CN113376073A - 一种稀土边坡优先流模拟试验系统 - Google Patents
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Abstract
一种稀土边坡优先流模拟试验系统，涉及一实验室渗透实验装置，集降雨系统、供水系统、监测系统、土槽渗透装置、边界水位控制水槽于一体的稀土边坡优先流模拟试验系统。包括：土槽，其特征是：还包括布置于土槽上部的降雨系统、供水系统，设置于土槽中的水分及孔隙水压力监测系统，布置于土槽两侧的边界水位控制系统。
Description
技术领域
本发明新型属于边坡渗透试验技术领域，具体涉及离子型稀土边坡原地浸析与降雨入渗共同作用下，优先流渗透模拟试验设备的研制。
背景技术
为了研究南方离子型稀土原地浸矿过程可能引起污染物迁移和滑坡灾害问题，室内物理模拟试验研究方法是常用的研究手段之一。一套科学、合理的模式试验系统是开展类似研究的关键。当前，无论是污染物迁移，还是滑坡机理或过程模拟，室内土槽模拟系统都是最主要的试验装置之一。
在稀土原地浸矿过程中，为了减少滑坡发生概率，降雨时通常会暂停浸矿注液。因此，要求试验系统能够模拟降雨入渗和降雨期间，停止注液后，浸矿液自然排泄的原地浸矿退水共同作用下，边坡土体内水分及孔隙水压力传播过程。
要达到上述目的：关键技术一方面在于能够准确控制停止注液时的土槽边界水位，进而确定地下水水位。另一方面自然界下雨时，测定遍布稀土边坡之上的注液孔和天然大孔隙如植被根系、虫孔、洞穴等为降雨入渗提供了快捷通道，使坡体内土壤含水量和孔隙水压力快速增加，形成优先流，从而影响边坡稳定性。可见，模拟系统也要应能够模拟下雨时注液孔和天然大孔隙对渗流的影响，这是模拟系统应解决的另一关键技术问题。
目前的试验装置均包括降雨模拟系统、土槽系统、监测系统(传感器)、供水系统等部分，而离子型稀土原地浸矿边坡在降雨入渗条件下，水分及孔隙水压力传播具有鲜明的特点，相比一般的降雨型边坡，渗透规律更加复杂，因此，已有的物理模拟装置无法满足研究需要。
本发明旨在解决以上两个关键技术问题，为开展稀土原地浸矿边坡污染物迁移、水分及孔隙水压力传输室内物理模拟试验研究提供实验平台。
与本发明相关的技术有“一种降雨型滑坡灾害模拟试验系统”(CN104502563A，2015.04.08，蔡植善等)和“离子型稀土原地浸矿滑坡系统”，(CN104749344A，2015.07.01，陈飞等)，两套系统均为滑坡模拟试验系统。前者旨在对降雨型滑坡灾害进行模拟，包括了降雨系统、土槽系统和监测系统，没有考虑稀土浸矿注液的问题；后者旨在对原地浸矿条件下稀土滑坡的演变过程进行模拟，包括注液系统、试验土槽、渗透监测系统、位移监测系统，缺少降雨模拟系统。二者均能够对一定条件下的边坡水分传输进行模拟。但存在以下不足：
(1)统未同时考虑降雨入渗和原地浸矿注液，因此无法开展降雨入渗与原地浸矿退水的耦合渗流行为的模拟试验研究；
(2)未考虑降雨入渗时，由于注液孔和天然大孔隙而引起的优先流对水分传输的影响。
(3)降雨发生时，无法实现对边界水位的控制，需要准确获取原地浸矿液面即地下水水位的位置，现有模拟系统。
(4)无法同时满足污染物迁移模拟和边坡水分及孔隙水压力传输的模拟功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对背景技术的不足，提供一种集降雨系统、供水系统、监测系统、土槽渗透装置、边界水位控制水槽于一体的稀土边坡优先流模拟试验系统。
本发明技术方案是：一种稀土边坡优先流模拟试验系统，包括：土槽，其特征是：还包括布置于土槽上部的降雨系统、供水系统，设置于土槽中的水分及孔隙水压力监测系统，布置于土槽两侧的边界水位控制系统。
进一步的一种稀土边坡优先流模拟试验系统，其特征是：所述的供水系统包括供水箱支架、供水箱、水管、流量计及水阀；供水箱一路连接水管再连接流量计再连接水阀；一路连接降雨系统，降雨系统包括不锈钢格架、喷头，不锈钢格架上一端安装在供水箱支架上，喷头安装在不锈钢格架上，喷头通过软管与供水系统的供水箱相连，
进一步的一种稀土边坡优先流模拟试验系统，其特征是：所述的监测系统包括设置在土体中的水分传感器、孔隙水压力计，所述水分传感器、孔隙水压力计与数据采集器及电脑相连；所述水分传感器、孔隙水压力计均布于待测试土槽内的待测土中。
进一步的一种稀土边坡优先流模拟试验系统，其特征是：所述的土槽四周壁采用透明的有机玻璃板材制成，土槽底板为防腐木，底板上铺设一层压密黏土层，土槽底部为角钢支架，土槽装土后，在土体上方布置若干注液孔，土体中的设有钢钎插入后再拔出形成大孔隙。
进一步的一种稀土边坡优先流模拟试验系统，其特征是：所述的土槽内四壁附近设有砾石层，土槽底部铺设有压密粘土层。
进一步的一种稀土边坡优先流模拟试验系统，其特征是：所述底板上铺设压密黏土层厚度为5cm。注液孔为直径2cm，长10cm的PVC管，土体中的天然大孔隙直径在0.1-0.5cm之间，
进一步的一种稀土边坡优先流模拟试验系统，其特征是：所述边界水位控制水槽位于土槽落差上下两侧，分别为高水位水槽、低水位水槽，高水位水槽、低水位水槽四周壁及底板均为有机玻璃板，水槽外侧设置有溢水口及水阀，底部设有泄水口，泄水口通过软管与量筒相连，高水位水槽、低水位水槽均与土槽相连，即高水位水槽的下侧板与土槽共边，低水位水槽的上侧板也与土槽共边，共用水槽与土槽共用边有机玻璃板为多孔板，多孔板靠土槽一侧布设5cm厚砾石层，高水位水槽、低水位水槽外侧板带有水位刻度。
进一步的一种稀土边坡优先流模拟试验系统，其特征是：还包括一个控制系统，控制系统包括PLC控制器、连接线、电子控制水阀、电子控制高位溢水口阀、电子控制低位溢水口阀、电子控制泄水口阀、高位液面探头、低位液面探头，PLC控制器通过连接线分别连接电子控制水阀、电子控制高位溢水口阀、电子控制低位溢水口阀、电子控制泄水口阀、高位液面探头、低位液面探头，PLC控制器通过控制电子控制水阀来控制降雨系统的降雨强度和高位水槽的供水量，PLC控制器通过控制电子控制高位溢水口阀、电子控制低位溢水口阀来控制高位水槽和低位水槽的液面高度，PLC控制器通过高位液面探头、低位液面探头获取高位水槽和低位水槽的液面高度，高位液面探头、低位液面探头，通过设置PLC控制器参数实现对土槽中待测土不同降雨强度以及不同浸出液供应状态下的渗透特征。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过降雨系统及供水系统模拟不同降雨强度，通过监测系统量测降雨入渗和浸矿退水耦合作用下的水分及孔隙水压力传输规律，通过注液孔及天然大孔隙模拟降雨入渗时优先流的渗透特征，通过边界水位控制水槽控制和量测土槽上下边界的水位。
(2)本发明土槽和水槽均采用有机玻璃板材制作，具有易于制作，便于观测的特点；土槽底板采用防腐木板，木板由底部的角钢支架支撑，可根据需要改变木板倾斜角度，从而实现对不同隔水底板倾角边坡的模拟。
(3)本发明集成了降雨系统、供水系统、监测系统、土槽渗透装置、边界水位控制水槽，可实现降雨条件下，稀土原地浸矿边坡优先流对污染物迁移、水分及孔隙水压力传输影响的模拟；监测系统可对水分及孔隙水压力传输特征进行全过程量测。
(4)本发明自动化和集成化程度高，能用来进行降雨条件下稀土边坡或普通边坡优先流模拟、降雨与原地浸矿耦合作用下稀土边坡渗流模拟，以及边坡污染物迁移模拟等试验，可进行不同降雨条件、不同浸矿退水工况，以及不同边界水位控制下的渗透模拟，具有操作方便、数据自动采集且可靠、可重现等优点。
(5)本发明结构设计合理、可调节性高、模拟仿真度较高、试验数据可靠。
附图说明
附图用来对本发明的进一步理解，附图中：
图1为本发明的主视示意图
图2为本发明的土槽及监测系统布置图
图中：水箱1、流量计2、水阀3、水管4、降雨支架5、降雨喷头6、表土层7、注液孔(PVC管)8、天然大孔隙9、土槽壁10、水槽侧板11、溢水口12、泄水口13、量筒14、压密粘土层15、承压木板16、水分传感器17、孔隙水压力计18、全风化土层19、角钢支架20、电子控制泄水口阀21、土槽22、低位水槽23、砾石层24、高位水槽25、溢水口阀26、初始饱和浸矿液面27、支架28、供水阀29、供水流量计30、供水管31、电脑32、数据采集器33。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图所示，本发明由降雨系统、供水系统、监测系统、土槽渗透装置、边界水位控制水槽组成；
所述降雨系统包括不锈钢架(含支架)、30个喷头(均匀布置于土槽上部，间隔20cm)及水管，其中不锈钢选用304管材(方管)，通过焊接方式连接，水管采用硅胶管；
所述供水系统包括供水箱1、流量计2、水阀3、软管4及支架5，供水箱1采用有机玻璃板材，支架25采用304不锈钢管材；供水箱1底部连接软管4，软管4上安装有流量计2及水阀3，供水箱1通过软管4与降雨系统的喷头6相连；供水箱1还通过供水软管26向高位水槽22供水，对高位水槽22和降雨系统的供水分别采用独立的水阀3及流量计2，通过水阀3分别控制相关水流量大小。
所述监测系统包括12个水分传感器17、6个孔隙水压力计18、1个数据采集器19及笔记本电脑20，水分传感器17和孔隙水压力计18通过数据线与数据采集器19相连，数据采集器19与笔记本电脑20相连；实现实时数据导出及处理；水分传感器17与孔隙水压力计18交错排列在土槽21内的待测土中，水分传感器17与孔隙水压力计18间隔垂直向和水平向距离均控制在25cm左右，在平面布置上，水分传感器17布置于其中两侧，孔隙水压力计18布置于中间。
所述土槽21渗透装置包括有机玻璃制的四壁10、承压木板13、底部角钢支架14、大孔隙8；与水槽10共用的两壁为多孔板，板材厚度为1cm，孔径为0.5cm，孔径间间距为0.5cm，另外两壁不开孔，四壁有机玻璃板连接处进行胶结处理，防治渗漏，在转角处用铁皮进行包裹加固，并用螺丝进行固定；承压木板16采用3cm厚防腐木板，试验时，上部铺设厚度为5cm的压密黏土层15，防治水分下渗。底部角钢支架14采用等边角钢，顶部框架承接上部木板及土体重量，支架外边为直角三角形，其中底边长80cm，另一直角边高度及斜边长度根据边坡坡度进行设定，图中直角边高为25cm，角钢支架内部采用矩形支撑，角钢管材之间均作焊接处理；大孔隙8由内径为2cm的PVC管插入待测土形成模拟注液孔，天然大孔隙9由钢钎插入后再拔出形成。
边界水位控制水槽由高位水槽25、低位水槽23两个水槽组成，其中高位水槽25、低位水槽23靠近土槽22的土槽壁10与土槽22共用，且均为多孔板，其余侧壁均为1cm厚的有机玻璃板材，其中上低位水槽23外侧各设置有7个溢水口12和1个泄水口13，溢水口12间距为8cm，均设置有溢水口阀26，泄水口13与量筒14相连，用于测量出水量；槽底部为一块厚度为1cm的有机玻璃板相连，将高位水槽25、低位水槽23和土槽22连为一体。实验时，可通过溢水口阀26控制高位水槽25、低位水槽23的水位高低，以控制土槽22的边界水位。为了模拟降雨入渗和浸矿退水耦合作用下的优先流渗流特性，先确保高位水槽25、低位水槽23水位恒定，开始降雨模拟后，将高位水槽25、低位水槽23的溢水口阀26全部打开，自然排水，可模拟浸矿退水与降雨入渗同时存在的耦合渗透过程。
总之，本发明集成了降雨系统、供水系统、监测系统、土槽22渗透装置和边界水位控制水槽等部分，通过调节降雨量大小、高位水槽25、低位水槽23的水位高低，以及降雨和水槽泄水的时间，以模拟不同降雨强度、不同边界水位及不同工况下的稀土浸矿边坡优先流渗透特征，也可独立用于污染物在土槽中的迁移模拟，渗透的主要参数水分及孔隙水压力能够实现自动实时监测，所得试验数据可靠，试验系统结构设计合理、可调节性高、模拟仿真度较高，能为稀土浸矿边坡的污染物迁移和边坡渗透模拟研究提供试验平台，可产生较好的社会、经济及环境效益，值得推广应用。
Claims (8)
1.一种稀土边坡优先流模拟试验系统，包括：土槽，其特征是：还包括布置于土槽上部的降雨系统、供水系统，设置于土槽中的水分及孔隙水压力监测系统，布置于土槽两侧的边界水位控制系统。
2.根据权利要求1所述一种稀土边坡优先流模拟试验系统，其特征是：所述的供水系统包括供水箱支架、供水箱、水管、流量计及水阀；供水箱一路连接水管再连接流量计再连接水阀；一路连接降雨系统，降雨系统包括不锈钢格架、喷头，不锈钢格架上一端安装在供水箱支架上，喷头安装在不锈钢格架上，喷头通过软管与供水系统的供水箱相连。
3.根据权利要求1所述一种稀土边坡优先流模拟试验系统，其特征是：所述的监测系统包括设置在土体中的水分传感器、孔隙水压力计，所述水分传感器、孔隙水压力计与数据采集器及电脑相连；所述水分传感器、孔隙水压力计均布于待测试土槽内的待测土中。
4.根据权利要求1所述一种稀土边坡优先流模拟试验系统，其特征是：所述的土槽四周壁采用透明的有机玻璃板材制成，土槽底板为防腐木，底板上铺设一层压密黏土层，土槽底部为角钢支架，土槽装土后，在土体上方布置若干注液孔，土体中的设有钢钎插入后再拔出形成大孔隙。
5.根据权利要求1所述一种稀土边坡优先流模拟试验系统，其特征是：所述的土槽内四壁附近设有砾石层，土槽底部铺设有压密粘土层。
6.根据权利要求1所述一种稀土边坡优先流模拟试验系统，其特征是：所述底板上铺设压密黏土层厚度为5cm。注液孔为直径2cm，长10cm的PVC管，土体中的天然大孔隙直径在0.1-0.5cm之间。
7.根据权利要求1所述一种稀土边坡优先流模拟试验系统，其特征是：所述边界水位控制水槽位于土槽落差上下两侧，分别为高水位水槽、低水位水槽，高水位水槽、低水位水槽四周壁及底板均为有机玻璃板，水槽外侧设置有溢水口及水阀，底部设有泄水口，泄水口通过软管与量筒相连，高水位水槽、低水位水槽均与土槽相连，即高水位水槽的下侧板与土槽共边，低水位水槽的上侧板也与土槽共边，共用水槽与土槽共用边有机玻璃板为多孔板，多孔板靠土槽一侧布设5cm厚砾石层，高水位水槽、低水位水槽外侧板带有水位刻度。
8.根据权利要求1所述一种稀土边坡优先流模拟试验系统，其特征是：还包括一个控制系统，控制系统包括PLC控制器、连接线、电子控制水阀、电子控制高位溢水口阀、电子控制低位溢水口阀、电子控制泄水口阀、高位液面探头、低位液面探头，PLC控制器通过连接线分别连接电子控制水阀、电子控制高位溢水口阀、电子控制低位溢水口阀、电子控制泄水口阀、高位液面探头、低位液面探头，PLC控制器通过控制电子控制水阀来控制降雨系统的降雨强度和高位水槽的供水量，PLC控制器通过控制电子控制高位溢水口阀、电子控制低位溢水口阀来控制高位水槽和低位水槽的液面高度，PLC控制器通过高位液面探头、低位液面探头获取高位水槽和低位水槽的液面高度，高位液面探头、低位液面探头，通过设置PLC控制器参数实现对土槽中待测土不同降雨强度以及不同浸出液供应状态下的渗透特征。
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