一种尾矿材料及其土工织物的淤堵实验装置的制作方法

本实用新型涉及一种尾矿材料及其土工织物的淤堵实验装置，属于矿山岩土工程、边坡工程与环境工程技术相交叉的技术领域。

背景技术：

淤堵是发生在多孔介质渗流过程中的普遍现象，尾矿坝体发生淤堵，会降低坝体的渗透性，导致尾矿坝排渗不畅，从而大大降低其稳定性与安全性，极大增加其溃坝的风险。在有尾矿库的渗流过程中，为保证尾矿库坝体排水通畅，并防止渗流出口处发生渗透破坏，通常都需设置反滤层。土工织物主要用于水利、海岸防护、抗洪救险、沼泽地恢复、冲刷防治、填海造陆和垃圾处理等领域，现在在我国铁路、公路、电力、海港、矿山、建筑以及军事工程领域开始应用。但是，土工织物用作滤层时，水从被保护土体中流过织物，在流动过程中可能使土颗粒封闭在织物表面或阻塞在织物内部，出现淤堵现象，使渗流流量减小。淤堵严重时会使滤层失去排水过滤作用，给岩土体造成严重危害。但是实际的工程中土-土工织物的反滤过程是很复杂的，土工织物的过滤效果会受到很多因素的影响。主要表现在以下几个方面：1.对于不同性质的土（如粘粒含量不同、所含金属离子的数量和种类不同、孔隙率不同等），过滤效果不同；2.土工织物的种类、过滤孔径、结构、厚度等；3.土壤中气体含量及微生物的种类和数量等；4.外部条件的影响（如外部荷载和水利条件等）。这些条件的不同，都会导致土-土工织物不同程度的淤堵，因此，尾矿颗粒-土工织物的淤堵问题成为尾矿库排渗处理技术的一个关键难题。当土工织物的过密时，极易产生淤堵，而当其孔隙太稀疏时，又会引起土颗粒的流失，所以对不同颗粒粒径的尾矿材料，采取哪种等效孔径的土工织物是实验探究的一个重要问题。前人已经从粘性土的级配、不同厚度情况下土工织物拉应变对系统的梯度比、非连续级配土组成的反滤系统的梯度比、水力梯度、土壤密实度、孔隙水压力等方面进行了研究，进而去探究土工织物的淤堵问题。但当前探究土工织物淤堵问题的实验时都是只能分开的去研究以上问题的其中几种，而没有一个实验装置能够同时对不同颗粒级配、不同压实度、不同降雨强度、不同孔隙水压、不同水力梯度、不同厚度下的尾矿材料-土工织物淤堵问题开展研究，其简单的淤堵实验仅能看出某些个别因素对淤堵的影响，而不能获得复杂多因素条件下尾矿材料-土工织物淤堵产生的综合效应。同时，本实验装置还能测定渗流水及其土工织物淤堵物中微生物的变化，从而获取土体中微生物对土工织物的生物淤堵特性。

技术实现要素：

本实用新型提供一种尾矿材料及其土工织物的淤堵实验装置，包括冷却管支架1、冷凝管2、压力表Ⅰ3、水管4、压力表Ⅱ5、顶盖9、上筒10、测压管12、中筒13、土工织物15、承压滤网16、下筒17、排水管18、漏斗20、收集瓶22、溢水管23、蒸馏水导水管24、蒸馏水发生器25、止水阀门26、蒸馏水集水箱27、常温蒸馏水集水箱31、阀门Ⅱ32、喷头34、承压透水板35、滤膜37、排水阀38；

蒸馏水发生器25 通过蒸馏水导水管24 与蒸馏水集水箱27 连接，蒸馏水导水管24 上设置止水阀门26，蒸馏水集水箱27 上设有溢水管23，蒸馏水集水箱27通过冷凝管2 与常温蒸馏水集水箱31 连接，冷凝管2 缠绕在冷却管支架1 上，冷却管支架1设置在常温蒸馏水集水箱31上，冷却管支架1是筒状结构，筒状结构内部装有制冷材料，常温蒸馏水集水箱31 底部开孔并连有水管4，水管4上设有压力表Ⅰ3、阀门Ⅱ32，水管4的另一端连有一个以上的喷头34，

顶盖9设置在上筒10上面，喷头34穿过顶盖9设置在上筒10内部，顶盖9上设有压力表Ⅱ5，上筒10下方设置中筒13，中筒13内部设置承压透水板35，上筒10和中筒13的侧面开有多个测压孔，测压管12插在测压孔里，上筒10和中筒13的内壁设有滤膜37，中筒13下方设有下筒17，中筒13 与下筒17 之间设置土工织物15 和滤网16，下筒17的底座36上开孔并连有排水管18，排水管18上设有排水阀38，排水管18下方设有漏斗20，漏斗20下方设有收集瓶22。

所述尾矿材料及其土工织物的淤堵实验装置还包括气泵6、阀门Ⅰ7、通气管8，通气管8设置在顶盖9上，通气管8将上筒10与气泵6连接，通气管8上设有阀门Ⅰ7。

所述尾矿材料及其土工织物的淤堵实验装置还包括量筒21，用于测量水量；量筒21可以设置在漏斗20下方取代收集瓶22的位置，或者放置在收集瓶22旁边，需要的时候使用。

所述尾矿材料及其土工织物的淤堵实验装置还包括微生物检测仪39，微生物检测仪39放置在收集瓶22旁边，用于检测渗流水、土壤和土工织物淤堵物中的微生物含量。

所述蒸馏水发生器25设置在蒸馏水发生器支架29上，蒸馏水集水箱27设置在蒸馏水集水箱支架41上，常温蒸馏水集水箱31设置在常温蒸馏水集水箱支架42上，蒸馏水发生器25的位置高于蒸馏水集水箱27，蒸馏水集水箱27的位置高于常温蒸馏水集水箱31，常温蒸馏水集水箱31的位置高于上筒10，蒸馏水发生器支架29、蒸馏水集水箱支架41、常温蒸馏水集水箱支架42均为可伸缩支架，蒸馏水发生器支架29、蒸馏水集水箱支架41、常温蒸馏水集水箱支架42相互之间通过连接杆30进行连接，连接杆30通过螺栓28固定在各个支架上，蒸馏水发生器支架29、蒸馏水集水箱支架41、常温蒸馏水集水箱支架42分别设置在底座40上。

所述排水管18与漏斗20分别通过支撑杆固定在支架19上。

所述顶盖9上还设有连通管33，连通管33上设有阀门，连通管33是一个紧急排放口，主要用于紧急排除上筒10内的溢流水和上筒10内的气体，以保证安全。

所述制冷材料为水、冰块或高分子材料制冷剂，高分子材料制冷剂为乙烯、乙烷、六氟二氯环丁烷等等。

所述顶盖上设有螺纹孔，上筒10设有上筒顶盘和上筒底座，上筒顶盘和上筒底座上均设有螺纹孔，中筒13设有中筒顶盘和中筒底座，中筒顶盘和中筒底座上均设有螺纹孔，下筒17设有下筒顶盘和下筒底盘36，下筒顶盘上设有螺纹孔，上筒顶盘通过螺栓与顶盖9连接，上筒底座通过螺栓与中筒顶盘连接，中筒底座通过螺栓与下筒顶盘连接，土工织物15和承压滤网16设置在中筒底座与下筒顶盘之间。

使用时，将土工织物15和承压滤网16夹在中筒13和下筒17之间，拧紧中筒13和下筒17之间的螺栓，拧紧上筒10和中筒13之间的螺栓，将滤膜27贴在上筒10和中筒13内壁，将土样14装在中筒13里面，将承压透水板35放置在土样14上，承压透水板35上面加喷蒸馏水11，打开止水阀门26、阀门Ⅱ32，蒸馏水发生器25中制得的蒸馏水从蒸馏水导水管24进入蒸馏水集水箱27，然后经过冷凝管2进入常温蒸馏水集水箱，从水管4上的喷头34喷到上筒10内，蒸馏水11经过承压透水板35、土样14、土工织物15、承压滤网16后，进入下筒17，打开排水阀38，经过排水管18流到漏斗20中，然后进入收集瓶22，水不再流出后，将水倒入量筒21，查看收集水量，还可以将水或土壤放入微生物测量装置39，对水中、土样14及土工织物淤堵物中的微生物进行检测。

本实用新型的有益效果：

（1）将蒸馏装置直接设置成实验装置的一部分，其目的在于获得较为纯净的蒸馏水（其水中的微生物极少），保证流入装置的水的纯净度。

（2）安装一个以上的喷头，并安装有阀门Ⅱ，可以调节水量的大小，进而模拟不同大小的自然降雨下的淤堵情况。

（3）压力表Ⅰ可以测量水管中的水压，实验过程可以观察水压，得出水压对淤堵的影响；压力表Ⅱ测量上筒中的压力，得出不同压力对淤堵的影响；连通管可以排气或水，保证实验的安全性；气泵可以向上筒中通气，加大上筒中的压力，对土壤进行压实，测量不同土壤压实度下的淤堵情况。

（4）微生物测量装置可以对同一土工织物的不同淤堵程度的情况下或者不同种类的土工织物在同一淤堵程度的情况下，并对过滤出的水、细尾矿颗粒及土工织物淤堵物中的微生物含量和种类进行测量，从而得出微生物种类和数量对同一土工织物排水过滤情况的影响。

（5）本实用新型可以用来进行尾矿库中排渗材料的淤堵实验，通过分析不同尾矿材料、不同土工织物材料、不同压实度、不同孔隙水压、不同孔径下土工织物进行的渗滤实验，总结其多因素下的淤堵规律，分析得出复杂多因素条件下的尾矿材料-土工织物的过滤效果，从土样级配、土工织物的孔径大小、水力梯度、土体密实度和微生物含量等因素进行研究，运用控制变量法，保持其它量不变，分别分析一种变量下的淤堵实验梯度比，并根据淤堵实验得出的梯度比的数据，分析不同孔径的土工织物在不同土样级配、不同土体密实度和不同微生物含量等条件下的淤堵情况，从而针对不同的尾矿材料选择合适的筑坝条件和土工织物，最终为尾矿库及各类排渗工程的稳定性预测及灾害防治提供了理论基础；本装置还可以用于水利、海岸防护、抗洪救险、沼泽地恢复、冲刷防治、填海造陆和垃圾处理等工程中的土工织物的淤堵问题的研究。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图中：1-冷却管支架，2-冷凝管，3-压力表Ⅰ，4-水管，5-压力表Ⅱ，6-气泵，7-阀门Ⅰ，8-通气管，9-顶盖，10-上筒，11-蒸馏水，12-测压管，13-中筒，14-土样，15-土工织物，16-承压滤网，17-下筒，18-排水管，19-支架，20-漏斗，21-量筒，22-收集瓶，23-溢水管，24-蒸馏水导水管，25-蒸馏水发生器，26-止水阀门，27-蒸馏水集水箱，28-螺栓，29-蒸馏水发生器支架，30-连接杆，31-常温蒸馏水集水箱，32-阀门Ⅱ，33-连通管，34-喷头，35-承压透水板，36-下筒底盘，37-滤膜，38-排水阀，39-微生物测量仪，40-底座，41-蒸馏水集水箱支架，42-常温蒸馏水集水箱支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细阐述。

实施例1

一种尾矿材料及其土工织物的淤堵实验装置，如图1所示，包括冷却管支架1、冷凝管2、压力表Ⅰ3、水管4、压力表Ⅱ5、气泵6、阀门Ⅰ7、通气管8、顶盖9、上筒10、蒸馏水11、测压管12、中筒13、土样14、土工织物15、承压滤网16、下筒17、排水管18、支架19、漏斗20、量筒21、收集瓶22、溢水管23、蒸馏水导水管24、蒸馏水发生器25、止水阀门26、蒸馏水集水箱27、螺栓28、蒸馏水发生器支架29、连接杆30、常温蒸馏水集水箱31、阀门Ⅱ32、连通管33、喷头34、承压透水板35、下筒底盘36、滤膜37、排水阀38、微生物测量仪39、底座40、蒸馏水集水箱支架41、常温蒸馏水集水箱支架42；

蒸馏水发生器25 通过蒸馏水导水管24 与蒸馏水集水箱27 连接，蒸馏水导水管24 上设置止水阀门26，蒸馏水集水箱27 上设有溢水管23，蒸馏水集水箱27通过冷凝管2 与常温蒸馏水集水箱31 连接，冷凝管2 缠绕在冷却管支架1 上，冷却管支架1焊接在常温蒸馏水集水箱上，冷却管支架1是筒状结构，筒状结构内部装有制冷材料，制冷材料为水，常温蒸馏水集水箱31 底部开孔并连有水管4，水管4上设有压力表Ⅰ3、阀门Ⅱ32，压力表Ⅰ3用于测量水管4内部的水压，水管4的另一端连有一个喷头34，顶盖9设置在上筒10上面，顶盖9上开有水管4穿过的孔，喷头34设置在上筒10内部，顶盖9上还设有压力表Ⅱ5、通气管8、连通管33，压力表Ⅱ5用于测量上筒10内部的压力，通气管8与气泵6连接，通气管8上设有阀门Ⅰ7，通气管8与气泵6向上筒10内部注入气体，增大上筒10内部的压力，压力可以对土样14进行压实，连通管33上设有阀门，连通管33是一个紧急排放口，主要用于紧急排除上筒10内的溢流水和上筒10内的气体，以保证安全，上筒10下方设置中筒13，中筒13内部设置承压透水板35，上筒10和中筒13的侧面开有6个测压孔，6个测压管12插在测压孔里，测压管12（包括1#、2#、3#、4#、5#、6#）是L型，主要用于测定土样14内的孔隙水压力，L型测压管的高度（相对测点的高度）根据实际压力的大小进行调整，6个测压管12分为2组，每组三个分布在上筒10和中筒13的侧面，两两对称分布，具体的为1#、2#测压管对称设置在上筒10底部，3#、4#测压管对称设置在中筒13中部靠上的位置，5#、6#测压管对称设置在中筒13中部靠下的位置，上筒10和中筒13的内壁设有滤膜37，防止上筒10或中筒13内的土样14流入测压管12，中筒13下方设有下筒17，中筒13 与下筒17 之间从上往下依次设置有土工织物15 和滤网16，顶盖9上设有螺纹孔，上筒10设有上筒顶盘和上筒底座，上筒顶盘和上筒底座上均设有螺纹孔，中筒13设有中筒顶盘和中筒底座，中筒顶盘和中筒底座上均设有螺纹孔，下筒17设有下筒顶盘和下筒底盘36，下筒顶盘上设有螺纹孔，上筒顶盘通过螺栓与顶盖9连接，螺栓与螺纹孔之间拧紧，上筒顶盘与顶盖9之间设置缓冲橡胶层，使上筒顶盘与顶盖9之间紧密，上筒底座通过螺栓与中筒顶盘连接，螺栓与螺纹孔之间拧紧，上筒底座与中筒顶盘之间设置缓冲橡胶层，使上筒底座与中筒顶盘之间紧密，中筒底座通过螺栓与下筒顶盘连接，螺栓与螺纹孔之间拧紧，中筒底座与下筒顶盘之间设置缓冲橡胶层，使中筒底座与下筒顶盘之间紧密，土工织物15和承压滤网16卡在中筒底座与下筒顶盘之间，下筒17的底座36上开孔并连有排水管18，排水管18与漏斗20分别通过支撑杆固定在支架19上，排水管18上设有排水阀38，排水管18下方设有漏斗20，漏斗20下方设有收集瓶22，量筒21用于测量水量，量筒21放置在收集瓶22旁边，需要的时候使用，微生物检测仪39放置在收集瓶22旁边，用于检测水中和土壤中的微生物含量，微生物检测仪39的测量方法主要用电子计数器计数法测量微生物含量和涂布平板法测量微生物的种类，每组实验后，通过微生物测量装置对取出的土工织物上的微生物种类和数量进行测量，分析对比不同组的淤堵实验中，微生物的种类和数量对淤堵结果的影响.

蒸馏水发生器25设置在蒸馏水发生器支架29上，蒸馏水集水箱27设置在蒸馏水集水箱支架41上，常温蒸馏水集水箱31设置在常温蒸馏水集水箱支架42上，蒸馏水发生器25的位置高于蒸馏水集水箱27，蒸馏水集水箱27的位置高于常温蒸馏水集水箱31，常温蒸馏水集水箱31的位置高于上筒10，蒸馏水发生器支架29、蒸馏水集水箱支架41、常温蒸馏水集水箱支架42均为可伸缩支架，蒸馏水发生器支架29、蒸馏水集水箱支架41、常温蒸馏水集水箱支架42相互之间通过连接杆30进行连接，连接杆30通过螺栓28固定在各个支架上，蒸馏水发生器支架29、蒸馏水集水箱支架41、常温蒸馏水集水箱支架42分别设置在底座40上。

装置使用时的具体步骤如下：

（1）首先将土工织物15和承压滤网16夹在中筒13和下筒17之间，拧紧中筒13和下筒17之间的螺栓，拧紧上筒10和中筒13之间的螺栓，将滤膜27贴在上筒10和中筒13内壁，将土样14放置到中筒13内，将承压透水板35放置在土样14上，拧紧顶盖9，关闭连通管33上的阀门；

（2）把自来水通入到蒸馏水发生器25中，调节好蒸馏水发生器25、蒸馏水集水箱27、常温蒸馏水集水箱31、上筒10的位置高度，蒸馏水发生器25位于整个实验装置的最高处，可以通过调节蒸馏装置支架29的高度来调节水的势能，进而调节水压和水头梯度，对自来水进行蒸馏处理，蒸馏水发生器25里面本身就含有冷凝管，可对蒸馏水进行一次冷凝，故蒸馏水从蒸馏水发生器25里流到蒸馏水集水箱27中时，水温已降到50℃-65℃，因为需要用常温蒸馏水，因此蒸馏水从蒸馏水集水箱25流出来时，还要经过一段螺旋形缠绕在冷却管支架1上的冷凝管2进行二次冷凝，使蒸馏水的温度降到常温，冷凝管2螺旋形缠绕在冷却管支架1，冷却管支架1是筒状结构，里面装有制冷材料水，可以起到很好的降温效果，经过冷凝得到的常温蒸馏水储存在常温蒸馏水集水箱31里；

（3）经过处理后得到常温无气蒸馏水经水管4和阀门Ⅱ32流入喷头34中，喷头34喷下的蒸馏水11经过承压透水板35流进土样14里面，进行渗流，渗流刚开始时不稳定，待渗流稳定以后，每隔一段时间，测读各测压管12的水位，可以计算出不同水位的水力梯度，并选取渗流稳定一天后的水力梯度，进行计算梯度比，通过梯度比的大小，可以判断淤堵的情况。

下筒17中过滤出的固液混合物经排水管18流到漏斗20中，漏斗20内放置滤纸，经漏斗20的过滤后，收集到收集瓶22中，通过量筒21测量液体的体积，并检测出漏斗20滤出的土颗粒的大小、种类和质量，从而得出土样14从土工织物中流失的量，通过比较固液比，有助于了解土工织物的淤堵情况。

土样14中一般含有微生物，且淤堵实验进行时间较长，微生物很可能大量繁殖，从而发生生物淤堵，对土工织物淤堵实验结果造成影响，每组土工织物淤堵实验结束后，取出土工织物15的孔径内和表面的土壤以及收集瓶22中的收集物，利用微生物测量仪39通过电子计数器计数法测量微生物含量和涂布平板法测量微生物种类，从而获取不同微生物种类和数量对土工织物生物淤堵作用的影响。

通过调节阀门Ⅱ32，对进水量进行控制，模拟不同大小的降雨，有效地模拟自然降雨，从而排除因水流不均、水压不稳定对土工织物淤堵实验的影响，使实验条件更接近现实情况。

通过调节喷头34的数量，模拟不同喷洒量下的淤堵影响，喷头34的数量改变方案：水管4底端分支成多个分支管道，每个分支管道连接一个喷头，每个分支管道上都设有阀门。

在保持其它量相同的情况下，打开阀门Ⅰ7，通过气泵6向上筒10内泵入空气，使上筒10内的压力增加，将土样14压实，然后打开连通管33上的阀门将上筒10中的压力泄掉后，进行实验，来探究不同种密实度的同一土样进行过滤时的淤堵情况。

在保持其它量相同的情况下，通过更换中筒13和下筒17之间的不同种类、不同厚度、不同孔径的土工织物15，来进行不同的土工织物淤堵实验，通过比较梯度比的大小来探究土工织物种类、厚度及孔径大小对同一种密实度的同一土样进行过滤时的淤堵影响。

在保证其它量相同的情况下，通过改变土样14的种类，进行不同的实验，通过比较梯度比，可以得出不同性质的土样对土工织物淤堵的影响。

当遇到意外状况，导致上筒10内的蒸馏水11过多或上筒10内的气压过高时，可以打开连通管33上的阀门，进行放水或者泄压，紧急排除上筒10内的溢流水和上筒10内的气体，以保证安全。