CN108680430A - 一种尾矿料离心模型固结渗流控制***及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种尾矿料离心模型固结渗流控制***及试验方法。包括试样装置、下水头控制装置、进水装置和动力装置。本发明还提供了利用本发明***进行尾矿料离心模型固结渗流试验的方法，利用该***，按照本发明提供的试验方法制备尾矿料试样；启动土工离心机达到给定的离心加速度后，实现试样在稳定渗流条件下的自重应力固结；通过监测试样固结变形和孔压，判断试样渗流和固结过程均达到稳定状态后，通过固定于模型筒顶盖上的袖珍贯入仪测试试样的力学参数。本发明的***和方法可以用于各类尾矿库、大坝防渗体、堤防土体在固结渗流耦合条件下土体力学参数测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种尾矿料离心模型固结渗流控制***及试验方法，特别适用于各类尾矿库、大坝防渗体、堤防等在固结渗流耦合条件下的土体力学参数测试。
背景技术
随着选矿技术的发展和土地使用的制约，我国的尾矿库必然朝着细粒筑坝与高堆尾矿坝方向发展，其灾害隐患将会更加突出。细粒尾矿料的渗透性低，渗流和固结过程相耦合，采用常规试验方法难以测定其力学参数。
利用离心机提供的超重力场，可以较好地实现渗流和固结过程的同步耦合，但目前国内外尚无离心模型固结渗流的相关设备和试验方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种尾矿料离心模型固结渗流控制***及试验方法。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种尾矿料离心模型固结渗流控制***，其特征在于，包括试样装置、下水头控制装置、进水装置和动力装置；所述试样装置包括试样筒，所述试样筒设置于下水头控制装置的盛水筒内；试样筒内壁设置上透水板和下透水板，上透水板和下透水板之间装入尾矿料试样；上透水板上方连接有位移计，测量上透水板位移；上透水板上还设有贯通的中心孔，袖珍贯入仪穿过上透水板中心孔深入尾矿料试样；尾矿料试样内埋设孔隙水压力传感器；上透水板上方的上水头处的试样筒壁上开设第一溢流孔，第一溢流孔连接溢流管，用于出水；所述下水头控制装置包括盛水筒；所述盛水桶设置于试样筒下方；下透水板下方的试样筒壁上开设第二溢流孔，将下透水板下渗的水引入盛水桶；所述盛水桶筒壁在下水头处开设第三溢流孔，用于出水；所述进水装置包括水泵；所述水泵一端连接水源，另一端通过第一水管将水泵入试样装置；所述动力装置连接袖珍贯入仪，用于提供动力。根据试验需要，开启动力装置，可以实现袖珍贯入仪在尾矿料试样中向下贯入，得到尾矿料试样的力学参数。
作为本发明的进一步改进，还包括循环水存储装置；所述循环水存储装置包括循环水存储筒，盛水桶设置于循环水存储筒内，循环水存储筒内的水位必须低于盛水桶中的下水头；第一溢流孔连接溢流管，将水引入循环水存储装置；第三溢流孔将盛水桶内的水引入循环水存储装置；所述进水装置包括第二水管；所述水泵通过第二水管将循环水存储筒中的水抽出，并将水通过第一水管泵入试样装置。利用循环水存储装置可以将试验时渗出的水进行回收，继续投入下一轮试验，节约水源，并且流经尾矿砂的水不会外流，不会造成环境污染。
作为本发明的进一步改进，还包括顶盖，所述顶盖设置于循环水存储筒顶部；所述水泵、第一水管和动力装置固定于顶盖上；所述位移计一端连接上透水板，另一端连接顶盖下部；所述顶盖上开设贯通的中心孔，袖珍贯入仪一端伸出顶盖中心孔，与动力装置相连，另一端穿过上透水板中心孔深入尾矿料试样。
作为本发明的进一步改进，所述试样筒上开设有多个第一溢流孔，根据上水头高程选择所需第一溢流孔连接溢流管，并封闭其他溢流孔。试验时可以根据上水头的要求，将溢流管固定于不同高度的第一溢流孔，其他第一溢流孔密封。
作为本发明的进一步改进，所述盛水桶上开设有多个第三溢流孔，根据下水头高程选择所需第三溢流孔，并封闭其他溢流孔。试验时可以根据下水头的要求，打开特定位置的第三溢流孔，密封其他第三溢流孔。溢流出的水流进入循环水存储部分。
作为本发明的进一步改进，所述袖珍贯入仪的贯入杆上套有套管。套管可以消除袖珍贯入仪的贯入杆与尾矿料试样之间的摩擦，降低装置对试验结果精度的影响。
作为本发明的进一步改进，所述顶盖上设有吊耳。设置吊耳可用于***在实验室内的吊装。
本发明的另一目的在于提供上述尾矿库离心模型固结渗流控制***的试验方法，步骤如下：
S1. 将盛水筒置于循环水存储筒内；
S2. 将试样筒关闭溢流管和溢流孔，置于盛水筒内；
S3. 将透水板置于试样筒内；
S4. 将风干的尾矿料式样分层装入试样筒内，每层2~3cm，根据要求的孔隙比，控制试样厚度，每层试样装完后向试样筒内缓慢充水至试样顶面；装样期间，根据要求埋设孔隙水压力传感器、袖珍贯入仪，袖珍贯入仪的位置处于试样中心；
S5. 试样装完后将上透水板套过袖珍贯入仪，置于尾矿料试样上；
S6. 打开溢流管，向试样筒内缓慢充水至上水头；
S7. 打开第三溢流孔，向盛水筒内缓慢充水至下水头；
S8. 初步估算试样渗流所需流量，根据流量需要向循环水存储筒内缓慢充水，循环水存储筒内的水位必须低于下水头；并打开第二溢流孔；
S9. 将位移计、水管、水泵、水管固定于顶盖；
S10. 将顶盖固定于循环水存储筒顶部，袖珍贯入仪的贯入杆穿过顶盖的中心孔；将动力装置与袖珍贯入仪的贯入杆相连，并将动力装置固定于顶盖上；完成***安装；
S11. 将***吊装至离心机吊篮平台，将孔隙水压力传感器、袖珍贯入仪、位移计连接至离心机数据采集***；通过离心机配备的功率滑环为水泵、动力装置供电；打开水泵，保持开启直至试验结束，保持尾矿料试样的上水头和下水头；
S12. 启动离心机至设计加速度，向尾矿料试样施加超重力场，使上水头和下水头的水头差达到实际工况，同时实现尾矿料试样的自重固结，通过孔隙水压力传感器、位移计的采集数据，监测渗流和固结的状态；
S13. 待渗流和固结均达到稳定状态，启动动力装置，带动袖珍贯入仪对尾矿料试样进行静力触探试验，测试尾矿料试样的力学参数；测试完成后停止动力装置；
S14. 停止离心机，停止水泵；
S15. 通过位移计的数据，换算尾矿料试样渗流固结稳定后的密度。
采用本发明的***和方法，启动土工离心机达到给定的离心加速度后，实现试样在稳定渗流条件下的自重应力固结；通过监测试样固结变形和孔压，判断试样渗流和固结过程均达到稳定状态后，通过固定于模型筒顶盖上的袖珍贯入仪测试试样的力学参数。本发明的***和方法可以用于各类尾矿库、大坝防渗体、堤防土体在固结渗流耦合条件下土体力学参数测试。采用本发明提供的***和试验方法，能够准确测定土体在固结渗流耦合条件下的力学参数。并且试验用水可循环使用，更佳经济环保。
附图说明
图1为本发明尾矿料离心模型固结渗流控制***装置结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的尾矿料离心模型固结渗流控制***，包括试样装置、下水头控制装置、进水装置和动力装置21；所述动力装置21采用电机21。
所述试样装置包括试样筒1，所述试样筒1设置于下水头控制装置的盛水筒12内；试样筒1内壁设置上透水板7和下透水板2，上透水板7和下透水板2之间装入尾矿料试样3；上透水板7上方连接有位移计8，测量上透水板7位移；上透水板7上还设有贯通的中心孔，袖珍贯入仪5穿过上透水板7中心孔深入尾矿料试样3，其中，袖珍贯入仪5的贯入杆上套有套管6；尾矿料试样3内埋设孔隙水压力传感器4；上透水板7上方的上水头10处的试样筒1壁上开设有多个第一溢流孔，根据上水头10高程选择所需第一溢流孔连接溢流管，并封闭其他溢流孔，第一溢流孔连接溢流管9，用于出水；
所述下水头控制装置包括盛水筒12；所述盛水桶12设置于试样筒1下方；下透水板下方的试样筒1壁上开设第二溢流孔11，将下透水板2下渗的水引入盛水桶12；所述盛水桶12上开设有多个第三溢流孔13，根据下水头14高程选择所需第三溢流孔13，并封闭其他溢流孔，用于出水；
所述进水装置包括水泵18；所述水泵18一端连接水源，另一端通过第一水管19将水泵入试样装置；
所述动力装置21连接袖珍贯入仪5，用于提供动力。
本实施例***试验方式如下：
采集现场的尾矿料，运回实验室，进行风干、过筛处理；
根据尾矿坝安全性能分析的要求，选定若干种上水头高程、下水头高程、试样密度、试样高度，开展尾矿料离心模型固结渗流试验，分别测试不同渗透水头和自重固结条件下的尾矿料力学参数；
利用试验获得的不同固结渗流条件下的尾矿料力学参数，开展尾矿坝安全性能分析，为尾矿库的填筑、安全运行提供相应的技术支撑。具体步骤将在实施例4中进一步说明。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处仅在于，还包括循环水存储装置；
所述循环水存储装置包括循环水存储筒15，盛水桶12设置于循环水存储筒15内，循环水存储筒15内的水位16必须低于盛水桶12中的下水位14；第一溢流孔连接溢流管9，将水引入循环水存储装置；第三溢流孔13将盛水桶12内的水引入循环水存储装置；
所述进水装置包括第二水管17；所述水泵18通过第二水管17将循环水存储筒15中的水抽出，并将水通过第一水管19泵入试样装置。
实施例3
本实施例与实施例2的不同之处仅在于，还包括顶盖20；
所述顶盖20设置于循环水存储筒15顶部；
所述水泵18、第一水管19和动力装置21固定于顶盖上；
所述位移计8一端连接上透水板7，另一端连接顶盖下部；
所述顶盖20上开设贯通的中心孔，袖珍贯入仪5一端伸出顶盖20中心孔，与动力装置21相连，另一端穿过上透水板7中心孔深入尾矿料试样3；
所述顶盖20上设有吊耳。
实施例4
本实施例以实施例3所述***为例，提供了一种具体的试验方法，包括如下步骤：
S1. 将盛水筒12置于循环水存储筒15内；
S2. 将试样筒1关闭溢流管9和溢流孔11，置于盛水筒12内；
S3. 将透水板2置于试样筒1内；
S4. 将风干的尾矿料式样3分层装入试样筒1内，每层2~3cm，根据要求的孔隙比，控制试样厚度，每层试样装完后向试样筒1内缓慢充水至试样顶面；装样期间，根据要求埋设孔隙水压力传感器4、袖珍贯入仪5，袖珍贯入仪5的位置处于试样中心；
S5. 试样装完后将上透水板7套过袖珍贯入仪5，置于尾矿料试样3上；
S6. 打开溢流管9，向试样筒1内缓慢充水至上水头10；
S7. 打开第三溢流孔13，向盛水筒12内缓慢充水至下水头14；
S8. 初步估算试样渗流所需流量，根据流量需要向循环水存储筒15内缓慢充水，水位16必须低于盛水桶12中的下水头14；并打开第二溢流孔11；
S9. 将位移计8、水管17、水泵18、水管19固定于顶盖20；
S10. 将顶盖20固定于循环水存储筒15顶部，袖珍贯入仪5的贯入杆穿过顶盖20的中心孔；将动力装置21与袖珍贯入仪5的贯入杆相连，并将动力装置21固定于顶盖20上；完成***安装；
S11. 将***吊装至离心机吊篮平台，将孔隙水压力传感器4、袖珍贯入仪5、位移计8连接至离心机数据采集***；通过离心机配备的功率滑环为水泵18、动力装置21供电；打开水泵18，保持开启直至试验结束，保持尾矿料试样3的上水头10和下水头14；
S12. 启动离心机至设计加速度，向尾矿料试样3施加超重力场，使上水头10和下水头14的水头差达到实际工况，同时实现尾矿料试样3的自重固结，通过孔隙水压力传感器4、位移计8的采集数据，监测渗流和固结的状态；
S13. 待渗流和固结均达到稳定状态，启动动力装置21，带动袖珍贯入仪5对尾矿料试样3进行静力触探试验，测试尾矿料试样3的力学参数；测试完成后停止动力装置21；
S14. 停止离心机，停止水泵18；
S15. 通过位移计8的数据，换算尾矿料试样3渗流固结稳定后的密度。
Claims (10)
1.一种尾矿料离心模型固结渗流控制***，其特征在于，包括试样装置、下水头控制装置、进水装置和动力装置（21）；
所述试样装置包括试样筒（1），所述试样筒（1）设置于下水头控制装置的盛水筒（12）内；试样筒（1）内壁设置上透水板（7）和下透水板（2），上透水板（7）和下透水板（2）之间装入尾矿料试样（3）；上透水板（7）上方连接有位移计（8），测量上透水板（7）位移；上透水板（7）上还设有贯通的中心孔，袖珍贯入仪（5）穿过上透水板（7）中心孔深入尾矿料试样（3）；尾矿料试样（3）内埋设孔隙水压力传感器（4）；上透水板（7）上方的上水头（10）处的试样筒（1）壁上开设第一溢流孔，第一溢流孔连接溢流管（9），用于出水；
所述下水头控制装置包括盛水筒（12）；所述盛水桶（12）设置于试样筒（1）下方；下透水板下方的试样筒（1）壁上开设第二溢流孔（11），将下透水板（2）下渗的水引入盛水桶（12）；所述盛水桶（12）筒壁在下水头（10）处开设第三溢流孔（13），用于出水；
所述进水装置包括水泵（18）；所述水泵（18）一端连接水源，另一端通过第一水管（19）将水泵入试样装置；
所述动力装置（21）连接袖珍贯入仪（5），用于提供动力。
2.根据权利要求1所述的尾矿料离心模型固结渗流控制***，其特征在于，还包括循环水存储装置；
所述循环水存储装置包括循环水存储筒（15），盛水桶（12）设置于循环水存储筒（15）内，循环水存储筒（15）内的水位（16）低于盛水桶（12）中的下水头（14）；第一溢流孔连接溢流管（9），将水引入循环水存储装置；第三溢流孔（13）将盛水桶（12）内的水引入循环水存储装置；
所述进水装置包括第二水管（17）；所述水泵（18）通过第二水管（17）将循环水存储筒（15）中的水抽出，并将水通过第一水管（19）泵入试样装置。
3.根据权利要求2所述的尾矿料离心模型固结渗流控制***，其特征在于，还包括顶盖（20），所述顶盖（20）设置于循环水存储筒（15）顶部；
所述水泵（18）、第一水管（19）和动力装置（21）固定于顶盖上；
所述位移计（8）一端连接上透水板（7），另一端连接顶盖下部；
所述顶盖（20）上开设贯通的中心孔，袖珍贯入仪（5）一端伸出顶盖（20）中心孔，与动力装置（21）相连，另一端穿过上透水板（7）中心孔深入尾矿料试样（3）。
4.根据权利要求1所述的尾矿料离心模型固结渗流控制***，其特征在于，所述试样筒（1）上开设有多个第一溢流孔，根据上水头10高程选择所需第一溢流孔连接溢流管，并封闭其他溢流孔。
5.根据权利要求1所述的尾矿料离心模型固结渗流控制***，其特征在于，所述盛水桶（12）上开设有多个第三溢流孔（13），根据下水头（14）高程选择所需第三溢流孔（13），并封闭其他溢流孔。
6.根据权利要求1所述的尾矿料离心模型固结渗流控制***，其特征在于，所述袖珍贯入仪（5）的贯入杆上套有套管（6）。
7.根据权利要求3所述的尾矿料离心模型固结渗流控制***，其特征在于，所述顶盖（20）上设有吊耳。
8.权利要求3所述尾矿库离心模型固结渗流控制***的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1. 将盛水筒（12）置于循环水存储筒（15）内；
S2. 将试样筒（1）关闭溢流管（9）和溢流孔（11），置于盛水筒（12）内；
S3. 将透水板（2）置于试样筒（1）内；
S4. 将风干的尾矿料式样（3）分层装入试样筒（1）内，每层2~3cm，根据要求的孔隙比，控制试样厚度，每层试样装完后向试样筒（1）内缓慢充水至试样顶面；装样期间，根据要求埋设孔隙水压力传感器（4）、袖珍贯入仪（5），袖珍贯入仪（5）的位置处于试样中心；
S5. 试样装完后将上透水板（7）套过袖珍贯入仪（5），置于尾矿料试样（3）上；
S6. 打开溢流管（9），向试样筒（1）内缓慢充水至上水头（10）；
S7. 打开第三溢流孔（13），向盛水筒（12）内缓慢充水至下水头（14）；
S8. 初步估算试样渗流所需流量，根据流量需要向循环水存储筒（15）内缓慢充水，水位（16）低于盛水桶（12）中的下水头（14）；并打开第二溢流孔（11）；
S9. 将位移计（8）、水管（17）、水泵（18）、水管（19）固定于顶盖（20）；
S10. 将顶盖（20）固定于循环水存储筒（15）顶部，袖珍贯入仪（5）的贯入杆穿过顶盖（20）的中心孔；将动力装置（21）与袖珍贯入仪（5）的贯入杆相连，并将动力装置（21）固定于顶盖（20）上；完成***安装；
S11. 将***吊装至离心机吊篮平台，将孔隙水压力传感器（4）、袖珍贯入仪（5）、位移计（8）连接至离心机数据采集***；通过离心机配备的功率滑环为水泵（18）、动力装置（21）供电；打开水泵（18），保持开启直至试验结束，保持尾矿料试样（3）的上水头（10）和下水头（14）；
S12. 启动离心机至设计加速度，向尾矿料试样（3）施加超重力场，使上水头（10）和下水头（14）的水头差达到实际工况，同时实现尾矿料试样（3）的自重固结，通过孔隙水压力传感器（4）、位移计（8）的采集数据，监测渗流和固结的状态；
S13. 待渗流和固结均达到稳定状态，启动动力装置（21），带动袖珍贯入仪（5）对尾矿料试样（3）进行静力触探试验，测试尾矿料试样（3）的力学参数；测试完成后停止动力装置（21）；
S14. 停止离心机，停止水泵（18）；
S15. 通过位移计（8）的数据，换算尾矿料试样（3）渗流固结稳定后的密度。
9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，所述S4中，袖珍贯入仪（5）的贯入杆上套有套管（6）；袖珍贯入仪（5）和套管（6）的位置处于试样中心；
所述S5中，试样装完后将上透水板（7）套过袖珍贯入仪（5）和套管（6），置于尾矿料试样（3）上。
10.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，所述S11中，在顶盖（20）上设有吊耳。
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