分布有两条长550mm，宽2mm的长方形凹槽，槽内放置若干1.5mm直径的球形滚动钢珠，作为抽插隔板的抽动滑道；抽插隔板与滚动钢球之前为接触式滑动配合。

梯形箱体的后面板上等间距布置三个长40mm、宽20mm的长方形通孔作为方形仪器探头预埋通道；所述后面板上还均布有六个直径为20mm的圆形通孔作为圆形仪器探头预埋通道。

用于检测降雨渗透情况的孔隙水压力传感器、水分水势测定仪探头和电线，根据其各自形态分别设置在所述的方形仪器探头预埋通道和圆形仪器探头预埋通道中。

电线上设置有27个监测点，分为上中下三层，每层均匀分布有9个监测点，电线的外接头与万用表相连，用于降雨过程实时监测各点电阻值变化率。

蠕动泵内部设置有控制模块，该控制模块上设定定时定量模拟不同历时的降雨量。

降雨模拟水槽的底板上均布有若干孔径为5mm、相互间隔5cm的通孔，该通孔形成降雨通道。

一种用所述装置模拟覆盖层降雨渗透的实验方法，所述的各部件按照要求组装在一起，然后按照如下步骤进行实验：

装置预处理：需要在梯形箱体中填装覆盖层回填物源，在装填之前，先对梯形箱体的内壁进行处理，用木锉将箱体内壁打毛，在内壁上均匀涂抹玻璃胶，然后选用无聊中颗粒中等以下的碎石土抛洒、按压至毛玻璃上，使其与箱体内壁合为一体；

实验步骤：

（1）、根据矿山回填设计，废石回填粒径有一定的比例关系，根据碎石土覆盖层动态模拟模型与露天矿坑比例关系，等比例缩放粒径，选取矿山回填土土样；

（2）、对实验土样进行自然分选预处理，模拟矿山回填过程中，废石土样下部粗、上边细的情形；

（3）、根据分选结果，对碎石土覆盖层动态模拟模型进行土样的装填工作，从底向上装填，依据粒径，将装填土样分为上、中、下三层，装填过程中分层预埋控制孔隙水压力传感器、水分水势仪探头，同时布置电阻监测点；

（4）、将降雨模拟水槽覆于梯形箱体上部，输水软管置其上，在上水过程中不停的移动输水软管，使供水均匀的平铺于整个装置的底面，每个降水孔通过滴水作为降雨的雨滴；

（5）、对蠕动泵进行设定，设定降雨时间和降雨量，计算机控制孔隙水压力传感器和水分水势仪，使其处于开的状态，进行降雨模拟，实时记录万用表阻值。

装填覆盖层回填物源时，从底向上装填粒径依次是2-5cm、1-2cm、1cm以下，根据粒径，将梯形箱体分为上中下三层，装填过程中分层预埋控制孔隙水压力传感器、水分水势仪探头，同时布置27个电阻监测点，上中下三层每层均匀分布9个点，选用1cm粗的电线在每个监测点形成回路，电线外接头与万用表相连，降雨过程实时监测各点电阻值的变化率，自初始干土样到降雨入渗通过，电阻率值会在一个极短的时间内快速降低，依次作为依据确定优势导水通道。

梯形箱体和支撑壳体中，在覆盖层回填物源装填之前，抽出其中任意两条隔板和一条壳体支撑板，作为一次放矿模拟进路，并将进路作为模拟降雨的出水通道；抽掉抽插隔板，取外形尺寸与之相同的适当孔径和孔密度的圆孔铁板架在支撑板之上，替代抽插板阻挡上覆充填物的下移。

本发明所公开的这种实验装置和方法，通过控制不同降雨历时、不同雨量条件，识别覆盖层碎石土的渗透通道、探究非饱和-饱和渗透过程、绘制非饱和碎石土土-水特征曲线、预测降雨条件下露天转地下井巷工程的涌水量，实验结构简单实用，精准度高，方法便于操作，监测过程直观易测。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中降雨模拟水槽的俯视图。

图3为本发明中抽插隔板的安装关系示意图。

图中：水桶1，输水软管2，蠕动泵3，降雨模拟水槽4，梯形箱体5，三角铁6，固定螺栓7，方形仪器探头预埋通道8，圆形仪器探头预埋通道9，滚动钢珠10，抽插隔板11，壳体支撑板12，壳体底板13，水槽边帮14，水槽底板15，降雨通道16。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见附图，本发明公开的是一种模拟覆盖层降雨渗透的实验装置以及实验方法。

这种模拟覆盖层降雨渗透的实验装置，包括梯形箱体、降雨模拟水槽、支撑壳体和供水装置。降雨模拟水槽设置在梯形箱体的上部，用于模拟降水；支撑壳体设置在梯形箱体的底部，模拟放矿进路和收集下渗雨水；供水装置设置在梯形箱体的外侧。主要包括水桶1，输水软管2，蠕动泵3，降雨模拟水槽4，梯形箱体5，三角铁6，固定螺栓7，方形仪器探头预埋通道8，圆形仪器探头预埋通道9，,滚动钢珠10，抽插隔板11，壳体支撑板12，壳体底板13，水槽边帮14，水槽底板15，降雨通道16。

矿山露天采坑为阶梯状排布，其中东西两面为80度倾角，另外两面为65-70度倾角，故所述的碎石土覆盖层动态模拟装置主体为梯形的箱型体，即梯形箱体。梯形体箱体采用10mm厚的有机玻璃板加工而成，梯形箱体内充填回填料石。梯形箱体包括前面板、后面板和侧板，前面板为梯形板，后面板为组合板，其上部为与前面板等大的梯形板，其下部为长方形板，后面板的上部梯形板、前面板和两个侧板组装成梯形箱体结构，前、后面板和侧板结合处的外围分别以阶段式用三角铁连接固定，三角铁通过固定螺栓与面板固定。后面板上设置有方形仪器探头预埋通道和圆形仪器探头预埋通道；本装置中的前后面板、侧板、抽插隔板、壳体支撑板等各板体分别采用有机玻璃板制作而成。梯形箱体的后面板上等间距布置三个长40mm、宽20mm的长方形通孔作为方形仪器探头预埋通道；后面板上还均布有六个直径为20mm的圆形通孔作为圆形仪器探头预埋通道。用于检测降雨渗透情况的孔隙水压力传感器、水分水势测定仪探头和电线，根据其各自形态分别设置在所述的方形仪器探头预埋通道和圆形仪器探头预埋通道中。其中的孔隙水压力传感器、水分水势仪探头等监测部件分别与计算机控制器连接受控。

降雨模拟水槽为一长方形槽体，水槽底板上均布有通孔，该通孔为降雨通道。降雨模拟水槽的底板上均布有若干孔径为5mm、相互间隔5cm的通孔，该通孔形成降雨通道。降雨模拟水槽长105cm、宽65cm，槽边高度20mm。水槽底板和槽边均匀涂抹玻璃胶，起到防水作用。水槽底板均匀布孔，孔径5mm，间隔5cm。

支撑壳体包括壳体支撑板、壳体底板和抽插隔板。梯形箱体的后面板下部长方形板的底边与壳体底板固定连接在一起；多个壳体支撑板竖直并列均布在壳体底板上；相邻壳体支承板之间的上边分别插装有一个抽插隔板；所述梯形箱体的两侧板的底边分别通过连接件与两侧的壳体支撑板连接。支撑壳体为长方形中空壳体；所述抽插隔板的长度大于壳体底板长度200mm，所述的壳体支撑板顶部截面均匀分布有两条长550mm，宽2mm的长方形凹槽，槽内放置若干1.5mm直径的球形滚动钢珠，作为抽插隔板的抽动滑道。

作为优选方案，梯形箱体下部为与箱体底部大小吻合的支撑壳体。所述壳体前面空，壳体底板上部间距100mm布置7块高度100mm、长60cm、宽120mm的有机玻璃板用作支撑梯形箱体，将支撑板与壳体底板粘连。在所述支撑板上部插入6块长80cm、宽100mm、厚10mm的有机玻璃板，作为抽插隔板。隔板伸出梯形箱体200mm，作为抽插着力点。每个小长方体作为模拟放矿的进路。梯形箱体的后面板等间距布置三个长40mm、宽20mm的长方形孔径和六个直径20mm的圆孔，作为孔隙水压力传感器、水分水势测定仪探头和电线的预埋通道。

供水装置包括水桶、输水软管和蠕动泵，输水软管的两端分别与水桶和降雨模拟水槽连接，蠕动泵安装在输水软管上。所述蠕动泵内部设置有控制模块，该控制模块上设定定时定量模拟不同历时的降雨量。计算机控制器设置在梯形箱体的外面，分别与孔隙水压力传感器、水分水势仪连接，控制孔隙水压力传感器、水分水势仪开关，用于测定降雨过程中孔隙水压力和绘制松散碎石土覆盖层的土水特征曲线。

电线上设置有27个监测点，分为上中下三层，每层均匀分布有9个监测点，电线的外接头与万用表相连，用于降雨过程实时监测各点电阻值变化率。

用所述装置模拟覆盖层降雨渗透的实验方法，所述的各部件按照要求组装在一起，然后按照如下步骤进行实验：

装置预处理：需要在梯形箱体中填装覆盖层回填物源，在装填之前，先对梯形箱体的内壁进行处理，用木锉将箱体内壁打毛，在有机毛玻璃面均匀涂抹2mm厚的玻璃胶，之后选用物料中颗粒中等以下的碎石土抛洒、按压至玻璃胶上，使其与箱体内壁合为一体，此步骤消除了物料直接与光滑有机玻璃面相接触时产生的大孔隙对降雨入渗的影响，将梯形箱体与各抽查隔板、各抽查隔板与各支撑板的接触缝隙用玻璃胶进行粘补，排除各接触部位的透气、透水的可能性，至此覆盖层松散碎石土降雨实验平台构建完毕。物料装填之前先经过倾倒分选，从底向上装填粒径依次是2-5cm、1-2cm、1cm之下。

实验步骤：

（1）、根据矿山回填设计，废石回填粒径有一定的比例关系，根据碎石土覆盖层动态模拟模型与露天矿坑比例关系，等比例缩放粒径，选取矿山回填土土样；

（2）、对实验土样进行自然分选预处理，模拟矿山回填过程中，废石土样下部粗、上边细的情形；

（3）、根据分选结果，对碎石土覆盖层动态模拟模型进行土样的装填工作，从底向上装填，依据粒径，将装填土样分为上、中、下三层，装填过程中分层预埋控制孔隙水压力传感器、水分水势仪探头，同时布置电阻监测点；

（4）、将降雨模拟水槽覆于梯形箱体上部，输水软管置其上，在上水过程中不停的移动输水软管，使供水均匀的平铺于整个装置的底面，每个降水孔通过滴水作为降雨的雨滴；

（5）、对蠕动泵进行设定，设定降雨时间和降雨量，计算机控制孔隙水压力传感器和水分水势仪，使其处于开的状态，进行降雨模拟，实时记录万用表阻值。

装填覆盖层回填物源时，从底向上装填粒径依次是2-5cm、1-2cm、1cm以下，根据粒径，将梯形箱体分为上中下三层，装填过程中分层预埋控制孔隙水压力传感器、水分水势仪探头，同时布置27个电阻监测点，上中下三层每层均匀分布9个点，选用1cm粗的电线在每个监测点形成回路，电线外接头与万用表相连，降雨过程实时监测各点电阻值的变化率，自初始干土样到降雨入渗通过，电阻率值会在一个极短的时间内快速降低，依次作为依据确定优势导水通道。

覆盖层物源装填之前抽出其中任意两条抽插隔板和一条支撑板，作为一次放矿模拟进路，并将进路作为模拟降雨的出水通道，单独作为降雨出水通道时，抽掉抽插隔板，取外形尺寸与之相同的适当孔径和孔密度的圆孔铁板架在支撑板之上，替代抽插板阻挡上覆充填物的下移。

Claims (10)

1.一种模拟覆盖层降雨渗透的实验装置，包括梯形箱体、降雨模拟水槽、支撑壳体和供水装置，其特征在于：

所述梯形箱体包括前面板、后面板和侧板，前面板为梯形板，后面板上部为与前面板等大的梯形板，其下部为长方形板；后面板、前面板和两个侧板组装成梯形箱体结构，前、后面板和侧板结合处的外围分别以阶段式用三角铁连接固定；所述后面板上设置有方形仪器探头预埋通道和圆形仪器探头预埋通道；

所述降雨模拟水槽为一长方形槽体，水槽底板上均布有通孔，该通孔为降雨通道；

所述支撑壳体包括壳体支撑板、壳体底板和抽插隔板，所述梯形箱体的后面板的底边与壳体底板固定连接在一起；多个壳体支撑板竖直并列均布在壳体底板上；相邻壳体支承板之间的上边分别插装有一个抽插隔板；所述梯形箱体的两侧板的底边分别通过连接件与两侧的壳体支撑板连接；

所述供水装置包括水桶、输水软管和蠕动泵，输水软管的两端分别与水桶和降雨模拟水槽连接，蠕动泵安装在输水软管上。

2.根据权利要求1所述的模拟覆盖层降雨渗透的实验装置，其特征在于，所述的支撑壳体为长方形中空壳体；所述抽插隔板的长度大于壳体底板长度200mm；所述的壳体支撑板顶部截面均匀分布有两条长550mm，宽2mm的长方形凹槽，槽内放置若干1.5mm直径的球形滚动钢珠，作为抽插隔板的抽动滑道；抽插隔板与滚动钢球之前为接触式滑动配合。

3.根据权利要求1所述的模拟覆盖层降雨渗透的实验装置，其特征在于，所述梯形箱体的后面板上等间距布置三个长40mm、宽20mm的长方形通孔作为方形仪器探头预埋通道；所述后面板上还均布有六个直径为20mm的圆形通孔作为圆形仪器探头预埋通道。

4.根据权利要求3所述的模拟覆盖层降雨渗透的实验装置，其特征在于，用于检测降雨渗透情况的孔隙水压力传感器、水分水势测定仪探头和电线，根据其各自形态分别设置在所述的方形仪器探头预埋通道和圆形仪器探头预埋通道中。

5.根据权利要求4所述的模拟覆盖层降雨渗透的实验装置，其特征在于，所述的电线上设置有27个监测点，分为上中下三层，每层均匀分布有9个监测点，电线的外接头与万用表相连，用于降雨过程实时监测各点电阻值变化率。

6.根据权利要求1所述的模拟覆盖层降雨渗透的实验装置，其特征在于，所述蠕动泵内部设置有控制模块，该控制模块上设定定时定量模拟不同历时的降雨量。

7.根据权利要求1所述的模拟覆盖层降雨渗透的实验装置，其特征在于，所述降雨模拟水槽的底板上均布有若干孔径为5mm、相互间隔5cm的通孔，该通孔形成降雨通道。

8.一种用权利要求1-7中任一项所述装置模拟覆盖层降雨渗透的实验方法，其特征在于，所述的各部件按照要求组装在一起，然后按照如下步骤进行实验：

装置预处理：需要在梯形箱体中填装覆盖层回填物源，在装填之前，先对梯形箱体的内壁进行处理，用木锉将箱体内壁打毛，在内壁上均匀涂抹玻璃胶，然后选用无聊中颗粒中等以下的碎石土抛洒、按压至毛玻璃上，使其与箱体内壁合为一体；

实验步骤：

（1）、根据矿山回填设计，废石回填粒径有一定的比例关系，根据碎石土覆盖层动态模拟模型与露天矿坑比例关系，等比例缩放粒径，选取矿山回填土土样；

（2）、对实验土样进行自然分选预处理，模拟矿山回填过程中，废石土样下部粗、上边细的情形；

（3）、根据分选结果，对碎石土覆盖层动态模拟模型进行土样的装填工作，从底向上装填，依据粒径，将装填土样分为上、中、下三层，装填过程中分层预埋控制孔隙水压力传感器、水分水势仪探头，同时布置电阻监测点；

（4）、将降雨模拟水槽覆于梯形箱体上部，输水软管置其上，在上水过程中不停的移动输水软管，使供水均匀的平铺于整个装置的底面，每个降水孔通过滴水作为降雨的雨滴；

（5）、对蠕动泵进行设定，设定降雨时间和降雨量，计算机控制孔隙水压力传感器和水分水势仪，使其处于开的状态，进行降雨模拟，实时记录万用表阻值。

9.根据权利要求8所述的模拟覆盖层降雨渗透的实验方法，其特征在于，装填覆盖层回填物源时，从底向上装填粒径依次是2-5cm、1-2cm、1cm以下，根据粒径，将梯形箱体分为上中下三层，装填过程中分层预埋控制孔隙水压力传感器、水分水势仪探头，同时布置27个电阻监测点，上中下三层每层均匀分布9个点，选用1cm粗的电线在每个监测点形成回路，电线外接头与万用表相连，降雨过程实时监测各点电阻值的变化率，自初始干土样到降雨入渗通过，电阻率值会在一个极短的时间内快速降低，依次作为依据确定优势导水通道。

10.根据权利要求9所述的模拟覆盖层降雨渗透的实验方法，其特征在于，梯形箱体和支撑壳体中，在覆盖层回填物源装填之前，抽出其中任意两条隔板和一条壳体支撑板，作为一次放矿模拟进路，并将进路作为模拟降雨的出水通道；抽掉抽插隔板，取外形尺寸与之相同的适当孔径和孔密度的圆孔铁板架在支撑板之上，替代抽插板阻挡上覆充填物的下移。