一种尾矿坝淤堵现象模拟装置的制作方法

本实用新型涉及一种尾矿坝淤堵现象模拟装置，属于矿山岩土工程技术领域。

背景技术：

随着尾矿库溃坝事故的发生，越来越多的科学家、研究人员参与到对尾矿库溃坝机理的研究当中，以寻求达到有效防治尾矿库灾害的目的，其中研究尾矿库溃坝前坝体内部结构的改变就是其中一个重要研究环节。

尾矿库稳定性研究涉及到土力学、水力学和泥沙动力学等相关学科的交叉领域，这为尾矿库稳定性研究带来了难度，并且尾矿坝失稳不是某一个因素引起的，往往是多个因素共同作用的结果，就其本质而言，是由于内部因素如孔隙结构等与外界环境改变如尾矿坝增高加载、地震、降雨等，外界环境作为溃坝发生的引导因子共同作用，使尾矿库中应力场、渗流场等发生变化，从而导致尾矿坝失稳。

在尾矿坝稳定性研究中，浸润线是判断尾矿坝稳定性的重要指标，而浸润线的高低则受到坝体渗透性的影响，坝体具有良好的透水性，可及时排除库内积水，降低浸润线，提高坝体稳定性。淤堵现象是多孔介质中普遍存在的现象，很多学者对淤堵进行研究表明淤堵会降低多孔介质渗透性，在尾矿坝中，渗流过程中细小颗粒的沉积和滞留、或者化学环境的改变会引起尾矿坝坝体排渗体中的孔隙渗流通道发生淤堵，降低坝体渗透性，使得坝体浸润面位置升高，进而会导致坝体稳定性降低甚至溃坝，溃坝后不仅伴随着严重社会影响还会带来难于逆转的环境效应。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术存在的问题，提供一种尾矿坝渗流淤堵现象模拟装置，该装置通过在透明筒柱中更换不同粒径多孔介质，研究多孔介质粒径对淤堵时空分布特征的影响规律；通过改变悬浮颗粒的粒径与浓度等，可研究悬浮颗粒特征对淤堵时空分布特征的影响规律；通过控制不同高度的溢水回流器，改变渗滤液入渗高度，研究渗滤液入渗水位变化对淤堵时空分布特征的影响规律；通过管路与阀门的控制形成从上之下与从下至上两种渗滤方向回路，研究不同入渗方向条件下的淤堵时空分布特征规律；还可研究多因素耦合条件下淤堵时空分布特征规律。

本实用新型为解决其技术问题而采用的技术方案是：

一种尾矿坝淤堵现象模拟装置，包括悬浮液制备装置、控水装置、过滤装置、淤堵试验装置，控水装置设置在悬浮液制备装置上端，控水装置通过管道与悬浮液制备装置连通，过滤装置设置在淤堵试验装置上端，过滤装置的一端与控水装置连通且另一端与淤堵试验装置连通，淤堵试验装置通过管道与悬浮液制备装置连通。

所述悬浮液制备装置包括固定台Ⅰ1、搅拌槽2、搅拌器、电机3、储水箱4、抽水泵5、注水管6、排水管7、抽水泵出水管8、盖板9、流量表10，搅拌槽2设置在固定台Ⅰ1中心，搅拌器、电机3设置在搅拌槽2底部，电机3的输出端与搅拌器连接，储水箱4设置在固定台Ⅰ1上端，抽水泵5固定设置在储水箱4的内底面，抽水泵出水管8延伸到储水箱4的壁外并与控水装置连通，盖板9设置在储水箱4的顶端，注水管6设置在盖板4上，流量表10设置在注水管6上，排水管7设置在储水箱4底部。

所述搅拌器包括搅拌轴固定座11、搅拌轴12、搅拌轴传动轮13、搅拌支撑柱14、搅拌臂15、搅拌叶片16，电机3的输出端设置有电机传动轮17，搅拌轴固定座11固定设置在搅拌槽2底部，搅拌轴12竖直设置在搅拌轴固定座11上，搅拌轴传动轮13固定设置在搅拌轴12上并与电机传动轮17相配合，搅拌支撑柱14竖直设置在储水箱4的内底面，搅拌支撑柱14设置有中心通孔，中心通孔内设置搅拌轴12，搅拌臂15固定设置在搅拌轴12顶端，搅拌臂15上设置有对称于搅拌轴12的搅拌桨，搅拌桨上设置有若干层搅拌叶片16，搅拌叶片之间存在间隙，可减小搅拌时的阻力，且搅拌轴可顺时或逆时旋转，可降低颗粒的沉积效应并使搅拌更加均匀。

所述控水装置包括支撑杆18、控水器19、分隔板20、回水管21、实验进水管22，支撑杆18固定设置在固定台Ⅰ1顶端，控水器19固定设置在支撑杆18顶端，分隔板20竖直设置在控水器19内并将控水器19分成进水室23和回水室24，回水管21设置在回水室24底端，进水室23底部设置有软管，软管与抽水泵出水管8连通，实验进水管22设置在进水室23侧壁，实验进水管22通过可拆卸软管与过滤装置连通，控水器19设有进水室23和回水室24可保证多余悬浊液不溢出，并通过回水室24壁上的回水管26回流至储水箱内，实现溶液循环。

进一步地，实验进水管22上设置有试验进水阀25，回水管21上设置有回水阀26。

所述淤堵试验装置包括固定台Ⅱ27、淤堵器28，淤堵器28的上层为滤液部件且下层为试样部件，顶盖29、淤堵器进水管30、溶液管31、缓冲板Ⅰ32、缓冲板Ⅱ33，顶盖29设置在滤液部件顶端，淤堵器进水管30、溶液管31固定设置在顶盖29上，缓冲板Ⅰ32固定设置在滤液部件的内壁，缓冲板Ⅱ33柔性连接在缓冲板Ⅰ32下方，滤液部件的侧壁由上至下设置有溢水回流器Ⅰ34、溢水回流器Ⅱ35、溢水回流器Ⅲ36、上溢水管37，溢水回流器Ⅰ34、溢水回流器Ⅱ35、溢水回流器Ⅲ36分别通过溢水回流管Ⅰ38、溢水回流管Ⅱ39、溢水回流管Ⅲ40与储水箱4连通，上溢水管37底端设置有下溢水管41，试样部件固定连接在滤液部件底端，试样部件的侧壁设置有水压监测管42，试样部件内壁固定设置有滤网Ⅰ43，试样部件的侧壁固定设置有饱和管44，饱和管44位于滤网Ⅰ43下方，试样部件的底部固定设置有漏斗45，漏斗45下方倾斜设置有接水板46，试样部件的侧壁固定设置有下排水管47，下排水管47与接水板46的底端连接，下排水管47延伸至流量收集器48内，流量收集器48设置在固定台Ⅱ27一侧，下排水管47与下溢水管41连通。

所述缓冲板Ⅰ32和缓冲板Ⅱ33的两次缓冲共同起到减少溶液对表层试样带来的冲击并降低对实验现象的破坏的目的。

所述溢水回流器Ⅰ34、溢水回流器Ⅱ35、溢水回流器Ⅲ36保证不同水位高度的实验要求，并分别通过溢水回流管连接至储水箱中，实现溶液循环。

进一步地，所述淤堵试验装置还包括搅拌器49，搅拌器49固定设置在顶盖29上，搅拌器49的搅拌桨延伸至滤液部件内，搅拌桨的底端设置在缓冲板Ⅰ32的中心孔内；上溢水管37上设置有上溢水阀，下溢水管41上设置有下溢水阀，饱和管44上设置有饱水阀，下排水管46上设置有下排水阀，通过控制上溢水阀、下溢水阀及下排水阀可形成不同回路的水流通道，进行不同方向条件下的试验，漏斗45下部设置有漏斗排水阀。

进一步地，下排水管47上还设置有浊度仪50、流量计51，结合浊度仪与流量计可提高试验数据采集的精确性，且操作简单。

进一步地，滤液部件包括2个以上同轴固定连接的透明圆筒，试样部件包括4个以上同轴固定连接的透明圆筒，透明圆筒之间还设置有橡胶垫圈，橡胶垫圈可保证筒柱的密闭性，筒柱可拆卸，试验后可对试样进行分层筛样。

所述过滤装置包括过滤器52、固定杆53、滤网Ⅱ54、受压板Ⅰ55、受压板Ⅱ56、进气管57、气泵，过滤器52设置在淤堵试验装置上端且通过固定杆53固定在固定台Ⅱ27上，过滤器52内设置有粗过滤室58、精过滤室59，精过滤室59设置在粗过滤室58下方，滤网Ⅱ54设置在粗过滤室58底部，受压板Ⅰ55固定设置在滤网Ⅱ54下端，受压板Ⅱ56柔性设置在受压板Ⅰ55下方，进气管57一端设在受压板Ⅰ55下方且设置在受压板Ⅱ56上方，另一端与气泵连接，气泵设置在过滤器52外侧，过滤器用于清水注入时进行淤堵现象研究；浑浊液注入时，过滤器不连接于尾矿坝淤堵现象模拟装置上，只需将试验进水管通过软管与淤堵器进水管进行连接。

所述过滤器52的粗过滤室58与精过滤室59相配合，双过滤可降低滤液中的离子浓度。

本实用新型的使用方法：

试验前应测试水压监测孔的开闭，并保证水压监测孔与测压管的连通，检查各阀门可开闭情况，以免影响试验过程开展；提前准备好试验所需数量的悬浮颗粒、水与作为多孔介质的尾矿颗粒，而后装填至淤堵器的透明筒，试样进行分层装填，接下来进行试样饱和，关闭漏斗排水阀，关闭上溢水阀，打开饱水阀，使饱和管接通外接水源，饱和过程由下至上，每装填一层试样，立即对其进行饱和，反复操作，直至完成试样装填和饱和过程，该部分操作完成后，关闭饱水阀；将用作悬浮液的颗粒放入储水箱中，而后通过注水管向储水箱中注入要求悬浮液浓度所需水量，而后打开电机，使搅拌器运作起来，完成悬浮液制作；而后打开实验进水阀、回水阀，打开抽水泵后将制作好的渗滤液抽上溶液进水控水装置进入进水室，等渗滤液溢入回水室并回流至储水箱时，打开试验进水阀，渗滤液进入淤堵试验装置；当渗滤液流出事先确定的入渗液水位对应的溢水回流器Ⅰ、溢水回流器Ⅱ或溢水回流器Ⅲ位置时，关闭下溢水阀，打开下排水阀，并打开浊度仪，流量计，接着打开漏斗排水阀，试验开始；

需改变渗透方向从下至上时，装样和饱和过程同上所述，饱和后关闭饱水阀，将抽水泵通过软管与饱和管连接，关闭漏斗排水阀，关闭下排水阀，打开上溢水阀，打开下排水阀，渗滤液通过抽水泵通过饱和管抽入淤堵器中时，打开饱水阀，试验过程开始。

（1）通过在透明筒柱中更换不同粒径多孔介质，研究多孔介质粒径对淤堵时空分布特征的影响规律：

在淤堵试验装置的试样层，多次试验，每次更换不同颗粒大小的多孔介质（此时形成的孔隙通道大小不一样），然后放悬浮液（悬浮液里面的颗粒大小不变），在渗流的过程中悬浮液中的颗粒会发生沉积（即发生淤堵），由于孔隙通道大小不一样，形成的沉积特点也会不一样，一定时间后，将装置拆分，对不同试样层进行颗粒筛分，研究不同高度筒柱的试验的颗粒分级情况，进而根据颗粒分析结果，分析不同颗粒大小的多孔介质发生淤堵的分布规律；

（2）通过改变悬浮颗粒的粒径与浓度等，可研究悬浮颗粒特征对淤堵时空分布特征的影响规律：

试样层的多孔介质不用更换，改变悬浮液中悬浮颗粒的大小，悬浮颗粒的大小不一样，产生的沉积特点也会不一样，有的沉积在表面，有的沉积在内部，同样发生淤堵后，通过颗粒分析，研究此时发生的淤堵的时空分布规律（主要是不同粒径的悬浮颗粒对淤堵的影响）；

（3）通过控制不同高度的溢水回流器，改变渗滤液入渗高度，研究渗滤液入渗水位变化对淤堵时空分布特征的影响规律：

滤液层的左侧有三个溢流器，根据不同水位选取不同高度的溢水回流器，滤液水位不同，滤液进入试样层的速度就会不一样，就会造成颗粒淤积的不同分布，此时，就可以研究水位对淤堵的影响（主要模拟：在堆坝的过程中，水位是不断上升的，故设置了三个高度的溢流器）；

（4）通过管路与阀门的控制形成从上之下与从下至上两种渗滤方向回路，研究不同入渗方向条件下的淤堵时空分布特征规律：

需改变渗透方向从下至上时，装样和饱和过程同上所述，饱和后关闭饱水阀，将抽水泵通过塑料软管与饱和管连接，关闭漏斗排水阀，关闭下排水阀，打开上溢水阀，打开下排水阀，渗滤液通过抽水泵通过饱和管抽入淤堵器的透明筒中时，打开饱水阀，试验过程开始；将从下至上的实验与从上至下的实验进行对比，可以研究不同入渗方向条件下的淤堵时空分布特征规律；

（5）研究多因素耦合条件下淤堵时空分布特征规律：

多因素耦合就是，以上几种因素，两种或多种一起改变，通过溶液管将酸碱加入到滤液中改变其水环境，实现多因素耦合，研究此时的淤堵情况及其分布特点；

本实用新型的有益效果：

（1）本实用新型所述尾矿库渗透淤堵研究装置，可用于不同多孔介质透明筒柱中可更换不同粒径多孔介质试样、悬浮颗粒不同粒径、不同浓度条件、不同水位设置有不同高度的溢水回流器、不同入渗方向通过管路与阀门可形成从上之下与从下至上两种渗滤方向等条件下多孔介质中发生的淤堵现象研究，研究淤堵发生的时空分布特征规律；

（2）本实用新型所述尾矿库渗透淤堵研究装置设置有控水头装置，设有两室，不仅可保证淤堵研究所需的渗滤液量，也可实现多余渗滤液的回流，即实现滤液循环利用，溢水回流器同样实现滤液的循环利用；

（3）本实用新型所述尾矿库渗透淤堵研究装置，搅拌部分可实现自动化，可节省大量的人力和物力，且能够提高入渗液的均匀程度；渗出液通过浊度仪分析，通过流量计采集数据，可提高采集的试验数据的可靠性；

（4）本实用新型所述尾矿库渗透淤堵研究装置，透明有机玻璃筒分为滤液层、试样层，试样层由多个短有机玻璃筒通过法兰环连接，便于拆卸的特点有利于对试验后的试样进行筛分等试验，对进一步分析淤堵现象的时空分布特征规律有利；

（5）本实用新型所述尾矿库渗透淤堵研究装置，各部分与溶液接触的位置，均采用抗酸碱材料，可实现物理环境、化学环境或耦合条件下的试验研究。

附图说明

图1本实施例尾矿库渗透淤堵研究装置结构框架示意图；

图2本实施例尾矿库渗透淤堵研究装置结构示意图；

图3本实施例尾矿库渗透淤堵研究装置的主视图；

图4本实施例悬浮液制备装置中电机与搅拌器连接示意图；

图5本实施例过滤器结构示意图；

图6本实施例过滤器受压板结构示意图；

图7本实施例漏斗排水阀结构示意图；

图8本实施例淤堵器的透明筒连接示意图；

图9本实施例法兰示意图；

图中：1-固定台Ⅰ、2-搅拌槽、3-电机、4-储水箱、5-抽水泵、6-注水管、7-排水管、8-抽水泵出水管、9-盖板、10-流量表、11-搅拌轴固定座、12-搅拌轴、13-搅拌轴传动轮、14-搅拌支撑柱、15-搅拌臂、16-搅拌叶片、17-电机传动轮、18-支撑杆、19-控水器、20-分隔板、21-回水管、22-实验进水管、23-进水室、24-回水室、25-试验进水阀、26-回水阀、27-固定台Ⅱ、28-淤堵器、29-顶盖、30-淤堵器进水管、31-溶液管、32-缓冲板Ⅰ、33-缓冲板Ⅱ、34-溢水回流器Ⅰ、35-溢水回流器Ⅱ、36-溢水回流器Ⅲ、37-上溢水管、38-溢水回流管Ⅰ、39-溢水回流管Ⅱ、40-溢水回流管Ⅲ、41-下溢水管、42-水压监测管、43-滤网Ⅰ、44-饱和管、45-漏斗、46-接水板、47-下排水管、48-流量收集器、49-搅拌器、50-浊度仪、51-流量计、52-过滤器、53-固定杆、54-滤网Ⅱ、55-受压板Ⅰ、56-受压板Ⅱ、57-进气管、58-粗过滤室、59-精过滤室。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。

实施例1：如图1~7所示，一种尾矿坝淤堵现象模拟装置，包括悬浮液制备装置、控水装置、过滤装置、淤堵试验装置，控水装置设置在悬浮液制备装置上端，控水装置通过管道与悬浮液制备装置连通，过滤装置设置在淤堵试验装置上端，过滤装置的一端与控水装置连通且另一端与淤堵试验装置连通，淤堵试验装置通过管道与悬浮液制备装置连通。

悬浮液制备装置包括固定台Ⅰ1、搅拌槽2、搅拌器、电机3、储水箱4、抽水泵5、注水管6、排水管7、抽水泵出水管8、盖板9、流量表10，搅拌槽2设置在固定台Ⅰ1中心，搅拌器、电机3设置在搅拌槽2底部，电机3的输出端与搅拌器连接，储水箱4设置在固定台Ⅰ1上端，抽水泵5固定设置在储水箱4的内底面，抽水泵出水管8延伸到储水箱4的壁外并与控水装置连通，盖板9设置在储水箱4的顶端，注水管6设置在盖板4上，流量表10设置在注水管6上，排水管7设置在储水箱4底部。

搅拌器包括搅拌轴固定座11、搅拌轴12、搅拌轴传动轮13、搅拌支撑柱14、搅拌臂15、搅拌叶片16，电机3的输出端设置有电机传动轮17，搅拌轴固定座11固定设置在搅拌槽2底部，搅拌轴12竖直设置在搅拌轴固定座11上，搅拌轴传动轮13固定设置在搅拌轴12上并与电机传动轮17相配合，搅拌支撑柱14竖直设置在储水箱4的内底面，搅拌支撑柱14设置有中心通孔，中心通孔内设置搅拌轴12，搅拌臂15固定设置在搅拌轴12顶端，搅拌臂15上设置有对称于搅拌轴12的搅拌桨，搅拌桨上设置有若干层搅拌叶片16，搅拌叶片之间存在间隙，可减小搅拌时的阻力，且搅拌轴可顺时或逆时旋转，可降低颗粒的沉积效应并使搅拌更加均匀。

控水装置包括支撑杆18、控水器19、分隔板20、回水管21、实验进水管22，支撑杆18固定设置在固定台Ⅰ1顶端，控水器19固定设置在支撑杆18顶端，分隔板20竖直设置在控水器19内并将控水器19分成进水室23和回水室24，回水管21设置在回水室24底端，进水室23底部设置有软管，软管与抽水泵出水管8连通，实验进水管22设置在进水室23侧壁，实验进水管22通过可拆卸软管与过滤装置连通，控水器19设有进水室23和回水室24可保证多余悬浊液不溢出，并通过回水室24壁上的回水管26回流至储水箱内，实现溶液循环。

实验进水管22上设置有试验进水阀25，回水管21上设置有回水阀26。

淤堵试验装置包括固定台Ⅱ27、淤堵器28，淤堵器28的上层为滤液部件且下层为试样部件，顶盖29、淤堵器进水管30、溶液管31、缓冲板Ⅰ32、缓冲板Ⅱ33，顶盖29设置在滤液部件顶端，淤堵器进水管30、溶液管31固定设置在顶盖29上，缓冲板Ⅰ32固定设置在滤液部件的内壁，缓冲板Ⅱ33柔性连接在缓冲板Ⅰ32下方，滤液部件的侧壁由上至下设置有溢水回流器Ⅰ34、溢水回流器Ⅱ35、溢水回流器Ⅲ36、上溢水管37，溢水回流器Ⅰ34、溢水回流器Ⅱ35、溢水回流器Ⅲ36分别通过溢水回流管Ⅰ38、溢水回流管Ⅱ39、溢水回流管Ⅲ40与储水箱4连通，上溢水管37底端设置有下溢水管41，试样部件固定连接在滤液部件底端，试样部件的侧壁设置有水压监测管42，试样部件内壁固定设置有滤网Ⅰ43，试样部件的侧壁固定设置有饱和管44，饱和管44位于滤网Ⅰ43下方，试样部件的底部固定设置有漏斗45，漏斗45下方倾斜设置有接水板46，试样部件的侧壁固定设置有下排水管47，下排水管47与接水板46的底端连接，下排水管47延伸至流量收集器48内，流量收集器48设置在固定台Ⅱ27一侧，下排水管47与下溢水管41连通。

缓冲板Ⅰ32和缓冲板Ⅱ33的两次缓冲共同起到减少溶液对表层试样带来的冲击并降低对实验现象的破坏的目的。

溢水回流器Ⅰ34、溢水回流器Ⅱ35、溢水回流器Ⅲ36保证不同水位高度的实验要求，并分别通过溢水回流管连接至储水箱中，实现溶液循环。

淤堵试验装置还包括搅拌器49，搅拌器49固定设置在顶盖29上，搅拌器49的搅拌桨延伸至滤液部件内，搅拌桨的底端设置在缓冲板Ⅰ32的中心孔内；上溢水管37上设置有上溢水阀，下溢水管41上设置有下溢水阀，饱和管44上设置有饱水阀，下排水管46上设置有下排水阀，通过控制上溢水阀、下溢水阀及下排水阀可形成不同回路的水流通道，进行不同方向条件下的试验，漏斗45下部设置有漏斗排水阀。

下排水管47上还设置有浊度仪50、流量计51，结合浊度仪与流量计可提高试验数据采集的精确性，且操作简单。

滤液部件包括2个以上同轴固定连接的透明圆筒，试样部件包括4个以上同轴固定连接的透明圆筒，透明圆筒之间还设置有橡胶垫圈，橡胶垫圈可保证筒柱的密闭性，筒柱可拆卸，试验后可对试样进行分层筛样。

过滤装置包括过滤器52、固定杆53、滤网Ⅱ54、受压板Ⅰ55、受压板Ⅱ56、进气管57、气泵，过滤器52设置在淤堵试验装置上端且通过固定杆53固定在固定台Ⅱ27上，过滤器52内设置有粗过滤室58、精过滤室59，精过滤室59设置在粗过滤室58下方，滤网Ⅱ54设置在粗过滤室58底部，受压板Ⅰ55固定设置在滤网Ⅱ54下端，受压板Ⅱ56柔性设置在受压板Ⅰ55下方，进气管57一端设在受压板Ⅰ55下方且设置在受压板Ⅱ56上方，另一端与气泵连接，气泵设置在过滤器52外侧，过滤器用于清水注入时进行淤堵现象研究；浑浊液注入时，过滤器不连接于尾矿坝淤堵现象模拟装置上，只需将试验进水管通过软管与淤堵器进水管进行连接。

过滤器52的粗过滤室58与精过滤室59相配合，双过滤可降低滤液中的离子浓度。

如图8~9所示，透明圆筒之间可以通过法兰环连接，也可以通过螺栓或其它便于拆卸的固定连接方式进行连接。

上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。