[发明专利]尾矿坝渗流场相似模拟试验系统

说明书

技术领域

本发明属于水工模型技术领域，具体涉及一种尾矿坝渗流场相似模拟系统。

背景技术

尾矿坝是指在河道、山谷口或洼地的周围筑坝，将非金属或金属矿山进行矿石精选后的尾矿或固体废料排入其内进行沉淀和堆存的储存场所。

尾矿坝的浸润线是指库内水位与放矿过程中渗水形成的坝体内部地下水位线，由于尾矿库是自然沉积的散粒体，这就决定了坝体浸润线是尾矿坝的生命线，它是直接影响坝体稳定性的最重要因素之一。目前大多采用有限元方法和水力学法对尾矿坝的浸润线进行计算，其中有限元法需要建立准确的模型，而真实的尾矿坝各层尾矿砂的物理性质是不同的，所以建模会有很大的困难，水力学法是一种简单的计算浸润线的方法，其中有很多的基本假定，因而计算结果会有很大的误差。而通过尾矿坝相似材料模拟试验技术可以更准确直观的反应出浸润线的位置。相似材料模拟试验是以相似理论为基础的模型试验技术，是利用事物或现象间存在的相似和类似等特征来研究自然规律的一种方法。它特别适用于那些难以用理论分析方法获取结果的研究领域，同时也是一种用于对理论研究结果进行对比分析和比较验证的有效手段。

发明内容

针对现有技术中对尾矿坝浸润线计算的缺陷，本发明旨在提供一种尾矿坝渗流场的相似模拟试验系统及方法，以最大程度模拟原型尾矿坝的渗流场情况，通过直观地观察渗流规律，并根据观测数据对原型坝的排水、稳定性、安全管理等提供指导。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种尾矿坝渗流场相似模拟试验系统，包括尾矿坝模型和辅助结构，尾矿坝模型包括初期坝和后期坝，辅助结构包括试验台、外边框、测压管；尾矿坝模型设置于试验台上；尾矿坝模型被外边框四面围挡，被围挡的四面是底面、后期坝一侧面及两个横断面，初期坝一侧面及顶面不进行围挡；测压管间隔垂直排布在尾矿坝模型中，且位于同一个横断面上。

所述尾矿坝模型由分层注水筑坝法建造而成，首先用砂石修筑初期坝，然后在初期坝内加入尾矿砂，加至与初期坝齐平，然后向尾矿砂内注水，加至水位与初期坝顶部齐平，静置两小时后，用尾矿砂修筑初期坝上一层的一级子坝，同样在一级子坝内加入尾矿砂至与一级子坝齐平，然后向尾矿砂内注水至与一级子坝齐平，同样静置两小时后修筑二级子坝，直到修筑至尾矿坝坝顶，修筑完成后静置几天至测压管中没有水。

所述外边框由透明材料制成，优选有机玻璃，可以方便观察模型内部情况。外边框的3个立面和1个底面用胶粘牢，保证接口不渗水。

在外边框的前横断面侧面的左边和底边粘上纸尺，建立直角坐标系。

保证外边框的最底边离地面不小于40厘米，以保证漏斗和量筒有足够的空间放置。

在外边框的后期坝一侧上设置供液管，供液管的高度高于后期坝高度，供液管连接一水泵，水泵用于向供液管中泵水，以向尾矿坝模型内均匀注水。

在外边框后期坝一侧的水位线位置安装溢流管，使注水时水位线保持恒定。

在初期坝一侧的试验台下方安装一支漏斗，漏斗下方放置量筒，用于盛接透过初期坝的水并实时准确测量水的体积。

所述测压管位于与外边框相接触的横断面上，以方便观测其中水的高度，且测压管等距分布，测压管的下端口用纱布缠住，下端口顶在外边框的底面，测压管的高度大于等于水位线高度。

一种尾矿坝渗流场相似模拟试验系统的试验方法，其特征在于，以弗劳德相似准则(F_r)_p＝(F_r)_m设计模型，其中p、m为下标，分别代表原型和模型，包括以下步骤：

(1)选取待模拟尾矿坝的垂直剖面；

(2)根据该尾矿坝的相关资料绘出该剖面的原型二维图；

(3)选择运动粘度比尺λ_v＝1、根据原型规模选取长度比尺λ_l，并根据弗劳德相似准则推导出渗流速度比尺渗流量比尺

(4)根据所选λ_l绘制该剖面的模型二维图；

(5)根据模型二维图制作相似模拟试验系统；

(6)打开水泵、供液管阀门，向尾矿坝模型内均匀注水，加至与水位线齐平，齐平后开始计时，每隔一段固定时间t记录量筒读数v_n，并用相机拍摄测压管水位以记录所有测压管在同一时间的水位值h_ni，其中n＝1,2,3…,n，代表记录的次数，i＝1,2,3…,i，代表测压管的编号；