一种基于冻融循环作用的尾矿坝模型试验箱的制作方法

本发明属于坝体模型试验技术领域，特别是涉及一种基于冻融循环作用的尾矿坝模型试验箱。

背景技术：

尾矿坝模型坝体冻融循环作用试验箱是测试尾矿坝在冻融循环作用下坝体稳定性的重要试验装置，其在高纬度矿区的尾矿坝坝体稳定性研究当中显得尤为重要。

在冻融循环作用下尾矿坝模型试验箱的设计当中，存在着几个关键性的需求需要满足：(1)良好的密封性，保证试验空间的独立性；(2)准确的温度模拟，保证试验过程中与现实工况当中环境温度变化的一致性；(3)保证试验过程中模型坝体顶面为温度的主要作用面；(4)保证模型坝体在安放的同时减小扰动；(5)实现在低温状态下对模型坝体内部应力和各级子坝位移变形的监测。

目前，现有的尾矿坝模型坝体冻融循环作用试验箱存下如下缺点：(1)温度拟合效果差，无法满足梯度化的控温形式，与现实工况差距较大；(2)试验模型坝体的放置缺乏自动化控制，易受人为因素影响；(3)数据采集系统与试验箱分离，缺乏一体化，增加了试验人员的数量，降低了工作效率。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于冻融循环作用的尾矿坝模型试验箱。该试验箱密封性好、试验空间具有独立性、温度模拟的准确度高、模型所受的扰动小、模型受温条件与现实工况的拟合性高；且实现了在高拟合度的受温条件下，对尾矿坝模型坝体的内部应力以及各级子坝变形的监测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于冻融循环作用的尾矿坝模型试验箱，包括主箱体和模型箱；

所述主箱体包括保温箱体，在保温箱体的前部设置有箱门，在保温箱体的顶部设置有升温装置，在保温箱体的底部设置有传输底板，在保温箱体的内部设置有第一温度传感器，在保温箱体的后部设置有隔间，在隔间内的上部设置有鼓风装置，在所述鼓风装置正前方的保温箱体上设置有通风孔，在隔间的内部设置有冷凝管，在保温箱体的外侧设置有操作、显示双功能面板；

所述模型箱包括隔温箱体，在所述隔温箱体的内侧壁上设置有若干个应力传感器，在隔温箱体内设置有第二温度传感器和压力传感器，在隔温箱体上还分别设置有横向约束组件、竖向加载装置及位移变形监测装置；

所述第一温度传感器、第二温度传感器、应力传感器、压力传感器、位移变形监测装置、升温装置、冷凝管、鼓风装置及操作、显示双功能面板的显示器和控制操作按键分别与控制系统相连接。

所述箱门采用电控隔温玻璃升降箱门，所述电控隔温玻璃升降箱门是通过电路系统进行控制的在竖直方向上升降的箱门，其门体的中部采用三层隔温玻璃组成双中空隔温玻璃。

所述升温装置采用红外线升温装置。

所述传输底板由电控传输轮组和承托板组成，所述电控传输轮组设置在保温箱体的底部，所述承托板设置在电控传输轮组的顶部。

在所述保温箱体前部的底部设置有承托板支架，所述承托板支架采用电控支架。

所述横向约束组件包括约束支架，在约束支架的一端固定有竖向的第一压板，在约束支架的另一端通过锁紧螺母设置有竖向的第二压板。

所述竖向加载装置包括承压板和加荷砝码，所述承压板设置在试验模型坝体的顶部，加荷砝码设置在承压板的顶部。

所述位移变形监测装置包括支架，所述支架安装在隔温箱体上，在支架上设置有激光测距传感器，所述激光测距传感器与控制系统相连接。

本发明的有益效果：

1、本发明的试验箱密封性好、试验空间具有独立性，为试验提供了独立、密封的空间；

2、本发明的试验箱温度模拟的准确度高，提高了温度梯度变化的精确度，从而保证了试验模型坝体在试验过程当中所受的温度变化与现实工况中高度的一致性，减小了坝体在冻融循环作用中由于温度所导致的试验误差；

3、本发明通过采用电控隔温玻璃升降箱门来达到减小占用空间以及通过玻璃门实时观测箱内情况的效果；

4、由于本发明的传输底板由电控传输轮组和承托板组成，在所述保温箱体前部的底部设置有承托板支架，承托板支架采用电控支架；使得本发明实现了沉重的试验模型坝体在小扰动率条件下的安放，同时也减轻了试验人员的工作量；

5、本发明实现了在高拟合度的受温条件下，对尾矿坝模型坝体的内部应力以及各级子坝变形的监测；

6、为了对试验模型坝体的内部应力情况起到监测的作用，除了人为的在试验模型坝体的内部布设压力传感器之外，在模型箱14制作的过程当中预先在隔温箱体的内侧布设好应力传感器；当需要使用时，直接将与应力传感器相对应的数据线连接到控制系统上即可，这样减少了由于布设传感器而对模型的扰动，除此之外，还减少了试验人员的工作量。

附图说明

图1为本发明的基于冻融循环作用的尾矿坝模型试验箱的主箱体的结构示意图；

图2为图1中电控隔温玻璃升降箱门的截面图；

图3为本发明的基于冻融循环作用的尾矿坝模型试验箱的模型箱的结构示意图；

图4为图1中的主箱体内装入模型箱后的截面图；

图5为本发明的位移变形监测装置的结构示意图；

图6为安装横向约束组件和竖向加载装置后的模型箱的截面图；

图中：1-箱门，2-升温装置，3-鼓风装置，4-保温箱体，5-第一温度传感器，6-横向约束组件，7-加荷砝码，8-承压板，9-操作、显示双功能面板，10-隔温玻璃，11一应力传感器，12-通风孔，13-冷凝管，14-模型箱，15-电控传输轮组，16-承托板，17-承托板支架，18-支架，19-激光测距传感器，20-试验模型坝体，21-隔温箱体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种基于冻融循环作用的尾矿坝模型试验箱，包括主箱体和模型箱14。

如图1所示，所述主箱体包括保温箱体4，在保温箱体4的前部设置有箱门1，在保温箱体4的顶部设置有升温装置2，在本实施例中，所述升温装置2采用红外线升温装置；在保温箱体4的底部设置有传输底板，在保温箱体4的内部设置有第一温度传感器5，在保温箱体4的后部设置有隔间，在隔间内的上部设置有一排鼓风装置3，在所述鼓风装置3正前方的保温箱体4上设置有一排通风孔12，所述通风孔12将主箱体与隔间相连通，用于向主箱体试验空间内贯入隔间内的冷空气；在隔间的内部设置有降温用的冷凝管13，在保温箱体4的外侧设置有操作、显示双功能面板9，在该面板上具有试验数据的显示器及控制操作按键。所述保温箱体4由外壳和内胆组成，其外壳选用0.5～0.8mm的优质冷轧钢板，经箱体成型生产线加工成型后，进行表面热处理，然后采用环氧树脂进行表面喷塑，其内胆则采用隔温材质制成。

如图3、图5及图6所示，所述模型箱14包括隔温箱体21，在所述隔温箱体21的内侧壁的相应位置分别布设有若干个用于测量试验模型坝体20边界应力情况的应力传感器11，其布设特点在于体现试验模型坝体20同一高程不同水平位置以及不同高程同一水平位置上的边界应力情况。在隔温箱体21内设置有第二温度传感器和压力传感器，在隔温箱体21上还分别设置有横向约束组件6、竖向加载装置及位移变形监测装置。所述模型箱14的隔温箱体21是采用SUS304型不锈钢制作而成，其箱体内侧则采用EPS材质制作一个与箱体内部尺寸贴合且厚度为5cm的不透水隔温箱。

所述第一温度传感器5、第二温度传感器、应力传感器11、压力传感器、位移变形监测装置、升温装置2、冷凝管13、鼓风装置3及操作、显示双功能面板9的显示器和控制操作按键分别与控制系统相连接。所述第一温度传感器5、第二温度传感器、应力传感器11、压力传感器及位移变形监测装置的激光测距传感器19分别通过保温箱体4上的数据线外接孔将线路引出，连接到控制系统上；最后，在试验结束以后通过控制系统将试验数据导出，用于数据分析。

所述箱门1采用电控隔温玻璃升降箱门，所述电控隔温玻璃升降箱门是通过电路系统进行控制的在竖直方向上升降的箱门，如图2所示，其门体的中部采用三层隔温玻璃10组成双中空隔温玻璃。在箱门门体的内侧还可设置有除雾刮水装置。

如图4所示，所述传输底板由电控传输轮组15和承托板16组成，所述电控传输轮组15设置在保温箱体4的底部，所述承托板16设置在电控传输轮组15的顶部，用于放置模型箱14。在所述保温箱体4前部的底部设置有承托板支架17，所述承托板支架17由SUS304型不锈钢制成并且由电路进行控制，其主要作用是用来支撑传送出来的承托板16。

如图6所示，所述横向约束组件6包括约束支架，在约束支架的一端固定有竖向的第一压板，在约束支架的另一端通过锁紧螺母设置有竖向的第二压板。

如图6所示，所述竖向加载装置包括承压板8和加荷砝码7，所述承压板8设置在试验模型坝体20的顶部，加荷砝码7设置在承压板8的顶部。由于试验模型坝体20的竖向应力与现实工况当中的情况存在一定的偏差，为了减小相应的应力偏差，本发明增设了一个可拆卸的竖向加载装置；在需要为试验模型坝体20提供竖向应力的情况下，可以将所述竖向加载装置安装到隔温箱体21上，已达到效果。

如图5所示，所述位移变形监测装置包括支架18，所述支架18为可调支架，其安装在隔温箱体21上，在支架18上设置有激光测距传感器19，所述激光测距传感器19与控制系统相连接。所述激光测距传感器19采用超低温环境FLS-CH10型激光测距传感器，其适用于在低温环境下测量各级试验模型子坝体的位移变形。

在现实工况当中，由于尾矿坝三面环山，所以其受温度影响的主要作用面为尾矿坝的顶部，所以，在本发明中，通过模型箱14四周的隔温来削弱试验模型坝体20四周所受温度作用的效果。并且通过制冷与升温的合理布置，即：将升温装置2布置于保温箱体4的顶部，将冷空气从隔间的上部通过鼓风装置3贯入试验空间中，冷空气由保温箱体4的上部下降到下部，从而总是作用在试验模型坝体20的顶部，从而来加强试验模型坝体20顶部的温度作用效果，综合两方面就实现了试验模型坝体20顶部作为温度主要作用面的效果。

下面结合附图说明本发明的一次试验过程。

如图1～图6所示，在试验过程当中，由试验人员在模型箱14当中的相应位置布设好第二温度传感器和压力传感器，并构筑好试验模型坝体20。静置一段时间以后，首先将横向约束组件6安装在模型箱14的隔温箱体21的两侧上，其作用是防止在进行竖向加载时横向发生过大的变形；安装好横向约束组件6以后，将竖向加载装置的承压板8放置到试验模型坝体20的顶部，最后根据试验需求，在承压板8上放置一定数量的加荷砝码7。

待完成竖向加载装置的安装以后，在模型箱14的隔温箱体21上安装用于承放激光测距传感器19的支架18，调整好位置后在支架18上安装激光测距传感器19。

打开主箱体的箱门1，并通过操作、显示双功能面板9中的控制操作按键将主箱体的承托板16和承托板支架17调控出来，将模型箱14放置到承托板16上，再将承托板16通过电控传输轮组15运送至主箱体内部的试验空间，同时缩回承托板支架17。当模型箱14运送至主箱体内部以后，关上箱门1，然后再通过操作、显示双功能面板9将实验的参数(冻融周期、冻融次数、温度梯度等)设置好以后开始试验。在试验过程中，控制系统根据第一温度传感器5采集的主箱体内部的温度及第二温度传感器采集的试验模型坝体20内部的温度，对鼓风装置3、冷凝管13及升温装置2进行控制，从而实现主箱体内部温度的梯度变化。