毛細水帶分層取樣試驗裝置的製作方法

2023-05-23 11:39:46

專利名稱：毛細水帶分層取樣試驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於巖土工程領域，具體涉及尾礦壩壩體的相似模擬、模擬壩體內毛細水上升速度和高度的測試、毛細水存在下尾礦壩壩體受力情況分析，方便對模擬壩體內毛細水帶不同高度處的尾礦砂進行分層取樣，進而分別測試其物理力學性質，研究毛細水帶不同高度處壩體的物理力學性質及其變化規律的分層取樣裝置。
背景技術：
尾礦壩是尾礦庫用來擋尾礦和水的圍護構築物。用當地土、石等材料修築成的低壩叫做初期壩或基壩。在生產過程中隨著尾礦的不斷排入，逐漸用尾礦來沉積加高的壩叫做後期壩或尾礦堆積壩。然而，隨著礦產資源的大規模開採，我國修築了數以萬計的尾礦壩。與之相對的卻是近年來，尾礦壩潰壩事故的頻頻發生，給人民的生命和財產造成了重大損失，同時也給周邊環境造成了嚴重破壞，因此，有關尾礦壩穩定性的研究顯得日益重要。而垮壩事故絕大部分均是由於水的作用引起的，國內外有關水對尾礦壩穩定性的研究也證明了水的存在的確對尾礦壩穩定性構成影響。在水對尾礦壩穩定性的影響研究方面，Kealy等(1971)建立了確定尾礦壩滲流特徵的有限元方法。隨後，國內外學者們進一步地建立了滲流失效、流固耦合作用等多種分析模型。其中，Van(1977)分析了地下排水對尾礦壩穩定狀況的改善情況；Abadjiev(1976)和Van(1980)建立了水在尾礦壩內的滲流模型；Klohn(1979)探討了尾礦壩穩定性分析中的滲流控制問題 Jeyapalan(1981，1983)、C. B.阿巴德耶夫(1982)、Chandler (1995)和Blight(1997)等研究了滲透靜力對尾礦壩穩定性的影響；速寶玉(1991，1994)、尹光志(2005)、Mihai (2009)、信文山(2009)和王強(2009)等研究了尾礦壩滲流場的數值模擬技術；陳友根等(1991)採用極限平衡理論，評價了壩體抗滑和抗滲穩定性；Martin(1999)研究了孔隙水壓力的分布特徵；FOUrie(2000)研究了靜力作用下的液化問題；路美麗(2002)分析了多種因素對尾礦壩內滲流場的影響；鄭懷昌等(2005)將界殼理論引入到尾礦庫管理中，在分析尾礦庫界殼結構和各類界門物量交換率的基礎上，探討了通過界殼的物質(水、巖土)對尾礦庫穩定性的影響；潘建平等(2006)提出了尾礦壩超靜孔壓的簡化計算式；Rico(2008)探討了洪水漫灘時潰壩的原因；敬小非等(2009)則採用尾礦壩堆壩物理模型試驗模擬了尾礦壩堆積的全過程，並對模型中滲流場進行了監測，最後採用有限元法分析了尾礦壩的穩定性。馬池香等(2009)運用地球化學、力學及相關理論，從宏觀和微觀兩方面探討了尾礦壩內水土交互作用，並將其概括為水土化學作用、水土物理作用和滲流力學作用。上述研究對尾礦壩的設計建造，及減小尾礦壩潰壩事故起到了重要作用，但這些研究提出的方法和模型都忽略了毛細水的作用。2001年，ICOLD(國際大壩委員會)在一份公告文獻中提出，毛細現象對於尾礦壩的穩定性可能存在著影響。2009年,Mari a等採用數值模擬方法研究了毛細水對尾礦壩穩定性的影響，提出尾礦壩的穩定性在很大程度上取決於毛細水的作用，毛細水的存在，使得尾礦壩的安全儲備大大降低。這是Maria等通過數值模擬研究首次得到的結論，具有開創性的意義。因此，研究尾礦壩中毛細水帶的物理力學性質，進而分析尾礦壩的安全儲備，對尾礦壩的穩定性進行評估，以確保其安全穩定，這對於豐富和發展鈾尾礦壩穩定性分析理論、對於防範垮壩事故的發生都具有重要意義。分析Maria等的研究發現，其不足之處在於將毛細水帶作為一個整體來進行分析尾礦壩的穩定性，這樣的分析結果與實際值會存在較大的偏差。這是因為，尾礦壩中毛細水帶不同高度處的尾礦砂含水率是有變化的，其差別可能會很大，而含水率的不同必將導致其物理力學性質的不同，從而影響穩定性分析結果。因此，必須對毛細水帶進行分層研究，其結果才能與實際情況更加吻合。而傳統的毛細水試驗裝置，當裝置直徑較小時，試樣很難取出；裝置直徑較大時，取樣深度則很難控制，且只能在表層進行正常取樣，對於深層試樣，取樣時則無法做到少擾動或不擾動尾礦砂原有狀態並保持其應有的含水率。因此，不能對毛細水帶不同高度處的尾礦砂進行取樣，就無法準確研究尾礦壩壩體物理力學性質隨毛細水帶不同高度的變化規律，也就無法準確分析尾礦壩的穩定性。此外，由於尾礦砂中毛細水帶的水份含量較少，且在自然狀態下蒸發速度很快，所以必須控制和保持取樣時毛細水帶中砂土樣的狀態。基於此，對傳統試驗裝置進行改進，研究和創造新的毛細水試驗裝置，對評估毛細水對尾礦壩穩定性的影響、豐富尾礦壩穩定性研究理論，有著極其重要的科學意義和現實意義。

發明內容
針對上述情況，本發明提供了一種取樣簡單、操作方便，製造、維修成本低的毛細水帶分層取樣試驗裝置。本裝置能直觀地模擬毛細水存在下的尾礦壩壩體，準確地觀測尾礦壩壩體毛細水上升過程和上升速度，精確地量測壩體內毛細水的上升高度。其最具特色之處在於可進行毛細水帶不同高度處尾礦砂試樣的取樣工作，以實現對其物理力學性質的研究，進而推導出尾礦壩壩體中不同高度處毛細水帶的物理力學性質和變化規律，而這些研究內容依靠現有實驗裝置是無法完成的。毛細水帶分層取樣試驗裝置，由η個單元柱豎向串聯累疊而成，上下層單元柱通過螺釘固定連接，裝置最下層為進水單元柱，其特徵在於，單元柱包括尾礦砂1、上法蘭盤
2、螺孔3、有機玻璃柱管4、筋板5、下法蘭盤6、隔離網7、密封槽8、嵌網板9、土工布10、進水口 11、排水口 12、底座13，其中，隔離網7嵌入嵌網板9中，密封槽8為沿嵌網板9的內沿向外沿打磨的淺槽圓環；下法蘭盤6下表面、密封槽8邊沿、嵌網板9上表面均勻塗抹有機玻璃膠，使下法蘭盤6與嵌網板9粘合在一起，將隔離網7與有機玻璃柱管4緊密固定；單元柱上法蘭盤2與下法蘭盤6和嵌網板9內外徑尺寸相同，上一單元柱的下法蘭盤6可以無縫隙的累疊到下一層單元柱的上法蘭盤2上；上下法蘭盤與有機玻璃柱管4連接處加有筋板5 ;各單元柱通過螺孔3內的螺栓實現相互連接，從而實現各單元柱密封串聯累疊；在進水單元柱距底座5cm處布有兩個進水口 11，對稱布置於柱管兩側；設置排水口 12兩個，對稱布置於兩進水口之間，用於保持水位，模擬浸潤線的位置；進水口和排水口內側均布設有土工布10防止尾礦砂流出；底座13為加厚有機玻璃板。其中，所述η個單元柱為6-15個單元柱，具體所需單元柱的個數需根據實際尾礦壩壩體密實度、尾礦砂粒徑、預估壩體毛細水高度、試驗所需取樣高度等因素綜合確定；隔離網7厚約1mm，與嵌網板9打磨深度相同；有機玻璃柱管4的內徑d=20cm，其水平截面內可同時用標準環刀取3-4個試樣做平行試驗；上法蘭盤2、下法蘭盤6、嵌網板9的內徑等於有機玻璃柱管4的外徑，外徑d=30cm，保證整個單元柱水平內徑截面面積始終相同；隔離網7的網格密度根據試驗尾礦砂I粒徑而定,一般為1. 5 — 2cm ;單元柱整體高度由土力學試驗所需試樣量而定，即應滿足土樣的密度試驗、含水率試驗、抗剪強度試驗以及三軸試驗所需，取為15cm。其中，所述密封槽8沿嵌網板9的內沿向外沿打磨約20mm寬、Imm深，密封槽的圓環直徑和深度約等於隔離網7的直徑和厚度。其中，所有單元柱沿豎向疊放，每個分層設置一個單元柱，每節單元柱下法蘭盤6設有隔離網7，與下一節單元柱的上法蘭盤2相連接。當需在某個高度上取砂土試樣時，將該層上一層面螺孔3上螺栓擰去，該層單元柱與裝置上層的單元柱連接已脫離，在毛細水的作用下尾礦砂具有一定粘聚力，且在單元柱底面隔離網7的承載下，該層單元柱以上的單元柱可以很方便的從下層單元柱上取下；若所需取樣高度單元柱上層單元柱過多，超過隔離網的承載值，將該單元柱上層的柱體逐層取下。與裝置分離的單元柱頂面和底面及下一單元柱頂面需用保鮮膜迅速密封，防止毛細水揮發，從而減小試驗誤差，保證取樣過程的嚴謹性；土工試驗取樣時將所需取樣的單元柱上層的保鮮膜去除，用環刀取樣，同層可取3-4個樣品做平行試驗用；該取樣裝置每個單元柱高度合理，在少擾動或不擾動尾礦砂原有狀態並保持其應有的含水率的狀態下，可對毛細水帶的每層單元柱分別取樣，從而實現了對尾礦壩壩體毛細水帶不同層次礦砂物理力學性質的研究。其中，所述整個試驗裝置用耐腐蝕有機玻璃製成。裝置中單元柱的數量，可根據實際需要來確定，其內徑和高度亦是根據實際需求來確定的，科學合理。單元柱中填裝礦砂(試驗預先定好的級配配比)，每加入單元柱體積的三分之一時，進行密實，可最大還原現場尾礦壩壩體密實度；本層單元柱加滿並密實後將下一個單元柱疊加到下層單元柱上，採用螺栓固定兩個單元柱，隨後填裝第二個單元柱並密實；重複上述步驟至試驗預計高度；進水單元柱進水口進水，排水口排水用於確定及穩定浸水線高度，等待毛細水上升。待毛細水帶上升穩定後，即可對裝置內尾礦砂進行分層取樣操作。本發明提供的分層取樣試驗裝置，具有以下優點1、採用透明有機玻璃製成的分層取樣試驗裝置，可模擬觀測尾礦壩堆積壩中毛細水上升速率、上升高度，進而分析溫度、壓強等因素對毛細水上升高度變化的影響規律。2、模擬不同尾礦壩壩體時，可以根據實際需要確定所需試驗裝置的高度，即調整所需單元柱的個數。3、分層取樣試驗裝置可對尾礦壩壩體中毛細水帶不同高度的試樣進行取樣，每個單元柱高度內都可以方便取樣，克服了傳統模型在少擾動或不擾動尾礦砂原有狀態並保持其應有的含水率的狀態下，只能取一組試樣的嚴重缺陷。對不同高度單元柱取樣，可研究尾礦壩毛細水帶壩體不同高度的物理力學性質，並確定其隨毛細水高度的變化規律，進而探究毛細水的存在對壩體穩定性的影響。4、分層取樣試驗裝置，單元柱內徑d=20cm，每層可以同時用標準環刀取3_4個試樣進行平行試驗，滿足了實驗要求，保證了試驗數據的準確可靠性。5、分層取樣試驗裝置組合靈活，能滿足多種試驗所需要求；取樣操作簡單，方便實用。6、試驗裝置具有製作簡單、成本低、適用性強、可重複使用、測量數據真實可靠，能準確、方便地得到試驗所需試樣等優點。


圖1一圖3分層取樣試驗裝置單元柱示意圖；圖4下法蘭盤、密封槽及隔離網俯視圖；圖5下法蘭盤、密封槽及隔離網主視圖；圖6分層取樣試驗裝置單元柱組合及安裝示意圖。
具體實施例方式1、材料組成單元柱、底座、尾礦砂、注水瓶。2、材料配置及使用方法毛細水帶分層取樣試驗裝置單元柱組合及安裝示意圖見附圖6。 毛細水帶分層取樣試驗裝置使用的具體步驟是①先根據所模擬的尾礦壩壩體尾礦砂物理性質確定單元柱的數量；②向底座單元柱裝尾礦砂，每加入三分之一高度的尾礦砂，進行一次密實，最大程度還原尾礦壩壩體的初始狀態；③當底座裝滿後，在其上部安裝一節單元柱，並通過螺孔3將其與底座栓到一起，向單元柱中加入尾礦砂(填裝尾礦砂方式同②);④本節單元柱加滿並密實後，疊加下一節單元柱並將其與前一節單元柱栓到一起，繼續填裝尾礦砂；⑤重複④步驟直至試驗預計高度；⑥採用注水瓶向進水口 11注水，排水口 12用以模擬並保持浸潤線高度；⑦待毛細水帶穩定後，根據試驗目的進行分層取樣。毛細水上升過程中需吸收底座中一定量的水，從而導致浸潤線下降，本試驗裝置可通過注水瓶不斷注水以及排水口 12不斷地排水，藉以控制浸潤線保持在固定的高度，並以其為參考線量測毛細水帶的上升高度和確定毛細水帶的上升速率。同時，根據試驗要求需在毛細水帶某個高度上取樣時，可將該層單元柱上下法蘭盤螺孔內的螺栓擰去，使該層單元柱分別與上下層單元柱脫離，隨後用環刀直接在該單元柱內取樣(同一高度可取3-4個樣品)，從而達到分層取樣的目的。為防止毛細水蒸發，試驗中需將取出的每節單元柱的頂面和底面用保鮮膜迅速密封。3、原理本發明專利提供的毛細水帶分層取樣試驗裝置，由多個單元柱串聯而成，可用於模擬毛細水存在下的尾礦壩壩體、觀測尾礦壩壩體毛細水上升過程和上升速度、量測壩體內毛細水的上升高度，以及其它散體材料在毛細水作用下不同高度處的物理力學性質的實驗。本試驗裝置是基於土的毛細性原理，即土中水在表面張力作用下，沿著細的孔隙向上及向其他方向移動的現象。因此，砂土中毛細水的存在，能夠產生一定的毛細壓力，可使乾燥的尾礦砂產生一定的假內聚力，從而使得單元柱內的尾礦砂在下法蘭盤中隔離網的承載下不會散落，並仍能保持原狀，從而達到分層取樣的目的。具體實施例方式本發明專利提供一種尾礦堆積壩壩體毛細水帶分層取樣試驗裝置，可按附圖6進行組合安裝。試驗如需研究現場毛細水上升速率及其隨溫度、溼度、氣壓等因素的變化規律，可在裝置底座注水並保持浸潤線穩定後，按規定時間進行記錄毛細水的上升高度，含毛細水的礦砂相對於不含毛細水的礦砂顏色較深，通過肉眼即可辨別(可作為判定毛細水上升高度的依據)。考慮到開始階段毛細水上升速度較快，需間隔較短時間進行記錄(一般取5-10分鐘)；其後可將記錄時間間隔延長；通過分析試驗數據，來研究尾礦壩中毛細水上升的速率，及其隨溫度、氣壓、溼度等因素的變化規律。試驗如需研究毛細水帶不同高度處尾礦砂的物理力學性質，應待毛細水帶上升穩定後，根據試驗要求將該高度處的單元柱上下法蘭盤螺孔內的螺栓擰去，使該層單元柱分別與上下層單元柱脫離並單獨取出，隨後用環刀直接在該單元柱內取樣(同一高度可取3-4個樣品)，進行土力學相關試驗。為防止毛細水蒸發，試驗中需將取出的每節單元柱的頂面和底面用保鮮膜迅速密封。5、實施例實施選用未篩分的尾礦砂作為試驗原料，將未篩分的尾礦砂按上述裝料方法依次裝入各單元柱中並密實，裝樣高度為10個單元柱約(1. 5m);裝置組合併裝樣完成後即可進行試驗。通過注水瓶向底座單元柱的進水口注水，使尾礦砂中浸水，浸潤線高度由排水口控制。浸水後立即對毛細水上升高度進行記錄，開始階段前一個小時時間間隔為5分鐘，即記錄12次；第二、三個小時時間間隔分別為10分鐘和30分鐘；3小時後每4小時測記一次，晚上為8小時；由於毛細水初期的上升速率非常快，因此記錄時間間隔較短，記錄次數密集，一天後毛細水上升速度開始變得緩慢，即可隔天記錄或隔2天記錄一次。約一個月後，毛細水上升高度基本穩定下來，即可對毛細水帶砂土試樣進行分層取樣，研究每層尾礦砂的物理力學性質。按照前述使用方法進行取樣，每層單元柱高度為15cm，取樣時再可分為上、中、下三部分，即沿毛細水上升方向每間隔5cm取一次樣，每層取得的樣品通過土力學實驗測得其含水率、密度、比重、內摩擦角及粘聚力等物理力學參數，各層數據整理表，由表中數據經過分析研究即可得到毛細水帶不同高度處壩體的物理力學性質及其變化規律。
權利要求
1.毛細水帶分層取樣試驗裝置，由η個單元柱豎向串聯累疊而成，上下層單元柱通過螺釘固定連接，裝置最下層為進水單元柱，其特徵在於，單元柱包括尾礦砂(I)、上法蘭盤(2)、螺孔(3)、有機玻璃柱管(4)、筋板(5)、下法蘭盤(6)、隔離網(7)、密封槽(8)、嵌網板(9)、土工布(10)、進水口(11)、排水口(12)、底座(13)，其中，隔離網(7)嵌入嵌網板(9)中，密封槽(8)為沿嵌網板(9)的內沿向外沿打磨的淺槽圓環；下法蘭盤(6)下表面、密封槽(8)邊沿、嵌網板(9)上表面均勻塗抹有機玻璃膠，使下法蘭盤(6)與嵌網板(9)粘合在一起，將隔離網(7)與有機玻璃柱管(4)緊密固定；單元柱上法蘭盤(2)與下法蘭盤(6)和嵌網板(9)內外徑尺寸相同，上一單元柱的下法蘭盤可以無縫隙的累疊到下一層單元柱的上法蘭盤上；上下法蘭盤與有機玻璃柱管(4)連接處設有筋板(5);各單元柱通過螺孔(3)內的螺栓實現相互連接，從而實現各單元柱密封串聯累疊；在進水單元柱距底座5cm處布有兩個進水口(11)，對稱布置於柱管兩側；設置排水口(12)兩個,對稱布置於兩進水口之間；進水口和排水口內側均布有土工布(10);底座(13)為加厚有機玻璃板。
2.根據權利要求1所述的毛細水帶分層取樣試驗裝置，其特徵在於:n個單元柱為6-15個單元柱；有機玻璃柱管(5)的內徑由取樣環刀的內徑而定的，其水平截面內可同時用標準環刀取3-4個試樣做平行試驗；上法蘭盤(2)、下法蘭盤￠)、嵌網板(9)的內徑等於有機玻璃柱管(4)的外徑，外徑d=30cm，整個單元柱水平內徑截面面積始終相同；隔離網(7)的網格密度根據試驗尾礦砂的粒徑而定，為1.5 - 2cm ;有機玻璃柱管(5)的高度為15cm0
3.根據權利要求1所述的毛細水帶分層取樣試驗裝置，其特徵在於:所述密封槽(8)沿嵌網板(9)的內沿向外沿打磨20_寬、Imm深，密封槽的圓環直徑和深度約等於隔離網(7)的直徑和厚度。
4.根據權利 要求1所述的毛細水帶分層取樣試驗裝置，其特徵在於:所有單元柱沿豎向疊放，每個分層設置一個單元柱，每節單元柱下法蘭盤(6)設有隔離網(7)，與下一節單元柱的上法蘭盤(2)相連接。
5.根據權利要求1所述的毛細水帶分層取樣試驗裝置，其特徵在於:所述整個試驗裝置用耐腐蝕有機玻璃製成。
6.根據權利要求1所述的毛細水帶分層取樣試驗裝置，其特徵在於:毛細水帶分層取樣試驗裝置使用的具體步驟是: ①先根據所模擬的尾礦壩壩體尾礦砂物理性質確定單元柱的數量； ②向底座單元柱裝尾礦砂，每加入三分之一高度的尾礦砂，進行一次密實，最大程度還原尾礦壩壩體的初始狀態； ③當底座裝滿後，在其上部安裝一節單元柱，並通過螺孔(3)將其與底座栓到一起，向單元柱中加入尾礦砂，填裝尾礦砂方式同步驟②； ④本節單元柱加滿並密實後，疊加下一節單元柱並將其與前一節單元柱栓到一起，繼續填裝尾礦砂； ⑤重複④步驟直至試驗預計高度； ⑥採用注水瓶向進水口(11)注水，排水口(12)用以模擬並保持浸潤線高度； ⑦待毛細水帶穩定後，根據試驗目的進行分層取樣。
全文摘要
本發明涉及一種毛細水帶分層取樣試驗裝置。該裝置由n個單元柱串聯累疊而成，單元柱的隔離網嵌入嵌網板中，密封槽為沿嵌網板的內沿向外沿打磨約20mm寬、1mm深的淺槽圓環，其圓環直徑和深度約等於隔離網的直徑和厚度；下法蘭盤下表面、密封槽邊沿、嵌網板上表面均勻塗抹有機玻璃膠，使下法蘭盤與嵌網板粘合在一起，進而將隔離網與有機玻璃柱管緊密固定；單元柱上法蘭盤與下法蘭盤和嵌網板內外徑尺寸相同，上一單元柱的下法蘭盤可以無縫隙的累疊到下一層單元柱的上法蘭盤上；上下法蘭盤與有機玻璃柱管連接處設有筋板；各單元柱通過法蘭螺孔內的螺栓實現相互連接，從而實現各單元柱密封串聯累疊。該裝置結構簡單、製造和維修成本低、操作方便、適用性強，可廣泛推廣應用於土木工程、巖土工程等領域，進行毛細水作用下各種巖土體的物理模擬研究。
文檔編號G01N1/04GK103076200SQ20131000361
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月6日 優先權日2013年1月6日
發明者張志軍, 劉玄釗, 李亞俊, 潘文鑫, 劉永, 賀桂成, 章求才, 桂榮, 楊雨山, 李春光 申請人:南華大學