CN114878437B - 一种尾矿库中软式透水管渗透性能的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种尾矿库中软式透水管渗透性能的测试装置及测试方法，涉及渗透模拟实验设备领域。包括测试管，测试管的下方设置有测试底管，测试底管与测试管连通；测试底管的下方设置有承重平台；测试管的顶端设置有密封盖，密封盖上设置有注水口；测试管上开设有若干个排水口，且测试管上设置有若干个测压管；测试底管上设置有透水出水口，透水出水口连接有软式透水管；透水出水口连接有水位调节软管，水位调节软管位于测试底管外。能够准确模拟出尾矿库实际工况，通过调节水头，开展不同水头条件下的渗透试验，获得软式透水管排渗能力与水头之间的相互关系，从而获得更加合理的尾矿库渗控措施。

Description

一种尾矿库中软式透水管渗透性能的测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及渗透模拟实验设备领域，具体涉及一种尾矿库中软式透水管渗透性能的测试装置及测试方法。

背景技术

尾矿库溃坝的成因则有管涌破坏、洪水漫顶、坝体不稳定、地震灾害，其中以管涌破坏为主要成因。浸润面过高会导致管涌破坏，使得溃坝事故发生。但可以通过渗控措施来影响浸润面位置，避免浸润线过高使尾矿库坝坡出现局部滑移、陷坑、隆起、扭曲、裂缝及两岸绕渗等破坏现象，以威胁下游保护区范围内人民的生产财产安全及生态安全。

尾矿库渗流模拟对尾矿库渗透破坏及稳定性评价十分重要，尾矿库渗流模拟包括了区域地质地貌、尾矿库各分区材料、各种渗控措施的模拟。渗控措施的模拟主要等比尺数值模拟和渗控措施区域等效模拟，建立等比尺模型计算要求模型精细且计算工作量大，渗控措施等效模拟方法可采用试验获得深控系统的等效渗透系数，再进行数值计算，计算工作量较等比尺模拟小。现有的等效模拟方案主要有两种，一种是采用离心模型试验，但离心模型试验与尾矿库实际情况相差比例过大，不太能真实反映渗控系统，导致试验数据合理性偏低；另一种是将尾矿库工程及周边地质地形构建数值模型进行模拟。但该方案需要设计大比尺模型系统装置或是使用其他小型模型实验来拟合排渗系统的综合效果，以提高尾矿库渗流场模拟的准确性。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种能够评价实际尾矿库中软式透水管渗控措施等效渗透性能的尾矿库中软式透水管渗透性能的测试装置及测试方法。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种尾矿库中软式透水管渗透性能的测试装置，其包括测试管，测试管的下方设置有测试底管，测试底管与测试管连通；测试底管的下方设置有承重平台；测试管的顶端设置有密封盖，密封盖上设置有注水口；测试管上开设有若干个排水口，且测试管上设置有若干个测压管；

测试底管上设置有透水出水口，透水出水口连接有软式透水管，测试底管内设置有砂卵石层；软式透水管水平位于砂卵石层的中心，砂卵石层的上方设置有土工布层；透水出水口连接有水位调节软管，水位调节软管位于测试底管外。

通过在测试底管中软式透水管的上下区域布设卵石来支撑软式透水管使其保持稳定，并在砂卵石区上放置一张土工布，利用土工布良好的导水性能形成排水通道，将土体结构内多余的液体、气体外排；土工布将卵石同外侧尾矿土隔离开来，防止砂土下落，符合实际工程情况。本测试装置能够准确模拟出尾矿库实际工况，通过调节水头，开展不同水头条件下的渗透试验，获得软式透水管排渗能力与水头之间的相互关系，可应用于尾矿库软式透水管的等效模拟，量化软式透水管对于尾矿库浸润面的影响程度，从而获得更加合理的尾矿库渗控措施和加固方案。

进一步的，测试管包括测试管底部单元以及若干个测试管单元；若干测试管单元依次安装在测试管底部单元的上方；测试管单元的顶端设置有排水口，且测试管单元的排水口上方0.2m处设置有测压管。

采用若干测试管单元以及测试管底部单元组合成测试管，能够根据试验所需尾矿库参数进行设置，能够实现大比尺模型的模拟试验，从而能够准确的模拟出尾矿库的实际工况，使得测试得到的软式透水管的渗透系数更加准确，对尾矿库渗控措施的选择和设置更为合理。

进一步的，相邻两个测试管单元之间、测试管单元与测试管底部单元之间以及测试管底部单元与测试底管之间均通过法兰连接，且法兰处设置有密封圈。法兰的设置方便测试管单元进行拆装组合，在不用试验时方便收纳。

进一步的，承重平台上开设有与测试底管内径大小相同的出泥口，出泥口处设置有承重板，承重板的上方设置有用于支撑砂卵石层的铁丝支撑网；承重板的下方设置有千斤顶，且承重板与承重平台滑动配合；且承重板上设置有密封圈。

采用千斤顶将测试底管中的砂卵石和试验模拟的尾矿土进行承接，在保持整体装置稳定的情况下，实验完成后，能够从测试底管的底部将尾矿土取出，方便进行不同颗粒配级的尾矿土试验，不必从顶部或拆卸测试管进行换土操作。

进一步的，测试管底部单元上设置有五个测压管，五个测压管分别距离软式透水管的轴心0.2m、0.4m、0.6m、0.8m、1.0m。测试管底部单元上间隔设置的测压管提高了模拟信息量与精准度，能够观察到在高渗透性的测试底管区域与测试管的尾矿土区域，两者之间渗透系数差异形成的漏斗效应，能够更好的指导建模和数值模拟。

进一步的，测试管单元的长度值为j米，j∈[0.5，2.0]；且测试管单元的测压管与测试管单元的顶端的距离为k米，k∈[0.05，0.1]；测试管底部单元的长度为k+1米。测试管单元和测试管底部单元的长度设置使得土柱的顶面位置能够根据排水口确定，每节测试管单元内的土柱高度一致，从而方便量化土柱高度。

进一步的，排水口和透水出水口均设置有阀门。

提供一种采用尾矿库中软式透水管渗透性能的测试装置的渗透测试方法，包括如下步骤：

S1：向测试管内装入水饱和尾矿土形成待测土柱；

S2：打开位于待测土柱上方最近的排水口阀门，并从注水口向测试管内匀速注入水；

S3：调节水位调节软管的高度至设定值，水从水位调节软管流出形成稳定的渗流；

S4：根据任意两个测压管的距离L以及所述两个测压管的水面高度差△H得到水力梯度

记录一定时间t内水位调节软管流出的水量Q，从而得到待测土柱和软式透水管两者共同的综合渗透系数

其中，A为测试管的内径截面面积；

S5：重复步骤S2-S4，调整水位调节软管的高度，测量不低于三次不同水位调节软管的高度的情况下的待测土柱和软式透水管两者共同的综合渗透系数，并计算所有综合渗透系数的平均值，作为待测土柱和软式透水管两者共同的实际综合渗透系数。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过在测试底管中软式透水管的上下区域布设卵石来支撑软式透水管使其保持稳定，并在砂卵石区上放置一张土工布，利用土工布良好的导水性能形成排水通道，将土体结构内多余的液体、气体外排；土工布将卵石同外侧尾矿土隔离开来，防止砂土下落，符合实际工程情况。本测试装置能够准确模拟出尾矿库实际工况，通过调节水头、土柱高度以及尾矿土颗粒级配，开展不同条件下的渗透试验，获得软式透水管排渗能力与不同工况参数和水头高度之间的相互关系，可应用于尾矿库软式透水管的等效模拟，量化软式透水管对于尾矿库浸润面的影响程度，从而获得更加合理的尾矿库渗控措施。

2、本发明结构简单，通过法兰方便将若干个测试管单元、测试管底部单元以及测试底管进行拆装，便于收纳。千斤顶和铁丝支撑网的设置能够从测试底管的底部将实验完成的尾矿土进行清理，在保持装置不变的情况下，进行换土操作，方便进行尾矿土不同颗粒配级的对照试验。

3、本发明通过建立大比尺的测试装置，模拟研究位于尾矿库中软式透水管的渗透性能，从而方便对尾矿库的渗控措施进行指导，方便对实际尾矿库中软式透水管渗透性能的评价和选择。

附图说明

图1为渗透测试装置结构示意图；

图2为测试底管内部结构示意图；

图3为承重平台的立体结构示意图。

其中，1、测试管；2、测试底管；3、承重平台；4、密封盖；5、注水口；6、排水口；7、测压管；8、透水出水口；9、软式透水管；10、砂卵石层；11、土工布层；12、水位调节软管；13、测试管底部单元；14、测试管单元；15、承重板；16、千斤顶；17、铁丝支撑网。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种尾矿库中软式透水管渗透性能的测试装置，其包括测试管1，测试管1的下方设置有测试底管2，测试底管2与测试管1连通；测试底管2的下方设置有承重平台3；测试管1的顶端设置有密封盖4，密封盖4上设置有注水口5；测试管1包括测试管底部单元13以及若干个测试管单元14；若干测试管单元14依次安装在测试管底部单元13的上方；测试管单元14的长度为1.0米，本发明的其他实施例中，测试管单元14的长度值还可以为0.5、0.7、1.2、1.5、1.7或2.0；且测试管单元14的测压管7与测试管单元14的顶端的距离为0.05米，本发明的其他实施例中，测试管单元14的测压管7与测试管单元14的顶端的距离值还可以为0.06、0.07、0.08、0.09或0.1；测试管底部单元13的长度为1.05米。将土柱填充至测试管单元14的测压管7下方，且土柱的顶端贴近测压管7的下端，通过对土柱填充了多少个测试管单元14计数，从而能够确定土柱的填充高度H为测试管单元14的数量x+1米，方便量化土柱高度。

测试管底部单元13上设置有五个测压管7，五个测压管7分别距离软式透水管9的轴心0.2m、0.4m、0.6m、0.8m、1.0m。相邻两个测试管单元14之间、测试管单元14与测试管底部单元13之间以及测试管底部单元13与测试底管2之间均通过法兰连接，且法兰处设置有密封圈。测试管单元14的顶端设置有排水口6，且测试管单元14的排水口6上方0.2m处设置有测压管7。

测试底管2上设置有透水出水口8，透水出水口8连接有软式透水管9，如图2所示，测试底管2内设置有砂卵石层10；软式透水管9水平位于砂卵石层10的中心，砂卵石层10的上方设置有土工布层11；透水出水口8连接有水位调节软管12，水位调节软管12位于测试底管2外。排水口6和透水出水口8均设置有阀门。

如图3所示，承重平台3上开设有与测试底管2内径大小相同的出泥口，出泥口处设置有承重板15，承重板15的上方设置有用于支撑砂卵石层10的铁丝支撑网17；承重板15的下方设置有千斤顶16，且承重板15与承重平台3滑动配合；且承重板15上设置有密封圈。

一种采用尾矿库中软式透水管9的渗透测试装置的渗透测试方法，包括如下步骤：

S1：向测试管1内装入水饱和尾矿土形成待测土柱；水饱和尾矿土的添加方式为多次分层的添加尾矿土；每次装入一定高度的尾矿土后，加水静置一天；反复多次直到静置后的土柱高度达到设立的土柱高度h；

S2：打开位于待测土柱上方最近的排水口6阀门，并从注水口5向测试管1内匀速注入水；测试管1内高于处于开启阀门状态的排水口6的水会流出，待测土柱的顶面形成了进口水面高程；

S3：调节水位调节软管的高度至

水从水位调节软管12流出形成稳定的渗流；水位调节软管12的出水口为出口水面高程，进口水面高程与出口水面高程之间的水位高差使得从注水口5注入的水会从待测土柱的顶部流向待测土柱的底部，从而形成渗流；

S4：测量得到相邻的两个测压管7的距离L，分别读取这两个测压管7的水面高度，并相减得到水面高度差△H，由两个测压管7的距离L和水面高度差△H得到水力梯度

选取若干处不同的相邻两个测压管7计算得到若干个水力梯度值，计算得到若干水力梯度值的平均值i'。

记录一定时间t内水位调节软管12流出的水量Q，从而得到待测土柱和软式透水管9两者共同的综合渗透系数

其中，A为测试管1的内径截面面积；

可通过撤销软式透水管单独对待测土柱的渗透系数k_土进行检测，研究在软式透水管不作为渗控措施时尾矿库的渗透性能，从而研究软式透水管对尾矿库的影响。

S5：重复步骤S2-S4，调整水位调节软管的高度，测量在水位调节软管12的高度为

和

时，待测土柱和软式透水管9两者共同的综合渗透系数，并将上述得到的三个待测土柱和软式透水管9两者共同在水位调节软管的高度为

以及

时的综合渗透系数的平均值作为待测土柱和软式透水管9两者共同的实际综合渗透系数。在本发明的其他实施例中，不同水位调节软管12的高度数量还可以为4、5或6等。水位调节软管12的高度还可以为

或

等。

在做不同颗粒配级的对比试验时，完成第一次试验后，降下千斤顶16，使砂卵石层10和土工布均从测试底管2下方漏出，砂卵石层10在铁丝支撑网17的作用下，继续保持类圆柱体的形态，砂卵石区对待测土柱得以支撑，将待测土柱从测试底管22下方拆卸掉，拆卸后重新升起千斤顶16，使砂卵石层10和土工布重回到初始状态，在重新填充不同的颗粒配级的尾矿土进行试验。

Claims (8)

1.一种尾矿库中软式透水管渗透性能的测试装置，其特征在于，包括测试管(1)，所述测试管(1)的下方设置有测试底管(2)，所述测试底管(2)与测试管(1)连通；所述测试底管(2)的下方设置有承重平台(3)；所述测试管(1)的顶端设置有密封盖(4)，所述密封盖(4)上设置有注水口(5)；所述测试管(1)上开设有若干个排水口(6)，且所述测试管(1)上设置有若干个测压管(7)；

所述测试底管(2)上设置有透水出水口(8)，所述透水出水口(8)连接有软式透水管(9)，所述测试底管(2)内设置有砂卵石层(10)；所述软式透水管(9)水平位于砂卵石层(10)的中心，所述砂卵石层(10)的上方设置有土工布层(11)；所述透水出水口(8)连接有水位调节软管(12)，所述水位调节软管(12)位于测试底管(2)外。

2.根据权利要求1所述的尾矿库中软式透水管渗透性能的测试装置，其特征在于，所述测试管(1)包括测试管底部单元(13)以及若干个测试管单元(14)；若干所述测试管单元(14)依次安装在测试管底部单元(13)的上方；所述测试管单元(14)的顶端设置有排水口(6)，且所述测试管单元(14)的排水口(6)上方0.2m处设置有测压管(7)。

3.根据权利要求2所述的尾矿库中软式透水管渗透性能的测试装置，其特征在于，相邻两个所述测试管单元(14)之间、测试管单元(14)与测试管底部单元(13)之间以及测试管底部单元(13)与测试底管(2)之间均通过法兰连接，且所述法兰处设置有密封圈。

4.根据权利要求1所述的尾矿库中软式透水管渗透性能的测试装置，其特征在于，所述承重平台(3)上开设有与测试底管(2)内径大小相同的出泥口，所述出泥口处设置有承重板(15)，所述承重板(15)的上方设置有用于支撑砂卵石层(10)的铁丝支撑网(17)；所述承重板(15)的下方设置有千斤顶(16)，且所述承重板(15)与承重平台(3)滑动配合；且所述承重板(15)上设置有密封圈。

5.根据权利要求2所述的尾矿库中软式透水管渗透性能的测试装置，其特征在于，所述测试管底部单元(13)上设置有五个测压管(7)，五个测压管(7)分别距离软式透水管(9)的轴心0.2m、0.4m、0.6m、0.8m、1.0m。

6.根据权利要求5所述的尾矿库中软式透水管渗透性能的测试装置，其特征在于，所述测试管单元(14)的长度为j米，j∈[0.5，2.0]；且所述测试管单元(14)的测压管(7)与测试管单元(14)的顶端的距离为k米，k∈[0.05，0.1]；所述测试管底部单元(13)的长度为k+1米。

7.根据权利要求1所述的尾矿库中软式透水管渗透性能的测试装置，其特征在于，所述排水口(6)和透水出水口(8)均设置有阀门。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述的尾矿库中软式透水管渗透性能的测试装置的渗透测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：向测试管内装入水饱和尾矿土形成待测土柱；

S2：打开位于待测土柱上方最近的排水口阀门，并从注水口向测试管内匀速注入水；

S3：调节水位调节软管的高度至设定值，水从水位调节软管流出形成稳定的渗流；

S4：根据任意两个测压管的距离L以及所述两个测压管的水面高度差△H得到水力梯度

记录一定时间t内水位调节软管流出的水量Q，从而得到待测土柱和软式透水管两者共同的综合渗透系数

其中，A为测试管的内径截面面积；

S5：重复步骤S2-S4，调整水位调节软管的高度，测量不低于三次不同水位调节软管的高度的情况下的待测土柱和软式透水管两者共同的综合渗透系数，并计算所有综合渗透系数的平均值，作为待测土柱和软式透水管两者共同的实际综合渗透系数。

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