一种降雨诱发尾矿坝坝身渗透破坏的模拟实验装置

1.本发明涉及尾矿坝渗透破坏领域，具体涉及一种降雨诱发尾矿坝坝身渗透破坏的模拟实验装置。


背景技术：

2.尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所，是一个具有高势能的人造泥石流的危险源。尾矿坝是尾矿库的关键构筑物之一，它由初期坝和堆积坝构成，作用是拦挡和沉积尾矿库中的尾矿，破坏模式主要有洪水漫顶、坝坡失稳、渗透破坏、地震液化等。由于尾矿功能的特殊性，一旦发生溃坝，将对下游居民生命财产安全、生态环境造成难以估量且无法挽回的损失。
3.降雨的冲刷作用和渗入作用，降低了尾矿坝坝体的抗渗系数，从而增大尾矿坝渗透破坏的风险。目前国内外对于降雨对尾矿库渗透破坏的影响研究较少，且坝身渗透破坏引起的溃坝相较于洪水漫顶破坏，溃坝时间更短、突发性更强、危害性更大，无法用人工实地考察的方法对降雨诱发尾矿坝渗透破坏的机制进行研究。
4.有鉴于此，降雨诱发尾矿坝渗透破坏机制的室内物理实验装置的设计、研发、运营对探究降雨对尾矿坝渗透破坏的影响机制至关重要。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种降雨诱发尾矿坝坝身渗透破坏的模拟实验装置。该装置主要通过可调节降雨模拟系统及尾矿库室内物理模型，对天然降雨条件下尾矿坝坝身渗透破坏的全过程实现动态模拟。采用尾矿坝数据同步采集模块对模拟过程中数据进行采集，并利用本地数据接收中心对收集的数据进行统计分析，从而总结探究降雨诱发尾矿坝坝身渗透破坏的机制。同时通过全自动高速摄像头对模拟过程进行实时记录以供后续研究。该装置具有可操作性强，灵敏度高，适用性广等优点。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。
7.本发明所述的一种降雨诱发尾矿坝坝身渗透破坏的模拟实验装置，包括尾矿库堆积坝模型(1)、尾矿库初期坝模型(2)、排水井模型(3)、山体模型(4)、抽水泵(5)、排水管(6)、水位调节箱(7)、回水管(8)、尾矿坝数据同步采集模块(9)、转接电线接口、数据同步转接器(11)、本地数据接收中心(12)、全自动高速摄像头(13)、可调节降雨模拟系统(14)、模拟水池(15)、坝身碎屑过滤网(16)、实验平台(17)。
8.所述的模拟水池(15)固定在实验平台(17)上，左侧与水位调节箱(7)相连通，右侧与回水管(8)相连通。模拟水池(15)内部包括尾矿库堆积坝模型(1)、尾矿库初期坝模型(2)、排水井模型(3)、山体模型(4)、尾矿坝数据同步采集模块(9)。
9.所述的尾矿库堆积坝模型(1)按照实地堆积坝几何相似原则利用实地的等密度矿渣建造，放置于尾矿库初期坝模型(2)与山体模型(4)之间，放置位置按照实地堆积坝与山体距离等比例缩小，相对方位不变放置，并固定于模拟水池(15)底部，内部设置尾矿坝数据
同步采集模块(9)，均匀放置应力检测传感器、裂隙位移传感器，用于监测尾矿库堆积坝模型(1)内部应力变化。
10.所述的尾矿库初期坝模型(2)按照实地初期坝几何相似原则利用混凝土进行建造，并固定于模拟水池(15)底部，放置位置按照实地初期坝与山体距离等比例缩小，相对方位不变放置。
11.所述的排水井模型(3)及排水管(6)基于实地排水井及排水管结构按照比例相似原则利用3d打印制作，排水井模型(3)与按照实地尾矿库初期坝的相对位置等比例缩小进行布置。排水管(6)安装位置紧贴山体模型(4)、尾矿库初期坝模型(2)、尾矿库堆积坝模型(1)底部，通过螺栓与模拟水池(15)内壁固定连接，放置位置按照实地排水井与排水管与山体距离等比例缩小，相对方位不变确定。
12.所述的山体模型(4)通过使用泥沙、木块仿照真实尾矿库周边山体河道进行设置；并按照实地尾矿库山体位置布置于模拟水池(15)内部左侧。
13.所述的转接电线接口安装在实验平台(17)侧面，尾矿坝数据同步采集模块(9)中的应力检测传感器、裂隙位移传感器与转接电线接口前端(10-1)电相连，而转接电线接口后端(10-2)与数据同步转接器(11)电连接。
14.所述的本地数据接收中心(12)放置于数据同步转接器(11)右侧，放置于实验平台上，通过数据线与数据同步转接器(11)电相连，所述的本地数据接收中心(12)对接收信息进行统计分析。
15.所述的回水管(8)前端与模拟水池(15)右下侧的出水口相连通，并置于试验平台(17)下方，与抽水泵(5)连通，抽水泵(5)再通过水管与上方水位调节箱(7)相连通，回水管(8)用于回水，形成水循环。
16.所述的坝身碎屑过滤网(16)放置于模拟水池(15)出水口处，用于过滤流失的尾矿库模型碎屑。
17.所述的可调节降雨模拟系统(14)放置于模拟水池(15)上方，并设置可控制降雨强度大小的阀门，用于模拟天然降雨。
18.所述的全自动高速摄像头(13)放置于所述模拟水池(15)的上方对模拟实验进行实时观测记录，并将实验的模拟过程通过无线传输至本地数据接收中心(12)储存，以供未来观察分析。
19.本发明有益效果：本发明通过几何相似原理设计尾矿库模型让实验模拟更具有代表性，实验结果准确度也会进一步提高；通过水位调节箱及排水井模型来控制模拟水池内水位的高低，可调节降雨模拟系统模拟自然降雨，提供了一种降雨诱发尾矿坝坝身渗透破坏机制的模型实验研究方法；在模拟水池的右侧连接回水管回水，水管置于试验台下方与抽水泵衔接，抽水泵再通过水管与上方水位调节箱衔接，形成水循环，从而节约实验用水并秉承绿色环保理念；通过尾矿坝数据同步采集模块采集实验过程中尾矿库力学及结构变化，全自动高速摄像头来记录整个试验过程，可供未来观察分析。
附图说明
20.图1为本发明模拟实验装置的流程示意图。
21.图2为本发明模拟实验装置示意图。
22.图中，1为尾矿库堆积坝模型、2为尾矿库初期坝模型、3为排水井模型、4为山体模型、5为抽水泵、6为排水管、7为水位调节箱、8为回水管、9为尾矿坝数据同步采集模块、10-1为转接电线接口前端、10-2为转接电线接口后端、11为数据同步转接器、12为本地数据接收中心、13为全自动高速摄像头、14为可调节降雨模拟系统、15为模拟水池、16为坝身碎屑过滤网、17为实验平台。
具体实施方式
23.本发明将结合附图，通过以下实施例作进一步说明。
24.在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体地连接；可以是机械连接、电连接；可以是直接相连、中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.实施例。
27.如图2所述，本实施例所述的一种降雨诱发尾矿坝坝身渗透破坏的模拟实验装置，包括尾矿库堆积坝模型1、尾矿库初期坝模型2、排水井模型3、山体模型4、抽水泵5、排水管6、水位调节箱7、回水管8、尾矿坝数据同步采集模块9、转接电线接口、数据同步转接器11、本地数据接收中心12、全自动高速摄像头13、可调节降雨模拟系统14、模拟水池15、坝身碎屑过滤网16、实验平台17。
28.所述的模拟水池15固定在实验平台17上，左侧与水位调节箱7相连通，右侧与回水管8相连通。模拟水池15内部包括尾矿库堆积坝模型1、尾矿库初期坝模型2、排水井模型3、山体模型4、尾矿坝数据同步采集模块9。
29.所述的尾矿库堆积坝模型1按照实地堆积坝几何相似原则利用实地的等密度矿渣建造，放置于尾矿库初期坝模型2与山体模型4之间，放置位置按照实地堆积坝与山体距离等比例缩小，相对方位不变放置，并固定于模拟水池15底部，内部设置尾矿坝数据同步采集模块9，均匀放置应力检测传感器、裂隙位移传感器，用于监测尾矿库堆积坝模型1内部应力变化。
30.所述的尾矿库初期坝模型2按照实地初期坝几何相似原则利用混凝土进行建造，并固定于模拟水池15底部，放置位置按照实地初期坝与山体距离等比例缩小，相对方位不变放置。
31.所述的排水井模型3及排水管6基于实地排水井及排水管结构按照比例相似原则利用3d打印制作，排水井模型3与按照实地尾矿库初期坝的相对位置等比例缩小进行布置。排水管6安装位置紧贴山体模型4、尾矿库初期坝模型2、尾矿库堆积坝模型1底部，通过螺栓与模拟水池15内壁固定连接，放置位置按照实地排水井与排水管与山体距离等比例缩小，相对方位不变确定。
32.所述的山体模型4通过使用泥沙、木块仿照真实尾矿库周边山体河道进行设置；并
按照实地尾矿库山体位置布置于模拟水池15内部左侧。
33.所述的转接电线接口安装在实验平台17侧面，尾矿坝数据同步采集模块9中的应力检测传感器、裂隙位移传感器与转接电线接口前端10-1电相连，而转接电线接口后端10-2与数据同步转接器11电连接。
34.所述的本地数据接收中心12放置于数据同步转接器11右侧，放置于实验平台上，通过数据线与数据同步转接器11电相连，所述的本地数据接收中心12对接收信息进行统计分析。
35.所述的回水管8前端与模拟水池15右下侧的出水口相连通，并置于试验平台17下方与抽水泵5连通，抽水泵5再通过水管与上方水位调节箱7相连通，回水管8用于回水，形成水循环。
36.所述的坝身碎屑过滤网16放置于模拟水池15出水口处，用于过滤流失的尾矿库模型碎屑。
37.所述的可调节降雨模拟系统14放置于模拟水池15上方，并设置可控制降雨强度大小的阀门，用于模拟天然降雨。
38.所述的全自动高速摄像头13放置于所述模拟水池15的上方对模拟实验进行实时观测记录，将实验的模拟通过无线传输至本地数据接收中心12储存，以供未来观察分析。
39.本实施例的具体实施过程如下（见图1）；通过查询实地尾矿库的工程地质数据及水利枢纽数据，依次按照比例相似原理设计尾矿库堆积坝模型1；尾矿库初期坝模型2；排水井模型3，山体模型4，并将其按照实地尾矿库相对位置摆放以提高实验的代表性。使用时，水位调节箱7放出水体到模拟水池15中，并通过水位调节箱放水阀门控制模拟水池15中的水位，从而进一步模拟实际情况下尾矿库所处状态。此时开启尾矿坝数据同步采集模块9，并与转接电线接口前端10-1电相连，数据同步转接器11与转接电线接口后端10-2电相连，从而使监测数据将通过转接电线传输数据同步转接器11中。数据同步转接器11在收集到一定水位下尾矿库坝体模型内部应力情况及渗透通道形成过程数据后将进行同步转换，最后通过数据线传输至本地数据接收中心12。上述过程可得到天然状态下尾矿库的内部应力和渗透情况，进一步模拟天然降雨下尾矿库的变化，即打开可调节降雨模拟系统14模拟尾矿库天然降雨过程，并根据本地数据接收中心12对收集的数据进行分析处理结果，探索降雨诱发尾矿坝坝身渗透破坏的机制。整个渗透过程通过全自动高速摄像头13记录，以供未来实验观察。实验过程中水体渗透过程中带出的碎屑通过坝身碎屑过滤网16过滤以保持水体清洁。排水管排出的水通过回水管，在抽水泵作用下，抽回水位调节箱，从而节约实验用水。
40.以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。