CN111622170A - 一种尾矿库溃坝模拟系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种尾矿库溃坝模拟系统及方法。该系统包括尾矿库库区、尾矿库沟道、下游河道、供水装置、降雨装置和监测装置。尾矿库库区位于尾矿库沟道的上游，尾矿库沟道位于下游河道的上游；供水装置分别设置在尾矿库库区的上游和下游河道的上游，用于提供尾矿库库区的上游来水和下游河道的上游来水；降雨装置设置在尾矿库库区的上方，并朝尾矿库库区喷水，以模拟降雨对尾矿库溃坝的影响；监测装置包括流量检测装置、水质检测装置和观测装置；分别用于实时监测尾矿库溃坝过程的流量、水质和影像的变化。该系统能模拟尾矿库溃坝过程、以及溃坝后下泄水沙在尾矿库沟道和下游河道中的迁移、演进与变化及其对下游河道的水量水质影响。

Description

一种尾矿库溃坝模拟系统和方法

技术领域

本发明涉及尾矿库溃坝模拟实验技术领域，尤其涉及一种尾矿库溃坝模拟系统和方法。

背景技术

尾矿库是维持矿山生产的重要设施，同时也是的重大危险源。由于尾矿库复杂的工程力学特性及特殊的构筑和运行方式，尾矿坝具有比水库大坝更高的溃坝风险。越来越多的科学家开始进行尾矿库溃坝的研究，这些研究主要集中于研究尾矿库的溃坝机理，进而分析影响尾矿库溃坝的主要因素，为尾矿库的防治提供支撑。

现有技术中，关于尾矿库的溃坝研究的模拟装置，大部分侧重于模拟尾矿库溃坝的机理，而无法模拟尾矿库溃坝后，对下游的影响。在溃坝机理的研究中，由于坝区的水位不仅受直接降雨的影响，更受周边山地汇流的影响，现有技术中缺乏对这些过程的研究。

在尾矿库溃坝后水沙运移方面，现有技术中的技术或装置，虽然能用于模拟溃坝泥流的演进过程，但是缺乏对尾矿库溃坝机理过程的模拟，同样无法反应不同降雨程度下，尾矿库库体的径流汇入过程，无法模拟溃坝模式，同时也无法模拟不同溃坝模式下的水沙演进过程。

现有尾矿库溃坝对下游影响的装置，多采用摄像头进行监控，虽然能监测泥流的运动状态，但无法准确获知溃坝后，水沙的具体流量数据，更无法对溃坝水沙对下游河道水量和水质的影响。

尾矿库事故溃坝是受降雨、径流入汇等影响的复杂过程，急需研发更适宜的装置，以模拟溃坝机理过程；而尾矿库溃坝导致的水沙下泄，不仅会带来泥石流风险，还会诱发的尾矿库沟道和河道严重的污染问题。因此，针对尾矿库溃坝的特征，急需研发新的尾矿库溃坝模型，以模拟不同溃坝模式下、尾矿库溃坝的水沙演进过程，及其对下游水质的影响。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种适用多种溃坝模式的尾矿库溃坝以及溃坝后水沙演进的模拟系统和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种尾矿库溃坝模拟系统，包括尾矿库库区、尾矿库沟道、下游河道、供水装置、降雨装置和监测装置；所述尾矿库库区包括第一底板、库体、边坡和坝体，所述第一底板向下倾斜设置，所述库体、边坡和坝体设置在所述第一底板上，所述库体用于存储尾矿水砂，所述边坡设置在所述库体周围用于模拟山地，所述坝体设置在所述第一底板的底端，用于拦截所述库体中的尾矿水砂；所述尾矿库沟道包括第二底板、沟道和床沙，所述第二底板倾斜设置，且设置在所述第一底板的下方，所述沟道和床沙均设置在所述第二底板上，所述沟道与所述库体相对应，所述床沙铺设在所述沟道中，所述下游河道设置在所述第二底板的下方，且与所述沟通相连通；所述供水装置分别设置在所述尾矿库库区的上游和所述下游河道的上游，用于提供所述尾矿库库区的上游来水和下游河道的上游来水；所述降雨装置设置在所述尾矿库库区的上方，并朝所述尾矿库库区喷水；所述监测装置包括多个流量检测装置、多个水质检测装置和多个观测装置；多个所述流量检测装置分别设置在所述尾矿库库区、尾矿库沟道和下游河道中，用于检测尾矿库溃坝前后所述尾矿库库区、尾矿库沟道和下游河道中水体的流量、流速和水位；多个所述水质检测装置分别设置在所述尾矿库库区、尾矿库沟道和下游河道中，用于检测尾矿库溃坝前后所述尾矿库库区、尾矿库沟道和下游河道中水体的水质；多个所述观测装置分别设置在所述尾矿库库区、尾矿库沟道和下游河道的两侧，其观测范围覆盖所述尾矿库库区、尾矿库沟道和下游河道，用于观测尾矿库溃坝过程的图像以及尾矿库溃坝后水沙的迁移演进图像。

优选的，还包括坡度调节装置，所述坡度调节装置包括第一坡度调节装置和第二坡度调节装置，所述第一底板和第二底板分别可拆卸地设置在所述第一坡度调节装置和第二坡度调节装置上，并通过所述第一坡度调节装置和第二坡度调节装置调节坡度；所述第一坡度调节装置包括第一支撑杆、第二支撑杆、第三支撑杆和第四支撑杆；所述第二坡度调节装置包括所述第三支撑杆、所述第四支撑杆、第五支撑杆和第六支撑杆；所述第一支撑杆和第二支撑杆分别设置在所述尾矿库库区的库首相对的两侧；所述第二支撑杆和第三支撑杆分别设置在所述尾矿库库区与所述尾矿库沟道交汇处相对的两侧；所述第五支撑杆和第六支撑杆分别设置在所述尾矿库沟道与所述下游河道交汇处相对的两侧；所述第一底板的四个角分别可拆卸地固定在所述第一支撑杆、第二支撑杆、第三支撑杆和第四支撑杆上，并沿所述第一支撑杆、第二支撑杆、第三支撑杆和第四支撑杆的高度方向上下移动；所述第二底板可拆卸地固定在所述第三支撑杆、第四支撑杆、第五支撑杆和第六支撑杆上，并沿所述第三支撑杆、第四支撑杆、第五支撑杆和第六支撑杆的高度方向上下移动。

优选的，所述坝体包括大坝防护板，所述大坝防护板的两端分别固定在所述第三支撑杆和第四支撑杆上，所述大坝防护板中部设有闸门孔，所述闸门孔处设置有闸门坝，所述闸门坝的宽度与所述库体中的水流截面宽度相同；所述边坡上布设有若干汇流沟。优选的，所述沟道为混凝土堆砌而成的凹槽；所述床沙包括若干不同粒径的砂石；所述床沙自然摆放于所述沟道的底部，以模拟实际沟道的砾石分布。

优选的，所述下游河道包括左侧防护板、右侧防护板和底部防护板；所述左侧防护板和右侧防护板分别设置在所述底部防护板相对的两侧；所述底部防护板上设置有河床；所述河床依据实际河道的剖面形态进行堆砌。

优选的，所述供水装置包括第一水泵和第二水泵，所述第一水泵的进水口与水源连通，其出水口通过第一输水管路与所述尾矿库库区的上游连通；所述第二水泵的进水口与水源连通，其出水口通过第二输水管路与所述下游河道的上游连通；所述第一输水管路和第二输水管路上均设有打开或关闭其的阀门；所述第一输水管路和第二输水管路上均设有流量计。

优选的，所述降雨装置包括第三水泵和喷头；所述第三水泵的进水口与水源连通，其出水口通过第三输水管路与所述喷头连通；所述第三输水管路上设有打开或关闭其的阀门；所述第三输水管路上设有流量计；所述喷头设置在所述尾矿库库区的上方，并朝所述尾矿库库区喷水。

优选的，所述流量检测装置包括均包括水位传感器和水流速度传感器；所述水位传感器分别设置在所述库体中、所述闸门坝与所述尾矿库沟道的交汇处、所述尾矿库沟道的中部、所述尾矿库沟道与所述下游河道的交汇处以及所述下游河道的尾部；所述水流速度传感器分别设置在所述库体中、所述闸门坝与所述尾矿库沟道的交汇处、所述尾矿库沟道的中部、所述尾矿库沟道与所述下游河道的交汇处以及所述下游河道的尾部；所述水质检测装置包括重金属传感器；所述重金属传感器分别设置在所述库体中、所述闸门坝与所述尾矿库沟道的交汇处、所述尾矿库沟道的中部、所述尾矿库沟道与所述下游河道的交汇处以及所述下游河道的尾部；所述观测装置包括高清摄像机；所述高清摄像机分别设置所述坝体的左右两侧、所述尾矿库沟道中部的左右两侧、所述尾矿库沟道与所述下游河道的交汇处以及所述下游河道的尾部。

一种尾矿库溃坝模拟方法，使用如上所述的系统，以模拟尾矿库的多种溃坝模式，包括以下步骤：

S1.根据要模拟的实际尾矿库库区、尾矿库沟道和下游河道的大小和坡度，按照等比例缩放的原则，利用所述坡度调节装置设计并搭建所述尾矿库库区、矿库沟道(2)和下游河道，并安装所述供水装置、降雨装置和监测装置；

S2.打开所述降雨装置和供水装置，以模拟所述尾矿库库区上方的降雨量、所述尾矿库库区的上游来水以及所述下游河道的上游来水；通过多个所述流量检测装置收集尾矿库溃坝前后所述尾矿库库区、尾矿库沟道和下游河道中水体的流量、流速和水位的数据；通过多个所述水质检测装置收集尾矿库溃坝前后所述尾矿库库区、尾矿库沟道和下游河道中水体的水质的数据；通过多个所述观测装置收集所述尾矿库溃坝过程的图像以及所述尾矿库溃坝后水沙的迁移演进图像的数据；

S3.依据步骤S2收集到的数据，拟合出尾矿库溃坝过程的经验公式，并分析尾矿库溃坝对所述尾矿库沟道和下游河道的影响。

优选的，所述尾矿库溃坝模式包括洪水漫顶溃坝模式、坝体全溃模式、坝体半溃模式、坝体1/4溃模式；在所述洪水漫顶溃坝模式下，所述大坝防护板为混凝土坝，所述闸门坝为土坝；在所述坝体全溃模式、坝体半溃模式和坝体1/4溃模式下，所述大坝防护板和闸门坝均为混凝土坝。

本发明的一种尾矿库溃坝模拟系统和方法。该系统包括尾矿库库区、尾矿库沟道、下游河道、供水装置、降雨装置和监测装置；其中尾矿库库区包括第一底板、库体、边坡和坝体，第一底板向下倾斜来模拟尾矿库库区的坡度，库体用于存储尾矿水砂，边坡设置在库体周围用于模拟山地，坝体设置在第一底板的底端，用于拦截库体中的尾矿水砂，该模拟系统的尾矿库库区能够更真实地反映出实际尾矿库库区的构造，以提高尾矿库溃坝的模拟的准确性；其中尾矿库沟道包括第二底板、沟道和床沙，第二底板倾斜设置来模拟尾矿库沟道的坡度，且设置在第一底板的下方，沟道和床沙均设置在第二底板上，沟道与库体相对应，床沙铺设在沟道中，能够真实地反映出尾矿库沟道的构造，便于研究尾矿库溃坝对下游的尾矿库沟道的影响；下游河道设置在第二底板的下方，且与沟通相连通，便于模拟尾矿库溃坝对下游河道的影响；通过降雨装置能够模拟不同降雨对尾矿库溃坝的影响；通过供水装置能够模拟尾矿库库区的上游来水以及下游河道的上游来水过程，便于更准确模拟出尾矿库溃坝的机制以及尾矿库溃坝对尾矿库沟道、下游河道的影响；通过监测装置能够监测整个尾矿库溃坝过程中的水位和流量的变化数据、水质的变化数据、溃坝过程图像以及溃坝后水沙迁移演进图像，能够更准确反映出溃坝的过程以及溃坝后对尾矿库沟道和下游河道的影响。本发明能够通过一套模拟系统，能够实现不同尾矿库溃坝模式的模拟，能够实现尾矿库溃坝后下泄尾砂对下游水量、泥沙和水质的模拟，拓展了模拟系统的功能和应用，并且能够更准确地反映尾矿库溃坝的实际地理环境状态。

附图说明

图1为本发明的一种尾矿库溃坝模拟系统的结构示意图；

图2为本发明的一种尾矿库溃坝模拟方法的流程图。

图中标记说明：

1、尾矿库库区；11、第一底板；12、库体；13、边坡；131、汇流沟；14、坝体；141、大坝防护板；142、闸门坝；2、尾矿库沟道；21、第二底板；22、沟道；23、床沙；3、下游河道；31、左侧防护板；32、右侧防护板；33、底部防护板；34、河床；4、供水装置；41、第一水泵；42、第二水泵；43、第一输水管路；44、第二输水管路；5、降雨装置；51、第三水泵；52、喷头；53、第三输水管路；6、监测装置；61、流量检测装置；611、水位传感器；612、水流速度传感器；62、水质检测装置621、重金属传感器；63、观测装置；631、高清摄像机；7、坡度调节装置；71、第一坡度调节装置；72、第二坡度调节装置；711、第一支撑杆；712、第二支撑杆；713、第三支撑杆；714、第四支撑杆；721、第五支撑杆；722、第六支撑杆；8、阀门；9、流量计。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

如图1所示，一种尾矿库溃坝模拟系统，包括尾矿库库区1、尾矿库沟道2、河道3、供水装置4、降雨装置5和监测装置6；尾矿库库区1包括第一底板11、库体12、边坡13和坝体14，第一底板11向下倾斜设置，库体12、边坡13和坝体14设置在第一底板11上，库体12用于存储尾矿水砂，边坡13设置在库体12周围用于模拟山地，坝体14设置在第一底板11的底端，用于拦截库体12中的尾矿水砂；尾矿库沟道2包括第二底板21、沟道22和床沙23，第二底板21倾斜设置，且设置在第一底板11的下方，沟道22和床沙23均设置在第二底板21上，沟道22与库体12相对应，床沙23铺设在沟道22中，下游河道3设置在第一底板11的下方，且与沟通22相连通；供水装置4分别设置在尾矿库库区1的上游和下游河道3的上游，用于提供尾矿库库区1的上游来水和下游河道3的上游来水；降雨装置5设置在尾矿库库区1的上方，并朝尾矿库库区1喷水；监测装置6包括流量检测装置61、水质检测装置62和观测装置63；流量检测装置61分别设置在尾矿库库区1、尾矿库沟道2和下游河道3中，用于检测尾矿库溃坝前后尾矿库库区1、尾矿库沟道2和下游河道3中水体的流量、流速和水位；水质检测装置62分别设置在尾矿库库区1、尾矿库沟道2和下游河道3中，用于检测尾矿库溃坝前后尾矿库库区1、尾矿库沟道2和下游河道3中水体的水质；观测装置63分别设置在尾矿库库区1、尾矿库沟道2和下游河道3的两侧，其观测范围覆盖尾矿库库区1、尾矿库沟道2和下游河道3，用于观测尾矿库溃坝过程的图像以及尾矿库溃坝后水沙的迁移演进图像。

本发明的一种尾矿库溃坝模拟系统和方法。该系统包括尾矿库库区、尾矿库沟道、下游河道、供水装置、降雨装置和监测装置；其中尾矿库库区包括第一底板、库体、边坡和坝体，第一底板向下倾斜来模拟尾矿库库区的坡度，库体用于存储尾矿水砂，边坡设置在库体周围用于模拟山地，坝体设置在第一底板的底端，用于拦截库体中的尾矿水砂，该模拟系统的尾矿库库区能够更真实地反映出实际尾矿库库区的构造，以提高尾矿库溃坝的模拟的准确性；其中尾矿库沟道包括第二底板、沟道和床沙，第二底板倾斜设置来模拟尾矿库沟道的坡度，且设置在第一底板的下方，沟道和床沙均设置在第二底板上，沟道与库体相对应，床沙铺设在沟道中，能够真实地反映出尾矿库沟道的构造，便于研究尾矿库溃坝对下游的尾矿库沟道的影响；下游河道设置在第二底板的下方，且与沟通相连通，便于模拟尾矿库溃坝对下游河道的影响；通过降雨装置能够模拟不同降雨对尾矿库溃坝的影响；通过供水装置能够模拟尾矿库库区的上游来水以及下游河道的上游来水过程，便于更准确模拟出尾矿库溃坝的机制以及尾矿库溃坝对尾矿库沟道、下游河道的影响；通过监测装置能够监测整个尾矿库溃坝过程中的水位和流量的变化数据、水质的变化数据、溃坝过程图像以及溃坝后水沙迁移演进图像，能够更准确反映出溃坝的过程以及溃坝后对尾矿库沟道和下游河道的影响。本发明能够通过一套模拟系统，能够实现不同尾矿库溃坝模式的模拟，能够实现尾矿库溃坝后下泄尾砂对下游水量、泥沙和水质的模拟，拓展了模拟系统的功能和应用，并且能够更准确地反映尾矿库溃坝的实际地理环境状态。

该模拟系统还可以包括坡度调节装置7，坡度调节装置7的类型可以有多种，在这里不作限定，本实施例中的坡度调节装置7可以包括第一坡度调节装置71和第二坡度调节装置72；其中第一坡度调节装置71可以包括第一支撑杆711、第二支撑杆712、第三支撑杆713和第四支撑杆714；第二坡度调节装置可以包括第三支撑杆713、第四支撑杆714、第五支撑杆721和第六支撑杆722；第一支撑杆711和第二支撑杆712可以设置在尾矿库库区1的库首相对的两侧；第三支撑杆713和第四支撑杆714可以分别设置在尾矿库库区1与尾矿库沟道2交汇处相对的两侧；第五支撑杆721和第六支撑杆722可以分别设置在尾矿库沟道2与河道3交汇处相对的两侧；第一底板11的四个角可以可拆卸地固定在第一支撑杆711、第二支撑杆712、第三支撑杆713和第四支撑杆714上，并可沿第一支撑杆711、第二支撑杆712、第三支撑杆713和第四支撑杆714的高度方向上下移动，以调节第一底板11与水平方向的倾斜度，来模拟整个尾矿库库区1的不同坡度；具体可以通过在第一底板11的四个角的位置分别设置卡扣，第一支撑杆711、第二支撑杆712、第三支撑杆713和第四支撑杆714沿高度方向间隔设置若干卡槽，通过将卡扣卡接在卡槽中，实现第一底板11与水平方向的倾斜度的调节；第二底板21的四个角可以可拆卸地固定在第三支撑杆713、第四支撑杆714、第五支撑杆721和第六支撑杆722上，并可以沿第三支撑杆713、第四支撑杆714、第五支撑杆721和第六支撑杆722的高度方向上下移动，以调节第二底板21与水平方向的倾斜度；具体可以通过在第二底板21的四个角的位置分别设置卡扣，第三支撑杆713、第四支撑杆714、第五支撑杆721和第六支撑杆722沿高度方向间隔设置若干卡槽，通过将卡扣卡接在卡槽中，实现第二底板21与水平方向的倾斜度的调节，来模拟的尾矿库沟道2的不同坡度。

其中第一底板11和第二底板21的材质可以有多种，在这里不作限定，本实施例中，第一底板11和第二底板21可以采用钢板。

库体12可以由混凝土堆砌成呈凹状，使得其能够存储一定容量的尾矿水沙；坝体14可以包括大坝防护板141，大坝防护板141的材质可以有多种，在这里不作限定，本实施例中大坝防护板141的材质可以为混凝土，其在模拟尾矿库溃坝过程中不会发生坍塌，大坝防护板141的两端可以分别固定在第三支撑杆713和第四支撑杆714上；大坝防护板141的中部可以设有闸门孔，闸门孔处可以设置有闸门坝142，闸门坝142在模拟尾矿库溃坝过程中是会发生坍塌的部分，闸门坝142的宽度可以与库体11中的水流截面宽度相同，以模拟库体12中的整个水流对闸门坝142的冲击的影响，闸门坝142的材质可以根据所需模拟的尾矿库溃坝模式来选择，闸门坝142的材质可以为泥土或混凝土；边坡13上可以布设有若干汇流沟131，用于模拟尾矿库库区1的边坡13周边的径流。

沟道22可以为混凝土堆砌而成的凹槽，以真实反映出实际沟道的构造和材质；床沙23可以包括若干不同粒径的砂石；床沙23可以自然摆放于沟道22的底部，以模拟实际沟道的砾石分布，能够精确模拟真实的尾矿库沟道2场景，便于更准确模拟出尾矿库溃坝后下泄矿砂在尾矿库沟道2中的迁移和沉积过程。

下游河道3可以包括左侧防护板31、右侧防护板32和底部防护板33；左侧防护板31和右侧防护板32可以分别设置在底部防护板33相对的两侧，左侧防护板31和右侧防护板32的位置可以与尾矿库沟道2中的水流方向垂直；底部防护板33上可以设置有河床34；河床34可以依据实际河道的剖面形态进行堆砌，河床34的高程可以与沟道22的底部高程一致。

其中左侧防护板31、右侧防护板32和底部防护板33的材质可以有多种，在这里不作限定，本实施例中，左侧防护板31、右侧防护板32和底部防护板33均可以采用透明的硬质固体。

供水装置4的类型可以有多种，在这里不做限定，本实施例中供水装置4可以包括第一水泵41和第二水泵42，第一水泵41的进水口与水源连通，其出水口通过第一输水管路43与尾矿库库区1的上游连通，用于模拟尾矿库库区1的上游来水；第二水泵42的进水口与水源连通，其出水口通过第二输水管路44与下游河道3的上游连通，用于模拟下游河道3的上游来水；第一输水管路43和第二输水管路44上均可以设有打开或关闭其的阀门8，通过阀门8的开度来控制水量；第一输水管路43和第二输水管路44上均可以设有流量计9，以检测第一输水管路43和第二输水管路44上的流量，精确获取流量的数据，便于后续的数据分析。

降雨装置5的类型可以有多种，在这里不做限定，本实施例中降雨装置5可以包括第三水泵51和喷头52；第三水泵51的进水口与水源连通，其出水口通过第三输水管路53与喷头52连通；第三输水管路53上可以设有打开或关闭其的阀门8，通过阀门8的开度来控制降雨强度和降雨量；第三输水管路53上可以设有流量计9，以精确获取第三输水管路53上的流量，便于计算降雨量的数据；喷头52可以设置在尾矿库库区1的上方，并朝所述尾矿库库区1喷水，以模拟降雨对尾矿库溃坝的影响。

流量检测装置61可以包括水位传感器611和水流速度传感器612；水位传感器611可以分别设置在库体12中、闸门坝142与尾矿库沟道2的交汇处、尾矿库沟道2的中部、尾矿库沟道2与下游河道3的交汇处以及下游河道3的尾部，通过水位传感器611能够全面获取整个尾矿库溃坝过程中尾矿库库区1、尾矿库沟道2和下游河道3的水位变化数据，使得能够更加准确分析出尾矿库溃坝对尾矿库沟道2和下游河道3的水位影响；水流速度传感器612可以分别设置在库体12中、闸门坝142与尾矿库沟道2的交汇处、尾矿库沟道2的中部、尾矿库沟道2与下游河道3的交汇处以及下游河道3的尾部，以全面获取整个尾矿库溃坝过程中尾矿库库区1、尾矿库沟道2和下游河道3的水流速度的变化数据，使得能够更加准确分析出尾矿库溃坝对尾矿库沟道2和下游河道3的水流速度的影响；水质检测装置62可以包括重金属传感器621，所述重金属传感器621可以分别设置在库体12中、闸门坝142与尾矿库沟道2的交汇处、尾矿库沟道2的中部、尾矿库沟道2与下游河道3的交汇处以及下游河道3的尾部，以全面获取整个尾矿库溃坝过程中尾矿库1、尾矿库沟道2和下游河道3的水质中重金属浓度变化的数据，使得能够更加准确分析出尾矿库溃坝对尾矿库沟道2和下游河道3的水质的影响；观测装置63可以包括高清摄像机631；高清摄像机631可以分别设置在坝体14的左右两侧、尾矿库沟道2中部的左右两侧、尾矿库沟道2与下游河道3的交汇处以及下游河道3的尾部，高清摄像机631的摄像头可以进行360旋转，能够更清晰地拍摄出整个尾矿库溃坝过程的溃口位置、大小和形态的变化过程，以及溃坝后水沙的迁移演进图像。

其中，水流速度传感器612的类型可以有多种，在这里不作限定，本实施例中，水流速度传感器612可以采用旋浆式传感器，其处理精度小于1cm/s，量程范围在1cm/s～5m/s之间；水位传感器611的类型可以有多种，在这里不作限定，本实施例中，水位传感器611可以采用电极式水位传感器，其可以根据所测电阻大小判别水面高度，分辨率小于0.1mm，跟踪速度小于100mm/s；重金属传感器621的类型可以有多种，在这里不作限定，本实施例中，重金属传感器621可以采用微型光电传感器，检测精度高、可靠性高，并且便于安装。

如图2所示，一种尾矿库溃坝模拟方法，使用如上所述的系统，模拟洪水漫顶溃坝模式，包括以下步骤：

1.根据要模拟的实际尾矿库、尾矿库沟道和下游河道的大小和坡度，按照等比例缩放的原则，利用坡度调节装置7设计并搭建尾矿库1、尾矿库沟道2和下游河道3，并安装供水装置4、降雨装置5和监测装置6；其中闸门坝142采用泥土堆积成的土坝；

2.通过调节第三输水管路53上阀门8的开度来控制喷头52的流量，来模拟降雨量；分别通过调节第一输水管路43和第二输水管路44上阀门8的开度来控制流量，以模拟尾矿库库区1的上游来水以及下游河道3的上游来水；通过流量检测装置61收集尾矿库溃坝前后尾矿库库区1、尾矿库沟道2和下游河道3中水体的流量、流速和水位的数据；通过水质检测装置62收集尾矿库1溃坝前后尾矿库库区1、尾矿库沟道2和下游河道3中水体的水质的数据；通过观测装置63收集尾矿库溃坝过程的图像以及尾矿库溃坝后水沙的迁移演进图像的数据；

3.依据监测到的库体12中的水位、流速和流量数据，绘制模拟降雨过程中尾矿库库区1的水位随时间的变化过程；依据闸门坝142与尾矿库沟道2的交汇处的水位、流速和流量数据，绘制尾矿库溃坝过程中闸门坝142位置处的流量过程线和水位过程线，并拟合出尾矿库溃坝过程的经验公式；依据坝体14左右两侧设置的高清摄像机631拍摄的影像，得到溃坝后的溃口宽度、深度和形态，计算出溃坝面积；依据尾矿库沟道2和下游河道3中的水位、流速和流量数据、水质变化的数据以及溃坝后水沙演进的影像，分析泥沙堆积厚度、水质浓度的变化过程，进而分析尾矿库溃坝对尾矿库沟道2和下游河道3的影响，包括下泄泥沙随时间迁移的过程、下泄泥沙堆积的影响范围，以及对水质污染的影响。

实施例2

本实施例使用实施例1中的模拟系统，模拟坝体全溃模式，本实施例中的步骤与实施例1基本相同，不同之处在于；步骤S1的闸门坝142采用混凝土坝；整个过程是先将尾矿库库区1的库体11蓄满，然后拔除整个闸门坝142的方式来模拟坝体全溃模式。

实施例3

本实施例中的步骤与实施例2的步骤基本相同，不同之处在于，本实施例通过拔除一半面积的闸门坝142，构造出U形溃口，来模拟坝体半溃模式。

实施例4

本实施例中的步骤与实施例2的步骤基本相同，不同之处在于，本实施例通过拔除1/4面积的闸门坝142，构造出U形溃口，来模拟坝体1/4溃模式。

以上未涉及之处，适用于现有技术。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种尾矿库溃坝模拟系统，其特征在于，包括尾矿库库区(1)、尾矿库沟道(2)、下游河道(3)、供水装置(4)、降雨装置(5)和监测装置(6)；所述尾矿库库区(1)包括第一底板(11)、库体(12)、边坡(13)和坝体(14)，所述第一底板(11)向下倾斜设置，所述库体(12)、边坡(13)和坝体(14)设置在所述第一底板(11)上，所述库体(12)用于存储尾矿水砂，所述边坡(13)设置在所述库体(12)周围用于模拟山地，所述坝体(14)设置在所述第一底板(11)的底端，用于拦截所述库体(12)中的尾矿水砂；所述尾矿库沟道(2)包括第二底板(21)、沟道(22)和床沙(23)，所述第二底板(21)倾斜设置，且设置在所述第一底板(11)的下方，所述沟道(22)和床沙(23)均设置在所述第二底板(21)上，所述沟道(22)与所述库体(12)相对应，所述床沙(23)铺设在所述沟道(22)中，所述下游河道(3)设置在所述第二底板(21)的下方，且与所述沟通(22)相连通；所述供水装置(4)分别设置在所述尾矿库库区(1)的上游和所述下游河道(3)的上游，用于提供所述尾矿库库区(1)的上游来水和下游河道(3)的上游来水；所述降雨装置(5)设置在所述尾矿库库区(1)的上方，并朝所述尾矿库库区(1)喷水；所述监测装置(6)包括多个流量检测装置(61)、多个水质检测装置(62)和多个观测装置(63)；多个所述流量检测装置(61)分别设置在所述尾矿库库区(1)、尾矿库沟道(2)和下游河道(3)中，用于检测尾矿库溃坝前后所述尾矿库库区(1)、尾矿库沟道(2)和下游河道(3)中水体的流量、流速和水位；多个所述水质检测装置(62)分别设置在所述尾矿库库区(1)、尾矿库沟道(2)和下游河道(3)中，用于检测尾矿库溃坝前后所述尾矿库库区(1)、尾矿库沟道(2)和下游河道(3)中水体的水质；多个所述观测装置(63)分别设置在所述尾矿库库区(1)、尾矿库沟道(2)和下游河道(3)的两侧，其观测范围覆盖所述尾矿库库区(1)、尾矿库沟道(2)和下游河道(3)，用于观测尾矿库溃坝过程的图像以及尾矿库溃坝后水沙的迁移演进图像。

2.如权利要求1所述的一种尾矿库溃坝模拟系统，其特征在于，还包括坡度调节装置(7)，所述坡度调节装置(7)包括第一坡度调节装置(71)和第二坡度调节装置(72)，所述第一底板(11)和第二底板(21)分别可拆卸地设置在所述第一坡度调节装置(71)和第二坡度调节装置(72)上，并通过所述第一坡度调节装置(71)和第二坡度调节装置(72)调节坡度；所述第一坡度调节装置包括第一支撑杆(711)、第二支撑杆(712)、第三支撑杆(713)和第四支撑杆(714)；所述第二坡度调节装置(72)包括所述第三支撑杆(713)、所述第四支撑杆(714)、第五支撑杆(721)和第六支撑杆(722)；所述第一支撑杆(711)和第二支撑杆(712)分别设置在所述尾矿库库区(1)的库首相对的两侧；所述第二支撑杆(712)和第三支撑杆(713)分别设置在所述尾矿库库区(1)与所述尾矿库沟道(2)交汇处相对的两侧；所述第五支撑杆(721)和第六支撑杆(722)分别设置在所述尾矿库沟道(2)与所述下游河道(3)交汇处相对的两侧；所述第一底板(11)的四个角分别可拆卸地固定在所述第一支撑杆(711)、第二支撑杆(712)、第三支撑杆(713)和第四支撑杆(714)上，并沿所述第一支撑杆(711)、第二支撑杆(712)、第三支撑杆(713)和第四支撑杆(714)的高度方向上下移动；所述第二底板(21)可拆卸地固定在所述第三支撑杆(713)、第四支撑杆(714)、第五支撑杆(721)和第六支撑杆(722)上，并沿所述第三支撑杆(713)、第四支撑杆(714)、第五支撑杆(721)和第六支撑杆(722)的高度方向上下移动。

3.如权利要求2所述的一种尾矿库溃坝模拟系统，其特征在于，所述坝体(14)包括大坝防护板(141)，所述大坝防护板(141)的两端分别固定在所述第三支撑杆(713)和第四支撑杆(714)上，所述大坝防护板(141)中部设有闸门孔，所述闸门孔处设置有闸门坝(142)，所述闸门坝(142)的宽度与所述库体(12)中的水流截面宽度相同；所述边坡(13)上布设有若干汇流沟(131)。

4.如权利要求3所述的一种尾矿库溃坝模拟系统，其特征在于，所述沟道(22)为混凝土堆砌而成的凹槽；所述床沙(23)包括若干不同粒径的砂石；所述床沙(23)自然摆放于所述沟道(22)的底部，以模拟实际沟道的砾石分布。

5.如权利要求3所述的一种尾矿库溃坝模拟系统，其特征在于，所述下游河道(3)包括左侧防护板(31)、右侧防护板(32)和底部防护板(33)；所述左侧防护板(31)和右侧防护板(32)分别设置在所述底部防护板(33)相对的两侧；所述底部防护板(33)上设置有河床(34)；所述河床(34)依据实际河道的剖面形态进行堆砌。

6.如权利要求3所述的一种尾矿库溃坝模拟系统，其特征在于，所述供水装置(4)包括第一水泵(41)和第二水泵(42)，所述第一水泵(41)的进水口与水源连通，其出水口通过第一输水管路(43)与所述尾矿库库区(1)的上游连通；所述第二水泵(42)的进水口与水源连通，其出水口通过第二输水管路(44)与所述下游河道(3)的上游连通；所述第一输水管路(43)和第二输水管路(44)上均设有打开或关闭其的阀门(8)；所述第一输水管路(43)和第二输水管路(44)上均设有流量计(9)。

7.如权利要求3所述的一种尾矿库溃坝模拟系统，其特征在于，所述降雨装置(5)包括第三水泵(51)和喷头(52)；所述第三水泵(51)的进水口与水源连通，其出水口通过第三输水管路(53)与所述喷头(52)连通；所述第三输水管路(53)上设有打开或关闭其的阀门(8)；所述第三输水管路(53)上设有流量计(9)；所述喷头(52)设置在所述尾矿库库区(1)的上方，并朝所述尾矿库库区(1)喷水。

8.如权利要求3所述的一种尾矿库溃坝模拟系统，其特征在于，所述流量检测装置(61)均包括水位传感器(611)和水流速度传感器(612)；所述水位传感器(611)分别设置在所述库体(12)中、所述闸门坝(142)与所述尾矿库沟道(2)的交汇处、所述尾矿库沟道(2)的中部、所述尾矿库沟道(2)与所述下游河道(3)的交汇处以及所述下游河道(3)的尾部；所述水流速度传感器(612)分别设置在所述库体(12)中、所述闸门坝(142)与所述尾矿库沟道(2)的交汇处、所述尾矿库沟道(2)的中部、所述尾矿库沟道(2)与所述下游河道(3)的交汇处以及所述下游河道(3)的尾部；所述水质检测装置(62)包括重金属传感器(621)；所述重金属传感器(621)分别设置在所述库体(12)中、所述闸门坝(142)与所述尾矿库沟道(2)的交汇处、所述尾矿库沟道(2)的中部、所述尾矿库沟道(2)与所述下游河道(3)的交汇处以及所述下游河道(3)的尾部；所述观测装置(63)包括高清摄像机(631)；所述高清摄像机(631)分别设置所述坝体(14)的左右两侧、所述尾矿库沟道(2)中部的左右两侧、所述尾矿库沟道(2)与所述下游河道(3)的交汇处以及所述下游河道(3)的尾部。

9.一种尾矿库溃坝模拟方法，其特征在于，使用如权利要求3-8任一项所述的系统，以模拟尾矿库的多种溃坝模式，包括以下步骤：

S1.根据要模拟的实际尾矿库库区、尾矿库沟道和下游河道的大小和坡度，按照等比例缩放的原则，利用所述坡度调节装置(7)设计并搭建所述尾矿库库区(1)、矿库沟道(2)和下游河道(3)，并安装所述供水装置(4)、降雨装置(5)和监测装置(6)；

S2.打开所述降雨装置(5)和供水装置(4)，以模拟所述尾矿库库区(1)上方的降雨量、所述尾矿库库区(1)的上游来水以及所述下游河道(3)的上游来水；通过所述流量检测装置(61)收集尾矿库溃坝前后所述尾矿库库区(1)、尾矿库沟道(2)和下游河道(3)中水体的流量、流速和水位的数据；通过所述水质检测装置(62)收集尾矿库溃坝前后所述尾矿库库区(1)、尾矿库沟道(2)和下游河道(3)中水体的水质的数据；通过所述观测装置(63)收集所述尾矿库溃坝过程的图像以及所述尾矿库溃坝后水沙的迁移演进图像的数据；

S3.依据步骤S2收集到的数据，拟合出尾矿库溃坝过程的经验公式，并分析尾矿库溃坝对所述尾矿库沟道(2)和下游河道(3)的影响。

10.如权利要求9所述的一种尾矿库溃坝模拟方法，其特征在于，所述尾矿库溃坝模式包括洪水漫顶溃坝模式、坝体全溃模式、坝体半溃模式和坝体1/4溃模式；在所述洪水漫顶溃坝模式下，所述大坝防护板(141)为混凝土坝，所述闸门坝(142)为土坝；在所述坝体全溃模式、坝体半溃模式和坝体1/4溃模式下，所述大坝防护板(141)和闸门坝(142)均为混凝土坝。

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