尾礦壩滲流場相似模擬試驗系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水工模型技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種尾礦壩滲流場相似模擬系統(tǒng)及方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 尾礦壩是指在河道、山谷口或洼地的周圍筑壩，將非金屬或金屬礦山進行礦石精 選后的尾礦或固體廢料排入其內(nèi)進行沉淀和堆存的儲存場所。
[0003] 尾礦壩的浸潤線是指庫內(nèi)水位與放礦過程中滲水形成的壩體內(nèi)部地下水位線，由 于尾礦庫是自然沉積的散粒體，這就決定了壩體浸潤線是尾礦壩的生命線，它是直接影響 壩體穩(wěn)定性的最重要因素之一。目前大多采用有限元方法和水力學(xué)法對尾礦壩的浸潤線進 行計算，其中有限元法需要建立準(zhǔn)確的模型，而真實的尾礦壩各層尾礦砂的物理性質(zhì)是不 同的，所以建模會有很大的困難，水力學(xué)法是一種簡單的計算浸潤線的方法，其中有很多的 基本假定，因而計算結(jié)果會有很大的誤差。而通過尾礦壩相似材料模擬試驗技術(shù)可以更準(zhǔn) 確直觀的反應(yīng)出浸潤線的位置。相似材料模擬試驗是以相似理論為基礎(chǔ)的模型試驗技術(shù)， 是利用事物或現(xiàn)象間存在的相似和類似等特征來研究自然規(guī)律的一種方法。它特別適用于 那些難以用理論分析方法獲取結(jié)果的研究領(lǐng)域，同時也是一種用于對理論研究結(jié)果進行對 比分析和比較驗證的有效手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中對尾礦壩浸潤線計算的缺陷，本發(fā)明旨在提供一種尾礦壩滲流場 的相似模擬試驗系統(tǒng)及方法，以最大程度模擬原型尾礦壩的滲流場情況，通過直觀地觀察 滲流規(guī)律，并根據(jù)觀測數(shù)據(jù)對原型壩的排水、穩(wěn)定性、安全管理等提供指導(dǎo)。
[0005] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0006] 一種尾礦壩滲流場相似模擬試驗系統(tǒng)，包括尾礦壩模型和輔助結(jié)構(gòu)，尾礦壩模型 包括初期壩和后期壩，輔助結(jié)構(gòu)包括試驗臺、外邊框、測壓管；尾礦壩模型設(shè)置于試驗臺上； 尾礦壩模型被外邊框四面圍擋，被圍擋的四面是底面、后期壩一側(cè)面及兩個橫斷面，初期壩 一側(cè)面及頂面不進行圍擋；測壓管間隔垂直排布在尾礦壩模型中，且位于同一個橫斷面上。
[0007] 所述尾礦壩模型由分層注水筑壩法建造而成，首先用砂石修筑初期壩，然后在初 期壩內(nèi)加入尾礦砂，加至與初期壩齊平，然后向尾礦砂內(nèi)注水，加至水位與初期壩頂部齊 平，靜置兩小時后，用尾礦砂修筑初期壩上一層的一級子壩，同樣在一級子壩內(nèi)加入尾礦砂 至與一級子壩齊平，然后向尾礦砂內(nèi)注水至與一級子壩齊平，同樣靜置兩小時后修筑二級 子壩，直到修筑至尾礦壩壩頂，修筑完成后靜置幾天至測壓管中沒有水。
[0008] 所述外邊框由透明材料制成，優(yōu)選有機玻璃，可以方便觀察模型內(nèi)部情況。外邊框 的3個立面和1個底面用膠粘牢，保證接口不滲水。
[0009] 在外邊框的前橫斷面?zhèn)让娴淖筮吅偷走呎成霞埑?，建立直角坐?biāo)系。
[0010] 保證外邊框的最底邊離地面不小于40厘米，以保證漏斗和量筒有足夠的空間放 置。
[0011] 在外邊框的后期壩一側(cè)上設(shè)置供液管，供液管的高度高于后期壩高度，供液管連 接一水栗，水栗用于向供液管中栗水，以向尾礦壩模型內(nèi)均勻注水。
[0012] 在外邊框后期壩一側(cè)的水位線位置安裝溢流管，使注水時水位線保持恒定。
[0013] 在初期壩一側(cè)的試驗臺下方安裝一支漏斗，漏斗下方放置量筒，用于盛接透過初 期壩的水并實時準(zhǔn)確測量水的體積。
[0014] 所述測壓管位于與外邊框相接觸的橫斷面上，以方便觀測其中水的高度，且測壓 管等距分布，測壓管的下端口用紗布纏住，下端口頂在外邊框的底面，測壓管的高度大于等 于水位線高度。
[0015] -種基于上述尾礦壩滲流場相似模擬試驗系統(tǒng)的試驗方法，以弗勞德相似準(zhǔn)則 (Fr) p= (Fr)ni設(shè)計模型，包括以下步驟：
[0016] (1)選取待模擬尾礦壩的垂直剖面；
[0017] (2)根據(jù)該尾礦壩的相關(guān)資料繪出該剖面的原型二維圖；
[0018] (3)選擇運動粘度比尺λ "= 1，根據(jù)原型規(guī)模選取長度比尺λ i，并根據(jù)弗勞德相 似準(zhǔn)則推導(dǎo)出滲流速度比尺λν= λ 滲流量比尺Atj= λ嚴(yán)2;
[0019] ⑷根據(jù)所選λ i繪制該剖面的模型二維圖；
[0020] (5)根據(jù)模型二維圖制作相似模擬試驗系統(tǒng)；
[0021] (6)打開水栗、供液管閥門，向尾礦壩模型內(nèi)均勻注水，加至與水位線齊平，齊平后 開始計時，每隔一段固定時間t記錄量筒讀數(shù)V n，并用相機拍攝測壓管水位以記錄所有測壓 管在同一時間的水位值hni，其中η = 1，2, 3......，η，代表記錄的次數(shù)，i = 1，2, 3......，i，代
表測壓管的編號；
[0022] (7)模型數(shù)據(jù)計算：根據(jù)上一步記錄的數(shù)據(jù)計算模型滲流量 _.，并求取 平均值根據(jù)滲流量計算模型滲流速度
，并求取平均值計算測壓管高度 平均值Y，其中b是模型的厚度；
[0023] (8)原型數(shù)據(jù)處理：根據(jù)滲流量比尺求得原型滲流量
，根據(jù)滲流速 度比尺求得原型滲流速度
?根據(jù)長度比尺求得原型壩體內(nèi)各位置水位高度
，根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制原型浸潤線位置圖。
[0024] 所述步驟（2)中二維圖中包括：初期壩幾何形狀、各級子壩幾何形狀、干灘位置、 水位線位置，且尾礦壩底邊的長度為壩高的4~5倍。
[0025] 所述步驟⑶中λ艱30~100。
[0026] 所述步驟（5)中，尾礦壩模型的厚度為b = 0. 2m，即尾礦壩模型的兩個橫斷面之間 的垂直距離為0. 2m，尾礦壩模型邊界的寬度和高度根據(jù)模型二維圖定出，寬度和高度均比 模型二維圖的寬和高多出〇. 2m。
[0027] 所述步驟（6)中，時間t優(yōu)選5分鐘，并連續(xù)記錄2小時。
[0028] 本發(fā)明通過構(gòu)建尾礦壩滲流場的高相似度模型，利用相似材料模擬試驗技術(shù)對原 型尾礦壩滲流場進行模擬，可以有效、直觀、準(zhǔn)確的反應(yīng)尾礦壩筑壩完成后壩體的滲流規(guī) 律，包括浸潤線位置、滲流量和滲流速度等，不僅可以驗證滲流理論問題，而且可以對工程 中的尾礦壩的排水工程、尾礦壩穩(wěn)定性評價和尾礦壩安全管理等工作有很大的幫助。
【附圖說明】
[0029] 圖1本發(fā)明實施例尾礦壩滲流場相似模擬試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖2本發(fā)明實施例河?xùn)|尾礦壩某危險剖面原型二維圖；
[0031] 圖3本發(fā)明實施例河?xùn)|尾礦壩某危險剖面模型二維圖；
[0032] 圖4本發(fā)明實施例河?xùn)|尾礦壩某危險剖面原型浸潤線位置圖。
[0033] 圖中，1-水栗；2-供液管；3-閥門；4-水位線；5-外邊框；6-后期壩（子壩）；7_測 壓管；8-初期壩；9-漏斗；10-量筒；11-溢流管；12-試驗臺；13-通過模擬試驗系統(tǒng)計算得 到的原型浸潤線；14-在線監(jiān)測系統(tǒng)檢測得到的原型浸潤線。
【具體實施方式】
[0034] 下面結(jié)合具體實施例及附圖對本發(fā)明做進一步詳細(xì)說明。
[0035] 1.原型的選擇：
[0036] 本試驗選擇河?xùn)|尾礦壩作為試驗?zāi)Ｐ?。河?xùn)|金礦尾礦庫位于河?xùn)|金礦選礦廠以南 約700米的洼地上，占地面積約0. 1187平方公里，四周筑壩。河?xùn)|金礦初期壩為碾壓土石 壩。東側(cè)壩段，壩頂標(biāo)高80米，初期壩高28米，后期壩共5級子壩，子壩用尾礦砂堆筑，外 坡覆土 0.2~0.3米，并密植火炬樹、山槐樹、黑松。該壩段壩頂長88米，壩內(nèi)邊坡比為1 : 2. 25,外邊坡比為I :2. 0,內(nèi)外坡均鋪復(fù)合土工膜防滲。經(jīng)過現(xiàn)場查看和有關(guān)資料分析，由 于東部坡段坡度較大且壩高較高，所以選擇東部坡段的某一斷面作為試驗的原型。
[0037] 2.模型的選擇：
[0038] 由于尾礦砂土孔隙的形狀、大小及分布情況極其復(fù)雜，要詳細(xì)地確定滲流在尾礦 砂土孔隙通道中的流動情況極其困難，也無此必要。工程中所關(guān)心的是滲流的宏觀平均效 果，而不是孔隙內(nèi)的流動細(xì)節(jié)，為此引入簡化的滲流模型來代替實際的滲流。滲流模型是滲 流區(qū)域（流體和空隙介質(zhì)所占據(jù)的空間）的邊界條件保持不變，略去全部尾礦砂土顆粒，認(rèn) 為滲流區(qū)連續(xù)充滿流體。
[0039] 3.相似準(zhǔn)則的選擇：
[0040] 在流體模型中，堰頂溢流、閘孔出流、明渠流動等，重力起主要作用，應(yīng)按弗勞德準(zhǔn) 則設(shè)計模型，根據(jù)滲流模型選擇雷諾相似準(zhǔn)則。在尾礦壩滲流問題中，重力起主要作用，因 此選用弗勞德相似準(zhǔn)則。
[0041] 弗勞德相似準(zhǔn)則：
[0042] (Fr)p= (Fr)n
[0043]
[0044] (Fr)p--原型弗勞德數(shù)
[0045] (Fr)n一一模型弗勞德數(shù)
[0046] Ip--原型幾何長度
[0047] In一一模型幾何長度
[0048] Vp--原型流速
[0049] Vm--模型流速
[0050] gp--原型重力加速度
[0051] gn--模型重力加速度
[0052] 4.相似條件的確定：
[0053] 選擇運動粘度比尺λ "= 1，可用分層注水法保證λ "= 1，選擇合適的長度比尺 X1，根據(jù)弗勞德相似準(zhǔn)則可推導(dǎo)流速比尺λ ν= λ 流量比尺λ λ嚴(yán)2,各相似比尺如 表1所示。
[0054] 表1試驗相似比例系數(shù)
[0055]
[0056] 5.相似材料的選?。?br>[0057] 為了滿足試驗材料的相似條件，確保試驗結(jié)果的相對可靠性，即λ "= 1，此模型 材料均選用現(xiàn)場尾礦壩堆壩用尾礦砂，并用分層注水筑壩法加以保證；用砂石代替初期壩 材料。
[0058] 6.試驗所需材料和儀器：
[0059] 有機玻璃、測壓管、紗布、紙尺、溢流管、供液管、水栗、漏斗、量筒、秒表、相機、尾礦 砂、砂石等。<