CN114019111B - 一种溃坝尾砂下泄冲刷的安全距离测量模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种溃坝尾砂下泄冲刷的安全距离测量模拟实验装置，属于采矿工程、岩土工程及安全工程技术领域。包括装料装置、实验主体装置、测控系统；装料装置可人为设定水砂的用量比并进行充分混合；实验主体装置包括可以改变角度和长度的滑道、可以改变溃口形状的装料箱，可进行多种调整方便对比实验；测控系统包括速度测量系统、距离测量系统、应力测控系统和记录系统，可以对多种参数进行调整、记录。本装置既可通过改变滑道角度、实验用料用量、应力传感器参数等对实验宏观进行把控，也可通过改变水砂配比来研究泥沙颗粒运动的复杂过程，对夹砂水流的下泄运动特征进行观察记录。

Description

一种溃坝尾砂下泄冲刷的安全距离测量模拟实验装置

技术领域

本发明涉及一种溃坝尾砂下泄冲刷的安全距离测量模拟实验装置，属于采矿工程、岩土工程及安全工程技术领域。

背景技术

尾矿库事故类型中，对环境影响最大的是尾矿库溃坝事故。一旦溃坝，水流携带库内堆积的大量尾矿砂冲向下游，对下游的村庄、农田、交通设施以及当地环境造成巨大影响。研究具有可操作性的尾矿库溃坝环境风险预测方法对于完善和充实环境风险评价具有较大的实际意义。

相当数量的尾矿库在不安全的状态下运行，对下游人民群众的生命财产安全构成威胁，尤其是与村庄较近距离的威胁更大。《选矿厂尾矿设施设计规范》和《尾矿库安全技术规程》中尾矿库选址原则中尾矿库“不宜位于工业企业、大型水源地、水产基地和大型居民区的上游”和“不应位于全国和省重点保护名胜古迹的上游”，对尾矿库下游周围环境提出了适当的要求。 规定安全距离，为尾矿库下游重点保护对象的避险和群众转移延长了撤离时间，可以减少下游人民群众的生命伤亡，减轻灾害带来的财产损失，并增加下游人民群众的安全感。

尾矿库溃坝的环境风险预测主要是要定量分析下泄砂流的影响距离、影响范围、堆积高度和到达时间。土石坝类型尾矿库，是国内尾矿库占比最多的坝型。土石坝溃决过程存在很大的不确定性，绝大多数的数值计算方法和由以往溃坝资料推导出来的经验公式都不能很好的运用于土石坝溃决过程，因为土石坝的溃决过程是一个随溃口宽度和深度增加而逐渐溃决的过程。根据现有的研究成果，泥沙颗粒的运动是一个跨尺度、多物理过程相耦合的复杂过程。传统泥沙运动力学中的理论尚难以准确描述挟沙水流的运动特征。

溃坝泥石流的演进主要参考泄砂总量、溃口宽度、坝址处最大流量、溃坝下游流量、溃坝洪水传播时间、泥石流流速、泥石流淤积厚度、泥石流冲击力、拦挡坝等。实现对溃坝泥沙这些参数的实验预测，对尾矿库环境风险预测、安全评价等具有重要意义，可以为具体工程背景提供实验数据支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种溃坝尾砂下泄冲刷的安全距离测量模拟实验装置，用于溃坝事故的实验预测与研究，本发明通过以下技术方案实现。

本发明采用的技术方案是：一种溃坝尾砂下泄冲刷的安全距离测量模拟实验装置，包括装料装置、实验主体装置、测控系统；

所述装料装置由一个两层的支架6构成，支架6上设有支架顶板4和支架底板17，料斗1放置在支架顶板4上，与料斗1底部连接的送料管9通入支架底板17上放置的反应箱13内，送料管9上安装有送料管阀门7和送料管流量计8；水箱2放置在支架顶板4上，与水箱2底部连接的送水管10通入支架底板17上放置的反应箱13内，送水管10上安装有送水管阀门11和送水管流量计12；反应箱13内部安装有搅拌器58，与搅拌器相连的反应箱插线头14通过反应箱穿线孔15穿出，与反应箱13底部连接的伸缩送料管20通入支架底板17下部的实验主体装置内，伸缩送料管20上安装有伸缩送料管阀门18和伸缩送料管流量计19；反应箱13流出的物料流经实验主体装置后落入测控系统。

具体地，所述实验主体装置包括装料箱21、滑动板22、滑道26、伸缩杆28、延长滑道54，装料箱21的出料口一侧设有挡板24，滑动板22上设有开口并滑动安装在挡板24内侧，装料箱21顶部与伸缩送料管20连接，底部安装有伸缩杆28，伸缩杆28通过伸缩杆底座31放置于地面，装料箱21出料口一侧的下部安装有卡扣23与滑道26连接，装料箱21与滑道26两者中间通过转轴25转动连接，滑道26两侧安装有滑道挡板27，滑道26末端连接有延长滑道54；

所述测控系统包括速度测量系统、距离测量系统、应力测控系统和记录系统，速度测量系统由测速传感器33和数据采集仪30组成，测速传感器33位于滑道26上的并通过传感器连接线29与数据采集仪30连接，距离测量系统由测量板35及其四周的测量板挡板34组成，测量板35由带有滑轮固定片42的滑轮44承托，延长滑道54的出口端放置在测量板35上，测量板35上印有距离刻度线56和角度刻度线57，应力测控系统由拦挡片36、应力杆38、应力传感器39组成，拦挡片36与应力杆38相连，应力杆通入应力传感器39，应力传感器39表面有应力传感器控制面板40、应力传感器开关41和穿线孔37，应力传感器插线头43和传输线45通过穿线孔37穿出，记录系统由计算机48与摄像机46组成，数据采集仪30通过数据线32与计算机48连接，应力传感器39通过传输线45与计算机48连接，摄像机46安装在摄像机支架47上方且正对测量板35。

具体地，所述挡板24上端有挡板固定孔51，滑动板22两侧有等距的多个滑动板固定孔49，挡板固定孔51与滑动板固定孔49通过固定钉50来固定。

优选地，所述滑动板22根据开口形状可以为椭圆形滑动板22a或梯形滑动板22b或矩形滑动板22c。

具体地，所述滑道26下端有滑道固定孔53，延长滑道54底部两侧有等距的多个延长滑道固定孔55，滑道固定孔53与延长滑道固定孔55通过固定钉50来固定；

优选地，所述料斗1通过料斗底座5放置在支架顶板4上，反应箱13通过反应箱底座16放置在支架底板17上。

优选地，所述水箱2上有水位刻度线3。

本发明的有益效果是：

本装置能够用于实验模拟溃坝事故，即可通过改变滑道角度、实验用料用量、应力传感器参数等对事故宏观进行把控，也可通过改变水砂配比来研究泥沙颗粒运动的复杂过程，对夹砂水流的下泄运动特征进行观察记录；

本装置实现了对溃口形状、下泄角度、下泄淤积范围的改变和测定，对尾矿库溃坝、边坡滑坡的环境风险预测和安全评价具有重要意义；

本装置通过应力传感器、拦挡片等结构实现对拦挡设计的检验测算，为实际工程中下游拦挡坝等的设计提供一定的实验数据支撑。

附图说明

图1是本发明装置结构立体图；

图2是本发明装置滑动板装置示意图；

图3是本发明装置可延长滑道示意图；

图4是本发明装置测量板平面图；

图5是本发明反应箱内部示意图。

图中：1-料斗，2-水箱，3-刻度线，4-支架顶板，5-料斗底座，6-支架，7-送料管阀门，8-送料管流量计，9-送料管，10-送水管，11-送水管阀门，12-送水管流量计，13-反应箱，14-反应箱插线头，15-反应箱穿线孔，16-反应箱底座，17-支架底板，18-伸缩送料管阀门，19-伸缩送料管流量计，20-伸缩送料管，21-装料箱，22a-椭圆形滑动板，22b-梯形滑动板，22c-矩形滑动板，23-安装卡扣，24-挡板，25-转轴，26-滑道，27-滑道挡板，28-伸缩杆，29-传感器连接线，30-数据采集仪，31-伸缩杆底座，32-数据线，33-测速传感器，34-测量板挡板，35-测量板，36-拦挡片，37-应力传感器穿线孔，38-应力杆，39-应力传感器，40-应力传感器控制面板，41-应力传感器开关，42-滑轮固定片，43-应力传感器插线头，44-滑轮，45-传输线，46-摄像机，47-摄像机支架，48-计算机，49-滑动板固定孔，50-固定钉，51-挡板固定孔，52-延长滑道挡板，53-滑道固定孔，54-延长滑道，55-延长滑道固定孔，56-距离刻度线，57-角度刻度线，58-搅拌器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1-5所示，一种溃坝尾砂下泄冲刷的安全距离测量模拟实验装置，包括装料装置、实验主体装置、测控系统；

所述装料装置由一个两层的支架6构成，支架6上设有支架顶板4和支架底板17，料斗1放置在支架顶板4上，与料斗1底部连接的送料管9通入支架底板17上放置的反应箱13内，送料管9上安装有送料管阀门7和送料管流量计8；水箱2放置在支架顶板4上，与水箱2底部连接的送水管10通入支架底板17上放置的反应箱13内，送水管10上安装有送水管阀门11和送水管流量计12；反应箱13内部安装有搅拌器58，与搅拌器相连的反应箱插线头14通过反应箱穿线孔15穿出，与反应箱13底部连接的伸缩送料管20通入支架底板17下部的实验主体装置内，伸缩送料管20上安装有伸缩送料管阀门18和伸缩送料管流量计19；反应箱13流出的物料流经实验主体装置后落入测控系统。

进一步地，所述实验主体装置包括装料箱21、滑动板22、滑道26、伸缩杆28、延长滑道54，装料箱21的出料口一侧设有挡板24，滑动板22上设有开口并滑动安装在挡板24内侧，装料箱21顶部与伸缩送料管20连接，底部安装有伸缩杆28，伸缩杆28通过伸缩杆底座31放置于地面，装料箱21出料口一侧的下部安装有卡扣23与滑道26连接，装料箱21与滑道26两者中间通过转轴25转动连接，滑道26两侧安装有滑道挡板27，滑道26末端连接有延长滑道54；

所述测控系统包括速度测量系统、距离测量系统、应力测控系统和记录系统，速度测量系统由测速传感器33和数据采集仪30组成，测速传感器33位于滑道26上的并通过传感器连接线29与数据采集仪30连接，距离测量系统由测量板35及其四周的测量板挡板34组成，测量板35由带有滑轮固定片42的滑轮44承托，延长滑道54的出口端放置在测量板35上，滑道26通过伸缩杆28及转轴25进行角度的调整，测量板35上印有距离刻度线56和角度刻度线57，应力测控系统由拦挡片36、应力杆38、应力传感器39组成，拦挡片36与应力杆38相连，应力杆通入应力传感器39，应力传感器39表面有应力传感器控制面板40、应力传感器开关41和穿线孔37，应力传感器插线头43和传输线45通过穿线孔37穿出，记录系统由计算机48与摄像机46组成，数据采集仪30通过数据线32与计算机48连接，应力传感器39通过传输线45与计算机48连接，摄像机46安装在摄像机支架47上方且正对测量板35。

进一步地，所述挡板24上端有挡板固定孔51，滑动板22两侧有等距的多个滑动板固定孔49，挡板固定孔51与滑动板固定孔49通过固定钉50来固定，结构简单，安装方便。

进一步地，所述滑动板22为椭圆形滑动板22a。

进一步地，所述滑道26下端有滑道固定孔53，延长滑道54底部两侧有等距的多个延长滑道固定孔55，滑道固定孔53与延长滑道固定孔55通过固定钉50来固定；

进一步地，所述料斗1通过料斗底座5放置在支架顶板4上，反应箱13通过反应箱底座16放置在支架底板17上，可以使料斗1、反应箱13支撑更加平稳。

进一步地，所述水箱2上有水位刻度线3，便于观察水位变化情况。

本发明溃坝尾砂下泄冲刷的安全距离测量模拟实验装置的工作原理为：

本发明装置使用时，先将实验用料放入料斗1内，水箱2注满水，根据实验条件选用所需形状的滑动板22并使用固定钉50将滑动板22与挡板24连接好，通过滑道固定孔53与延长滑道固定孔55调整滑道26的长度并用固定钉50固定，将滑道26下端放置于测量板35的初始刻度线上，以方便在实验完成后进行读数，将应力传感器39的拦挡片36摆放至实验条件要求位置并通过应力传感器控制面板40设定初始值，来模拟拦挡设计，调整伸缩杆28的高度来改变滑道26的角度，达到选用角度将测量板35下方的滑轮44固定，布置好测控系统并开启电源，打开送料管阀门7与送水管阀门11，通过观察送料管9上的流量计8和送水管10上的流量计12控制用量配比，打开反应箱13的电源，实验用料与水在反应箱13内通过搅拌器58充分混合后通过伸缩送料管20流入装料箱21内，伸缩送料管20上的阀门18和流量计19可以控制实验用量，下泄过程模拟了溃坝，水砂混合物通过滑动板22上的孔洞流过滑道26，在测量板35上形成淤积，对拦挡片36形成冲击；实验完成后，关闭反应箱13的电源，进行数据和影像记录的收集，关闭测控系统。

本发明装置在使用完毕后可以通过拆卸滑动板22后打开送水管阀门11和伸缩送料管阀门18直接用水来进行装置的清洗，节省清洁的人力物力。

本发明可以模拟溃坝泥石流地质灾害发生的机理和灾害后果、影响范围，通过改变水砂配比、溃口形状、坡道角度、应力传感器的初始数值等，实现了对不同情况下事故的实验模拟，加入了现有地质灾害实验装置忽略的溃口改变问题、最小安全距离测量问题，同时实现了对拦挡设计的实验检测。

实施例2：本实施例的整体结构与实施例1一致，不同之处在于滑动板22为梯形滑动板22b，调整实验用料配比，改变滑道26的角度，调整拦挡片36放置的位置和参数，同时摄像机46的位置也进行相应调整，具体实施过程如实施例1所述一致，本实施例可以对比不同溃口、滑道角度、拦挡设计对水砂混合物运动产生的影响。

实施例3：本实施例的整体结构与实施例1一致，不同之处在于滑动板22为矩形滑动板22c，将实施例1中的应力传感器39、应力杆38、拦挡片36去除，具体实施过程如实施例1所述一致，本实施例研究了无拦挡设计下水砂混合物形成的堆积扇的范围，从而为确定实际工程中的最小安全距离提供参考。

本发明既可通过改变滑道角度、实验用料用量、应力传感器参数等对实验宏观进行把控，也可通过改变水砂配比来研究泥沙颗粒运动的复杂过程，对夹砂水流的下泄运动特征进行观察记录；实现了对溃口形状、下泄角度、下泄淤积范围、冲击力、拦挡设计的改变和测定，对尾矿库溃坝、边坡滑坡的环境风险预测和安全评价具有重要意义。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种溃坝尾砂下泄冲刷的安全距离测量模拟实验装置，其特征在于：包括装料装置、实验主体装置、测控系统；

所述装料装置由一个两层的支架（6）构成，支架（6）上设有支架顶板（4）和支架底板（17），料斗（1）放置在支架顶板（4）上，与料斗（1）底部连接的送料管（9）通入支架底板（17）上放置的反应箱（13）内，送料管（9）上安装有送料管阀门（7）和送料管流量计（8）；水箱（2）放置在支架顶板（4）上，与水箱（2）底部连接的送水管（10）通入支架底板（17）上放置的反应箱（13）内，送水管（10）上安装有送水管阀门（11）和送水管流量计（12）；反应箱（13）内部安装有搅拌器（58），与搅拌器相连的反应箱插线头（14）通过反应箱穿线孔（15）穿出，与反应箱（13）底部连接的伸缩送料管（20）通入支架底板（17）下部的实验主体装置内，伸缩送料管（20）上安装有伸缩送料管阀门（18）和伸缩送料管流量计（19）；反应箱（13）流出的物料流经实验主体装置后落入测控系统；

所述实验主体装置包括装料箱（21）、滑动板（22）、滑道（26）、伸缩杆（28）、延长滑道（54），装料箱（21）的出料口一侧设有挡板（24），滑动板（22）上设有开口并滑动安装在挡板（24）内侧，装料箱（21）顶部与伸缩送料管（20）连接，底部安装有伸缩杆（28），伸缩杆（28）通过伸缩杆底座（31）放置于地面，装料箱（21）出料口一侧的下部安装有卡扣（23）与滑道（26）连接，装料箱（21）与滑道（26）两者中间通过转轴（25）转动连接，滑道（26）两侧安装有滑道挡板（27），滑道（26）末端连接有延长滑道（54）；

所述测控系统包括速度测量系统、距离测量系统、应力测控系统和记录系统，速度测量系统由测速传感器（33）和数据采集仪（30）组成，测速传感器（33）位于滑道（26）上的并通过传感器连接线（29）与数据采集仪（30）连接，距离测量系统由测量板（35）及其四周的测量板挡板（34）组成，测量板（35）由带有滑轮固定片（42）的滑轮（44）承托，延长滑道（54）的出口端放置在测量板（35）上，测量板（35）上印有距离刻度线（56）和角度刻度线（57），应力测控系统由拦挡片（36）、应力杆（38）、应力传感器（39）组成，拦挡片（36）与应力杆（38）相连，应力杆通入应力传感器（39），应力传感器（39）表面有应力传感器控制面板（40）、应力传感器开关（41）和穿线孔（37），应力传感器插线头（43）和传输线（45）通过穿线孔（37）穿出，记录系统由计算机（48）与摄像机（46）组成，数据采集仪（30）通过数据线（32）与计算机（48）连接，应力传感器（39）通过传输线（45）与计算机（48）连接，摄像机（46）安装在摄像机支架（47）上方且正对测量板（35）；

所述滑动板（22）根据开口形状选择为椭圆形滑动板（22a）或梯形滑动板（22b）或矩形滑动板（22c）。

2.根据权利要求1所述的溃坝尾砂下泄冲刷的安全距离测量模拟实验装置，其特征在于：所述挡板（24）上端有挡板固定孔（51），滑动板（22）两侧有等距的多个滑动板固定孔（49），挡板固定孔（51）与滑动板固定孔（49）通过固定钉（50）来固定。

3.根据权利要求1所述的溃坝尾砂下泄冲刷的安全距离测量模拟实验装置，其特征在于：所述滑道（26）下端有滑道固定孔（53），延长滑道（54）底部两侧有等距的多个延长滑道固定孔（55），滑道固定孔（53）与延长滑道固定孔（55）通过固定钉（50）来固定。

4.根据权利要求1所述的溃坝尾砂下泄冲刷的安全距离测量模拟实验装置，其特征在于：所述料斗（1）通过料斗底座（5）放置在支架顶板（4）上，反应箱（13）通过反应箱底座（16）放置在支架底板（17）上。

5.根据权利要求1所述的溃坝尾砂下泄冲刷的安全距离测量模拟实验装置，其特征在于：所述水箱（2）上有水位刻度线（3）。

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