CN110108853A - 一种研究含水边坡的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种研究含水边坡的实验装置及支护方法，涉及露天采矿工程技术领域。包括：基座、模型箱、举升机构和注水组件；所述模型箱由底板及侧板组成箱体结构，第一侧板与第三侧板相对设置，在第一侧板上设有通孔，模型箱底部、靠近第三侧板一端转动连接于所述基座上，所述模型箱底部、靠近第一侧板一端设有所述举升机构；所述注水组件包括注水管，所述注水管从通孔中插入所述模型箱内，所述注水管与所述通孔的连接处设有第一密封塞，注水管、位于模型箱内的一端为封闭端，所述注水管上轴向设有多个相同孔径的径向通孔，在所述径向通孔上还设有可打开的第二密封塞。本发明适用于对含水边坡的研究分析中。

Description

一种研究含水边坡的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及露天采矿工程技术领域，尤其涉及一种研究含水边坡的实验装置及方法。

背景技术

露天矿边坡是露天矿在生产过程中最为重要的安全保障，边坡失稳往往造成露天矿山巨大的生命财产损失。其中，边坡水，即边坡中赋存的水，是关系边坡安全隐患的一个重要因素。因此，研究边坡水对露天矿边坡的影响具有重大意义。

当前对含水边坡的研究主要是基于实际的边坡岩体，利用导轨在上端悬挂注水管向边坡内部注水，一则可能造成注水不均匀，二则会对边坡岩体完整性造成损害。

为此，需要一种能够均匀注水且能够模拟边坡的实验装置，以便于对含水边坡开展实验研究。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例一种研究含水边坡的实验装置及方法，便于开展对含水边坡的实验研究，且不会对实际边坡岩体造成损害。

一方面，本发明实施例提供的研究含水边坡的实验装置，包括：基座、模型箱、举升机构和注水组件；所述模型箱由底板及侧板组成箱体结构，所述侧板包括第一侧板、第二侧板、第三侧板及第四侧板，所述第一侧板、第二侧板、第三侧板及第四侧板分别竖向连接在所述底板各边缘，且所述第一侧板与所述第三侧板相对设置，所述第二侧板与所述第四侧板相对设置，在所述第一侧板上设有通孔；

所述模型箱底部、靠近所述第三侧板一端转动连接于所述基座上，所述模型箱底部、靠近所述第一侧板一端设有所述举升机构；

所述注水组件包括注水管，所述注水管从所述通孔中插入所述模型箱内，所述注水管与所述通孔的连接处设有第一密封塞，所述第一密封塞为中空结构，所述注水管、位于模型箱内的一端为封闭端，所述注水管上轴向设有多个相同孔径的径向通孔，在所述径向通孔上还设有可打开的第二密封塞。

可选地，所述模型箱规格长×宽×高为：2m×0.4m×1m，所述底板与侧板厚度为0.02m，所述第一侧板上的通孔呈阵列设置，阵列数为七行三列，所述通孔的直径为0.04m，所述注水管长度为2m，直径为0.04m。

可选地，相邻的所述径向通孔的间距为0.05m。

可选地，所述注水组件还包括储水箱，所述储水箱设于所述模型箱第一侧板侧，与所述模型箱通过第一侧板分割开，所述储水箱外接有水泵。

可选地，所述举升机构为千斤顶，所述千斤顶顶部设有橡胶板。

可选地，所述橡胶板为矩形结构，所述矩形结构规格长×宽×厚为： 0.4m×0.4m×0.01m。

可选地，所述模型箱底部与所述第三侧板的拐角处设有包边钢件，所述模型箱通过所述包边钢件与所述基座转动连接；

所述直包边钢件为直角钢，所述直角钢两端设有端板，所述直角钢的直角边长为0.56m，所述端板的结构与直角钢的截面形状一致，所述端板的斜边为 0.44～0.7m，所述直角边及端板的厚度为0.02m。

可选地，所述直角钢的直角边上、与所述模型箱接触的一侧设有柔性缓冲层。

可选地，所述直角钢、与模型箱底板接触的直角边底部设有连接座，在所述连接座上设有第一铰接孔，在所述第一铰接孔中设有轴承，所述基座上设有与所述第一铰接孔中的轴承配合的第二铰接孔，所述第一铰接孔与第二铰接孔同轴设置，所述轴承中设有转动轴，所述转动轴两端用卡簧固定。

第二发明，本发明实施例提供一种应用权利要求第一方面任一所述的装置研究含水边坡的实验方法，包括步骤：

将模拟岩体的试样放入模型箱中；

在所述试样上设置位移计，用于测量试样在水流的作用下的表面位移；

在所述试样不同层高上设置应变片，以测量试样在水流作用下的内部压应力；

根据分析的目标岩层，将注水管的封闭端从模型箱第一侧相应层的通孔中穿过插入所述模拟岩体的试样中；所述注水管上轴向设有多个相同孔径的径向通孔；

在所述注水管与所述通孔的连接处设置第一密封塞，用于防止水渗漏；

将注水管的开口端接入储水箱中；

在注水管的开口端或开口端到模型箱之间设置一流量计，以记录流过的水量；

根据分析的目标边坡岩层倾角，利用举升机构举升模型箱一端，同时模型箱另一端随之在基座上逆时针转动，调整至模型箱与水平面之间的夹角至所述目标边坡岩层倾角；

向储水箱中加水，随着储水箱水位的升高，水流进入注水管，通过注水管上相同直径的径向通孔均匀地将水注入模拟岩层的试样相应层位中；

用流量计记录流入注水管中的水流量；

用位移计实时监测模拟岩层的试样在水的作用下的位移；

用应变片实时监测模拟岩层的试样的相应层位在水的作用下的内部压应力；

当观测到所述模拟岩层的试样在水的作用下失稳时，停止第一组实验；

基于获取的水流量与位移，水流量与内部压应力之间的关系分析含水边坡。

本发明实施例提供的一种研究含水边坡的实验装置及方法，包括：基座、模型箱、举升机构和注水组件；所述模型箱由底板及侧板组成箱体结构，所述侧板包括第一侧板、第二侧板、第三侧板及第四侧板，所述第一侧板、第二侧板、第三侧板及第四侧板分别竖向连接在所述底板各边缘，且所述第一侧板与所述第三侧板相对设置，所述第二侧板与所述第四侧板相对设置，在所述第一侧板上设有通孔；所述模型箱底部、靠近所述第三侧板一端转动连接于所述基座上，所述模型箱底部、靠近所述第一侧板一端设有所述举升机构；所述注水组件包括注水管，所述注水管从所述通孔中插入所述模型箱内，所述注水管与所述通孔的连接处设有第一密封塞，所述第一密封塞为中空结构，所述注水管、位于模型箱内的一端为封闭端，所述注水管上轴向设有多个相同孔径的径向通孔，在所述径向通孔上还设有可打开的第二密封塞。通过上述实验装置可以模拟边坡及边坡的含水状态，由于设置模型箱，可以在模型箱内放入模拟岩体的试样，以模拟边坡岩体，将模型箱底部一端与基座转动连接，另一端设置举升机构，这样，可以通过举升机构举升模型箱一端以使模型箱与水平面之间产生夹角，以模拟不同倾斜角度的岩层，通过在模型箱一侧接入注水管，通过所述注水管向模型箱中的模拟岩体的试样中注水，可以模拟含水边坡；通过在注水管上沿轴向设置多个相同直径的径向通孔，可以让水流均匀注入模拟岩体的试样中。综上，本发明实施例由于提供了上述实验装置，可以便于开展对含水边坡的实验研究，且不会对实际边坡岩体造成损害。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明研究含水边坡的实验装置一实施例结构主视图；

图2为图1中第一侧板的一实施例结构示意图；

图3为图1中第一密封塞一实施例结构示意图；

图4为图1中第二密封塞一实施例结构示意图；

图5为图1中模型箱与基座转动连接的一具体连接方式结构主视图；

图6为图5中具体连接方式结构俯视图；

图7为图5中具体连接方式结构左视图；

图8为图1中注水管一实施例结构示意图；

图9为图1的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1至图9所示，本发明实施例提供的研究含水边坡的实验装置，包括：基座1、模型箱2、举升机构3和注水组件4。

其中，所述模型箱由底板及侧板组成箱体结构，所述模型箱用于模拟边坡岩体，实验中，可以在模型箱中装入岩体试样，所述岩体试样可以从露天矿边坡采挖；为了使模型箱承载性能满足实验所需的承载要求，优选地，模型箱的底板为钢板裁切而成；为了便于对实验过程的岩体试样进行观测，优选地，所述侧板为透明板。其中，底板与侧板厚度均为0.02m；所述侧板包括第一侧板 21、第二侧板、第三侧板23及第四侧板，所述第一侧板、第二侧板、第三侧板及第四侧板分别竖向连接在所述底板各边缘，且所述第一侧板与所述第三侧板相对设置，所述第二侧板与所述第四侧板相对设置，在第一侧板21上设有通孔 211。

所述模型箱底部、靠近所述第三侧板23一端转动连接于所述基座1上，所述模型箱底部、靠近所述第一侧板21一端设有所述举升机构3。

具体地，所述举升机构可以为剪刀叉举升机构，也可以为千斤顶。

在本发明一个实施例中，所述举升机构为机械千斤顶，所述机械千斤顶为手摇式千斤顶，其结构简单，成本低，且能够满足实验要求；所述千斤顶顶部设有橡胶板31，用以减少升降过程中千斤顶对模型箱底板的损伤；所述橡胶板为矩形结构，所述矩形结构规格长×宽×厚为：0.4m×0.4m×0.01m。其中，机械千斤顶未升起状态下的高度加上橡胶板的高度与基座到模型箱底部的高度应相同，以使得位于上部的模型箱初始状态处于水平状态。

所述注水组件4包括注水管41，所述注水管从第一侧板21的通孔中插入所述模型箱内，所述注水管与所述通孔的连接处设有第一密封塞，所述第一密封塞为中空结构，第一密封塞一则用于防止水在连接处渗漏，二则还要使水流通过；可以理解的是，当注水管的一端正好设置在所述通孔处时，所述第一密封塞塞入注水管该端；所述注水管、位于模型箱内的一端为封闭端，所述注水管上轴向设有多个相同孔径的径向通孔411，用于均匀地向模型箱中的岩体试样中注水，以真实模拟含水边坡中某岩层或区域中水的分布状态；优选地，相邻的所述径向通孔的间距为0.05m，也可以设置成0.025m。在所述径向通孔上还设有可打开的第二密封塞，这样，可以根据研究需要，当某个孔对应的区域不需要注水时，可以方便地用第二密封塞关闭即可。

在本发明一个实施例中，所述模型箱规格长×宽×高为：2m×0.4m×1m，所述第一侧板上的通孔呈阵列设置，阵列数为七行三列，这样，可以将注水管通过不同层位的通孔插入到相应层位的岩体试样中，可以对边坡不同的含水岩层进行模拟及研究分析；所述通孔的直径为0.04m，所述注水管长度为2m，直径为0.04m；所述注水管选择柔性软管，可在所述柔性软管侧壁布金属丝，以增强其刚度。

在本发明的另一个实施例中，所述注水组件还包括储水箱42，用于提供向模型箱中注水所需的水源；所述储水箱设于所述模型箱第一侧板侧，与所述模型箱通过第一侧板分割开，所述储水箱外接有水泵。其中，当采用储水箱的静水压力向模型箱中注水时，当水位降低至静水压力不足以驱使水流通过注水管流入模型箱中时，可以通过水泵向储水箱中抽水，以达到预设的水压，保证实验中的水流要求。

可以理解的是，所述储水箱也可以与所述模型箱分开设置，当分开设置时，可以在注水管路上、位于储水箱与模型箱之间设置流量计，以记录流入模型箱中的水量，从而可以计算出通过每个径向孔径流入岩体试样中的水。

本实施例中，为了简化注水组件的组成部分或者说降低成本，作为一优选方式，所述储水箱包括箱体、在所述箱体内设有橡胶囊袋，在所述箱体内壁与橡胶囊袋之间充有惰性气体，例如氮气。这样，当储水箱内橡胶囊袋中的水减少时，惰性气体膨胀压缩橡胶囊袋，以压迫其向注水管中注水，可以尽可能地将储水箱中的水排空后才需要向储水箱中注水，可以提高实验过程中储水箱中水的利用率。

在本发明的又一个实施例中，所述模型箱底部与所述第三侧板的拐角处设有包边钢件22，所述模型箱通过所述包边钢件与所述基座1转动连接。

所述包边钢件为直角钢，所述直角钢两端设有端板，包边钢件整体形状为中空的直三棱柱状，所述直角钢的直角边长为0.56m，所述端板的结构与直角钢的截面形状一致，端板为等腰直角三角形，所述端板的斜边为0.44～0.7m，端板的斜边起到加固作用，所述直角边及端板的厚度为0.02m。

具体地，所述直角钢的直角边上、与所述模型箱接触的一侧设有柔性缓冲层26，厚度为0.04m，用于减少箱体的磨损。

在本发明的又一个实施例中，所述直角钢、与模型箱底板接触的直角边底部设有连接座24，在所述连接座上设有第一铰接孔，在所述第一铰接孔中设有轴承，所述基座上设有与所述第一铰接孔中的轴承配合的第二铰接孔，所述第一铰接孔与第二铰接孔同轴设置，所述轴承中设有转动轴25，所述转动轴两端用卡簧固定。

参看图5至图7所示，在另一可替代的实施例中，模型箱底部可以直接采用一整体转动轴组件代替基座及与基座转动连接的其他部件，所述的转动轴组件为工字型截面，分为上下用转轴转动连接的两个结构件，在上结构件上表面上设置连接孔，将其固定安装于包边钢件底部，其中转轴半径为0.02m，上下平面宽×高为0.2m×0.4m，厚度为0.02m，整个轴高可以根据需要设置为0.18m，具体设置的高度需要与具体的举升机构的未举升高度相匹配。

本发明实施例的实验装置，可以用于模拟含水边坡的地质条件，其中，由于实验装置中的注水管在轴向上设有多个相同孔径的通孔，能够使水均匀渗入。

而且，通过举升机构，例如，机械千斤顶与转动设置模型箱配合，能够模拟不同角度的倾斜岩层边坡，更接近实际工程情况，利用该实验装置研究分析的含水边坡的特性，其结果更具有理论指导意义。

另外，现有的基于实际的边坡进行研究的方案，其仅可以模拟水平岩层的附水状况；而本发明实施例则通过设置多个层位的通孔，将主水管通过不同层位的通孔插入模型箱内部的岩体试样相应的层位中，即可对竖向不同岩层的含水状况进行模拟及研究分析。

本发明实施例还提供了一种研究含水边坡的实验方法，包括步骤：

将模拟岩体的试样放入模型箱中；

在所述试样上设置位移计，用于测量试样在水流的作用下的表面位移；

在所述试样不同层高上设置应变片，以测量试样在水流作用下的内部压应力；

根据分析的目标岩层，将注水管的封闭端从模型箱第一侧相应层的通孔中穿过插入所述模拟岩体的试样中；所述注水管上轴向设有多个相同孔径的径向通孔；

在所述注水管与所述通孔的连接处设置第一密封塞，用于防止水渗漏；

将注水管的开口端接入储水箱中；

在注水管的开口端或开口端到模型箱之间设置一流量计，以记录流过的水量；

根据分析的目标边坡岩层倾角，利用举升机构举升模型箱一端，同时模型箱另一端随之在基座上逆时针转动，调整至模型箱与水平面之间的夹角至所述目标边坡岩层倾角岩层角度；

向储水箱中加水，随着储水箱水位的升高，水流进入注水管，通过注水管上相同直径的径向通孔均匀地将水注入模拟岩层的试样相应层位中；

用流量计记录流入注水管中的水流量；

用位移计实时监测模拟岩层的试样在水的作用下的位移；

用应变片实时监测模拟岩层的试样的相应层位在水的作用下的内部压应力；

当观测到所述模拟岩层的试样在水的作用下失稳时，停止第一组实验；

基于获取的水流量与位移，水流量与内部压应力之间的关系分析含水边坡。

本实施例提供的研究含水边坡的实验方法，基于前述的实验装置开展的，可以模拟不同倾斜角度的含水边坡的附水状况，并且可以让水流均匀注入模拟岩体的试样中，可以较为真实的模拟不同岩层或区域中水的分布状况，通过借助关的实验装置，不会对实际边坡岩体造成损害。

本实施例中，具体地，所述实验装置还包括设置于模型箱附近的相机，所述相机的镜头朝向模型箱内，用于采集岩体试样的位移变化或动静状态变化。所述方法还包括，在向储水箱中加水，随着储水箱水位的升高，水流进入注水管，通过注水管上相同直径的径向通孔均匀地将水注入模拟岩层的试样相应层位中之前或同时，用相机采集模型箱中模拟岩层的试样的状态的图像；

根据所述图像观测或测定模拟边坡的试样是否发生失稳。

所述方法还包括：根据分析的目标岩层、目标边坡岩层倾角及含水量分别调整注水管的插入层位、模型箱与水平面间的夹角及水流量的大小，重复上述实验步骤，获取第二组实验中水流量、位移与内部压应力数据；

基于第二组实验中获得的水流量、位移与内部压应力数据，及第一组实验中获得水流量、位移与内部压应力数据综合分析含水边坡。

可以理解的是，分析含水边坡包括分析边坡岩层与边坡水的耦合作用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种研究含水边坡的实验装置，其特征在于，包括：基座、模型箱、举升机构和注水组件；所述模型箱由底板及侧板组成箱体结构，所述侧板包括第一侧板、第二侧板、第三侧板及第四侧板，所述第一侧板、第二侧板、第三侧板及第四侧板分别竖向连接在所述底板各边缘，且所述第一侧板与所述第三侧板相对设置，所述第二侧板与所述第四侧板相对设置，在所述第一侧板上设有通孔；

所述模型箱底部、靠近所述第三侧板一端转动连接于所述基座上，所述模型箱底部、靠近所述第一侧板一端设有所述举升机构；

所述注水组件包括注水管，所述注水管从所述通孔中插入所述模型箱内，所述注水管与所述通孔的连接处设有第一密封塞，所述第一密封塞为中空结构，所述注水管、位于模型箱内的一端为封闭端，所述注水管上轴向设有多个相同孔径的径向通孔，在所述径向通孔上还设有可打开的第二密封塞。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述模型箱规格长×宽×高为：2m×0.4m×1m，所述底板与侧板厚度为0.02m，所述第一侧板上的通孔呈阵列设置，阵列数为七行三列，所述通孔的直径为0.04m，所述注水管长度为2m，直径为0.04m。

3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，相邻的所述径向通孔的间距为0.05m。

4.根据权利要求2或3所述的实验装置，其特征在于，所述注水组件还包括储水箱，所述储水箱设于所述模型箱第一侧板侧，与所述模型箱通过第一侧板分割开，所述储水箱外接有水泵。

5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述举升机构为千斤顶，所述千斤顶顶部设有橡胶板，所述橡胶板为矩形结构，所述矩形结构规格长×宽×厚为：0.4m×0.4m×0.01m。

6.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述模型箱底部与所述第三侧板的拐角处设有包边钢件，所述模型箱通过所述包边钢件与所述基座转动连接；

所述包边钢件为直角钢，所述直角钢两端设有端板，所述直角钢的直角边长为0.56m，所述端板的结构与直角钢的截面形状一致，所述端板的斜边为0.44-0.7m，所述直角边及端板的厚度为0.02m。

7.根据权利要求6所述的实验装置，其特征在于，所述直角钢的直角边上、与所述模型箱接触的一侧设有柔性缓冲层。

8.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述直角钢、与模型箱底板接触的直角边底部设有连接座，在所述连接座上设有第一铰接孔，在所述第一铰接孔中设有轴承，所述基座上设有与所述第一铰接孔中的轴承配合的第二铰接孔，所述第一铰接孔与第二铰接孔同轴设置，所述轴承中设有转动轴，所述转动轴两端用卡簧固定。

9.根据权利要求2或3所述的实验装置，其特征在于，所述底板为钢板，所述侧板为透明板。

10.一种应用权利要求1至9任一所述的装置研究含水边坡的实验方法，其特征在于，包括步骤：

将模拟岩体的试样放入模型箱中；

在所述试样上设置位移计，用于测量试样在水流的作用下的表面位移；

在所述试样不同层高上设置应变片，以测量试样在水流作用下的内部压应力；

根据分析的目标岩层，将注水管的封闭端从模型箱第一侧相应层的通孔中穿过插入所述模拟岩体的试样中；所述注水管上轴向设有多个相同孔径的径向通孔；

在所述注水管与所述通孔的连接处设置第一密封塞，用于防止水渗漏；

将注水管的开口端接入储水箱中；

在注水管的开口端或开口端到模型箱之间设置一流量计，以记录流过的水量；

根据分析的目标边坡岩层倾角，利用举升机构举升模型箱一端，同时模型箱另一端随之在基座上逆时针转动，调整至模型箱与水平面之间的夹角至所述目标边坡岩层倾角；

向储水箱中加水，随着储水箱水位的升高，水流进入注水管，通过注水管上相同直径的径向通孔均匀地将水注入模拟岩层的试样相应层位中；

用流量计记录流入注水管中的水流量；

用位移计实时监测模拟岩层的试样在水的作用下的位移；

用应变片实时监测模拟岩层的试样的相应层位在水的作用下的内部压应力；

当观测到所述模拟岩层的试样在水的作用下失稳时，停止第一组实验；

基于获取的水流量与位移，水流量与内部压应力之间的关系分析含水边坡。