[发明专利]一种降雨作用下尾矿坝漫坝模拟实验装置及实验方法

说明书

技术领域

本发明属于降雨作用下尾矿坝漫坝的理论与实验技术领域，公开了一种降雨作用下尾矿坝漫坝模拟实验装置及实验方法。

背景技术

大量的尾矿坝溃坝机制表明：尾矿库作为一种具有高势能的人造泥石流危险源，无论是闭库、废库还是在运行期,都存在着不同程度的安全隐患。宏观的把握众多尾矿坝溃坝原因，无论是渗透、冲刷、漫顶还是液化等原因都和水因素有关。洪水漫顶虽然称不上是最频繁、最主要的破坏形式，但是洪水漫顶导致的尾矿坝溃坝事故所造成的负面影响却是空前的。有直接数据，1985年8月25日，湖南柿竹园有色矿牛角垄尾矿库漫顶溃坝事故，矿区直接经济损失1300万元。由此可见，降雨作用下尾矿坝稳定问题的研究对于保障矿山安全和减少国民经济损失具有重大意义。

目前，国内外研究方向主要集中在尾矿库工程对周围环境的影响及其自身稳定性问题、尾矿坝溃决的因素以及尾矿坝地质灾害与危险性评估等方面，针对尾矿坝漫顶溃坝机理的研究相对较少，且大部分文献将理论和实验分开研究，少数能够做到两种方法一起研究，也未能将其机理阐述清楚。分析大量国内外关于尾矿坝漫顶方面资料可以看出，在理论分析方面与设计实验方面大都依据岩土力学理论知识，对流体力学（特别是多孔介质中流体动力学）和泥沙运动力学的重视度不够。因此，设计一台能够基于流体力学、泥沙运动力学及岩土力学理论之上的实验器材，对于揭示降雨作用下尾矿坝漫顶机理具有关键性的帮助作用。

同时，针对降雨作用下尾矿坝漫顶溃坝时间模型的研究鲜有发表。现有的研究或者在二维坐标，或者在三维空间，大都脱离了时间维度。在四维时空下研究降雨作用下尾矿坝的稳定性将会更加精确的诠释其溃坝机理，同样对于防灾减灾意义深远。

发明内容

本发明的目的是提供一种在四维时空下从不同角度全面揭示降雨作用下尾矿坝漫坝机理实验装置，能够对最基本的不同坝高、上下游坡比、降雨强度、尾矿坝材料相似性进行模拟；实现对流体力学、泥沙运动力学和岩土力学的结合，揭示降雨作用下尾矿坝漫顶溃坝的机制；获得降雨作用下尾矿坝漫顶溃坝模型及溃坝时间模型，分别从理论和模拟实际现场降雨两个方面共同揭示尾矿坝漫坝机理。

本发明技术方案：一种降雨作用下尾矿坝漫坝模拟实验装置，包括水循环及静水荷载施加系统A、模拟降雨系统B、水平度控制系统C、模拟库区系统D，所述水循环及静水荷载施加系统A分别与模拟降雨系统B、模拟库区系统D相连；模拟库区系统D放置在水平度控制系统C上；

所述水循环及静水荷载施加系统A包括循环水箱1、潜水泵2、溢水管3、水头水箱4、溢水槽5、水头水箱给水制动阀6，所述循环水箱1与水头水箱4连接，循环水箱1与水头水箱4之间设有水头水箱给水制动阀6，循环水箱1内设有有潜水泵2，水头水箱4外侧设有溢水槽5，溢水槽5上设有溢水管3，溢水管3伸入循环水箱1内；

所述模拟降雨系统B包括降雨喷头13，所述循环水箱1与降雨喷头13之间通过橡胶管连接，橡胶管上面设置有降雨制动阀12；

所述水平度控制系统C包括水平度控制基座14，水平度控制基座14上设有横向卡尺15和纵向卡尺16，水平度控制基座14的四角上设有脚螺旋17；

所述模拟库区系统D包括一透明箱体，透明箱体内中部设有坝体模型22，坝体模型22上设有滤网20，透明箱体靠近给水管8一端内设有碱水19，碱水19中设有消能球18，透明箱体另一端设有回水过滤槽23，回水过滤槽23与回水管11相连并连接到循环水箱1上。

所述水循环及静水荷载施加系统A和模拟库区系统D之间通过给水管8连接，给水管8一端连接水头水箱4，另一端连接模拟库区系统D的透明箱体，给水管8上设置有水荷载总制动阀7、流量表9和微控阀10。

所述降雨喷头13设置在模拟库区系统之上，并覆盖其2/3的库面积。

所述滤网20浸有酚酞，依据过水断面流速在坝顶设置不同数量的滤网20。

所述消能球18集中布置在给水管8附近。

所述坝体模型22包括坝顶、可伸缩上游坡24、和可伸缩下游坡27；所述可伸缩上游坡24和可伸缩下游坡27分别通过第一转轴25和第二转轴26固定在坝顶上。

所述坝顶、可伸缩上游坡24和可伸缩下游坡27均为有机玻璃。

降雨作用下尾矿坝漫坝模拟实验装置的实验方法，包括过水断面形状实验和降雨条件模拟实验，其中过水断面形状实验步骤如下：

1）打开给水制动阀6，关闭降雨制动阀12，调节脚螺旋17使得横向卡尺15和纵向卡尺16的气泡居中；