一种采矿废石堆体降雨入渗实验装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种采矿废石堆体降雨入渗实验装置及方法，属于环境岩土工程领域，该装置包括控制平台、观测装置、降雨装置、自然风模拟装置和模拟装置；该实验系统能在考虑不同风速、风向影响下模拟不同降雨条件对具有不同坡面倾角、不同内部结构特征的采矿废石堆体坡面所形成的侵蚀特性及入渗雨水在废石堆体内部所形成的淋滤特性，有利于分析采矿废石堆体在降雨条件下所产生的环境地质灾害，并可通过改变模拟容器采矿废石堆体的材料来对采矿废石堆体生态修复技术的实施效果进行检验和论证，并且检测过程中，所有的参数设置、数据监测、记录和处理都可通过控制平台集中控制处理完成，保证了试验效果并极大提高了试验效率。
【专利说明】一种采矿废石堆体降雨入渗实验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于环境岩土工程领域，具体涉及一种采矿废石堆体降雨入渗实验装置及方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着我国工业化的迅速发展，矿产资源的需求与日俱增。在对煤炭及金属矿产的开发利用过程中，会产生大量含有重金属元素及其它有毒有害物质的废石、废渣及尾矿等固体废弃物。这些固体废弃物随开采活动被运至地表后，通常所采用的处置方式为露天集中堆存，形成体积庞大的采矿废石堆体。在自然降水的长期淋滤作用下，废石中的有毒有害物质会发生溶解、迁移、沉淀等地球化学作用，从而对附近的土壤-水环境产生污染。
[0003]目前，从实验角度对降雨淋滤作用的模拟主要采用土柱淋溶的方法，该方法主要是将原状土或扰动土装入具有一定长度的圆柱内，在圆柱顶部按照实际的降水条件设置不同的水头高度来驱使水分通过圆柱体内的土壤，并通过在圆柱底部对淋溶液进行收集来研究水分对土壤所形成的淋滤作用。对于降雨在坡面上所形成的侵蚀作用的模拟主要采用坡面降雨侵蚀实验的方法，该方法主要通过控制雨强和坡度来实现对各种坡度及雨强的降雨侵蚀实验。
[0004]目前常用的土柱淋溶实验装置只能在垂直方向上模拟水分在介质中的入渗对废石所产生的淋滤作用，无法模拟不同降雨条件对坡面所形成的侵蚀作用；而常用的坡面降雨侵蚀试验系统只能模拟降水对坡面的侵蚀特性，无法对入渗至坡体内部的水分所形成的淋滤作用进行模拟分析。目前，针对降雨作用对采矿废石堆体所产生的坡面侵蚀及坡体淋溶过程的本构关系还未真正建立起来，从而未能实现对降雨作用下采矿废石堆体坡面产流、土壤侵蚀、坡体入渗及溶质迁移的过程进行有效的模拟和行为预测。
[0005]因此，研发能开展在不同降雨条件对具有不同坡面倾角、不同内部结构特征的采矿废石堆体所产生的坡面侵蚀特性和淋滤特性的模拟系统，探讨复杂工况下采矿废石堆体所诱发的环境地质灾害的发生机理和获取相关试验数据，为矿山企业对采矿废石堆体进行生态修复提供必要的技术参数是亟待解决的问题。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明提出一种采矿废石堆体降雨入渗实验装置及方法，以实现在不同降雨强度、不同坡面倾角和不同坡体内部废石结构特征情况下，模拟采矿废石堆体降雨入渗的目的。
[0007]一种采矿废石堆体降雨入渗实验装置，包括控制平台、观测装置，还包括降雨装置、自然风模拟装置和模拟装置，降雨装置连接自然风模拟装置，降雨装置的下端设置有模拟装置，模拟装置的一侧设置有观测装置，所述的控制平台分别连接观测装置、降雨装置、自然风模拟装置和模拟装置；其中，[0008]所述的降雨装置包括水箱、潜水泵、供水管网支架、水泵调压装置、喷嘴和降雨供水管网，其中，所述的潜水泵设置于水箱内，潜水泵通过供水管连接设置于水箱上方的水泵调压装置进水口，水泵调压装置的出水口连接设置于供水管网支架上的一个供水管，上述供水管连接设置于供水管网支架上端的降雨供水管网，所述的降雨供水管网上设置有喷嘴；
[0009]所述的自然风模拟装置包括风扇支架、风扇、风速测定仪和风向测定仪，其中，所述的风扇通过风扇支架环绕设置于供水管网支架的上端；所述的风速测定仪和风向测定仪分别通过连接管连接于供水管网支架中心；
[0010]所述的模拟装置包括模拟容器、径流液收集器、径流液贮存器、模拟容器支腿、淋溶液收集器、淋溶液收集管、液压控制装置、液压升降杆支腿、雨滴动能测定仪托板、雨量筒托板、雨滴动能测定仪、雨量筒、模拟容器支架和液压升降装置，其中，所述的模拟容器下端一侧设置有两个模拟容器支腿，另一侧设置有模拟容器支架，所述的模拟容器支架通过套筒与下端的液压升降装置连接，液压升降装置下端设置有液压升降杆支腿，并且所述的液压升降杆支腿通过液压管与液压控制装置相连；所述的模拟容器底面上均匀设置有淋溶液收集孔，淋溶液收集孔通过淋溶液收集管连接淋溶液收集器；在所述的模拟容器上端的一侧设置有用于固定雨量筒的雨量筒托板和用于固定滴动能测定仪的雨滴动能测定仪托板，另一侧设置有径流液收集器，所述的径流液收集器通过径流液收集管连接放置于模拟容器另一侧的径流液贮存器。
[0011]所述的模拟容器的一个侧面上设置有传感器导线孔，用于导出放置于模拟容器内部的传感器的导线。
[0012]所述的设置于供水管网支架上的一个供水管上设置有水压表，所述的水压表的输出端与控制平台一路输入端相连接；淋溶液收集管上还设置有流量测定器，流量测定器的输出端与控制平台另一路输入端相连接；径流液收集管上还设置有泥沙含量测定装置和流量测定器，泥沙含量测定装置的输出端、流量测定器的输出端分别与控制平台两路输入端相连接；另外，风速测定仪的输出端、风向测定仪的输出端、雨量筒的输出端、雨滴动能测定仪的输出端依次连接控制平台多路输入端；风扇的输入端、液压控制装置的输入端分别连接控制平台的多路输出端。
[0013]所述的雨量筒托板通过铰接的方式与模拟容器相连，使雨量筒始终保持水平状态。
[0014]采用采矿废石堆体降雨入渗实验装置进行模拟的方法，包括以下步骤:
[0015]步骤1、安装装置，并将模拟装置放置于供水管网支架的正下方；
[0016]步骤2、根据所模拟的采矿废石堆体的实际倾倒-堆积方式及自然安息角，确定模拟容器的倾斜角度；计算出不同粒径大小的采矿废石的粒径偏析因子，根据上述粒径偏析因子确定不同粒径组废石在模拟容器中的分布范围，并用黑色记号笔在模拟容器的内壁上画出标记线，划分出每个粒径组所要堆积的高度及堆积区域，并根据所画出的标记线确定出试样的装填顺序；
[0017]步骤3、检查并确定所有装置连接位置处的连接完好，无漏水、漏油情况存在；检查并确定所有监测设备的供电及数据传输性能完好，无短路、断路及数据传输不通畅的情况存在；[0018]步骤4、启动液压控制装置，通过液压升降装置带动模拟容器焊接有模拟容器支架的一侧向上抬起，直至达到水平状态；
[0019]步骤5、在模拟容器底部铺设一层尼龙筛网，用户根据需求配置试验所用采矿废石的粒径配比，按顺序将不同粒径组的采矿废石根据所画标记线装入模拟容器中，并每装填5?15cm高度的试样，在该试样层的中心位置处埋设一个土壤水分传感器；
[0020]步骤6、通过液压升降装置带动模拟容器焊接有模拟容器支架的一侧向上抬起，直至达到步骤2中所得倾斜角度；并调整雨量筒托板与水平方向的夹角，使雨量筒托板处于水平状态；
[0021 ] 步骤7、采用三维摄像装置对废石表面的图像进行采集，并发送至控制平台进行处理及储存；
[0022]步骤8、在水箱中加水并启动降雨装置，通过水泵及水泵调压装置使水进入供水管网并通过喷嘴向下方持续喷出，形成降雨；
[0023]步骤9、并采用土壤水分传感器实时采集废石试样中的水分数据，并传递至控制平台；采用雨量筒采集降雨，并通过其内部的计量翻斗将所记录的降雨量以脉冲信号的形式发送至控制平台；采用雨滴动能测定仪采集雨滴的动能，并通过其内部的雨滴传感器将监测信号以模拟量电压的形式发送至控制平台；
[0024]步骤10、启动自然风模拟装置，采用风向测定仪检测风向，采用风速测定仪检测风速，并将上述结果以模拟量信号的形式发送至控制平台，控制平台根据试验所需风速和风向，实时调整风扇的风速，通过控制风扇的开断调整装置的风向；
[0025]步骤11、采用径流液收集器收集废石试样表面的表面径流，并通过径流液收集管导入径流液贮存器中，并采用泥沙含量测定装置对径流中所携带的泥沙含量进行检测，并将检测结果以模拟量的形式发送至控制平台，采用流量测定器对径流量进行检测，并将检测结果以模拟量的形式发送至控制平台；
[0026]步骤12、通过淋溶液收集孔收集渗入模拟容器底部的淋溶液，并通过淋溶液收集管导入淋溶液收集器中，并采用流量测定器对淋溶液的流量进行检测，并将检测的结果以模拟量的形式发送至控制平台；
[0027]步骤13、当雨量筒监测到的降雨量达到用户设定降雨量数值时，控制平台控制降雨装置停止降雨，并采用三维摄像装置对废石试样表面进行一次图像采样；并判断降雨次数是否达到用户设定降雨次数，若是，控制平台对所采集的数据进行分析，进而确定降雨后废石堆体表面所形成的被侵蚀形态，确定雨水在废石坡面的流动过程中从坡面废石中所携带走的物质成分及含量，确定雨水在废石坡体内部的渗透过程中从坡体内部废石中所携带总的物质成分及含量，确定不同降雨量及雨滴动能大小与废石坡面侵蚀形态、径流液流量、径流液中泥沙含量之间的关系，确定不同降雨量大小与废石淋溶液流量、淋溶液的水质成分之间的关系，否则，则返回步骤8。
[0028]步骤2所述的装填，在装填时保证模拟容器中的废石试样上表面与模拟容器的上表面齐平。
[0029]步骤5所述的尼龙筛网的网眼直径不得大于淋溶液收集孔的半径。
[0030]本发明优点:
[0031]本发明一种采矿废石堆体降雨入渗实验装置及方法，该实验系统能在考虑不同风速、风向影响下模拟不同降雨条件对具有不同坡面倾角、不同内部结构特征的采矿废石堆体坡面所形成的侵蚀特性及入渗雨水在废石堆体内部所形成的淋滤特性，有利于分析采矿废石堆体在降雨条件下所产生的环境地质灾害，并可通过改变模拟容器采矿废石堆体的材料来对采矿废石堆体生态修复技术的实施效果进行检验和论证，并且检测过程中，所有的参数设置、数据监测、记录和处理都可通过控制平台集中控制处理完成，保证了试验效果并极大提高了试验效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为本发明一种实施例的整体结构框图；
[0033]图2为本发明一种实施例的降雨装置结构框图；
[0034]图3为本发明一种实施例的自然风模拟装置结构框图；
[0035]图4为本发明一种实施例的模拟装置结构框图；
[0036]图5为本发明一种实施例的采用采矿废石堆体降雨入渗模拟方法流程图。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。
[0038]一种采矿废石堆体降雨入渗实验装置，如图1所示，包括控制平台1、观测装置2，还包括降雨装置3、自然风模拟装置4和模拟装置5，降雨装置3连接自然风模拟装置4，降雨装置3的下端设置有模拟装置5，模拟装置5的一侧设置有观测装置2，所述的控制平台I分别连接观测装置2、降雨装置3、自然风模拟装置4和模拟装置5 ;其中，
[0039]如图2所示，所述的降雨装置3包括水箱3-1、潜水泵3-2、供水管网支架3-3、水泵调压装置3-4、喷嘴3-5和降雨供水管网3-6，其中，所述的潜水泵3-2设置于水箱3_1内，潜水泵3-2通过供水管连接设置于水箱3-1上方的水泵调压装置3-4进水口，水泵调压装置3-4的出水口连接设置于供水管网支架3-3上的一个供水管，上述供水管连接设置于供水管网支架3-3上端的降雨供水管网3-6，所述的降雨供水管网3-6上设置有喷嘴3-5 ;所述的设置于供水管网支架3-3上的一个供水管上设置有水压表3-7，所述的水压表3-7的输出端与控制平台I一路输入端相连接。
[0040]如图3所示，所述的自然风模拟装置4包括风扇支架4-1、风扇4-2、风速测定仪
4-3和风向测定仪4-4，其中，所述的风扇4-2通过风扇支架4-1环绕设置于供水管网支架
3-3的上端；所述的风速测定仪4-3和风向测定仪4-4分别通过连接管连接于供水管网支架3-3的中心；本发明实施例中，采用8个风扇4-2，上述8个风扇设置高度相同，采取正八边形的布设方式，八边形的每条边上均布设一个风扇4-2 ;风速测定仪4-3与风向测定仪
4-4设置在模拟容器5-1中心的上方。
[0041]如图4所示，所述的模拟装置5包括模拟容器5-1、径流液收集器5-3、径流液贮存器5-4、模拟容器支腿5-5、淋溶液收集器5-7 (圆柱形或者长方体)、淋溶液收集管5-8、液压控制装置5-9、液压升降杆支腿5-10、雨滴动能测定仪托板5-11、雨量筒托板5-12、雨滴动能测定仪5-13、雨量筒5-14、模拟容器支架5-15和液压升降装置5_16，其中，所述的模拟容器5-1下端一侧设置有两个模拟容器支腿5-5，另一侧设置有模拟容器支架5-15，所述的模拟容器支架5-15通过套筒与下端的液压升降装置5-16连接，液压升降装置5-16下端设置有液压升降杆支腿5-10，并且所述的液压升降杆支腿5-10通过液压管与液压控制装置
5-9相连；所述的模拟容器5-1底面上均匀设置有淋溶液收集孔，淋溶液收集孔通过收集管连接淋溶液收集器5-7 ;在所述的模拟容器5-1上端的一侧设置有用于固定雨量筒5-14的雨量筒托板5-12和用于固定滴动能测定仪5-13的雨滴动能测定仪托板5-11 (与模拟容器
5-1焊接连接)，另一侧设置有径流液收集器5-3(与模拟容器5-1焊接连接)，所述的径流液收集器5-3通过径流液收集管连接放置于模拟容器5-1 —侧的径流液贮存器5-4 (长方体或圆柱体)，径流液收集器5-3的下表面与模拟容器5-1的上表面在同一水平线上。所述的模拟容器5-1的一个侧面上设置有传感器导线孔，用于导出放置于模拟容器5-1内部的传感器的导线。所述的收集管上还设置有LWGY型流量测定器5-6，流量测定器5-6的输出端与控制平台I另一路输入端相连接；所述的径流液收集管上还设置有MS2000型泥沙含量测定装置5-2，泥沙含量测定装置5-2的输出端与控制平台I又一路输入端相连接。
[0042]本发明实施例中，观测装置2由三维摄像装置和支撑杆构成。观测装置位于模拟装置5-1的一侧，三维摄像采用JVC-GS-TDl型3D立体摄像机，装置安装于支撑杆的上端。
[0043]本发明实施例中，雨量筒托板5-12通过铰接的方式与模拟容器5-1相连，实现雨量筒5-14始终保持水平状态。以铰接形式与模拟容器5-1相连的雨量筒托板5-12可以变换其自身与水平方向之间的夹角，该夹角所变换的范围为-90°?90°，当模拟容器5-1在液压升降杆支腿5-10的支撑作用下与水平方向形成一定角度时，可以调整雨量筒托板与水平方向保持一致，从而使得置于雨量筒托板5-12上的雨量筒5-14在对试验过程中的降雨量进行实时监测时保持水平；
[0044]另外，风速测定仪4-3的输出端、风向测定仪4-4的输出端、雨量筒5_14的输出端、雨滴动能测定仪5-13的输出端依次连接控制平台I的多路输入端；风扇4-2的输入端、液压控制装置5-9的输入端分别连接控制平台I的多路输出端，本发明实施例中，控制平台采用计算机，雨滴动能测定仪型号为Parsivel-1I型、风向测定仪型号为HYXC-2FX、风速测定仪型号为HS-FS01、雨量筒为RM Young52202型。
[0045]控制平台I通过连接在供水管网上的水泵调压装置对水压进行实时的控制，根据连接在模拟容器5-1上的雨量筒5-14及雨滴动能测定仪5-13在降雨过程中所反馈的测量信号随时调整供水压力的大小，从而使得降雨喷头所形成的降雨参数达到不同的工况要求；
[0046]以焊接形式与模拟容器5-1相连的雨滴动能测定仪托板5-11与模拟容器5-1的上表面保持在同一水平线上，当模拟容器在液压升降杆支腿5-10的支撑作用下与水平方向形成一定角度时，雨滴动能测定仪托板5-11与水平方向之间的夹角与模拟容器5-1上表面与水平方向之间的夹角保持一致，从而使得置于雨滴动能测定仪托板5-11上的雨滴动能测定仪5-13可以在试验过程中对降落到模拟容器中废石坡面上的雨滴动能进行实时监测；
[0047]所述的液压升降杆支腿5-10可在液压控制装置5-9的控制下产生不同的高度变化，与模拟容器5-1底部另外一侧铰接的模拟容器支腿5-5联合作用使模拟容器产生不同倾角，能有效模拟具有不同自然安息角的采矿废石所形成的坡面角度；
[0048]设置于模拟容器5-1底部的淋溶液收集孔及与其相连的淋溶液收集管可对由坡面入渗至模拟容器5-1底部不同区域的淋溶液进行收集，连接在淋溶液收集管上的流量测定器5-2可以对不同时间内淋溶液收集管中的淋溶液流量进行定量化测量，淋溶液最终进入淋溶液收集器，方便随时对淋溶液取样进行化学成分分析；
[0049]所采用的正八边形的风扇布设方式，可根据所设置的风速测定仪及风向测定仪所反馈的监测信号随时对风扇的角度和转数进行实时调整，从而实现对不同风向、不同风速的风进行模拟；
[0050]采用采矿废石堆体降雨入渗实验装置进行模拟的方法，如图5所示，包括以下步骤:
[0051]步骤1、安装连接装置，并将模拟装置放置于供水管网支架的正下方；
[0052]降雨系统的连接与安装过程:
[0053]步骤1-A1、将喷嘴3-5连接到降雨供水管网3-6上；
[0054]步骤1-A2、将降水供水管网3-6连接到供水管网支架3-3顶部的内侧；
[0055]步骤1-A3、将水压表3-7与一根供水管的一端进行连接，并将该供水管固定在供水管网支架3-3上，使连接有水压表3-7的一端位于于供水管网支架3-3的顶部；
[0056]步骤1-A4、将步骤1-A3所述供水管连接有水压表3-7的一端与降水供水管网3_6相连；
[0057]步骤1-A5、将步骤1-A3所述供水管的另外一端与水泵调压装置3-4连接，将水泵调压装置3-4与潜水泵3-2连接；
[0058]步骤1-A6、将潜水泵3-2放入水箱3-1中。
[0059]风模拟系统的连接与安装过程:
[0060]步骤1-B1、将风速测定仪4-3、风向测定仪4-4的数据传输线及供电电线穿过不锈钢管，将风速测定仪4-3、风向测定仪4-4连接到不锈钢管的一端，将不锈钢管的另一端连接在供水管网支架3-3顶部的横梁上；
[0061]步骤1-B2、将风扇支架4-1连接到供水管网支架3-3上，将风扇4_2连接到风扇支架4-1上及供水管网支架3-3支腿上的风扇卡槽上。
[0062]模拟容器的连接与安装过程:
[0063]步骤1-C1、将模拟容器5-1放置在降雨供水管网3-6的下方；
[0064]步骤1-C2、将模拟容器支腿5-5通过铰接的方式连接到模拟容器5-1的底部带有铰支座的一端；
[0065]步骤1-C3、将液压升降装置5-16与液压升降杆支腿5-10进行连接；
[0066]步骤1-C4、将模拟容器5-1带有模拟容器支架5-15的一端抬起，将连接有液压升降装置5-16的液压升降杆支腿5-10放置在模拟容器支架的下方，将液压升降装置5-16对准模拟容器支架5-15底部的套筒内，缓慢放低模拟容器5-1带有模拟容器支架5-15的一端，使模拟容器5-1支架完全进入模拟容器支架5-15底部的套筒并与模拟容器支架5-15相接触；
[0067]步骤1-C5、将液压管的一端与液压控制装置5-9连接，另外一端与液压升降装置
5-16连接。
[0068]模拟容器上观测及监测设备的安装及连接过程:
[0069]步骤1-D1、将流量测定器5-2连接到淋溶液收集管5-8上，将淋溶液收集管5_8的一端与模拟容器5-1底部的淋溶液收集孔连接，另外一端与淋溶液收集器5-7的顶部进水口相连接；
[0070]步骤1-D2、将另一个流量测定器和泥沙含量测定装置5-2连接到径流液收集管上，将径流液收集管的一端与径流液收集器5-3连接，另外一端与径流液贮存器5-4的顶部进水口连接；
[0071]步骤1-D3、调整雨量筒托板5_12的角度，将雨量筒5_14放入雨量筒托板5_12上的圆孔内；
[0072]步骤1-D4、将雨滴动能测定仪5-13放置在雨滴动能测定仪托板5_11上；
[0073]步骤1-D5、将支撑杆10放置到模拟容器20带有径流液收集器13的一侧，将三维摄像装置9安装到支撑杆10上；
[0074]数据传输线及电源线的连接过程:
[0075]步骤1-E1、将水压表3-7、流量测定器5-6、泥沙含量测定装置5_2、风速测定仪4-3、风向测定仪4-4、雨量筒5-14、雨滴动能测定仪5-13、三维摄像装置的数据传输线连接到控制平台I的计算机终端上；
[0076]步骤1-E2、将潜水泵3-2、水泵调压装置3-4、液压控制装置5_9、风扇4_2、三维摄像装置、泥沙含量测定装置5-2、风速测定仪4-3、风向测定仪4-4、雨量筒5-14的电源线连接到控制平台I上；
[0077]步骤2、根据所模拟的采矿废石堆体的实际倾倒-堆积方式及自然安息角，确定模拟容器的倾斜角度；并结合所模拟的采矿废石粒径大小、自然安息角及堆积高度按照现有的计算公式计算出不同粒径大小的采矿废石的粒径偏析因子，根据上述粒径偏析因子确定不同粒径组废石在模拟容器中的分布范围，并用黑色记号笔在模拟容器的内壁四侧上画出标记线，划分出每个粒径组所要堆积的高度及堆积区域，并根据所画出的标记线确定出试样的装填顺序；
[0078]本发明实施例中，所模拟的采矿废石堆体为磷矿废石堆，倾倒及堆积方式为顶端倾倒-顺坡堆积方式，即将磷矿废石在某一边坡的顶部进行倾倒，使得倾倒出的磷矿废石沿坡面自由滑滚而下并自然堆积；所用磷矿废石按照粒径大小划分为粗粒组(粒径大于5mm)和细粒组(粒径小于5mm)两组；在实际现场对磷矿废石堆坡面倾角的测量结果表明所模拟的磷矿废石堆体的自然安息角为45°，因此本发明实施例中将模拟容器5-1的倾斜角度设置为45° ;根据模拟容器5-1的高度、所用磷矿废石的粒径大小以及磷矿废石的自然安息角，利用相关文献资料中所记载的粒径偏析因子计算公式，计算得出本发明实施例中所用磷矿废石的粒径偏析因子为0.5 ;根据计算得出的粒径偏析因子，确定粗、细粒组在废石堆体内部的分布为互层分布，并用黑色记号笔在模拟容器的内壁四侧上画出粗、细粒组的堆积高度及堆积区域。在装填试样时，按照事先画好的不同粒组的堆积高度及堆积区域，从模拟容器底部开始将粗、细粒组的废石依次装入模拟容器，当装填某一粒组(例如粗粒组)的废石到达该组的标记线时，停止装填该组废石，按照标记线所示组别更换所要装填的废石，直至按照事先所画好的标记线将各组废石装填完毕。
[0079]步骤3、检查并确定所有装置连接位置处的连接完好，无漏水、漏油情况存在；检查并确定所有监测设备的供电及数据传输性能完好，无短路、断路及数据传输不通畅的情况存在；
[0080]步骤4、启动液压控制装置，通过液压升降装置带动模拟容器焊接有模拟容器支架的一侧向上抬起，直至达到水平状态；
[0081]在控制平台I上打开液压控制装置5-9的电源开关，液压控制装置5-9开始工作，将液压油通过液压管压入液压升降杆支腿5-10中的液压缸内，在液压缸所产生的压力作用下，液压升降装置5-16缓慢向上升起，带动模拟容器5-1焊接有模拟容器支架5-15的一侧向上抬起，使模拟容器5-1的上表面达到水平；在控制平台I上关闭液压控制装置5-9的供油开关，使液压控制装置5-9停止向液压升降杆支腿5-10中的液压缸内压入液压油，在控制平台I上打开液压控制装置5-9上的稳压系统开关，使液压升降杆支腿5-10维持现有高度不变。
[0082]步骤5、在模拟容器底部铺设一层尼龙筛网，根据用户需求配置好试验所用采矿废石的粒径配比，按顺序将不同粒径组的采矿废石根据所画标记线装入模拟容器中，并每装填IOcm高度的试样，在该试样层的中心位置处埋设一个土壤水分传感器；
[0083]本发明实施例中，将模拟容器5-1的底部底部铺设一层尼龙筛网，尼龙筛网的网眼直径不得大于淋溶液收集孔的半径，以免在装填废石试样或在试验中废石颗粒堵塞淋溶液收集孔；按照试验要求和目的配置好试验所用采矿废石的粒径配比，按装填顺序，将不同粒径组的采矿废石按照所画标记线装入模拟容器5-1中，在装填废石试样的过程中，每装填IOcm的试样，在该试样层的几何中心位置处埋设一个土壤水分传感器(型号SMS-1-50)，将传感器的导线由传感器导线孔引出并连接到控制平台I的计算机终端上，检查并确保土壤水分传感器与计算机终端之间的连接通畅后对传感器导线孔进行密封处理。
[0084]步骤6、通过液压升降装置带动模拟容器焊接有模拟容器支架的一侧向上抬起，直至达到步骤2中所得倾斜角度；并调整调整雨量筒托板与水平方向的夹角，使雨量筒托板处于水平状态；
[0085]本发明实施例中，试样装填完毕后，使模拟容器5-1的上表面与水平方向的夹角达到倾斜角度45° ;调整雨量筒托板5-12与水平方向的夹角，使雨量筒托板5-12处于水平。
[0086]步骤7、采用三维摄像装置对废石表面的图像进行采集，并发送至控制平台进行处理及储存；
[0087]本发明实施例中，在控制平台I上打开观测装置2的电源开关及数据传输开关，对模拟容器5-1中废石表面的图像进行图像采集，三维摄像装置通过数据传输线将所采集到的图像信息传输到控制平台I上的计算机终端，由计算机终端对所接收到的图像信息进行处理及储存；
[0088]步骤8、在水箱中加水并启动降雨装置，通过水泵及水泵调压装置使水进入供水管网并通过喷嘴向下方持续喷出，形成降雨；
[0089]本发明实施例中，向水箱3-1中注入自来水，使水箱3-1中自来水的液面将潜水泵
3-2完全淹没；在控制平台I上打开流量测定器5-6、泥沙含量测定装置5-2、雨量筒5-14、雨滴动能测定仪5-13及埋入的土壤水分传感器的电源开关及数据传输开关；在控制平台I上的计算机终端上打开土壤水分传感器的数据采集软件，根据实验所设计的对土壤水分传感器的数据采集频率(h/min/s)进行设置，本发明实施例中，采集频率设置为3h;在控制平台I上打开潜水泵3-2的电源开关，潜水泵3-2开始工作，将水箱3-1中经由供水管泵入降雨供水管网3-6中，水流进入供水管网3-6并通过喷嘴3-5向下方持续喷出，形成降雨。[0090]步骤9、采用土壤水分传感器实时采集废石试样中的水分数据，并传递至控制平台；采用雨量筒采集降雨，并通过其内部的计量翻斗将所记录的降雨量以脉冲信号的形式发送至控制平台；采用雨滴动能测定仪采集雨滴的动能，并通过其内部的雨滴传感器将监测信号以模拟量电压的形式发送至控制平台；
[0091]本发明实施例中，由喷嘴3-5所形成的降雨经雨量筒5-14的承水口收集后，注入雨量筒5-14中的计量翻斗，计量翻斗将所记录的降雨量以脉冲信号的形式通过数据传输线传递至控制平台I上的计算机终端，计算机终端将接收到的脉冲信号转换为模拟量信号进行储存及显示；由喷嘴3-5所形成的降雨落到废石坡面所形成的雨滴动能由雨滴动能测定仪5-13中的雨滴传感器进行实时监测，雨滴传感器将监测信号以模拟量AO电压的形式通过数据传输线传递至控制平台I上的计算机终端，计算机终端将接收到的模拟量信号进行储存及显示。
[0092]步骤10、启动自然风模拟装置，采用风向测定仪检测风向，采用风速测定仪检测风速，并将上述结果以模拟量信号的形式发送至控制平台，控制平台根据试验所需风速和风向，实时调整风扇的风速，通过控制风扇的开断调整装置的风向；
[0093]本发明实施例中，维持喷嘴3-5所形成的降雨，在控制平台I上打开风向测定仪
4-4、风速测定仪4-3的监测数据显示开关，打开风扇4-2的电源开关和控制风速开关，使风扇4-2开始向模拟容器5-1上表面及降雨供水管网3-6之间的空间吹风，所产生的风向和风速由风向测定仪4-4、风速测定仪4-3进行实时监测，风向测定仪4-4、风速测定仪4-3中的风向及风速传感器将监测结果以模拟量信号的形式通过数据传输线传递至控制平台I上的计算机终端，计算机终端将接收到的模拟量信号进行储存及显示；根据计算机所接收到的风向测定仪4-4和风速测定仪4-3所监测的信号，结合试验所设计的风速、风向方案，通过调整风扇4-2在控制平台I上的控制风速开关及电源开关，来调整风扇4-2的风速以及所形成的风向，使其达到试验所设定的方案要求。
[0094]步骤11、采用径流液收集器收集废石试样表面的表面径流，并通过径流液收集管导入径流液贮存器中，并采用泥沙含量测定装置对径流中所携带的泥沙含量进行检测，并将检测结果以模拟量的形式发送至控制平台，采用流量测定器对径流量进行检测，并将检测结果以模拟量的形式发送至控制平台；
[0095]本发明实施例中，喷嘴3-5所形成的降雨到达模拟容器5-1中的废石堆体表面，一部分水分在坡体表面形成表面径流，另外一部分水分渗入到模拟容器5-1中废石堆体内部。
[0096]其中，形成表面径流的水分携带着一部分细小废石颗粒沿着废石堆体表面由带有模拟容器支架的一侧向带有模拟容器支腿5-15的一侧流动，并由径流液收集器5-3进行收集后流入径流液收集管中，最终流入径流液贮存器5-4中，在此过程中径流所携带的泥沙含量由连接在径流液收集管上的泥沙含量测定装置5-2进行监测，径流量由连接在径流液收集管上的流量测定器5-17进行监测；位于泥沙含量测定装置5-2中的泥沙含量传感器以及位于流量测定器5-17中的流量传感器将所测结果以模拟量信号的形式通过数据传输线输送至控制平台I上的计算机终端中，由计算机终端对所接收到的信号进行储存及显示。
[0097]步骤12、通过淋溶液收集孔收集渗入模拟容器底部的淋溶液，并通过淋溶液收集管导入淋溶液收集器中，并采用流量测定器对淋溶液的流量进行检测，并将检测的结果以模拟量的形式发送至控制平台；
[0098]本发明实施例中，渗入到废石堆体内部的水分在重力作用下沿着废石颗粒之间的孔隙向模拟容器5-1的底部流动，废石堆体内部不同位置处的水分含量及其随时间的变化由所埋设的土壤水分传感器进行监测，土壤水分传感器将按照所设置的时间间隔对数据进行采集，并通过数据传输线将所采集的数据输入控制平台I上的计算机终端上，由计算机终端对所接收的数据进行储存及显示。当入渗水分流到模拟容器5-1的底部时，会从位于模拟容器5-1底部不同位置处的淋溶液收集孔流出，进入与淋溶液收集孔相连接的淋溶液收集管5-8，最终流入与各个淋溶液收集管相连接的淋溶液收集器5-7进行密封储存。在此过程中，进入淋溶液收集管5-8的淋溶液的流量由连接在淋溶液收集管5-8上的流量测定器5-6进行测定，流量测定器5-6上的流量传感器将所测结果以模拟量信号的形式通过数据传输线输送至控制平台I上的计算机终端中，由计算机终端对所接收到的信号进行储存及显示。
[0099]步骤13、当雨量筒监测到的降雨量达到用户设定降雨量数值时，控制平台控制降雨装置停止降雨，并采用三维摄像装置对废石试样表面进行一次图像采样；并判断降雨次数是否达到用户设定降雨次数，若是，控制平台对所采集的数据进行分析，进而确定降雨后废石堆体表面所形成的被侵蚀形态，确定雨水在废石坡面的流动过程中从坡面废石中所携带走的物质成分及含量，确定雨水在废石坡体内部的渗透过程中从坡体内部废石中所携带总的物质成分及含量，确定不同降雨量及雨滴动能大小与废石坡面侵蚀形态、径流液流量、径流液中泥沙含量之间的关系，确定不同降雨量大小与废石淋溶液流量、淋溶液的水质成分之间的关系，否则，则返回步骤8。
[0100]本发明实施例中，在控制平台I上的计算机终端上利用Arcgis软件对前后所采集的两个图像信息进行处理及分析，提取出降雨之后废石堆体表面所形成的被侵蚀形态，例如坡面片蚀、细沟侵蚀、切沟侵蚀等坡面侵蚀形态，结合当次降雨所测得的降雨量、雨滴动能以及坡面废石粒径、坡面倾角等数据信息，分析废石堆体坡面的侵蚀形态与上述数据之间的对应关系；从径流液贮存器5-3中取出所储存的径流液，依据《水质总磷的测定钥酸铵分光光度法》(GB11893-89)对径流液中的总磷含量进行分析检测，分析雨水在废石坡面的流动过程中从坡面废石中所携带走的物质成分及含量；从淋溶液收集器5-7中取出所储存的淋溶液，依据《水质总磷的测定钥酸铵分光光度法》(GB11893-89)对淋溶液中的总磷含量进行分析检测，分析雨水在废石坡体内部的渗透过程中从坡体内部废石中所携带总的物质成分及含量；在控制平台I的计算机终端上记录并整理风向测定仪4-4和风速测定仪
4-3的测试结果，并对结果进行分析，分析不同风速及风向条件对降落在废石堆坡面上的雨滴动能的影响，进而分析不同风速及风向条件对坡面侵蚀形态的影响；在控制平台I的计算机终端上整理并分析流量测定器5-17、泥沙含量测定装置5-2以及连接在淋溶液收集管
5-8上的流量测定器5-6所传输的数据，分析在不同降雨量及雨滴动能大小条件下废石堆坡面所形成的径流液流量的大小以及在径流液中所含泥沙含量的多少；分析在不同降雨量大小条件下废石堆底部所形成的淋溶液流量的大小，进而通过分析淋溶液中总磷含量的多少来研究不同淋溶液流量对废石所形成的淋滤程度；整理数据分析结果，形成试验报告。
【权利要求】
1.一种采矿废石堆体降雨入渗实验装置，包括控制平台(I)、观测装置(2)，其特征在于:还包括降雨装置(3)、自然风模拟装置(4)和模拟装置(5)，降雨装置(3)连接自然风模拟装置(4)，降雨装置(3)的下端设置有模拟装置(5)，模拟装置(5)的一侧设置有观测装置(2)，所述的控制平台(I)分别连接观测装置(2)、降雨装置(3)、自然风模拟装置(4)和模拟装置(5);其中， 所述的降雨装置(3)包括水箱(3-1)、潜水泵(3-2)、供水管网支架(3-3)、水泵调压装置(3-4)、喷嘴(3-5)和降雨供水管网(3-6)，其中，所述的潜水泵(3-2)设置于水箱(3-1)内，潜水泵(3-2)通过供水管连接设置于水箱(1-1)上方的水泵调压装置(3-4)进水口，水泵调压装置(3-4)的出水口连接设置于供水管网支架(3-3)上的一个供水管，上述供水管连接设置于供水管网支架(3-3)上端的降雨供水管网(3-6)，所述的降雨供水管网(3-6)上设置有喷嘴(3-5)； 所述的自然风模拟装置(4)包括风扇支架(4-1)、风扇(4-2)、风速测定仪(4-3)和风向测定仪(4-4)，其中，所述的风扇(4-2)通过风扇支架(4-1)环绕设置于供水管网支架(3-3)的上端；所述的风速测定仪(4-3)和风向测定仪(4-4)分别通过连接管连接于供水管网支架(3-3)中心，并位于模拟装置(5)的上方； 所述的模拟装置(5) 包括模拟容器(5-1)、径流液收集器(5-3)、径流液贮存器(5-4)、模拟容器支腿(5-5)、淋溶液收集器(5-7)、淋溶液收集管(5-8)、液压控制装置(5-9)、液压升降杆支腿(5-10)、雨滴动能测定仪托板(5-11)、雨量筒托板(5-12)、雨滴动能测定仪(5-13)、雨量筒(5-14)、模拟容器支架(5-15)和液压升降装置(5_16)，其中，所述的模拟容器(5-1)下端一侧设置有两个模拟容器支腿(5-5)，另一侧设置有模拟容器支架(5-15)，所述的模拟容器支架(5-15)通过套筒与下端的液压升降装置(5-16)连接，液压升降装置(5-16)下端设置有液压升降杆支腿(5-10)，并且所述的液压升降杆支腿(5-10)通过液压管与液压控制装置(5-9)相连；所述的模拟容器(5-1)底面上均匀设置有淋溶液收集孔，淋溶液收集孔通过淋溶液收集管(5-8)连接淋溶液收集器(5-7);在所述的模拟容器(5-1)上端的一侧设置有用于固定雨量筒(5-14)的雨量筒托板(5-12)和用于固定滴动能测定仪(5-13)的雨滴动能测定仪托板(5-11)，另一侧设置有径流液收集器(5-3)，所述的径流液收集器(5-3)通过径流液收集管连接放置于模拟容器(5-1)另一侧的径流液贮存器(5-4)。
2.根据权利要求1所述的采矿废石堆体降雨入渗实验装置，其特征在于:所述的模拟容器(5-1)的一个侧面上设置有传感器导线孔，用于导出放置于模拟容器(5-1)内部的传感器的导线。
3.根据权利要求1所述的采矿废石堆体降雨入渗实验装置，其特征在于:所述的设置于供水管网支架(3-3)上的一个供水管上设置有水压表(3-7)，所述的水压表(3-7)的输出端与控制平台(I) 一路输入端相连接；淋溶液收集管(5-8)上还设置有流量测定器(5-6)，流量测定器(5-6)的输出端与控制平台(I)另一路输入端相连接；径流液收集管上还设置有泥沙含量测定装置(5-2)和流量测定器(5-17)，泥沙含量测定装置(5-2)的输出端、流量测定器(5-17)的输出端分别与控制平台(I)两路输入端相连接；另外，风速测定仪(4-3)的输出端、风向测定仪(4-4)的输出端、雨量筒(5-14)的输出端、雨滴动能测定仪(5-13)的输出端依次连接控制平台(I)多路输入端；风扇(4-2)的输入端、液压控制装置(5-9)的输入端分别连接控制平台(I)的多路输出端。
4.根据权利要求1所述的采矿废石堆体降雨入渗实验装置，其特征在于:所述的雨量筒托板(5-12)通过铰接的方式与模拟容器(5-1)相连，使雨量筒(5-14)始终保持水平状态。
5.采用权利要求1所述的采矿废石堆体降雨入渗实验装置进行实验的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1、安装装置，并将模拟装置放置于供水管网支架的正下方； 步骤2、根据所模拟的采矿废石堆体的实际倾倒-堆积方式及自然安息角，确定模拟容器的倾斜角度；计算出不同粒径大小的采矿废石的粒径偏析因子，根据上述粒径偏析因子确定不同粒径组废石在模拟容器中的分布范围，并用黑色记号笔在模拟容器的内壁上画出标记线，划分出每个粒径组所要堆积的高度及堆积区域，并根据所画出的标记线确定出试样的装填顺序； 步骤3、检查并确定所有装置连接位置处的连接完好，无漏水、漏油情况存在；检查并确定所有监测设备的供电及数据传输性能完好，无短路、断路及数据传输不通畅的情况存在； 步骤4、启动液压控制装置，通过液压升降装置带动模拟容器焊接有模拟容器支架的一侧向上抬起，直至达到水平状态； 步骤5、在模拟容器底部铺设一层尼龙筛网，用户根据需求配置试验所用采矿废石的粒径配比，按顺序将不同粒径 组的采矿废石根据所画标记线装入模拟容器中，并每装填5~15cm高度的试样，在该试样层的中心位置处埋设一个土壤水分传感器； 步骤6、通过液压升降装置带动模拟容器焊接有模拟容器支架的一侧向上抬起，直至达到步骤2中所得倾斜角度；并调整雨量筒托板与水平方向的夹角，使雨量筒托板处于水平状态； 步骤7、采用三维摄像装置对废石表面的图像进行采集，并发送至控制平台进行处理及储存； 步骤8、在水箱中加水并启动降雨装置，通过水泵及水泵调压装置使水进入供水管网并通过喷嘴向下方持续喷出，形成降雨； 步骤9、采用土壤水分传感器实时采集废石试样中的水分数据，并传递至控制平台；采用雨量筒采集降雨，并通过其内部的计量翻斗将所记录的降雨量以脉冲信号的形式发送至控制平台；采用雨滴动能测定仪采集雨滴的动能，并通过其内部的雨滴传感器将监测信号以模拟量电压的形式发送至控制平台； 步骤10、启动自然风模拟装置，采用风向测定仪检测风向，采用风速测定仪检测风速，并将上述结果以模拟量信号的形式发送至控制平台，控制平台根据试验所需风速和风向，实时调整风扇的风速，通过控制风扇的开断调整装置的风向； 步骤11、采用径流液收集器收集废石试样表面的表面径流，并通过径流液收集管导入径流液贮存器中，并采用泥沙含量测定装置对径流中所携带的泥沙含量进行检测，并将检测结果以模拟量的形式发送至控制平台，采用流量测定器对径流量进行检测，并将检测结果以模拟量的形式发送至控制平台； 步骤12、通过淋溶液收集孔收集渗入模拟容器底部的淋溶液，并通过淋溶液收集管导入淋溶液收集器中，并采用流量测定器对淋溶液的流量进行检测，并将检测的结果以模拟量的形式发送至控制平台； 步骤13、当雨量筒监测到的降雨量达到用户设定降雨量数值时，控制平台控制降雨装置停止降雨，并采用三维摄像装置对废石试样表面进行一次图像采样；并判断降雨次数是否达到用户设定降雨次数，若是，控制平台对所采集的数据进行分析，进而确定降雨后废石堆体表面所形成的被侵蚀形态，确定雨水在废石坡面的流动过程中从坡面废石中所携带走的物质成分及含量，确定雨水在废石坡体内部的渗透过程中从坡体内部废石中所携带总的物质成分及含量，确定不同降雨量及雨滴动能大小与废石坡面侵蚀形态、径流液流量、径流液中泥沙含量之间的关系，确定不同降雨量大小与废石淋溶液流量、淋溶液的水质成分之间的关系，否则，则返回步骤8。
6.根据权利要求5所述的采用采矿废石堆体降雨入渗实验装置进行模拟的方法，其特征在于，步骤2所述的装填，保证装填时模拟容器中的废石试样上表面与模拟容器的上表面齐平。
7.根据权利要求5所述的采用采矿废石堆体降雨入渗实验装置进行模拟的方法，其特征在于，步骤5所述的 尼龙 筛网 的网眼直径不得大于淋溶液收集孔的半径。
【文档编号】G01N17/00GK103543095SQ201310483203
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月15日 优先权日:2013年10月15日
【发明者】姜利国, 尹成薇, 梁冰, 董擎, 郑泽, 赵颖, 陈亿军, 薛强, 谭晓引 申请人:辽宁工程技术大学, 中国科学院武汉岩土力学研究所