生态修复尾矿坝边坡稳定性模拟试验装置及其应用

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2021-11-04 14:09:19

权利要求

1.生态修复尾矿坝边坡稳定性模拟试验装置，其特征在于：砖槽结构上设有人工降雨装置，砖槽结构内部设有监测系统，人工降雨装置上连接有温度光照复合装置，砖槽结构内部设有排水装置。

2.如权利要求1所述的生态修复尾矿坝边坡稳定性模拟试验装置，其特征在于：所述的砖槽结构为：由四个槽体组成，在第一个槽体中填筑坡角分别为30°、25°、20°或15°的尾矿坝，进行素尾矿坝边坡稳定性模型实验；在砖槽结构底部均匀装入10cm厚的碎石层，并在碎石层上方铺设透水纱布。

3.如权利要求2所述的生态修复尾矿坝边坡稳定性模拟试验装置，其特征在于：所述的砖槽结构中的第二、三、四槽体均填筑与第一个槽体坡角对应的尾矿坝，分别种植乔、灌、草三类植物，用来分析不同植物类型对尾矿坝边坡稳定性的影响。

4.如权利要求1所述的生态修复尾矿坝边坡稳定性模拟试验装置，其特征在于：所述的人工降雨装置的结构为：由水泵、长方体水箱、铝合金喷水管、水箱支架和铝合金喷水管支架组成，长方体水箱位于砖槽结构一侧，水箱上设有进水管，长方形水箱与砖槽结构通过导水管连接，铝合金喷水管支架一端分别固定在砖槽结构的四个角处，另一端向上延伸组成立方体结构，铝合金喷水管作为导水管，通过U型螺栓固定在喷水管支架上，管间间距100mm，离箱体顶部垂直距离为2m，在铝合金管体上均匀钻孔，钻孔朝正下方，孔间距为50mm，孔径为2mm，采用可调节水量大小的潜水泵作为动力装置，通过调节水泵排水量，模拟小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的降雨水量。

5.如权利要求1所述的生态修复尾矿坝边坡稳定性模拟试验装置，其特征在于：所述的监测系统为：在槽体结构内尾矿坝的坡脚、坡面中部和坡肩的位置安装孔隙水压力计、土压力盒、位移标和温度传感器，用于坡内水分、温度、压力及坡面位移的监测。

6.如权利要求1所述的生态修复尾矿坝边坡稳定性模拟试验装置，其特征在于：所述的温度光照复合装置的结构为：由盏紫外灯和盏灯暖式浴霸组成，紫外灯固定在四个尾矿坝砖槽的降雨架顶端，位于槽体上方两端；灯暖式浴霸采用275W硬质石英防爆灯泡，固定在四个槽子的降雨架顶端，每个槽体一盏灯暖式浴霸放置于槽体上方正中间。

7.如权利要求1所述的生态修复尾矿坝边坡稳定性模拟试验装置，其特征在于：所述的砖槽结构设置底座，每个砖槽底部设置1条带排水管阀门的PVC排水管，排水管设置坡度为2%。在排水管上打孔，用土工布-100目铜网-土工布包裹排水管，聚乙烯绳扎紧，排水管阀门在砖槽结构出口处。

8.如权利要求1-6任一所述的生态修复尾矿坝边坡稳定性模拟试验装置的应用，其特征在于，步骤如下：1）、在坡脚、坡面中部、坡肩安设三个百分表来测定实验过程中三个位置的位移情况；2）利用在坡面中部竖直向下安设土压力盒和孔隙水压力计，来测定坡脚和边坡内部的应力和孔压，同时利用安设的温度传感器，以评价降雨-光照循环过程中对边坡稳定性的影响；3）、模拟降雨及日照环境分别按14 天为一个周期，7天模拟降雨环境，7天模拟日照环境，总共进行3个循环过程，在试验过程中每3小时监测坡内水分、温度、坡面位移模拟降雨环境，模拟降雨期间坡面温度10-20℃，模拟日照环境试验过程，白天晚上接通电源，对坡面进行日照模拟。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生态修复尾矿坝边坡稳定性模拟试验装置及其应用，属于矿山生态环境工程技术领域。

背景技术

随着矿业生产的快速增长，尾矿坝作为选矿厂生产设施的重要组成部分，其数量还在不断增加，尾矿坝的高度也随着矿业需求的增长而增高，尾矿坝失稳溃坝，不仅严重影响矿山本身的正常生产作业，而且会对当地工农业生产以及人民生命财产安全造成严重的威胁，因此，对尾矿坝边坡稳定性的分析及综合评价研究意义重大。传统的尾矿库模拟装置只能对单一尾矿坝结构进行模拟，无法提供多结构坝体的稳定性及生态修复效果参数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种生态修复尾矿坝边坡稳定性模拟试验装置及其应用，利用本装置进行生态修复实验，分析植物类型、根系结构对边坡水温影响和固土作用的效果，模拟人工降雨和日照环境，设置相应检测原件测定边坡位移、应力、孔压和温度等变化环境，进行尾矿坝渗流场、温度场及坡面变形的岩土力学模型实验，经研究植物修复尾矿坝的边坡稳定性。

为解决以上问题，本发明的具体技术方案如下：一种生态修复尾矿坝边坡稳定性模拟试验装置，砖槽结构上设有人工降雨装置，砖槽结构内部设有监测系统，人工降雨装置上连接有温度光照复合装置，砖槽结构内部设有排水装置。

所述的砖槽结构为：由四个槽体组成，在第一个槽体中填筑坡角分别为30°、25°、20°或15°的尾矿坝，进行素尾矿坝边坡稳定性模型实验；在砖槽结构底部均匀装入10cm厚的碎石层，并在碎石层上方铺设透水纱布。

所述的砖槽结构中的第二、三、四槽体均填筑与第一个槽体坡角对应的尾矿坝，分别种植乔、灌、草三类植物，用来分析不同植物类型对尾矿坝边坡稳定性的影响。

所述的人工降雨装置的结构为：由水泵、长方体水箱、铝合金喷水管、水箱支架和铝合金喷水管支架组成，长方体水箱位于砖槽结构一侧，水箱上设有进水管，长方形水箱与砖槽结构通过导水管连接，铝合金喷水管支架一端分别固定在砖槽结构的四个角处，另一端向上延伸组成立方体结构，铝合金喷水管作为导水管，通过U型螺栓固定在喷水管支架上，管间间距100mm，离箱体顶部垂直距离为2m，在铝合金管体上均匀钻孔，钻孔朝正下方，孔间距为50mm，孔径为2mm，采用可调节水量大小的潜水泵作为动力装置，通过调节水泵排水量，模拟小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的降雨水量。

所述的监测系统为：在槽体结构内尾矿坝的坡脚、坡面中部和坡肩的位置安装孔隙水压力计、土压力盒、位移标和温度传感器，用于坡内水分、温度、压力及坡面位移的监测。

所述的温度光照复合装置的结构为：由盏紫外灯和盏灯暖式浴霸组成，紫外灯固定在四个尾矿坝砖槽的降雨架顶端，位于槽体上方两端；灯暖式浴霸采用275W硬质石英防爆灯泡，固定在四个槽子的降雨架顶端，每个槽体一盏灯暖式浴霸放置于槽体上方正中间。

所述的砖槽结构设置底座，每个砖槽底部设置1条带排水管阀门的PVC排水管，排水管设置坡度为2%。在排水管上打孔，用土工布-100目铜网-土工布包裹排水管，聚乙烯绳扎紧，排水管阀门在砖槽结构出口处。

生态修复尾矿坝边坡稳定性模拟试验装置的应用，步骤如下：1）、在坡脚、坡面中部、坡肩安设三个百分表来测定实验过程中三个位置的位移情况；2）利用在坡面中部竖直向下安设土压力盒和孔隙水压力计，来测定坡脚和边坡内部的应力和孔压，同时利用安设的温度传感器，以评价降雨-光照循环过程中对边坡稳定性的影响；3）、模拟降雨及日照环境分别按14 天为一个周期，7天模拟降雨环境，7天模拟日照环境，总共进行3个循环过程，在试验过程中每3小时监测坡内水分、温度、坡面位移模拟降雨环境，模拟降雨期间坡面温度10-20℃，模拟日照环境试验过程，白天晚上接通电源，对坡面进行日照模拟。

本发明带来的有益效果为：可达到一模型多用处的效果，有效评价降雨-光照循环过程中对边坡稳定性的影响，分析植物类型、根系构型等对边坡水文影响和固土作用的效果，模拟人工降雨和日照环境下，尾矿坝渗流场、温度场及坡面变形的岩土力学模型实验，研究植物修复尾矿坝的边坡稳定性，对矿山生态修复工程的准确实施，确保矿山企业安全生产、提高生态修复效果具有重要指导意义。

附图说明

图1为生态修复尾矿坝边坡稳定性模拟试验装置结构示意图。

图2为砖槽结构平面结构示意图。

图2-1为坡角为30°的尾矿坝结构示意图。

图2-2为坡角为25°的尾矿坝结构示意图。

图2-3为坡角为20°的尾矿坝结构示意图。

图2-4为坡脚为15°的尾矿坝结构示意图。

图3为模型设备安装位置示意图。

图4为模型设备温度传感器分布位置示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种生态修复尾矿坝边坡稳定性模拟试验装置，砖槽结构9上设有人工降雨装置1，砖槽结构9内部设有监测系统，人工降雨装置1上连接有温度光照复合装置13，砖槽结构9内部设有排水装置。

如图2到图2-4所示，所述的砖槽结构9为：由四个槽体组成，在第一个槽体中填筑坡角分别为30°、25°、20°或15°的尾矿坝，进行素尾矿坝边坡稳定性模型实验，坡高1.2m，对应水平距离分别为2.2m、2.6m、3.3m、4.4m；在砖槽结构9底部均匀装入10cm厚的碎石层16，并在碎石层16上方铺设透水纱布。砖槽结构9整体为长方体，五面封闭，顶部开口，内部边界尺寸为6m×7m×1.8m，箱体结构的左、右、前、后面由水泥砖砌成，外表用水泥砂浆抹平。

所述的砖槽结构9中的第二、三、四槽体均填筑与第一个槽体坡角对应的尾矿坝，分别种植乔、灌、草三类植物，用来分析不同植物类型对尾矿坝边坡稳定性的影响。

砖槽结构9设置底座7，高300mm，底部做防渗面，用425#水泥；每个砖槽底部设置1条带排水管8阀门的PVC排水管8，分别离槽子左右两边界750mm设置，排水管8内部直径90mm，长度7.5m，排水管8设置坡度为2%，在排水管8上打孔，孔内径10mm，每隔25mm打一个孔，用400g/m2的土工布-100目铜网-土工布包裹排水管8，聚乙烯绳扎紧，排水管阀门6在砖槽出口处。

如图1所示，所述的人工降雨装置1的结构为：水箱4尺寸为5m×1.1m×0.8m，由5mm钢板焊接而成，水箱支架5由50mm×50mm×4mm方形钢管焊接而成，高度1.8m；内径10mm铝合金管作为水流管道，通过U型螺栓固定在喷水管支架10上，管间间距100mm，离箱体顶部垂直距离为2m，在铝合金管体上均匀钻孔，钻孔朝正下方，孔间距为50mm，孔径为2mm，铝合金管通过φ20mm胶管连接到水箱4底部的出水孔，喷水管支架10由50mm×50mm×4mm方形钢管焊接而成，高度4m，长方体水箱4位于砖槽结构9一侧，水箱4上设有进水管15，长方形水箱4与砖槽结构9通过导水管3连接，铝合金喷水管支架10一端分别固定在砖槽结构9的四个角处，另一端向上延伸组成立方体结构，铝合金喷水管11作为导水管3，通过U型螺栓固定在喷水管支架10上，管间间距100mm，离箱体顶部垂直距离为2m，在铝合金管体上均匀钻孔，钻孔朝正下方，孔间距为50mm，孔径为2mm，采用可调节水量大小的水泵2作为动力装置，通过调节水泵2排水量，模拟小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的降雨水量。

如图3和图4所示，所述的监测系统为：在槽体结构内尾矿坝的坡脚、坡面中部和坡肩的位置安装孔隙水压力计、土压力盒、位移标和温度传感器，用于坡内水分、温度、压力及坡面位移的监测。

所述的温度光照复合装置13的结构为：由盏紫外灯12和盏灯暖式浴霸14组成，紫外灯12固定在四个尾矿坝砖槽的降雨架顶端，位于槽体上方两端；灯暖式浴霸14采用275W硬质石英防爆灯泡，固定在四个槽子的降雨架顶端，每个槽体一盏灯暖式浴霸14放置于槽体上方正中间。

所述的砖槽结构9设置底座7，每个砖槽底部设置1条带排水管8阀门的PVC排水管8，排水管8设置坡度为2%。在排水管8上打孔，用土工布-100目铜网-土工布包裹排水管8，聚乙烯绳扎紧，排水管8阀门在砖槽结构9出口处。

土壤堆填时，槽内尾矿采用现场采集的尾矿库库区及初期坝、堆积坝岩土基质进行堆填，土壤堆填前，在砖槽底部均匀装入10cm厚的碎石层16，并铺上透水纱布，以使砖槽底部土壤透气透水性接近自然状态；然后在纱布上装填尾矿坝土壤，为兼顾不同位置的尾矿砂，参考尾矿库的实际坝体结构，在尾矿库现场采样时剖面法随机挖取埋深2m内的方式进行挖土，人工填土时尽量保证现场原始土壤层次分层填入分隔区内，分层填土时，边填土边压实，并尽量保证各处填土厚度均匀，每填完并压实一层后，在填装上面一层之前将下面一土层表面用齿耙耙松，然后再填上面一层土壤，以保证两个土层的接触面均匀一致，还需注意土面保持平整；填筑完成后堆积坝外坡分别按30°、25°、20°、15°的坡角放坡填筑，内坡按5°坡度进行削坡，在尾矿模型填筑过程中，四个槽体均埋设孔隙水压力计U1-8；土压力计1-8；位移标S1-8；温度传感器T1-14，进行坡内水分、压力、温度及坡面位移监测。

模型温度光照复合装置13由24盏紫外灯12和4盏灯暖式浴霸14组成，紫外灯12固定在四个尾矿坝砖槽的降雨架顶端，达到太阳光光照的模拟效果；灯暖式浴霸14采用275W硬质石英防爆灯泡，固定在四个槽子的降雨架顶端，每个槽体一盏灯暖式浴霸14，集升温和光照等功能于一体。

实施例：（1）降雨入渗稳定性分析实验方法

1）、进行降雨前需通过调节水泵2排水量，用量筒在边坡的3个不同位置采集雨水，时间到达5min时取出量筒，读取降雨量，换算出降雨强度，然后将三个数据进行平均以得到客观的降雨强度，与所需的降雨强度进行比较，然后调节水泵2排水量，再次量取5min时降雨量，换算降雨强度，如此反复直到达到所要求的降雨强度；

2）、研究不同降雨历时、不同降雨强度对边坡稳定性的影响：参考国家气象局降雨强度标准，选择降雨强度分别为0.3 mm·h-1、1 mm·h-1、2 mm·h-1、4 mm·h-1、10 mm·h-1，降雨时间分别为200h、60h、30h、15h、6h，将降雨强度和降雨历时进行不同组合，可研究低强度长历时和高强度短历时、相同降雨持时不同降雨强度、同等降雨强度不同降雨历时等情况下的尾矿坝边坡稳定性；

3）、根据实际工况，每次降雨过程中跟踪观察雨水对坡面的侵蚀情况，采用土压力计、孔隙水压力计、激光测距仪来测读边坡关键位置的土压力、孔隙水压力和位移，每次降雨结束读数一次；

（2）模拟降雨-光照循环下应力及位移响应实验

1）、在坡脚、坡面中部、坡肩安设三个百分表来测定实验过程中三个位置的位移情况；利用在坡面中部竖直向下安设土压力盒和孔隙水压力计，来测定坡脚和边坡内部的应力和孔压，同时利用安设的温度传感器，以评价降雨-光照循环过程中对边坡稳定性的影响。

2）、模拟降雨及日照环境分别按14 d为一个周期，7d模拟降雨环境，7d模拟日照环境，总共进行3个循环过程。在试验过程中每3小时监测坡内水分、温度、坡面位移模拟降雨环境，模拟降雨期间坡面温度10-20℃。模拟日照环境试验过程，白天晚上接通电源，对坡面进行日照模拟。

以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，也应视为属于本发明的保护范围。