CN115662261B - 一种模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置，属于采矿工程技术领域。本装置包括依次连通的搅拌装置、浆体增压装置、实验主体装置和下游地形装置，实验主体装置上方设置有降雨装置且下方固定设置有振动台装置；还包括第一数据采集系统和第二数据采集系统组成的监测装置。搅拌装置为实验提供浓度可控的砂浆混合料，浆体增压装置用于将尾砂浆体按实验要求的下泄流速排放到实验沟槽内，降雨装置用于模拟降雨工况，振动台装置用于模拟地震工况，下游地形装置用于对溃后尾砂浆体的回收利用和浆体冲击数据采集，监测装置用于对筑坝和溃坝时浆体的运动状态研究。本发明可模拟研究尾矿库降雨工况和地震工况下从筑坝到溃坝的完整过程。

Description

一种模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置

技术领域

本发明涉及一种模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置，属于采矿工程技术领域。

背景技术

尾矿库是通过筑坝拦截山谷口或围地构成的、用于贮存金属、非金属矿山选别后排出的尾矿或其它工业废渣的场所，成为维持矿山正常生产的必要设施。尾矿库能否安全稳定运行，对矿山生产起着至关重要的作用。

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浆冲击下游，对下游的村庄、农田、交通设施以及当地环境造成巨大破坏。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。

尾矿库溃坝模型试验主要是定量分析下泄浆体对各方向的冲击力度、堆积高度、泄砂总量、到达时间和影响范围等。尾矿库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地运用于尾矿库溃坝过程，因为尾矿库的溃坝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，浆体颗粒的运动是一个跨尺度、多物理相耦合的复杂过程。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。

尾矿库溃坝主要参考泄砂总量、溃口大小、溃坝下游流量、溃坝浆体流动时间、浆体流速、浆体淤积厚度、浆体各方向的冲击力、拦挡坝等。而现有尾矿库溃坝模型试验装置存在以下问题：

（1）不能对溃后尾砂回收形成二次使用，造成尾砂浆体对外部环境污染；

（2）坡度调整不便，大部分设备不能灵活调整实验沟槽和下游地形坡度；

（3）实验模拟条件单一，不能满足多种工况实验条件；

（4）在筑坝过程中送料管长度被固定，不能实现伸缩满足筑坝进程，只能不断更换送料管造成对实验材料浪费；

（5）不能实现对下游溃后数据采集；

（6）排浆管不能灵活拆卸和增加支管口，不便排浆管淤堵清理；

（7）大部分搅拌装置中只有一层搅拌叶片，不能把搅拌桶内砂浆配料搅拌均匀。

发明内容

本发明针对现有尾矿库溃坝模型试验装置存在的以上问题，提出一种模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置，本装置模拟尾矿库溃坝灾害发生的机理和灾害后果、影响范围，可以改变水砂浓度配比、浆体排浆流速、实验沟槽坡度、下游地形坡度等变量，实现了对正常工况、降雨工况和地震工况等不同情况下尾矿库溃坝事故的实验模拟，并可以实时监测溃口形状、尾砂浆体流速变化、浆体加速度和冲击力度，研究筑坝过程中尾矿库结构特性、渗透性以及溃后对下游的冲击力度、溃砂量、溃口大小等；故本装置既能实现对尾矿库筑坝过程中库内结构稳定性研究，又能实现对溃坝浆体上述参数的实验预测；本发明装置对尾矿库环境风险预测、危害范围研究和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。

本发明为解决其技术问题而采用的技术方案是：

一种模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置，包括依次连通的搅拌装置、浆体增压装置、实验主体装置和下游地形装置，实验主体装置上方设置有降雨装置，实验主体装置下方固定设置有振动台装置，实验主体装置上设置有第一数据采集系统，下游地形装置上设置有第二数据采集系统，第一数据采集系统和第二数据采集系统均与计算机20信号连接。

搅拌装置为实验提供浓度可控的砂浆混合料，增压装置用于将尾砂浆体按实验要求的下泄流速通过排浆管排放到实验沟槽内，降雨装置用于模拟降雨工况，振动台装置用于模拟地震工况，下游地形装置用于对溃后尾砂浆体的回收利用和浆体冲击数据采集，第一数据采集系统和第二数据采集系统组成的监测装置用于对筑坝和溃坝时浆体的运动状态研究；本模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置可以模拟研究尾矿库降雨工况和地震工况下从筑坝到溃坝的完整过程，并可以通过第一数据采集系统和第二数据采集系统组成的监测装置对溃口形状、尾砂浆体流速变化、浆体加速度、冲击力度的测定；

所述搅拌装置包括搅拌桶6，搅拌桶6的正上方通过支架3固定设置有搅拌电机4，搅拌桶6内竖直设置有搅拌桨，搅拌桨的顶端与搅拌电机4的输出轴固定连接，搅拌桶6的底部设置有与搅拌桶6内部连通的第一排浆管10，第一排浆管10的末端与浆体增压装置连通，浆体增压装置通过循环管2与搅拌桶6的顶部连通；第一排浆管10、浆体增压装置和循环管2形成闭环循流模式。

所述搅拌桶6的顶端固定设置有进料口5。

优选的，搅拌桨包括竖直设置在搅拌桶6中心的转轴53，转轴53上分层设置有搅拌叶片7，第一排浆管10的起始端设置有第一排浆管阀门9，循环管2上设置有循环阀门。

所述浆体增压装置为砂浆泵，砂浆泵包括泵壳体，泵壳体上设置有入浆口和出浆口，搅拌装置的出口与泵壳体的入浆口连通，泵壳体内设置有压力齿轮11，压力齿轮11通过转动轴12与电动机13的电机转轴固定连接，泵壳体的侧壁设置有转动轴承，转动轴12穿过转动轴承的内圈，泵壳体内侧壁的转动轴承设置处设置有密封圈，泵壳体的出浆口通过送浆装置与实验主体装置连通。

电动机13固定设置在固定支架14顶端，电动机13通过电源插头29外接电源。

优选的，所述送浆装置包括第二排浆管，第二排浆管通过支撑轴52固定设置在升降杆15顶端，升降杆15竖直设置在升降杆底座16上，第二排浆管的入液端与泵壳体的出浆口连通，第二排浆管的末端设置有与第二排浆管连通的伸缩管30，伸缩管30末端设置有排浆支管19，排浆支管19延伸至实验主体装置内，第二排浆管上设置有第二排浆管阀门和流速计1。

第二排浆管的入口通过松紧扣8与循环管2的支管连通，循环管2的支管位于循环阀门与浆体增压装置之间。

流速计1可准确测量浆体流速，升降杆15可改变第二排浆管的高度，从而改变浆液流速；伸缩管30可根据筑坝进度调节伸缩管30长度以适应排浆；

升降杆底座16内部设置有与升降杆15连接的液压动力控制系统，液压动力控制系统通过数据传输线与控制箱17连接，控制箱17通过数据采集线18与计算机20电信号连接。

更优选的，排浆支管19包括依次连通的第一横管、第二横管和第三横管，第一横管的两端头分别为A端和B端，第一横管的A端头设置有可拆卸的支管盖192，第一横管B端头的管内壁设置有内螺纹，第二横管的两端头分别为C端头和D端头，第二横管的C端头和D端头的管外壁均设置有外螺纹191，第一横管的B端头与第二横管的C端头螺纹连接，第三横管的两端头分别为E端头和F端头，第三横管E端头的管内壁设置有内螺纹，第三横管的F端头设置有可拆卸支管盖192，第三横管的E端头与第二横管的D端头螺纹连接，第一横管、第二横管和第三横管上均设置有排浆分管193。

排浆支管19堵塞时，可将第一横管、第二横管和第三横管进行拆卸后用水冲洗，同时拆卸第一横管A端头和第三横管F端头的支管盖，冲洗第一横管和第三横管，以清理排浆支管19。

所述实验主体装置包括倾斜设置的实验沟槽43，排浆支管19位于实验沟槽43的高端，实验沟槽43固定设置在第二坡度控制系统42顶端，第二坡度控制系统42固定设置在第二升降底座44上。

所述振动台装置包括振动台48，振动台48的中心竖直向上固定设置有垂直振动电机47，垂直振动电机47的输出端与第二升降底座44的底面中心贴合，振动台48的相邻两侧面通过支架固定设置有水平振动电机49，两个水平振动电机49的输出端分别与第二升降底座44的侧面中心贴合，振动台48的边缘固定设置有第一弹簧连接轴46，第二升降底座44的底边缘固定设置有与第一弹簧连接轴46对应的第二弹簧连接轴，第一弹簧连接轴46和第二弹簧连接轴之间设置有弹簧45，振动台48固定设置在支撑脚50上，垂直振动电机47和水平振动电机49均外接振动控制箱51。

振动台装置可以根据模拟地震类型选择水平振动电机49和/或垂直振动电机47，振动控制箱51可调控模拟地震的频率，弹簧45变形时的储能和释能可模拟地震中的柔性振动和余震。

所述降雨装置包括储水箱36和与储水箱36连通的降雨总水管37，降雨总水管37上依次设置有水泵35、压力表34、流量计32和降雨阀门31，压力表34上设置有排气阀33，降雨总水管37的末端固定设置有与降雨总水管37连通的若干根平行的降雨分水管40，降雨分水管40通过挂架39固定设置在实验沟槽43正上方，降雨分水管40上均匀设置有若干个降雨喷头38，降雨喷头38位于实验沟槽43正上方。

优选的，第一数据采集系统包括高速摄像机41，高速摄像机41固定设置在挂架39两端头，高速摄像机41的镜头正对实验沟槽43，高速摄像机41与计算机20电连接。

所述下游地形装置包括尾砂回收箱24，尾砂回收箱24固定设置在第一坡度控制系统26顶端，第一坡度控制系统26固定设置在第一升降底座27上，第一升降底座27的底端通过滑轮连接轴57设置有滑轮28，第二数据采集系统包括压力传感膜25、冲力传感膜23和多参数采集传输系统21，压力传感膜25设置在尾砂回收箱24的底板上，压力传感膜25尺寸与尾砂回收箱24的底板匹配，冲力传感膜23布置在尾砂回收箱24四周的内侧壁上，多参数采集传输系统21固定设置在尾砂回收箱24端头，高速摄像机41、压力传感膜25和冲力传感膜23均与多参数采集传输系统21电连接，多参数采集传输系统21通过数据线与计算机20电信号连接；

第一坡度控制系统可以根据真实模拟地形坡度对下游地形装置的尾砂回收箱24进行坡度调节，尾砂回收箱24能对溃后尾砂进行回收利用减少对环境污染，设置在尾砂回收箱24的底板上的压力传感膜25根据受到的压力检测出溃后尾砂的质量；布置在尾砂回收箱24四周的内侧壁上的冲力传感膜23能实时采集到溃坝时浆体对不同位置的冲击力度。

优选的，冲力传感膜23包括依次贴合设置的仿地表膜231、电信号传导膜232、冲力敏感膜233和绝缘保护膜234，电信号传导膜232和冲力敏感膜233之间设置有数据传输线235，数据传输线235与多参数采集传输系统21电连接，仿地表膜231贴合设置在尾砂回收箱24四周的内侧壁上。

所述尾砂回收箱24相对的两端头分别为A端头和B端头，A端头低于B端头，尾砂回收箱24 A端头侧壁的底部开设有渗透通孔，渗透通孔内设置有渗透网22，尾砂回收箱24 A侧壁的外侧固定设置有与渗透通孔连通的排水管56；尾砂回收箱24的B端头为开放式端头，B端头的底板外侧设置有插销54，实验沟槽43的倾斜高端为开放式端头，实验沟槽43的开放式端头设置有插销套55，插销54插设在插销套55内，尾砂回收箱24 B端头的底板顶面低于实验沟槽43开放式端头的底板顶面；

渗透网22可实现水砂分离，避免溃后尾砂的质量检测误差。

基于模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置的模拟方法，具体步骤如下：

（1）将尾砂加入到搅拌装置中，根据筑坝配比浓度和搅拌装置中的尾砂质量，注入适宜的水，根据模拟真实地形将地形数据输入计算机内，调整实验主体装置和下游地形装置的坡度；

（2）搅拌装置内尾砂和水搅拌均匀形成尾砂浆体，尾砂浆体通过浆体增压装置增压至预设压力使其达到尾砂浆体的预设流速，输送至实验主体装置内进行筑坝，第一数据采集系统采集整个筑坝过程影像数据信息；

（3）筑坝结束后，根据实验要求选择模拟降雨工况和/或地震工况、正常工况下溃坝实验：

1）降雨工况溃坝实验：

降雨装置通过控制降雨流量模拟预设降雨工况对实验主体装置中所筑坝体进行降雨溃坝实验，第一数据采集系统采集整个坝体在溃坝过程影像数据信息；实验主体装置中所筑坝体溃坝过程产生的尾砂浆进入下游地形装置中，第二数据采集系统采集整个坝体在溃坝过程中对下游地形装置四周的冲击力数据信息和下游地形装置所受压应力数据信息；

2）地震工况溃坝实验：

振动台装置通过控制振动方向、振动频率以模拟预设地震工况对实验主体装置中所筑坝体进行地震溃坝实验，第一数据采集系统采集整个坝体在溃坝过程影像数据信息；实验主体装置中所筑坝体溃坝过程产生的尾砂浆进入下游地形装置中，第二数据采集系统采集整个坝体在溃坝过程中对下游地形装置四周的冲击力数据信息和下游地形装置所受压应力数据信息；

3）降雨和地震工况溃坝实验：

降雨装置通过控制降雨流量，同时振动台装置通过控制振动方向、振动频率以模拟预设降雨地震复杂工况对实验主体装置中所筑坝体进行降雨溃坝实验，第一数据采集系统采集整个坝体在溃坝过程影像数据信息；实验主体装置中所筑坝体溃坝过程产生的尾砂浆进入下游地形装置中，第二数据采集系统采集整个坝体在溃坝过程中对下游地形装置四周的冲击力数据信息和下游地形装置所受压应力数据信息；

4）正常工况溃坝实验：

正常工况溃坝实验时，关闭降雨装置和振动装置，通过送浆管和排浆管往实验沟槽内部库尾注入水，让库尾水量逐渐增加致使实验主体装置中所筑坝体进行溃坝实验，第一数据采集系统采集整个坝体在溃坝过程影像数据信息；实验主体装置中所筑坝体溃坝过程产生的尾砂浆进入下游地形装置中，第二数据采集系统采集整个坝体在溃坝过程中对下游地形装置四周的冲击力数据信息和下游地形装置所受压应力数据信息；

（4）根据预设的不同的水砂浓度配比、浆体排浆流速、实验主体装置和下游地形装置的坡度，分别进行模拟降雨工况和/或地震工况、正常工况下溃坝实验，采集相应的影像数据信息，以及对下游地形装置四周的冲击力数据信息和下游地形装置所受压应力数据信息；研究筑坝过程中尾矿库结构特性、渗透性以及溃后对下游的冲击力度、溃砂量、溃口大小等参数。

本发明的有益效果：

（1）本发明装置能够用于模拟尾矿库筑坝实验和尾矿库溃坝实验，即可通过改变实验沟槽的坡度、排浆浓度、实验过程中降雨量、地震频率等对尾矿库溃坝实验精准把控，也可通过改变下游地型坡度来研究尾矿库溃坝过程对下游毁坏程度，对尾砂浆体溃后形成的溃口大小、形状、冲击力度、下泄流速、下泄浆体的占比量进行观察记录；

（2）本发明装置能精准实现对浆体流速、溃口形状、下泄浆体的占比量、浆体冲击力度的测定，对尾矿库溃坝环境风险预测和安全评价具有重要意义；

（3）本发明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实验数据支撑；

（4）本发明装置能模拟正常工况、降雨工况、地震工况等不同工况下的溃坝实验研究，能为尾矿库风险预测提供可靠条件。

附图说明

图1为装置结构立体图；

图2为搅拌装置示意图；

图3为送浆装置结构示意图；

图4为排浆支管结构示意图；

图5为下游地形装置示意图；

图6为尾砂回收箱与实验沟槽连接示意图；

图7为插销和插销套连接示意图；

图8为冲力传感膜结构示意图；

图9为实验主体装置与振动台装置配合示意图；

图10为坡度控制系统结构示意图；

图中：1-流速计，2-循环管，3-支架，4-搅拌电机，5-进料口，6-搅拌桶，7-搅拌叶片，8-松紧扣，9-第一排浆管阀门，10-第一排浆管，11-压力齿轮，12-转动轴，13-电动机，14-固定支架，15-升降杆，16-升降杆底座，17-控制箱，18-数据采集线，19-排浆支管，20-计算机，21-多参数采集传输系统，22-渗透网，23-冲力传感膜，24-尾砂回收箱，25-压力传感膜，26-第一坡度控制系统，27-第一升降底座，28-滑轮，29-电源插头，30-伸缩管，31-降雨阀门，32-流量计，33-排气阀，34-压力表，35-水泵，36-储水箱，37-降雨总水管，38-降雨喷头，39-挂架，40-降雨分水管，41-高速摄像机，42-第二坡度控制系统，43-实验沟槽，44-第二升降底座，45-弹簧，46-第一弹簧连接轴，47-垂直振动电机，48-振动台，49-水平振动电机，50-支撑脚，51-振动控制箱，52-支撑轴，53-转轴，54-插销，55-插销套，56-排水管，57-滑轮连接轴。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1所示，一种模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置，包括依次连通的搅拌装置、浆体增压装置、实验主体装置和下游地形装置，实验主体装置上方设置有降雨装置，实验主体装置下方固定设置有振动台装置，实验主体装置上设置有第一数据采集系统，下游地形装置上设置有第二数据采集系统，第一数据采集系统和第二数据采集系统均与计算机20信号连接。

搅拌装置为实验提供浓度可控的砂浆混合料，增压装置用于将尾砂浆体按实验要求的下泄流速通过排浆管排放到实验沟槽内，降雨装置用于模拟降雨工况，振动台装置用于模拟地震工况，下游地形装置用于模拟溃后尾砂浆体的回收利用和浆体冲击数据采集，第一数据采集系统和第二数据采集系统组成的监测装置用于对筑坝和溃坝时浆体的运动状态研究；本模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置可以模拟研究尾矿库降雨工况和地震工况下从筑坝到溃坝的完整过程，并可以通过第一数据采集系统和第二数据采集系统组成的监测装置对溃口形状、尾砂浆体流速变化、浆体加速度、冲击力度的测定；

基于模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置的模拟方法，具体步骤如下：

（1）将尾砂加入到搅拌装置中，根据筑坝配比浓度和搅拌装置中的尾砂质量，注入适宜的水，根据模拟真实地形将地形数据输入计算机内，调整实验主体装置和下游地形装置的坡度；

（2）搅拌装置内尾砂和水搅拌均匀形成尾砂浆体，尾砂浆体通过浆体增压装置增压至预设压力使其达到尾砂浆体的预设流速，输送至实验主体装置内进行筑坝，第一数据采集系统采集整个筑坝过程影像数据信息；

（3）筑坝结束后，根据实验要求选择模拟降雨工况和/或地震工况、正常工况下溃坝实验：

1）降雨工况溃坝实验：

降雨装置通过控制降雨流量模拟预设降雨工况对实验主体装置中所筑坝体进行降雨溃坝实验，第一数据采集系统采集整个坝体在溃坝过程影像数据信息；实验主体装置中所筑坝体溃坝过程产生的尾砂浆进入下游地形装置中，第二数据采集系统采集整个坝体在溃坝过程中对下游地形装置四周的冲击力数据信息和下游地形装置所受压应力数据信息；

2）地震工况溃坝实验：

振动台装置通过控制振动方向、振动频率以模拟预设地震工况对实验主体装置中所筑坝体进行地震溃坝实验，第一数据采集系统采集整个坝体在溃坝过程影像数据信息；实验主体装置中所筑坝体溃坝过程产生的尾砂浆进入下游地形装置中，第二数据采集系统采集整个坝体在溃坝过程中对下游地形装置四周的冲击力数据信息和下游地形装置所受压应力数据信息；

3）降雨和地震工况溃坝实验：

降雨装置通过控制降雨流量，同时振动台装置通过控制振动方向、振动频率以模拟预设降雨地震复杂工况对实验主体装置中所筑坝体进行降雨溃坝实验，第一数据采集系统采集整个坝体在溃坝过程影像数据信息；实验主体装置中所筑坝体溃坝过程产生的尾砂浆进入下游地形装置中，第二数据采集系统采集整个坝体在溃坝过程中对下游地形装置四周的冲击力数据信息和下游地形装置所受压应力数据信息；

4）正常工况溃坝实验：

正常工况溃坝实验时，关闭降雨装置和振动装置，通过送浆管和排浆管往实验沟槽内部库尾注入水，让库尾水量逐渐增加致使实验主体装置中所筑坝体进行溃坝实验，第一数据采集系统采集整个坝体在溃坝过程影像数据信息；实验主体装置中所筑坝体溃坝过程产生的尾砂浆进入下游地形装置中，第二数据采集系统采集整个坝体在溃坝过程中对下游地形装置四周的冲击力数据信息和下游地形装置所受压应力数据信息；

（4）根据预设的不同的水砂浓度配比、浆体排浆流速、实验主体装置和下游地形装置的坡度，分别进行模拟降雨工况和/或地震工况、正常工况下溃坝实验，采集相应的影像数据信息，以及对下游地形装置四周的冲击力数据信息和下游地形装置所受压应力数据信息；研究筑坝过程中尾矿库结构特性、渗透性以及溃后对下游的冲击力度、溃砂量、溃口大小等参数。

实施例2：本实例模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置与实施例1的模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置基本相同，不同之处在于：如图2所示，搅拌装置包括搅拌桶6，搅拌桶6的正上方通过支架3固定设置有搅拌电机4，搅拌桶6内竖直设置有搅拌桨，搅拌桨的顶端与搅拌电机4的输出轴固定连接，搅拌桶6的底部设置有与搅拌桶6内部连通的第一排浆管10，第一排浆管10的末端与浆体增压装置连通，浆体增压装置通过循环管2与搅拌桶6的顶部连通；第一排浆管10、浆体增压装置和循环管2形成闭环循流模式；

搅拌桶6的顶端固定设置有进料口5；

搅拌桨包括竖直设置在搅拌桶6中心的转轴53，转轴53上分层设置有搅拌叶片7，第一排浆管10的起始端设置有第一排浆管阀门9，循环管2上设置有循环阀门；

将尾砂通过进料口5加入到搅拌桶6内，打开第一排浆管阀门9和循环阀门，开启砂浆泵，将砂浆泵调整到适应的频率，关闭循环阀门；

搅拌装置为实验提供浓度可控的砂浆混合料，通过搅拌电机4带动转轴53转动，从而带动转轴53上设置的多层搅拌叶片7转动，可加速剧烈搅动砂浆，使砂浆迅速形成均匀的砂浆混合料，搅拌叶片7分层设置可避免砂浆混合料出现上下层搅动盲区而导致的砂浆混合料不均匀现象。

实施例3：本实例模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置与实施例2的模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置基本相同，不同之处在于：浆体增压装置为砂浆泵，砂浆泵包括泵壳体，泵壳体上设置有入浆口和出浆口，搅拌装置的出口与泵壳体的入浆口连通，泵壳体内设置有压力齿轮11，压力齿轮11通过转动轴12与电动机13的电机转轴固定连接，泵壳体的侧壁设置有转动轴承，转动轴12穿过转动轴承的内圈，泵壳体内侧壁的转动轴承设置处设置有密封圈，泵壳体的出浆口通过送浆装置与实验主体装置连通；

电动机13固定设置在固定支架14顶端，电动机13通过电源插头29外接电源；

增压装置用于将尾砂浆体按实验要求的下泄流速通过排浆管排放到实验沟槽内，通过调节电动机13的转动速率以调节压力齿轮11的转动速率，实现尾砂浆体的增压。

实施例4：本实例模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置与实施例3的模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置基本相同，不同之处在于：如图3所示，送浆装置包括第二排浆管，第二排浆管通过支撑轴52固定设置在升降杆15顶端，升降杆15竖直设置在升降杆底座16上，第二排浆管的入液端与泵壳体的出浆口连通，第二排浆管的末端设置有与第二排浆管连通的伸缩管30，伸缩管30末端设置有排浆支管19，排浆支管19延伸至实验主体装置内，第二排浆管上设置有第二排浆管阀门和流速计1；

第二排浆管的入口通过松紧扣8与循环管2的支管连通，循环管2的支管位于循环阀门与浆体增压装置之间；

流速计1可准确测量浆体流速，升降杆15可改变第二排浆管的高度，从而改变浆液流速；伸缩管30可根据筑坝进度调节伸缩管30长度以适应排浆；

升降杆底座16内部的液压动力控制系统通过数据传输线与控制箱17连接，控制箱17通过数据采集线18与计算机20电信号连接；

如图4所示，排浆支管19包括依次连通的第一横管、第二横管和第三横管，第一横管的两端头分别为A端和B端，第一横管的A端头设置有可拆卸的支管盖192，第一横管B端头的管内壁设置有内螺纹，第二横管的两端头分别为C端头和D端头，第二横管的C端头和D端头的管外壁均设置有外螺纹191，第一横管的B端头与第二横管的C端头螺纹连接，第三横管的两端头分别为E端头和F端头，第三横管E端头的管内壁设置有内螺纹，第三横管的F端头设置有可拆卸支管盖192，第三横管的E端头与第二横管的D端头螺纹连接，第一横管、第二横管和第三横管上均设置有排浆分管193；

排浆支管19堵塞时，可将第一横管、第二横管和第三横管进行拆卸后用水冲洗，同时拆卸第一横管A端头和第三横管F端头的支管盖，冲洗第一横管和第三横管，以清理排浆支管19；

将尾砂通过进料口5加入到搅拌桶6内，打开第一排浆管阀门9和循环阀门，开启砂浆泵，将砂浆泵调整到适应的频率，关闭循环阀门；打开第二排浆管阀门，砂浆从排浆分管193流出，根据筑坝进度调节伸缩管30，便可开始筑坝实验。

实施例5：本实例模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置与实施例4的模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置基本相同，不同之处在于：如图5-9所示，实验主体装置包括倾斜设置的实验沟槽43，排浆支管19位于实验沟槽43的低端，实验沟槽43固定设置在第二坡度控制系统42顶端，第二坡度控制系统42固定设置在第二升降底座44上；

振动台装置包括振动台48，振动台48的中心竖直向上固定设置有垂直振动电机47，垂直振动电机47的输出端与第二升降底座44的底面中心贴合，振动台48的相邻两侧面通过支架固定设置有水平振动电机49，两个水平振动电机49的输出端分别与第二升降底座44的侧面中心贴合，振动台48的边缘固定设置有第一弹簧连接轴46，第二升降底座44的底边缘固定设置有与第一弹簧连接轴46对应的第二弹簧连接轴，第一弹簧连接轴46和第二弹簧连接轴之间设置有弹簧45，振动台48固定设置在支撑脚50上，垂直振动电机47和水平振动电机49均外接振动控制箱51；

振动台装置可以根据模拟地震类型选择水平振动电机49和/或垂直振动电机47，振动控制箱51可调控模拟地震的频率，弹簧45变形时的储能和释能可模拟地震中的柔性振动和余震；

降雨装置包括储水箱36和与储水箱36连通的降雨总水管37，降雨总水管37上依次设置有水泵35、压力表34、流量计32和降雨阀门31，压力表34上设置有排气阀33，降雨总水管37的末端固定设置有与降雨总水管37连通的若干根平行的降雨分水管40，降雨分水管40通过挂架39固定设置在实验沟槽43正上方，降雨分水管40上均匀设置有若干个降雨喷头38，降雨喷头38位于实验沟槽43正上方；

进行模拟降雨工况下尾矿库溃坝模型实验时，打开降雨阀门31和水泵35，储水箱36中的水经过降雨总水管37，再进入降雨分水管40，降雨总水管37的流量计32实时记录水流量，调节降雨阀门31的开度，从而调节降雨喷头38的降雨量，并利用排气阀33稳定水压，模拟不同的降雨情况；

第一数据采集系统包括高速摄像机41，高速摄像机41固定设置在挂架39两端头，高速摄像机41的镜头正对实验沟槽43，高速摄像机41与计算机20电连接；

下游地形装置包括尾砂回收箱24，尾砂回收箱24固定设置在第一坡度控制系统26顶端，第一坡度控制系统26固定设置在第一升降底座27上，第一升降底座27的底端通过滑轮连接轴57设置有滑轮28，第二数据采集系统包括压力传感膜25、冲力传感膜23和多参数采集传输系统21，压力传感膜25设置在尾砂回收箱24的底板上，压力传感膜25尺寸与尾砂回收箱24的底板匹配，冲力传感膜23布置在尾砂回收箱24四周的内侧壁上，多参数采集传输系统21固定设置在尾砂回收箱24端头，高速摄像机41、压力传感膜25和冲力传感膜23均与多参数采集传输系统21电连接，多参数采集传输系统21通过数据线与计算机20电信号连接；

第一坡度控制系统26和第二坡度控制系统42均包括设置若干根升降液压杆151、钢珠152和子母扣154，第一坡度控制系统26的升降液压杆151均匀设置在第一升降底座27边缘的四周，第二坡度控制系统42的升降液压杆151均匀设置在第二升降底座44边缘的四周，升降液压杆151的顶端设置有可转动的钢珠152，钢珠152顶端开设有卡槽，尾砂回收箱24的底板底面和实验沟槽43的底板底面均固定设置有升降平台153，升降平台153底端固定设置若干个与升降液压杆151匹配的子母扣154，子母扣154卡设在对应钢珠152顶端的卡槽内，第一升降底座27和第二升降底座44的内部均设有与升降液压杆151连接的液压动力控制系统，通过数据传输线Ⅱ与控制箱Ⅱ连接，坡度数据输入计算机20，计算机20下发指令通过控制箱Ⅱ和数据传输线Ⅱ发送到与升降液压杆151连接的液压动力控制系统以控制升降液压杆151的升降高度来调节坡度；

第一坡度控制系统可以根据真实模拟地形坡度对下游地形装置的尾砂回收箱24进行坡度调节，尾砂回收箱24能对溃后尾砂进行回收利用减少对环境污染，设置在尾砂回收箱24的底板上的压力传感膜25根据受到的压力检测出溃后尾砂的质量；布置在尾砂回收箱24四周的内侧壁上的冲力传感膜23能实时采集到溃坝时浆体对不同位置的冲击力度；

冲力传感膜23包括依次贴合设置的仿地表膜231、电信号传导膜232、冲力敏感膜233和绝缘保护膜234，电信号传导膜232和冲力敏感膜233之间设置有数据传输线235，数据传输线235与多参数采集传输系统21电连接，仿地表膜231贴合设置在尾砂回收箱24四周的内侧壁上；

尾砂回收箱24相对的两端头分别为A端头和B端头，A端头低于B端头，尾砂回收箱24 A端头侧壁的底部开设有渗透通孔，渗透通孔内设置有渗透网22，尾砂回收箱24 A侧壁的外侧固定设置有与渗透通孔连通的排水管56；尾砂回收箱24的B端头为开放式端头，B端头的底板外侧设置有插销54，实验沟槽43的倾斜底端为开放式端头，实验沟槽43的开放式端头设置有插销套55，插销54插设在插销套55内，尾砂回收箱24 B端头的底板顶面低于实验沟槽43开放式端头的底板顶面；渗透网22可实现水砂分离，避免溃后尾砂的质量检测误差；

基于模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置的模拟方法，具体步骤如下：

（1）将尾砂加入到搅拌装置的搅拌桶中，根据筑坝配比浓度和搅拌桶中的尾砂质量，注入适宜的水，根据模拟真实地形将地形数据输入计算机内，通过第二坡度控制系统调整实验主体装置中实验沟槽的坡度，通过第一坡度控制系统调整下游地形装置中尾砂回收箱的坡度；

（2）搅拌电机带动搅拌桨转动，对搅拌桶内尾砂和水进行搅拌混匀形成尾砂浆体，尾砂浆体通过浆体增压装置增压至预设压力使其达到尾砂浆体的预设流速，通过流速计记录尾砂浆体流速，通过送浆装置将尾砂浆体输送至实验主体装置的实验沟槽内进行筑坝，调节伸缩管的长度满足筑坝进度，第一数据采集系统的高速摄像机采集整个筑坝过程影像数据信息；

（3）筑坝结束后，根据实验要求选择模拟降雨工况和/或地震工况、正常工况下溃坝实验：

1）降雨工况溃坝实验：

降雨装置的开启，通过调节降雨阀门的开度，从而调节降雨喷头的降雨量，并利用排气阀稳定水压，控制降雨流量以模拟不同的降雨情况对实验主体装置的实验沟槽中所筑坝体进行降雨溃坝实验，第一数据采集系统的高清摄像机采集整个坝体在溃坝过程影像数据信息；实验主体装置的实验沟槽中所筑坝体溃坝过程产生的尾砂浆进入下游地形装置的尾砂回收箱中，第二数据采集系统的冲力传感膜采集整个坝体在溃坝过程中对下游地形装置（尾砂回收箱）四周的冲击力数据信息，压力传感膜采集下游地形装置（尾砂回收箱）所受压应力数据信息，并可将受压应力数据信息转换为重量；

2）地震工况溃坝实验：

通过振动台装置的水平振动装置和垂直振动装置通过控制振动方向，并通过振动控制箱调控振动频率以模拟预设地震工况对实验主体装置中所筑坝体进行地震溃坝实验，第一数据采集系统的高清摄像机采集整个坝体在溃坝过程影像数据信息；实验主体装置的实验沟槽中所筑坝体溃坝过程产生的尾砂浆进入下游地形装置的尾砂回收箱中，第二数据采集系统的冲力传感膜采集整个坝体在溃坝过程中对下游地形装置（尾砂回收箱）四周的冲击力数据信息，压力传感膜采集下游地形装置（尾砂回收箱）所受压应力数据信息，并可将受压应力数据信息转换为重量；

3）降雨和地震工况溃坝实验：

降雨装置的开启，通过调节降雨阀门的开度，从而调节降雨喷头的降雨量，并利用排气阀稳定水压，控制降雨流量以模拟不同的降雨情况，同时通过振动台装置的水平振动装置和垂直振动装置通过控制振动方向，并通过振动控制箱调控振动频率以模拟预设降雨地震复杂工况对实验主体装置中所筑坝体进行降雨溃坝实验，第一数据采集系统的高清摄像机采集整个坝体在溃坝过程影像数据信息；实验主体装置的实验沟槽中所筑坝体溃坝过程产生的尾砂浆进入下游地形装置的尾砂回收箱中，第二数据采集系统的冲力传感膜采集整个坝体在溃坝过程中对下游地形装置（尾砂回收箱）四周的冲击力数据信息，压力传感膜采集下游地形装置（尾砂回收箱）所受压应力数据信息，并可将受压应力数据信息转换为重量；

4）正常工况溃坝实验：

正常工况溃坝实验时，关闭降雨装置和振动装置，通过送浆管和排浆管往实验沟槽内部库尾注入水，让库尾水量逐渐增加致使实验主体装置中所筑坝体进行溃坝实验，第一数据采集系统采集整个坝体在溃坝过程影像数据信息；实验主体装置中所筑坝体溃坝过程产生的尾砂浆进入下游地形装置中，第二数据采集系统采集整个坝体在溃坝过程中对下游地形装置四周的冲击力数据信息和下游地形装置所受压应力数据信息；

（4）根据预设的不同的水砂浓度配比、浆体排浆流速、实验主体装置和下游地形装置的坡度，分别进行模拟降雨工况和/或地震工况、正常工况下溃坝实验，采集相应的影像数据信息，以及对下游地形装置四周的冲击力数据信息和下游地形装置所受压应力数据信息；研究筑坝过程中尾矿库结构特性、渗透性以及溃后对下游的冲击力度、溃砂量、溃口大小等参数。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，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 (2)

1.一种模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置，其特征在于：包括依次连通的搅拌装置、浆体增压装置、实验主体装置和下游地形装置，实验主体装置上方设置有降雨装置，实验主体装置下方固定设置有振动台装置，实验主体装置上设置有第一数据采集系统，下游地形装置上设置有第二数据采集系统，第一数据采集系统和第二数据采集系统均与计算机（20）信号连接；

所述搅拌装置包括搅拌桶（6），搅拌桶（6）的正上方固定设置有搅拌电机（4），搅拌桶（6）内竖直设置有搅拌桨，搅拌桨的顶端与搅拌电机（4）的输出轴固定连接，搅拌桶（6）的底部设置有与搅拌桶（6）内部连通的第一排浆管（10），第一排浆管（10）的末端与浆体增压装置连通，浆体增压装置通过循环管（2）与搅拌桶（6）的顶部连通；

所述浆体增压装置为砂浆泵，砂浆泵包括泵壳体，泵壳体上设置有入浆口和出浆口，搅拌装置的出口与泵壳体的入浆口连通，泵壳体内设置有压力齿轮（11），压力齿轮（11）通过转动轴（12）与电动机（13）的电机转轴固定连接，泵壳体的侧壁设置有转动轴承，转动轴（12）穿过转动轴承的内圈，泵壳体内侧壁的转动轴承设置处设置有密封圈，泵壳体的出浆口通过送浆装置与实验主体装置连通；

所述送浆装置包括第二排浆管，第二排浆管固定设置在升降杆（15）顶端，升降杆（15）竖直设置在升降杆底座（16）上，第二排浆管的入浆端与泵壳体的出浆口连通，第二排浆管的末端设置有与第二排浆管连通的伸缩管（30），伸缩管（30）末端设置有排浆支管（19），排浆支管（19）延伸至实验主体装置内，第二排浆管上设置有第二排浆管阀门和流速计（1）；

所述实验主体装置包括倾斜设置的实验沟槽（43），排浆支管（19）位于实验沟槽（43）的高端，实验沟槽（43）固定设置在第二坡度控制系统（42）顶端，第二坡度控制系统（42）固定设置在第二升降底座（44）上；

所述振动台装置包括振动台（48），振动台（48）的中心竖直向上固定设置有垂直振动电机（47），垂直振动电机（47）的输出端与第二升降底座（44）的底面中心贴合，振动台（48）的相邻两侧面通过支架固定设置有水平振动电机（49），两个水平振动电机（49）的输出端分别与第二升降底座（44）的侧面中心贴合，振动台（48）的边缘固定设置有第一弹簧连接轴（46），第二升降底座（44）的底边缘固定设置有与第一弹簧连接轴（46）对应的第二弹簧连接轴，第一弹簧连接轴（46）和第二弹簧连接轴之间设置有弹簧（45），振动台（48）固定设置在支撑脚（50）上，垂直振动电机（47）和水平振动电机（49）均外接振动控制箱（51）；

所述降雨装置包括储水箱（36）和与储水箱（36）连通的降雨总水管（37），降雨总水管（37）上依次设置有水泵（35）、压力表（34）、流量计（32）和降雨阀门（31），压力表（34）上设置有排气阀（33），降雨总水管（37）的末端固定设置有与降雨总水管（37）连通的若干根平行的降雨分水管（40），降雨分水管（40）通过挂架（39）固定设置在实验沟槽（43）正上方，降雨分水管（40）上均匀设置有若干个降雨喷头（38），降雨喷头（38）位于实验沟槽（43）正上方；

所述第一数据采集系统包括高速摄像机（41），高速摄像机（41）固定设置在挂架（39）两端头，高速摄像机（41）的镜头正对实验沟槽（43），高速摄像机（41）与计算机（20）电连接；

所述下游地形装置包括尾砂回收箱（24），尾砂回收箱（24）固定设置在第一坡度控制系统（26）顶端，第一坡度控制系统（26）固定设置在第一升降底座（27）上，第一升降底座（27）的底端设置有滑轮（28），第二数据采集系统包括压力传感膜（25）、冲力传感膜（23）和多参数采集传输系统（21），压力传感膜（25）设置在尾砂回收箱（24）的底板上，压力传感膜（25）尺寸与尾砂回收箱（24）的底板匹配，冲力传感膜（23）布置在尾砂回收箱（24）四周的内侧壁上，多参数采集传输系统（21）固定设置在尾砂回收箱（24）端头，高速摄像机（41）、压力传感膜（25）和冲力传感膜（23）均与多参数采集传输系统（21）电连接，多参数采集传输系统（21）与计算机（20）电连接。

2.根据权利要求1所述模拟多种工况下尾矿库溃坝模型实验装置，其特征在于：搅拌桨包括竖直设置在搅拌桶（6）中心的转轴（53），转轴（53）上分层设置有搅拌叶片（7），第一排浆管（10）的起始端设置有第一排浆管阀门（9），循环管（2）上设置有循环阀门。

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