CN113655205A - 库水位与降雨耦合的尾矿坝浅层破坏分析实验装置及应用 - Google Patents
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Abstract
一种库水位与降雨耦合的尾矿坝浅层破坏分析实验装置及应用。利用本装置进行尾矿坝稳定性实验，分析尾矿坝内孔隙水压力及体积含水率的变化规律及渗流规律。通过模拟人工降雨环境及天然浸润线条件，研究在库水位及降雨耦合工况下不同降雨历时、不同降雨强度、不同库水位高度对尾矿浅层破坏的影响。传统的尾矿坝模型实验模拟均考虑单一条件，缺乏两种条件相互作用对尾矿坝产生破坏的整体分析，本实验装置和方法考虑了实际中降雨和库水位两种因素共同作用对尾矿坝稳定性的影响，为研究尾矿库稳定性模型实验提供思路，为矿山防灾减灾工作提供科学依据。
Description
技术领域
本发明创造属于矿山边坡地质灾害物理模拟研究技术领域。提供一种库水位与降雨耦合的尾矿坝浅层破坏分析实验装置及应用，为研究在库水位和降雨条件下尾矿坝浅层破坏提供思路，为尾矿库地质灾害治理和风险预测提供科学依据。
背景技术
尾矿库是高势能泥石流危害源头，一旦溃坝，将严重威胁下游人类生命财产安全。尾矿库失稳发生溃坝往往是在持续降雨导致坝体局部饱和使土体降低粘聚力的情况下发生，因此，在库水位和降雨耦合下对尾矿坝浅层破坏的的分析及综合研究意义重大。传统的尾矿坝模型实验模拟装置在实验模拟过程中均考虑单一条件，缺乏两种条件相互作用对尾矿坝产生破坏的整体分析。因此，本发明创造提供了一种库水位与降雨耦合的尾矿坝浅层破坏分析实验装置及应用，具有广阔的应用前景。
发明内容
针对上述问题，本发明创造提供一种库水位与降雨耦合的尾矿坝浅层破坏分析实验装置及应用，利用本装置进行尾矿坝浅层破坏模拟实验，分析孔隙水压力和坝体含水率变化规律及渗流规律，模拟人工降雨环境及尾矿坝浸润线条件，研究降雨和库水位耦合情况下尾矿坝浅层破坏方式。
为了实现上述目的，本发明创造采用的技术方案为：一种库水位与降雨耦合的尾矿坝浅层破坏分析实验装置及应用，其特征在于：由地下水装置、尾矿土模型装置、降雨装置组成。
1）、模型的地下水装置由耐腐蚀水箱、水箱流量阀门、地下水导管三部分组成。耐腐蚀水箱尺寸为50cm×120cm×100cm，材质为耐腐蚀、耐酸碱的钢材制品，水箱中线上有三个内径4cm，长度70cm的地下水导管，三个地下水导管间距35cm，上下两端导管距耐腐蚀水箱上下边缘15cm，材料为PVO-V经水管。地下水导管穿过尺寸为10cm×120cm×150cm混凝土墙进入尾矿土模型装置中，地下水导管上装有圆形硬塑料水箱流量阀门控制流量，用以控制库内不同水位高度。
2）、模型的尾矿土模型装置整体为立方体，顶部开口，由左侧混凝土墙、前后两侧透明有机玻璃、右侧排水斜槽和量筒组成。透明有机玻璃的尺寸分别为250cm×1cm×110cm，排水斜槽向下倾斜15°，量筒容积为5L，用于收集地表径流水和泥沙。
3）、模型的降雨装置包括圆形导流管、可升降软管、雾化喷头、涡轮流量计、降雨架五部分。降雨装置通过智能变频电泵将耐腐蚀水箱中的水抽至圆形导流管中，再流入到降雨架内，降雨架上每根圆形导流管上装有涡轮流量计及两个雾化喷头，通过可升降软管将雾化喷头和降雨架连接到一起。雾化喷头的雾化直径为3-6m，喷头流量为0.8-1.5m3/H，降雨架由方形钢管与圆形导流钢管组成，圆形导流管的材料为PP-R冷热水管。
4）、在尾矿库现场采样时剖面法随机挖取埋深2m内的方式进行挖土，人工填土时尽量保证现场原始土壤层次分层填入模型内，边填土边压实，尽量保证各处填土密实度均匀，在填土过程中将电阻式电阻式孔隙水压力元件、PT100体积含水率传感器元件埋入外坡土体内，各元件按水平间距20cm，竖直间距为5cm阵列埋入。土壤堆填前，在模型底部均匀装入10 cm厚的碎石，并铺上土工布，规格为150g/m2，保证模型底部透水并避免内部渗流使尾矿土随水流从底部流失，土壤填装后，用水平仪将坡面修平，防止降雨形成地表径流后从一侧流出。最终，尾矿坝模型坝顶高90cm，坝宽100cm，外坡比为1:2.25,内坡比为1:10。
本发明创造的有益效果为：
通过模拟人工降雨环境和尾矿坝浸润线条件，尾矿坝稳定性模型实验，研究降雨和库水位耦合下尾矿坝内孔隙水压力、体积含水率及地表径流的变化规律，为研究尾矿坝浅层破坏提供思路，为尾矿库地质灾害治理和风险预测提供科学依据。
附图说明
图1为库水位与降雨耦合的尾矿坝浅层破坏分析实验装置结构示意图。
图2为地下水装置结构示意图。
图3为降雨装置结构示意图。
图4为尾矿土模型结构示意图。
图5为传感器位置示意图。
具体实施方式
一种库水位与降雨耦合的尾矿坝浅层破坏分析实验装置及应用，其特征在于：由地下水装置、尾矿土模型装置、降雨装置组成。
1）、模型的地下水装置由耐腐蚀水箱、水箱流量阀门、地下水导管三部分组成。耐腐蚀水箱尺寸为50cm×120cm×100cm，材质为耐腐蚀、耐酸碱的钢材制品，水箱中线上有三个内径4cm，长度70cm的地下水导管，三个地下水导管间距35cm，上下两端导管距耐腐蚀水箱上下边缘15cm，材料为PVO-V经水管。地下水导管穿过尺寸为10cm×120cm×150cm混凝土墙进入尾矿土模型装置中，地下水导管上装有圆形硬塑料水箱流量阀门控制流量，用以控制库内不同水位高度。
2）、模型的尾矿土模型装置整体为立方体，顶部开口，由左侧混凝土墙、前后两侧透明有机玻璃、右侧排水斜槽和量筒组成。透明有机玻璃的尺寸分别为250cm×1cm×110cm，排水斜槽向下倾斜15°，量筒容积为5L，用于收集地表径流水和泥沙。
3）、模型的降雨装置包括圆形导流管、可升降软管、雾化喷头、涡轮流量计、降雨架五部分。降雨装置通过智能变频电泵将耐腐蚀水箱中的水抽至圆形导流管中，再流入到降雨架内，降雨架上每根圆形导流管上装有涡轮流量计及两个雾化喷头，通过可升降软管将雾化喷头和降雨架连接到一起。雾化喷头的雾化直径为3-6m，喷头流量为0.8-1.5m3/H，降雨架由方形钢管与圆形导流钢管组成，圆形导流管的材料为PP-R冷热水管。
4）、在尾矿库现场采样时剖面法随机挖取埋深2m内的方式进行挖土，人工填土时尽量保证现场原始土壤层次分层填入模型内，边填土边压实，尽量保证各处填土密实度均匀，在填土过程中将电阻式孔隙水压力元件、PT100体积含水率传感器元件埋入外坡土体内，各元件按水平间距20cm，竖直间距为5cm阵列埋入。土壤堆填前，在模型底部均匀装入10cm厚的碎石，并铺上土工布，规格为150g/m2,保证模型底部透水并避免内部渗流使尾矿土随水流从底部流失，土壤填装后，用水平仪将坡面修平，防止降雨形成地表径流后从一侧流出。最终，尾矿坝模型坝顶高90cm，坝宽100cm，外坡比为1:2.25,内坡比为1:10。
（1）不同降雨强度条件下的尾矿坝浅层破坏实验。
控制降雨强度和库内水位高度不变，将降雨的强度设计为60mm/h、100mm/h、140mm/h，研究不同降雨强度条件下的尾矿坝内孔隙水压力、体积含水率传感器的变化规律，同时观测不同降雨强度下地表径流产生时间，透过有机玻璃观测坝体浸润线高度和湿润锋深度变化运移规律，测量量筒内雨水的体积及泥沙含量，降雨历时100 mins。
（2）不同降雨历时下的尾矿坝浅层破坏实验。
控制降雨强度和库内水位高度不变，将降雨历时设计为60mins、90mins、120mins，研究不同降雨历时条件下的尾矿坝内孔隙水压力、体积含水率传感器的变化规律，同时观测不同降雨强度下地表径流产生时间，透过有机玻璃观测坝体浸润线高度和湿润锋深度变化运移规律，测量量筒内雨水的体积及泥沙含量，降雨历时强度为100mm/h。
（3）不同水位高度条件下的尾矿坝浅层破坏实验。
控制降雨强度和降雨历时不变，研究不同水位高度条件下尾矿坝内孔隙水压力、体积含水率传感器的变化规律。同时观测不同降雨强度下地表径流产生时间，透过有机玻璃观测坝体浸润线高度和湿润锋深度变化运移规律，测量量筒内雨水的体积及泥沙含量，降雨历时强度为100mm/h，降雨历时为90mins。
以上，对本发明创造实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明创造保护的范围。
Claims (5)
1.一种库水位与降雨耦合的尾矿坝浅层破坏分析实验装置，其特征在于：地下水装置（3）通过水箱流量阀门（6）将耐腐蚀水箱（1）中的水通过地下水导管（7）流入尾矿土模型装置（8）中，地下水导管（7）出水口包裹土工布，规格为150g/m2，防止模型内泥沙堵塞出水口；
通过调节水箱流量阀门（6）来调节水箱排水量，控制尾矿库内水位高度，模型右侧设有排水斜槽（11）将地表径流汇聚流入量筒（12）中；
降雨装置（13）通过智能变频电泵（4）将耐腐蚀水箱（1）中的水抽至圆形导流管（5）中，然后水流入降雨架（17），在降雨架（17）的圆形导流管（5）上连接一个涡轮流量计（16）来控制降雨强度；
降雨架（17）上连接可升降软管（14）以控制降雨高度，通过雾化喷头（15）喷洒到尾矿土模型装置（8）中，在尾矿土模型装置（8）中埋入传感器，通过研究不同水位高度、不同降雨强度、不同降雨历时工况，分析降雨和库水位条件对尾矿坝浅层破坏的影响。
2.一种库水位与降雨耦合的尾矿坝浅层破坏分析实验装置，其特征在于：包括降雨地下水装置（3），降雨地下水装置（3）底部设有底座（2），降雨地下水装置（3）由耐腐蚀水箱（1）、水箱流量阀门（6）、地下水导管（7）三部分组成，耐腐蚀水箱（1）尺寸为50cm×120cm×100cm，材质为耐腐蚀、耐酸碱的钢板，水箱中线上有三个内径4cm，长度70cm的地下水导管（7），三个地下水导管（7）间距35cm，上下两端导管距耐腐蚀水箱（1）上下边缘15cm，材料为PVO-V经水管；地下水导管（7）穿过尺寸为10cm×120cm×150cm混凝土墙（9）进入尾矿土模型装置（8）中，地下水导管（7）上装有圆形硬塑料水箱流量阀门（6）控制流量，控制库内不同水位高度。
3.如权利要求2所述的库水位与降雨耦合的尾矿坝浅层破坏分析实验装置，其特征在于：包括尾矿土模型装置（8），尾矿土模型装置（8）为立方体，由左侧混凝土墙（9）、前后两侧透明有机玻璃（10）、右侧排水斜槽（11）和量筒（12）组成，透明有机玻璃（10）的尺寸分别为250cm×1cm×110cm，排水斜槽向下倾斜15°，量筒（12）容积为5L，用于收集地表径流水和泥沙。
4.如权利要求2所述的库水位与降雨耦合的尾矿坝浅层破坏分析实验装置，其特征在于：包括降雨装置（13），降雨装置（13）包括圆形导流管（5）、可升降软管（14）、雾化喷头（15）、涡轮流量计（16）、降雨架（17）五部分，降雨装置（13）通过智能变频电泵（4）将耐腐蚀水箱（1）中的水抽至圆形导流管（5）中，再流入到降雨架（15）内，降雨架（17）上每根圆形导流管（5）上装有涡轮流量计（16）及两个雾化喷头（15），通过可升降软管（14）将雾化喷头（15）和降雨架（17）连接到一起，雾化喷头（14）的雾化直径为3-6m，喷头流量为0.8-1.5m3/H，降雨架（15）由方形钢管与圆形导流钢管（5）组成，圆形导流管（5）的材料为PP-R冷热水管。
5.如权利要求1所述的库水位与降雨耦合的尾矿坝浅层破坏分析实验装置的应用，其特征在于尾矿土模型装置制备方法：在尾矿库现场采样时剖面法随机挖取埋深2m内的方式进行挖土；
人工填土时保证现场原始土壤层次分层填入模型内，边填土边压实，保证各处填土密实度均匀，在填土过程中将电阻式孔隙水压力元件（18）和体积含水率传感器元件（19）埋入外坡土体内，各元件按水平间距20cm，竖直间距为10cm阵列埋入；
土壤堆填前，在模型底部均匀装入10 cm厚的碎石，并铺上土工布，规格为150g/m2；
土壤填装后，用水平仪将坡面修平，尾矿坝模型坝顶高90cm，坝宽100cm，外坡比为1:2.25，内坡比为1:10。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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