CN109060624B - 一种研究排渗管排渗效果的方法及渗透装置 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开了一种研究排渗管排渗效果的方法及渗透装置，通过测量材料的基本参数：如尺寸、重量、开孔率、渗透系数等；测量排渗管综合渗透系数；进行对比实验；实验后测量不同深度处砂土的原位干密度及对应渗透系数；测量排渗管使用之后的质量并对其内外表面的不同位置进行定性；测量排渗管使用后的综合渗透系数及过滤材料的渗透系数；测量过滤材料烘干后的质量；数据分析。该方法能够系统的对比研究不同的因素对排渗管组件排渗效果的影响；能够定性和定量研究排渗管的淤堵位置、形态和淤堵程度等，能够研究淤堵排渗管长期淤堵周期特性，具有很强的实用性和广泛的适用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种研究方法及渗透装置，具体涉及一种研究排渗管排渗效果的方法及渗透装置，属于尾矿坝排渗技术领域。
背景技术
尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所。尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源，存在溃坝危险，一旦失事，容易造成重特大事故。我国大多数尾矿库颗粒较细，渗透性较差，尾矿库内含水量较大，尾矿库容易液化，大大降低了坝体抗压强度，有可能造成滑坡和子坝外坡透水现象，更严重者导致垮坝，给人民群众生命财产带来巨大危害。
目前，一般通过设置排渗系统达到降低浸润线提高尾矿坝稳定性的目的，最常用的排渗装置是排渗管，一般是UPVC花管外包土工布制作而成，具有构造简单，施工方便，耐久性好等优点，但是这也具有一个致命的缺点，就是土工布容易发生淤堵，进而导致排渗管的排渗效果大幅降低甚至失效，为了降低浸润线只能重新铺设排渗管，代价较大。
所以，需要研发一种新型排渗管，来有效的解决排渗管淤堵的问题。如专利号为201810101071.9的专利《尾矿库中可更换过滤芯排渗装置及过滤芯更换方法》，所提出的可更换芯排渗管，由外层花管、紧贴外层花管内壁的过滤芯，以及套在过滤芯中的内层花管组成(见附图2)。
针对新型的排渗管，需要一套系统合理的方法来研究新型排渗管的排渗效果及其淤堵机理，对其排渗效果和淤堵机理进行定量定性评价，揭示其排渗和淤堵机理，以促进新型排渗管的研发进程。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种研究排渗管排渗效果及淤堵机理，能够对比研究不同因素对排渗管排渗效果的影响，能够定性和定量研究排渗管的淤堵位置、形态和程度的研究方法及渗透装置。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种研究排渗管排渗效果的方法，包括以下步骤：
S1、将过滤材料置于嵌套的内层排渗管、外层排渗管之间，形成排渗管组件后，插入带排渗介质的渗透装置中；
S2、测量过滤材料、内层排渗管、外层排渗管、排渗管组件、排渗介质的基本参数；
S3、通过径向渗流实验，测量排渗管组件使用前的综合渗透系数；
S4、通过对比试验，测量排渗量、渗透装置中的水压分别随时间的变化；
S5、试验后，测量排渗介质、排渗管组件、过滤材料的试验参数；
S6、通过径向渗流实验，测量排渗管组件使用后的综合渗透系数；
S7、观测排渗管组件的外表面，定性描述淤堵形态和淤堵位置分布；
S8、结合上述基本参数、试验参数、综合渗透系数及排渗量、渗透装置中的水压分别随时间的变化，进行数据分析。
上述步骤S1中的基本参数，包括：
A1、过滤材料的渗透系数K1，质量M1、厚度D0、等效孔径R_gl及长、宽；
A2、外层排渗管的内径R1_wps、外径R2_wps、开孔段长度L1、开孔大小R3_wps以及开孔率n_wps；
A3、内层排渗管的内径R1_nps、外管外径R2_nps、开孔大小R3_nps以及开孔率n_nps。
A4、排渗管组件的质量M1_zh；
A5、排渗介质的比重Gs、颗粒级配。
上述步骤S3中的使用前的综合渗透系数K1_zh包括内水头H1_zh，外水头H2_zh，流量Q_zh，水的温度T_zh。
上述步骤S5中试验参数包括：
B1、排渗介质的原位干密度ρd，及对应干密度下的渗透系数K_st，
B2、水的温度T_st；
B3、排渗管组件使用后的质量；
B4、过滤材料烘干后的质量。
上述过滤材料包括土工布、过滤海绵；
若为土工布，则使用参数还包括其包裹的层数N_gl，
若为过滤海绵，则使用参数还包括其内径R1_gl和外径R2_gl。
上述步骤S8中的数据分析，包括
C1、海绵的压缩量：D_sy＝R2_gl-R1_wps (1)
C2、排渗管使用前的综合渗透系数：
式中，R为排渗管组件的外径，r为排渗管的内径，
若过滤材料为土工布，则：
R＝R2wps+D0×N_gl，r＝R1_wps，
若过滤材料为过滤海绵，则：
R＝R2_wps，r＝R1_nps；
C3、排渗介质填筑的孔隙比：
一种研究排渗管排渗效果的渗透装置，包括设有顶板的箱体，隔板将箱体内腔分隔为左模型槽、右模型槽；
所述箱体的两端、隔板设有匹配排渗管的通孔；
所述顶板设有分别通左模型槽、右模型槽的进水管；
所述顶板、箱体的两端及两侧分别设有通左模型槽、右模型槽的检测管。
上述左模型槽和/或右模型槽内置排渗介质。
上述排渗介质为砂土。
上述检测管接压力表、渗压计或匹配的密封螺栓。
上述的一种研究排渗管排渗效果的渗透装置，还包括接排渗管口溢水的水桶，及称重水桶的电子秤。
上述箱体的两端设有连接板，其设有匹配排渗管的圆孔。
上述隔板设有密封螺栓板。
上述进水管通过水泵接水箱。
上述左模型槽、右模型槽相互对称。
本发明的有益之处在于：
本发明的一种研究排渗管排渗效果的渗透装置，能够同时做一组对比实验，对比不同排渗管在相同条件下的排渗效果或相同排渗管在不同条件下的排渗效果；可以测试不同管径排渗管的排渗效果；可以做径向渗流实验,测试排渗管的综合渗透系数；可以模拟两段排渗管的连接过程。
本发明的一种研究排渗管排渗效果的方法，能够系统的对比研究不同的因素(内外层排渗管的开孔率、排渗管的管径、过滤材料的种类、过滤材料的等效孔径、海绵的厚度和压缩量、排渗介质等)对排渗管组件的排渗效果的影响；该方法通过对比同一排渗管在不同水头边界条件下的排渗量，可以比较分析水力梯度对排渗效果及淤堵情况的影响。
本发明能够定性和定量的研究排渗管的淤堵位置、形态和程度等，能够研究淤堵排渗管长期淤堵周期特性，具有很强的实用性和广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明的渗透装置的内部结构示意图。
图2为本发明的渗透装置的外观结构示意图。
图3为本发明的渗透装置的检测结构示意图。
图4为本发明的排渗管组件的结构示意图。
图5为本发明的一种研究排渗管排渗效果的方法的流程图。
附图中标记的含义如下：1、内层排渗管，2、过滤材料，3、外层排渗管，4、左模型槽，5、右模型槽，6、隔板，7、顶板，8、连接板，9、检测管，10、排渗管组件，11、进水管，12、通孔，13、螺栓孔，14、加劲肋，15、水泵，16、水箱，17、渗压计，18、水桶，。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
一种研究排渗管排渗效果的渗透装置，由箱体和顶板组成；隔板将箱体内腔分隔为对称的左模型槽和右模型槽，周边由加劲肋支撑；箱体的两端和隔板分别设有的通孔，通孔的周边分别开设一圈螺栓孔。
整个装置由不锈钢板焊接组成，箱体和顶板厚10mm，箱体长900mm，宽350mm，高300mm；通孔的直径为96mm，螺栓孔的孔径为10mm。
箱体的两端通过螺栓孔固定连接板，该板设有与通孔同圆心的圆孔，且直径根据需求与排渗管匹配。
顶板设有分别通左模型槽、右模型槽的进水管；
顶板、箱体的两端及两侧分别设有通左模型槽、右模型槽的检测管。
进水管和检测管，为4分内丝螺纹管，长度25mm。
使用时，
将排渗管插入通孔，排渗管的两端露出箱体，使用匹配连接板直径的连接板从箱体的两端固定排渗管，箱体两端和连接板之间铺止水橡胶。
若需要进行对比试验，则，通过螺栓孔用密封螺栓板将隔板的通孔堵住，使左模型槽和右模型槽成为2个独立的腔体，相应的，排渗管为2截。
向左模型槽和右模型槽内填充一定比重Gs、颗粒级配的砂土(排渗介质)。
通过螺栓合拢箱体和顶盖，同上，顶板与箱体之间铺止水橡胶。
检测：根据检测位置，向不同位置的检测管中插入压力表或渗压计，测量腔内不同位置处的孔隙水压力，空置的检测管用密封螺栓堵塞。同时，在排渗管口放置接溢水的水桶，及称重水桶的电子秤。
进水：进水管通过恒压水泵接水箱，分别向左模型槽和右模型槽输水。
待渗流稳定后，用水桶在排渗管口(出水口)接水，用电子秤称接水的重量、用秒表计时，计算出流量大小，最后根据所得出的数据评估该排渗管的排渗效果，用于测试排渗管的淤堵性能。
一种研究排渗管排渗效果的方法，使用以上的渗透装置：
本发明中所使用的仪器包括：
垂直渗透仪：天津美斯特试验机场，型号为TSY-9型。
排渗管使用UPVC花管，也可使用硬式透水管等其他类型的排渗管。
排渗管组件1和排渗管组件2的尺寸相同，排渗管组件1使用的过滤材料为土工布；排渗管组件2使用的过滤材料为过滤海绵。
1、首先，测量材料的基本参数：
用垂直渗透仪测量土工布、过滤海绵的渗透系数K1分别为5.11E-01cm/s、1.12E+01cm/s；
测量排渗管组件使用的土工布、过滤海绵的质量M1分别为12.5g、32.1g,
采用400g/m2的无纺土工布，厚度D0(1.5mm),及长(39.5cm)、宽(26.5cm)；在排渗管上的包裹层数N_gl(1)。
过滤海绵选取40ppi，厚度D0(13mm)，过滤海绵压缩量D_ys为2.25mm，长41cm，宽19.5cm，用针线缝合成圆环形，其内径R1_gl(50mm)，外径R2_gl(76mm)。
测量外层排渗管的内径R1_wps(71.5mm)、外径R2_wps(75mm)、开孔段长度L1(36cm)、开孔直径R3_wps(10mm)以及开孔率n_wps(16.9％)；
测量内层排渗管的内径R1_nps(46mm)、外管外径R2_nps(50mm)、开孔直径R3_nps(10mm)以及开孔率n_nps(16.9％)，开孔段长度L1(36cm)。
组装好排渗管组件(排渗管加过滤材料)，测量排渗管组件1、2的质量M1_zh分别为623.4g和851.9g。
测量排渗介质(沙土)的比重Gs(2.626)、颗粒级配:
2、使用渗透装置测量排渗管组件使用前的综合渗透系数K1_zh：将装置竖起，进行径向渗流实验，记录排渗管组件的内水头H1_zh，外水头H2_zh，流量Q_zh，记录实验水的温度T_zh。
排渗管组件1使用前的综合渗透系数，实验时内水头为90.50cm(以地面为基准面)，外水头为90.70cm，流量大小为125.5ml/s；实验时水的温度为27.5℃，算得渗透系数为2.41E-01cm/s，
排渗管组件2使用前的综合渗透系数，实验时内水头为91.2cm，外水头为91.35cm，流量大小为99.0ml/s；实验时水的温度为27.5℃，算得渗透系数为1.36E+00cm/s。
径向渗流实验：将排渗装置竖起，注水使得排渗管组件发生稳定渗流，在排渗管组件内、外设置测压管，用于测量排渗管组件内外的水头得出水头差，在出水口接排渗量并计时，从而得出水流量大小，根据达西定律(Q＝K*A*(H2-H1)/L)得出渗透系数。
式中，Q为单位时间渗流量，A为过水断面，H(＝H2-H1)为总水头损失，L为渗流路径长度，K为渗透系数。
3、排渗效果及淤堵机理对比试验：
使用渗透装置(左模型槽和右模型槽)，对比研究不同条件下的排渗效果及淤堵机理。记录两侧排渗量随时间的变化，模型槽不同位置处水压随时间的变化。
保持排渗介质不变，保持水头边界条件不变，改变外层花管开孔率，研究外层花管开孔率对排渗效果及排渗管淤堵的影响；
保持排渗介质不变，保持水头边界条件不变，改变过滤材料的种类(不同的土工布，不同孔径的过滤海绵)，研究不同过滤材料对排渗效果及排渗管淤堵的影响；
保持排渗介质不变，保持水头边界条件不变，改变过滤海绵的厚度或压缩量，研究过滤海绵的厚度或压缩量对排渗效果及排渗管淤堵的影响；
保持排渗介质不变，保持两侧排渗管一样，改变顶面水头高度，研究不同水力梯度对排渗效果及排渗管淤堵的影响；
保持两侧排渗管组件一样，保持水头边界条件不变，改变实验排渗介质(不同颗粒大小及颗粒级配的砂土)，研究不同排渗介质对排渗效果及排渗管淤堵的影响。
本实施例的对比试验为：保持实验排渗介质不变，保持水头边界条件不变，改变过滤材料的种类。
实验中发生跑浑现象，跑浑时间(159s)，收集跑浑渗出液，并将渗出液进行沉淀、烘干、过筛，测量跑浑颗粒的粒径(均小于0.075mm)。说明，粒径小于0.075mm的跑浑颗粒能穿过该过滤材料。
4、实验之后，测量模型槽内不同深度处砂土的原位干密度ρd(1.56g/cm3)，及对应干密度下的渗透系数K_st(2.69E-02cm/s)(垂直渗透仪)，记录实验水的温度T_st(26℃)。
通过公式3计算，20cm、40cm、60cm深度处砂土的孔隙比分别为0.689、0.680、0.671。
原位干密度的测量方法为：使用环刀原位取样，烘干之后用试样的质量除以体积，即可得到原位干密度。
对应干密度下的渗透系数使用垂直渗透仪测量。
5、挖出模型槽内的砂土，取出排渗管组件,测量排渗管使用之后的质量M2_zh，对其不同位置和内外表面进行观察拍照，定性描述排渗管的淤堵形态和淤堵位置分布。
排渗管组件1使用后的质量为786.8g；
排渗管组件2使用后的质量为898.1g。
6、使用渗透装置测量排渗管组件使用后的综合渗透系数K2_zh，测量过滤材料(土工布、过滤海绵)的渗透系数K2。
排渗管组件1使用后的综合渗透系数为1.65E-01cm/s；
排渗管组件2使用后的综合渗透系数为7.61E-01cm/s。
7、将使用后的过滤材料(土工布、过滤海绵)进行烘干，测量其质量M2。
烘干后的土工布、过滤海绵的质量分别为45.7g、39.1g。
8、数据分析。
数据分析
1、改变实验变量(内外层排渗管的开孔率、排渗管的管径、过滤材料的种类、过滤材料的等效孔径、海绵的厚度和压缩量、排渗介质等)，通过对比分析左右两侧排渗管的排渗量，研究不同因素对排渗管排渗效果的影响。
分析排渗管排渗量随时间的变化规律，结合跑浑颗粒的粒径，研究排渗管的长期淤堵特性。通过对比同一排渗管在不同水头边界条件下的排渗量，可以比较分析水力梯度对排渗效果及淤堵情况的影响。
2、通过比较过滤材料使用前渗透系数K1和使用后渗透系数K2，比较过滤材料使用前的质量M1和过滤材料使用后的质量M2，比较排渗管使用前的综合渗透系数K1_zh和排渗管使用前的综合渗透系数K2_zh，比较排渗管使用前的质量M1_zh和排渗管使用后的质量M2_zh，从定量角度分析排渗管的淤堵程度。
3、排渗管使用过后，对其不同位置和内外表面进行观察拍照，定性描述排渗管的淤堵形态和淤堵位置分布。
4、根据模型槽内不同深度处砂土的原位干密度ρd和砂土的比重Gs，通过公式(3)计算模型槽不同深度处砂土的孔隙比。分析模型槽不同深度处砂土的孔隙比，模型槽不同位置处孔隙水压力随时间的变化规律，研究砂土是否发生明显的颗粒迁移。
使用公式：
计算海绵的压缩量：D_sy＝R2_gl-R1_wps (1)
计算排渗管使用前后的综合渗透系数：
式中，R为排渗管的外径，r为排渗管的内径，
若，过滤材料为土工布，则：
R＝R2wps+D0×N_gl，r＝R1_wps，
若，过滤材料为过滤海绵，则
R＝R2_wps，r＝R1_nps。
计算排渗介质填筑的孔隙比：
通过以上公式，整理以上数据，并分析，可得：
排渗管组件1(传统排渗管)的平均流量为8.766L/min，排渗管组件2的平均流量为8.202L/min，排渗管组件1的平均流量比排渗管组件2多0.565L/min，排渗管组件1的平均流量比排渗管组件2高6.92％。
可见，当外管相同时，过滤海绵(40ppi)可更管芯排渗管与传统外包土工布(400g/m2)排渗管的排渗效果相差不大，传统外包土工布排渗管的排渗量略大于过滤海绵可更换芯排渗管。
对比分析以及土工布和过滤海绵使用前后的质量，可知排渗管组件1和2都发生了一定程度的淤堵，由排渗管组件使用前后的渗透系数可知，淤堵程度较小。
通过对淤堵形态的观察发现，土工布外表面附着大量砂，过滤海绵上部对应外层花管开孔处有堆积的淤堵砂，而过滤海绵下部弥散着淤堵砂。
由不同深度处砂层的孔隙比可知，砂层砂土没有发生明显的迁移。
参数说明：
K1——过滤材料使用前的渗透系数
K2——过滤材料使用后的渗透系数
M1——过滤材料使用前的质量
M2——过滤材料使用后的烘干质量
D0——过滤材料的厚度
D_ys——海绵的压缩量
R_gl——过滤材料的等效孔径
N_gl——土工布在排渗管上的包裹层数
R1_gl——圆环形过滤海绵的内径
R2_gl——圆环形过滤海绵的外径
R1_wps——外层排渗管的内径
R2_wps——外层排渗管的外径
L1——外层排渗管的开孔段长度
R3_wps——外层排渗管的开孔大小
n_wps——外层排渗管的开孔率
R1_nps——内层排渗管的内径
R2_nps——内层排渗管的外径
R3_nps——内层排渗管的开孔大小
n_nps——内层排渗管的开孔率
M1_zh——排渗管使用前的质量
M2_zh——排渗管使用后的质量
Gs——排渗介质(砂土)的比重
ρd——模型槽内排渗介质(砂土)的原位干密度
N_st——模型槽内排渗介质(砂土)的原位孔隙比
K_st——模型槽内排渗介质(砂土)的对应原位干密度的渗透系数
H1_zh——测量排渗管综合渗透系数时排渗管内水头
H2_zh——测量排渗管综合渗透系数时排渗管外水头
K1_zh——排渗管使用前的综合渗透系数
K2_zh——排渗管使用后的综合渗透系数
Q_zh——测量排渗管综合渗透系数时排渗管流量
T_zh——测量排渗管综合渗透系数时实验水的温度
T_st——测量砂土渗透系数时实验水的温度
ρw——4℃时纯水的密度
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种研究排渗管排渗效果的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将过滤材料置于嵌套的内层排渗管、外层排渗管之间，形成排渗管组件后，插入带排渗介质的渗透装置中；
S2、测量过滤材料、内层排渗管、外层排渗管、排渗管组件、排渗介质的基本参数；
S3、通过径向渗流实验，测量排渗管组件使用前的综合渗透系数；
S4、通过对比试验，测量排渗量、渗透装置中的水压分别随时间的变化；
S5、试验后，测量排渗介质、排渗管组件、过滤材料的试验参数；
S6、通过径向渗流实验，测量排渗管组件使用后的综合渗透系数；
S7、观测排渗管组件的外表面，定性描述淤堵形态和淤堵位置分布；
S8、结合上述基本参数、试验参数、综合渗透系数及排渗量、渗透装置中的水压分别随时间的变化，进行数据分析；
所述步骤S2中的基本参数，包括：
A1、过滤材料的渗透系数K1，质量M1、厚度D0、及长、宽；
A2、外层排渗管的内径R1_wps、外径R2_wps、开孔段长度L1、开孔大小R3_wps以及开孔率n_wps；
A3、内层排渗管的内径R1_nps、外管外径R2_nps、开孔大小R3_nps以及开孔率n_nps；
A4、排渗管组件的质量M1_zh；
A5、排渗介质的比重Gs、颗粒级配；
所述步骤S3中的使用前的综合渗透系数K1_zh包括内水头H1_zh，外水头H2_zh，流量Q_zh，开孔段长度L1，排渗管组件的外径R，排渗管组件的内径r；
所述排渗管组件使用前的综合渗透系数：
式中，R为排渗管组件的外径，r为排渗管组件的内径；
所述步骤S5中试验参数包括：
B1、排渗介质的原位干密度ρd，及对应干密度下的渗透系数K_st；
B2、水的温度T_st；
B3、排渗管组件使用后的质量；
B4、过滤材料烘干后的质量。
2.根据权利要求1所述的一种研究排渗管排渗效果的方法，其特征在于,所述过滤材料包括土工布、过滤海绵；
若为土工布，则使用参数还包括其包裹的层数N_gl，若为过滤海绵，则使用参数还包括其内径R1_gl和外径R2_gl。
3.根据权利要求1所述的一种研究排渗管排渗效果的方法，其特征在于,所述步骤S8中的数据分析，包括：
C1、海绵的压缩量：D_sy＝R2_gl-R1_wps(1)若过滤材料为土工布，则：
R＝R2_wps+D0×N_gl，r＝R1_wps，
N_gl为土工布在排渗管上包裹的层数，
若过滤材料为过滤海绵，则：
R＝R2_wps，r＝R1_nps；
C2、排渗介质填筑的孔隙比：
ρw为水的密度。
4.一种研究排渗管排渗效果的渗透装置，其特征在于，适用于权利要求1-3任一所述的一种研究排渗管排渗效果的方法，包括设有顶板的箱体，隔板将箱体内腔分隔为左模型槽、右模型槽；
所述箱体的两端、隔板设有匹配排渗管的通孔；
所述顶板设有分别通左模型槽、右模型槽的进水管；
所述顶板、箱体的两端及两侧分别设有通左模型槽、右模型槽的检测管。
5.根据权利要求4所述的一种研究排渗管排渗效果的渗透装置，其特征在于，所述左模型槽和/或右模型槽内置排渗介质，隔板设有密封螺栓板。
6.根据权利要求4所述的一种研究排渗管排渗效果的渗透装置，其特征在于，所述箱体的两端设有连接板，其设有匹配排渗管的圆孔。
7.根据权利要求4所述的一种研究排渗管排渗效果的渗透装置，其特征在于，所述检测管接压力表、渗压计或匹配的密封螺栓；进水管通过水泵接水箱。
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