權(quán)利要求

1.生態(tài)修復尾礦壩邊坡穩(wěn)定性模擬試驗裝置，其特征在于：磚槽結(jié)構(gòu)上設(shè)有人工降雨裝置，磚槽結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)有監(jiān)測系統(tǒng)，人工降雨裝置上連接有溫度光照復合裝置，磚槽結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)有排水裝置。

2.如權(quán)利要求1所述的生態(tài)修復尾礦壩邊坡穩(wěn)定性模擬試驗裝置，其特征在于：所述的磚槽結(jié)構(gòu)為：由四個槽體組成，在第一個槽體中填筑坡角分別為30°、25°、20°或15°的尾礦壩，進行素尾礦壩邊坡穩(wěn)定性模型實驗；在磚槽結(jié)構(gòu)底部均勻裝入10cm厚的碎石層，并在碎石層上方鋪設(shè)透水紗布。

3.如權(quán)利要求2所述的生態(tài)修復尾礦壩邊坡穩(wěn)定性模擬試驗裝置，其特征在于：所述的磚槽結(jié)構(gòu)中的第二、三、四槽體均填筑與第一個槽體坡角對應的尾礦壩，分別種植喬、灌、草三類植物，用來分析不同植物類型對尾礦壩邊坡穩(wěn)定性的影響。

4.如權(quán)利要求1所述的生態(tài)修復尾礦壩邊坡穩(wěn)定性模擬試驗裝置，其特征在于：所述的人工降雨裝置的結(jié)構(gòu)為：由水泵、長方體水箱、鋁合金噴水管、水箱支架和鋁合金噴水管支架組成，長方體水箱位于磚槽結(jié)構(gòu)一側(cè)，水箱上設(shè)有進水管，長方形水箱與磚槽結(jié)構(gòu)通過導水管連接，鋁合金噴水管支架一端分別固定在磚槽結(jié)構(gòu)的四個角處，另一端向上延伸組成立方體結(jié)構(gòu)，鋁合金噴水管作為導水管，通過U型螺栓固定在噴水管支架上，管間間距100mm，離箱體頂部垂直距離為2m，在鋁合金管體上均勻鉆孔，鉆孔朝正下方，孔間距為50mm，孔徑為2mm，采用可調(diào)節(jié)水量大小的潛水泵作為動力裝置，通過調(diào)節(jié)水泵排水量，模擬小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的降雨水量。

5.如權(quán)利要求1所述的生態(tài)修復尾礦壩邊坡穩(wěn)定性模擬試驗裝置，其特征在于：所述的監(jiān)測系統(tǒng)為：在槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)尾礦壩的坡腳、坡面中部和坡肩的位置安裝孔隙水壓力計、土壓力盒、位移標和溫度傳感器，用于坡內(nèi)水分、溫度、壓力及坡面位移的監(jiān)測。

6.如權(quán)利要求1所述的生態(tài)修復尾礦壩邊坡穩(wěn)定性模擬試驗裝置，其特征在于：所述的溫度光照復合裝置的結(jié)構(gòu)為：由盞紫外燈和盞燈暖式浴霸組成，紫外燈固定在四個尾礦壩磚槽的降雨架頂端，位于槽體上方兩端；燈暖式浴霸采用275W硬質(zhì)石英防爆燈泡，固定在四個槽子的降雨架頂端，每個槽體一盞燈暖式浴霸放置于槽體上方正中間。

7.如權(quán)利要求1所述的生態(tài)修復尾礦壩邊坡穩(wěn)定性模擬試驗裝置，其特征在于：所述的磚槽結(jié)構(gòu)設(shè)置底座，每個磚槽底部設(shè)置1條帶排水管閥門的PVC排水管，排水管設(shè)置坡度為2%。在排水管上打孔，用土工布-100目銅網(wǎng)-土工布包裹排水管，聚乙烯繩扎緊，排水管閥門在磚槽結(jié)構(gòu)出口處。

8.如權(quán)利要求1-6任一所述的生態(tài)修復尾礦壩邊坡穩(wěn)定性模擬試驗裝置的應用，其特征在于，步驟如下：1）、在坡腳、坡面中部、坡肩安設(shè)三個百分表來測定實驗過程中三個位置的位移情況；2）利用在坡面中部豎直向下安設(shè)土壓力盒和孔隙水壓力計，來測定坡腳和邊坡內(nèi)部的應力和孔壓，同時利用安設(shè)的溫度傳感器，以評價降雨-光照循環(huán)過程中對邊坡穩(wěn)定性的影響；3）、模擬降雨及日照環(huán)境分別按14 天為一個周期，7天模擬降雨環(huán)境，7天模擬日照環(huán)境，總共進行3個循環(huán)過程，在試驗過程中每3小時監(jiān)測坡內(nèi)水分、溫度、坡面位移模擬降雨環(huán)境，模擬降雨期間坡面溫度10-20℃，模擬日照環(huán)境試驗過程，白天晚上接通電源，對坡面進行日照模擬。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種生態(tài)修復尾礦壩邊坡穩(wěn)定性模擬試驗裝置及其應用，屬于礦山生態(tài)環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著礦業(yè)生產(chǎn)的快速增長，尾礦壩作為選礦廠生產(chǎn)設(shè)施的重要組成部分，其數(shù)量還在不斷增加，尾礦壩的高度也隨著礦業(yè)需求的增長而增高，尾礦壩失穩(wěn)潰壩，不僅嚴重影響礦山本身的正常生產(chǎn)作業(yè)，而且會對當?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人民生命財產(chǎn)安全造成嚴重的威脅，因此，對尾礦壩邊坡穩(wěn)定性的分析及綜合評價研究意義重大。傳統(tǒng)的尾礦庫模擬裝置只能對單一尾礦壩結(jié)構(gòu)進行模擬，無法提供多結(jié)構(gòu)壩體的穩(wěn)定性及生態(tài)修復效果參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種生態(tài)修復尾礦壩邊坡穩(wěn)定性模擬試驗裝置及其應用，利用本裝置進行生態(tài)修復實驗，分析植物類型、根系結(jié)構(gòu)對邊坡水溫影響和固土作用的效果，模擬人工降雨和日照環(huán)境，設(shè)置相應檢測原件測定邊坡位移、應力、孔壓和溫度等變化環(huán)境，進行尾礦壩滲流場、溫度場及坡面變形的巖土力學模型實驗，經(jīng)研究植物修復尾礦壩的邊坡穩(wěn)定性。

為解決以上問題，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：一種生態(tài)修復尾礦壩邊坡穩(wěn)定性模擬試驗裝置，磚槽結(jié)構(gòu)上設(shè)有人工降雨裝置，磚槽結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)有監(jiān)測系統(tǒng)，人工降雨裝置上連接有溫度光照復合裝置，磚槽結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)有排水裝置。

所述的磚槽結(jié)構(gòu)為：由四個槽體組成，在第一個槽體中填筑坡角分別為30°、25°、20°或15°的尾礦壩，進行素尾礦壩邊坡穩(wěn)定性模型實驗；在磚槽結(jié)構(gòu)底部均勻裝入10cm厚的碎石層，并在碎石層上方鋪設(shè)透水紗布。

所述的磚槽結(jié)構(gòu)中的第二、三、四槽體均填筑與第一個槽體坡角對應的尾礦壩，分別種植喬、灌、草三類植物，用來分析不同植物類型對尾礦壩邊坡穩(wěn)定性的影響。

所述的人工降雨裝置的結(jié)構(gòu)為：由水泵、長方體水箱、鋁合金噴水管、水箱支架和鋁合金噴水管支架組成，長方體水箱位于磚槽結(jié)構(gòu)一側(cè)，水箱上設(shè)有進水管，長方形水箱與磚槽結(jié)構(gòu)通過導水管連接，鋁合金噴水管支架一端分別固定在磚槽結(jié)構(gòu)的四個角處，另一端向上延伸組成立方體結(jié)構(gòu)，鋁合金噴水管作為導水管，通過U型螺栓固定在噴水管支架上，管間間距100mm，離箱體頂部垂直距離為2m，在鋁合金管體上均勻鉆孔，鉆孔朝正下方，孔間距為50mm，孔徑為2mm，采用可調(diào)節(jié)水量大小的潛水泵作為動力裝置，通過調(diào)節(jié)水泵排水量，模擬小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的降雨水量。

所述的監(jiān)測系統(tǒng)為：在槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)尾礦壩的坡腳、坡面中部和坡肩的位置安裝孔隙水壓力計、土壓力盒、位移標和溫度傳感器，用于坡內(nèi)水分、溫度、壓力及坡面位移的監(jiān)測。

所述的溫度光照復合裝置的結(jié)構(gòu)為：由盞紫外燈和盞燈暖式浴霸組成，紫外燈固定在四個尾礦壩磚槽的降雨架頂端，位于槽體上方兩端；燈暖式浴霸采用275W硬質(zhì)石英防爆燈泡，固定在四個槽子的降雨架頂端，每個槽體一盞燈暖式浴霸放置于槽體上方正中間。

所述的磚槽結(jié)構(gòu)設(shè)置底座，每個磚槽底部設(shè)置1條帶排水管閥門的PVC排水管，排水管設(shè)置坡度為2%。在排水管上打孔，用土工布-100目銅網(wǎng)-土工布包裹排水管，聚乙烯繩扎緊，排水管閥門在磚槽結(jié)構(gòu)出口處。

生態(tài)修復尾礦壩邊坡穩(wěn)定性模擬試驗裝置的應用，步驟如下：1）、在坡腳、坡面中部、坡肩安設(shè)三個百分表來測定實驗過程中三個位置的位移情況；2）利用在坡面中部豎直向下安設(shè)土壓力盒和孔隙水壓力計，來測定坡腳和邊坡內(nèi)部的應力和孔壓，同時利用安設(shè)的溫度傳感器，以評價降雨-光照循環(huán)過程中對邊坡穩(wěn)定性的影響；3）、模擬降雨及日照環(huán)境分別按14 天為一個周期，7天模擬降雨環(huán)境，7天模擬日照環(huán)境，總共進行3個循環(huán)過程，在試驗過程中每3小時監(jiān)測坡內(nèi)水分、溫度、坡面位移模擬降雨環(huán)境，模擬降雨期間坡面溫度10-20℃，模擬日照環(huán)境試驗過程，白天晚上接通電源，對坡面進行日照模擬。

本發(fā)明帶來的有益效果為：可達到一模型多用處的效果，有效評價降雨-光照循環(huán)過程中對邊坡穩(wěn)定性的影響，分析植物類型、根系構(gòu)型等對邊坡水文影響和固土作用的效果，模擬人工降雨和日照環(huán)境下，尾礦壩滲流場、溫度場及坡面變形的巖土力學模型實驗，研究植物修復尾礦壩的邊坡穩(wěn)定性，對礦山生態(tài)修復工程的準確實施，確保礦山企業(yè)安全生產(chǎn)、提高生態(tài)修復效果具有重要指導意義。

附圖說明

圖1為生態(tài)修復尾礦壩邊坡穩(wěn)定性模擬試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為磚槽結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2-1為坡角為30°的尾礦壩結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2-2為坡角為25°的尾礦壩結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2-3為坡角為20°的尾礦壩結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2-4為坡腳為15°的尾礦壩結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為模型設(shè)備安裝位置示意圖。

圖4為模型設(shè)備溫度傳感器分布位置示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種生態(tài)修復尾礦壩邊坡穩(wěn)定性模擬試驗裝置，磚槽結(jié)構(gòu)9上設(shè)有人工降雨裝置1，磚槽結(jié)構(gòu)9內(nèi)部設(shè)有監(jiān)測系統(tǒng)，人工降雨裝置1上連接有溫度光照復合裝置13，磚槽結(jié)構(gòu)9內(nèi)部設(shè)有排水裝置。

如圖2到圖2-4所示，所述的磚槽結(jié)構(gòu)9為：由四個槽體組成，在第一個槽體中填筑坡角分別為30°、25°、20°或15°的尾礦壩，進行素尾礦壩邊坡穩(wěn)定性模型實驗，坡高1.2m，對應水平距離分別為2.2m、2.6m、3.3m、4.4m；在磚槽結(jié)構(gòu)9底部均勻裝入10cm厚的碎石層16，并在碎石層16上方鋪設(shè)透水紗布。磚槽結(jié)構(gòu)9整體為長方體，五面封閉，頂部開口，內(nèi)部邊界尺寸為6m×7m×1.8m，箱體結(jié)構(gòu)的左、右、前、后面由水泥磚砌成，外表用水泥砂漿抹平。

所述的磚槽結(jié)構(gòu)9中的第二、三、四槽體均填筑與第一個槽體坡角對應的尾礦壩，分別種植喬、灌、草三類植物，用來分析不同植物類型對尾礦壩邊坡穩(wěn)定性的影響。

磚槽結(jié)構(gòu)9設(shè)置底座7，高300mm，底部做防滲面，用425#水泥；每個磚槽底部設(shè)置1條帶排水管8閥門的PVC排水管8，分別離槽子左右兩邊界750mm設(shè)置，排水管8內(nèi)部直徑90mm，長度7.5m，排水管8設(shè)置坡度為2%，在排水管8上打孔，孔內(nèi)徑10mm，每隔25mm打一個孔，用400g/m2的土工布-100目銅網(wǎng)-土工布包裹排水管8，聚乙烯繩扎緊，排水管閥門6在磚槽出口處。

如圖1所示，所述的人工降雨裝置1的結(jié)構(gòu)為：水箱4尺寸為5m×1.1m×0.8m，由5mm鋼板焊接而成，水箱支架5由50mm×50mm×4mm方形鋼管焊接而成，高度1.8m；內(nèi)徑10mm鋁合金管作為水流管道，通過U型螺栓固定在噴水管支架10上，管間間距100mm，離箱體頂部垂直距離為2m，在鋁合金管體上均勻鉆孔，鉆孔朝正下方，孔間距為50mm，孔徑為2mm，鋁合金管通過φ20mm膠管連接到水箱4底部的出水孔，噴水管支架10由50mm×50mm×4mm方形鋼管焊接而成，高度4m，長方體水箱4位于磚槽結(jié)構(gòu)9一側(cè)，水箱4上設(shè)有進水管15，長方形水箱4與磚槽結(jié)構(gòu)9通過導水管3連接，鋁合金噴水管支架10一端分別固定在磚槽結(jié)構(gòu)9的四個角處，另一端向上延伸組成立方體結(jié)構(gòu)，鋁合金噴水管11作為導水管3，通過U型螺栓固定在噴水管支架10上，管間間距100mm，離箱體頂部垂直距離為2m，在鋁合金管體上均勻鉆孔，鉆孔朝正下方，孔間距為50mm，孔徑為2mm，采用可調(diào)節(jié)水量大小的水泵2作為動力裝置，通過調(diào)節(jié)水泵2排水量，模擬小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的降雨水量。

如圖3和圖4所示，所述的監(jiān)測系統(tǒng)為：在槽體結(jié)構(gòu)內(nèi)尾礦壩的坡腳、坡面中部和坡肩的位置安裝孔隙水壓力計、土壓力盒、位移標和溫度傳感器，用于坡內(nèi)水分、溫度、壓力及坡面位移的監(jiān)測。

所述的溫度光照復合裝置13的結(jié)構(gòu)為：由盞紫外燈12和盞燈暖式浴霸14組成，紫外燈12固定在四個尾礦壩磚槽的降雨架頂端，位于槽體上方兩端；燈暖式浴霸14采用275W硬質(zhì)石英防爆燈泡，固定在四個槽子的降雨架頂端，每個槽體一盞燈暖式浴霸14放置于槽體上方正中間。

所述的磚槽結(jié)構(gòu)9設(shè)置底座7，每個磚槽底部設(shè)置1條帶排水管8閥門的PVC排水管8，排水管8設(shè)置坡度為2%。在排水管8上打孔，用土工布-100目銅網(wǎng)-土工布包裹排水管8，聚乙烯繩扎緊，排水管8閥門在磚槽結(jié)構(gòu)9出口處。

土壤堆填時，槽內(nèi)尾礦采用現(xiàn)場采集的尾礦庫庫區(qū)及初期壩、堆積壩巖土基質(zhì)進行堆填，土壤堆填前，在磚槽底部均勻裝入10cm厚的碎石層16，并鋪上透水紗布，以使磚槽底部土壤透氣透水性接近自然狀態(tài)；然后在紗布上裝填尾礦壩土壤，為兼顧不同位置的尾礦砂，參考尾礦庫的實際壩體結(jié)構(gòu)，在尾礦庫現(xiàn)場采樣時剖面法隨機挖取埋深2m內(nèi)的方式進行挖土，人工填土時盡量保證現(xiàn)場原始土壤層次分層填入分隔區(qū)內(nèi)，分層填土時，邊填土邊壓實，并盡量保證各處填土厚度均勻，每填完并壓實一層后，在填裝上面一層之前將下面一土層表面用齒耙耙松，然后再填上面一層土壤，以保證兩個土層的接觸面均勻一致，還需注意土面保持平整；填筑完成后堆積壩外坡分別按30°、25°、20°、15°的坡角放坡填筑，內(nèi)坡按5°坡度進行削坡，在尾礦模型填筑過程中，四個槽體均埋設(shè)孔隙水壓力計U1-8；土壓力計1-8；位移標S1-8；溫度傳感器T1-14，進行坡內(nèi)水分、壓力、溫度及坡面位移監(jiān)測。

模型溫度光照復合裝置13由24盞紫外燈12和4盞燈暖式浴霸14組成，紫外燈12固定在四個尾礦壩磚槽的降雨架頂端，達到太陽光光照的模擬效果；燈暖式浴霸14采用275W硬質(zhì)石英防爆燈泡，固定在四個槽子的降雨架頂端，每個槽體一盞燈暖式浴霸14，集升溫和光照等功能于一體。

生態(tài)修復尾礦壩邊坡穩(wěn)定性模擬試驗裝置的應用，步驟如下：1）、在坡腳、坡面中部、坡肩安設(shè)三個百分表來測定實驗過程中三個位置的位移情況；2）利用在坡面中部豎直向下安設(shè)土壓力盒和孔隙水壓力計，來測定坡腳和邊坡內(nèi)部的應力和孔壓，同時利用安設(shè)的溫度傳感器，以評價降雨-光照循環(huán)過程中對邊坡穩(wěn)定性的影響；3）、模擬降雨及日照環(huán)境分別按14 天為一個周期，7天模擬降雨環(huán)境，7天模擬日照環(huán)境，總共進行3個循環(huán)過程，在試驗過程中每3小時監(jiān)測坡內(nèi)水分、溫度、坡面位移模擬降雨環(huán)境，模擬降雨期間坡面溫度10-20℃，模擬日照環(huán)境試驗過程，白天晚上接通電源，對坡面進行日照模擬。

實施例：（1）降雨入滲穩(wěn)定性分析實驗方法

1）、進行降雨前需通過調(diào)節(jié)水泵2排水量，用量筒在邊坡的3個不同位置采集雨水，時間到達5min時取出量筒，讀取降雨量，換算出降雨強度，然后將三個數(shù)據(jù)進行平均以得到客觀的降雨強度，與所需的降雨強度進行比較，然后調(diào)節(jié)水泵2排水量，再次量取5min時降雨量，換算降雨強度，如此反復直到達到所要求的降雨強度；

2）、研究不同降雨歷時、不同降雨強度對邊坡穩(wěn)定性的影響：參考國家氣象局降雨強度標準，選擇降雨強度分別為0.3 mm·h-1、1 mm·h-1、2 mm·h-1、4 mm·h-1、10 mm·h-1，降雨時間分別為200h、60h、30h、15h、6h，將降雨強度和降雨歷時進行不同組合，可研究低強度長歷時和高強度短歷時、相同降雨持時不同降雨強度、同等降雨強度不同降雨歷時等情況下的尾礦壩邊坡穩(wěn)定性；

3）、根據(jù)實際工況，每次降雨過程中跟蹤觀察雨水對坡面的侵蝕情況，采用土壓力計、孔隙水壓力計、激光測距儀來測讀邊坡關(guān)鍵位置的土壓力、孔隙水壓力和位移，每次降雨結(jié)束讀數(shù)一次；

（2）模擬降雨-光照循環(huán)下應力及位移響應實驗

1）、在坡腳、坡面中部、坡肩安設(shè)三個百分表來測定實驗過程中三個位置的位移情況；利用在坡面中部豎直向下安設(shè)土壓力盒和孔隙水壓力計，來測定坡腳和邊坡內(nèi)部的應力和孔壓，同時利用安設(shè)的溫度傳感器，以評價降雨-光照循環(huán)過程中對邊坡穩(wěn)定性的影響。

2）、模擬降雨及日照環(huán)境分別按14 d為一個周期，7d模擬降雨環(huán)境，7d模擬日照環(huán)境，總共進行3個循環(huán)過程。在試驗過程中每3小時監(jiān)測坡內(nèi)水分、溫度、坡面位移模擬降雨環(huán)境，模擬降雨期間坡面溫度10-20℃。模擬日照環(huán)境試驗過程，白天晚上接通電源，對坡面進行日照模擬。

以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施例。應當指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干變型和改進，也應視為屬于本發(fā)明的保護范圍。