尾礦壩滲流場相似模擬試驗系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于水工模型技術領域，具體涉及一種尾礦壩滲流場相似模擬系統及方 法。
【背景技術】
[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進行沉淀和堆存的儲存場所。
[0003] 尾礦壩的浸潤線是指庫內水位與放礦過程中滲水形成的壩體內部地下水位線，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法對尾礦壩的浸潤線進 行計算，其中有限元法需要建立準確的模型，而真實的尾礦壩各層尾礦砂的物理性質是不 同的，所以建模會有很大的困難，水力學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，因而計算結果會有很大的誤差。而通過尾礦壩相似材料模擬試驗技術可以更準 確直觀的反應出浸潤線的位置。相似材料模擬試驗是以相似理論為基礎的模型試驗技術， 是利用事物或現象間存在的相似和類似等特征來研究自然規律的一種方法。它特別適用于 那些難以用理論分析方法獲取結果的研究領域，同時也是一種用于對理論研究結果進行對 比分析和比較驗證的有效手段。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術中對尾礦壩浸潤線計算的缺陷，本發明旨在提供一種尾礦壩滲流場 的相似模擬試驗系統及方法，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 滲流規律，并根據觀測數據對原型壩的排水、穩定性、安全管理等提供指導。
[0005] 本發明是通過以下技術方案實現的：
[0006] 一種尾礦壩滲流場相似模擬試驗系統，包括尾礦壩模型和輔助結構，尾礦壩模型 包括初期壩和后期壩，輔助結構包括試驗臺、外邊框、測壓管；尾礦壩模型設置于試驗臺上； 尾礦壩模型被外邊框四面圍擋，被圍擋的四面是底面、后期壩一側面及兩個橫斷面，初期壩 一側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 期壩內加入尾礦砂，加至與初期壩齊平，然后向尾礦砂內注水，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，同樣在一級子壩內加入尾礦砂 至與一級子壩齊平，然后向尾礦砂內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，優選有機玻璃，可以方便觀察模型內部情況。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側面的左邊和底邊粘上紙尺，建立直角坐標系。
[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上設置供液管，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，以向尾礦壩模型內均勻注水。
[0012] 在外邊框后期壩一側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的試驗方法，以弗勞德相似準則 (Fr) p= (Fr)ni設計模型，包括以下步驟：
[0016] (1)選取待模擬尾礦壩的垂直剖面；
[0017] (2)根據該尾礦壩的相關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，根據原型規模選取長度比尺λ i，并根據弗勞德相 似準則推導出滲流速度比尺λν= λ 滲流量比尺Atj= λ嚴2;
[0019] ⑷根據所選λ i繪制該剖面的模型二維圖；
[0020] (5)根據模型二維圖制作相似模擬試驗系統；
[0021] (6)打開水栗、供液管閥門，向尾礦壩模型內均勻注水，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，i = 1，2, 3......，i，代
表測壓管的編號；
[0022] (7)模型數據計算：根據上一步記錄的數據計算模型滲流量 _.，并求取 平均值根據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)原型數據處理：根據滲流量比尺求得原型滲流量
，根據滲流速 度比尺求得原型滲流速度
?根據長度比尺求得原型壩體內各位置水位高度
，根據以上數據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優選5分鐘，并連續記錄2小時。
[0028] 本發明通過構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對原 型尾礦壩滲流場進行模擬，可以有效、直觀、準確的反應尾礦壩筑壩完成后壩體的滲流規 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本發明實施例尾礦壩滲流場相似模擬試驗系統結構示意圖；
[0030] 圖2本發明實施例河東尾礦壩某危險剖面原型二維圖；
[0031] 圖3本發明實施例河東尾礦壩某危險剖面模型二維圖；
[0032] 圖4本發明實施例河東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-通過模擬試驗系統計算得 到的原型浸潤線；14-在線監測系統檢測得到的原型浸潤線。
【具體實施方式】
[0034] 下面結合具體實施例及附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0035] 1.原型的選擇：
[0036] 本試驗選擇河東尾礦壩作為試驗模型。河東金礦尾礦庫位于河東金礦選礦廠以南 約700米的洼地上，占地面積約0. 1187平方公里，四周筑壩。河東金礦初期壩為碾壓土石 壩。東側壩段，壩頂標高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，壩內邊坡比為1 : 2. 25,外邊坡比為I :2. 0,內外坡均鋪復合土工膜防滲。經過現場查看和有關資料分析，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雜，要詳細地確定滲流在尾礦 砂土孔隙通道中的流動情況極其困難，也無此必要。工程中所關心的是滲流的宏觀平均效 果，而不是孔隙內的流動細節，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 流區域（流體和空隙介質所占據的空間）的邊界條件保持不變，略去全部尾礦砂土顆粒，認 為滲流區連續充滿流體。
[0039] 3.相似準則的選擇：
[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，應按弗勞德準 則設計模型，根據滲流模型選擇雷諾相似準則。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則。
[0041] 弗勞德相似準則：
[0042] (Fr)p= (Fr)n
[0043]
[0044] (Fr)p--原型弗勞德數
[0045] (Fr)n一一模型弗勞德數
[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，根據弗勞德相似準則可推導流速比尺λ ν= λ 流量比尺λ λ嚴2,各相似比尺如 表1所示。
[0054] 表1試驗相似比例系數
[0055]
[0056] 5.相似材料的選取：
[0057] 為了滿足試驗材料的相似條件，確保試驗結果的相對可靠性，即λ "= 1，此模型 材料均選用現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。<