尾矿坝溃决破坏相似模拟试验装置

摘要

本发明公开了一种尾矿坝溃决破坏相似模拟试验装置，设置有模拟库区，该模拟库区的库坝连接有模拟沟谷，其特征在于：位于库尾处的模拟库区底部安装有顶升推杆，该顶升推杆安装在液压缸上；所述模拟沟谷有至少二节沟槽依次首尾连接组成，相邻沟槽之间经可调关节连接；所述模拟库区的库坝由固定支架和至少一块活动挡板构成。其显著效果是：兼容性强、结构简单、成本低、易于维修、操作方便，能对不同高度、容量的尾矿库进行模拟，面对尾矿库不同溃坝口宽、不同走向和坡度的沟谷，都能获得出溃坝泥浆的流态演进特征、泥浆运动过程中的应力场、流场分布规律，以及泥浆冲击扇范围、沉积厚度随泥浆运动距离的关系等数据。

说明书

技术领域

本发明属于尾矿库模拟试验设备，具体地说，是一种用于模拟测试尾矿库溃决的尾矿坝溃决破坏相似模拟试验装置。

背景技术

尾矿库是一种特殊的工业建筑物，也是一座人工建造的具有高势能泥石流的巨大危险源，因其存在溃坝的危险，所以它是矿山安全的头等问题。到目前为止，世界上正在使用的各类尾矿库有20多万座，且部分存在较大的安全隐患。由于矿山企业一味追求经济利益，置尾矿坝安全于不顾，导致各地发生了许多灾难性的溃坝事故。然而，通过对国内外资料的搜集与研读，发现对尾矿坝的研究多集中在环境污染、稳定性分析等方面，而对尾矿坝溃坝灾害的研究基本为一个空白。尾矿坝一旦溃坝，将对下游造成的巨大灾害，因此，尾矿坝溃坝泥浆的流态演进过程以及泥浆运动过程中的应力场和流场分布规律的测算和分析是尾矿坝溃坝流体力学发展之关键技术。

尾矿坝溃坝研究目的就是为了通过对溃坝流态演进过程的分析计算，预测尾矿库泄砂总量、坝址最大砂流量、坝址流量过程线、重要建筑物处的受力过程等溃坝重要参数，全面分析溃坝灾害的影响范围和程度，为下游防灾减灾工程等一系列安全问题提供可靠、坚实的理论基础。指导并提出下游救援应急预案，指出下游人员的撤离高程，并指导其撤离危险区域。

在尾矿坝溃坝风险评估方面，可根据溃坝计算结果，评估下游地区的灾害情况；在尾矿坝设计方面，通过对尾矿坝溃坝流体力学的深入研究，溃坝计算成果可为设计单位对尾矿坝的现场设计与施工提供参考资料，设计单位可根据溃坝计算数据决定是否在坝体下游建立拦挡坝、导流槽，以减缓矿浆对下游重要建筑物的冲击力度，达到防灾减灾的作用。

现有技术的缺点是：还没有一种装置只能对单一尾矿库进行模拟试验，不具备兼容性，无法模拟不同坝高、坡度、容量和流量的尾矿库，更无法对下游沟谷不同的走向和坡度进行模拟试验。都不能在尾矿库库坝不同高度、不同溃坝口宽下模拟出溃坝泥浆的流态演进特征、泥浆运动过程中的应力场、流场分布规律，以及泥浆冲击扇范围、沉积厚度随泥浆运动距离的关系等尾矿库溃坝数据。

发明内容

本发明的目的是提供一种兼容性强的尾矿坝溃决破坏相似模拟试验装置，能对不同坝高、坡度、容量的尾矿库进行模拟，面对尾矿库不同溃坝口宽、不同走向和坡度的沟谷，都能获得出溃坝泥浆的流态演进特征、泥浆运动过程中的应力场、流场分布规律，以及泥浆冲击扇范围、沉积厚度随泥浆运动距离的关系等数据。

为达到上述目的，本发明提供了一种尾矿坝溃决破坏相似模拟试验装置，设置有模拟库区，该模拟库区的库坝连接有模拟沟谷，其关键在于：位于库尾处的模拟库区底部安装有顶升推杆，该顶升推杆安装在液压缸上，位于库坝处的模拟库区底部安装有库坝转轴，模拟库区经库坝转轴铰接在库区基座上：

通过顶升推杆控制库尾和库坝的相对高度，就能调节尾矿坝内模拟库区的坡度、高度和容量，实现对不同库区沟谷坡度尾矿坝的模拟。

所述模拟沟谷有至少二节沟槽依次首尾连接组成，其中首节沟槽的首端安装在所述库区基座上，相邻沟槽之间经可调关节连接；

首节沟槽的首端与库区基座相铰接，以适应其尾端可调关节的运动。

所述可调关节包括沟槽转轴，相邻沟槽的首端焊接有首端套管，尾端底部都焊接有尾端套管，首端套管和尾端套管都套装在所述沟槽转轴上，沟槽转轴的两端固定在“门”形推杆两端的立柱上，该门形推杆的横梁连接在电动提升机构上，该电动提升机构安装在“门”形站架上。

常见的电动提升机构是由电机带动的齿轮齿条啮合装置，电机带动的齿轮旋转，与齿轮啮合的齿条拉动推杆上行或下行。

不同电动提升机构通过门形推杆分别控制的沟槽首端和尾段的高度，就能控制沟槽自身的坡度，也能控制相邻沟槽之间的坡度。实现不同下游沟谷坡度的模拟。

所述模拟库区的库坝由固定支架和至少一块活动挡板构成，所述活动挡板上安装有吊耳，该吊耳经螺栓与起吊横梁相装配，该起吊横梁的一端与所述固定支架相铰接，该起吊横梁的另一端连接在库坝汽缸的推杆上，所述库坝汽缸安装在汽缸支架上，该汽缸支架固定在所述库区基座上。

多块活动挡板分别或同时与起吊横梁固定在一起，当汽缸拉动起吊横梁上行，活动挡板与固定支架脱离，形成试验所需要的溃坝口，库区内预存的模拟泥浆就从该溃坝口处流出，模拟溃坝泥浆的流态演进特征、泥浆运动过程中的应力场、流场分布规律，以及泥浆冲击范围、沉积厚度随泥浆运动距离的关系等尾矿库溃坝数据。

起吊横梁拉动不同位置、不同高度的活动挡板，就能模拟出不同高度、不同溃坝口的尾矿库溃坝数据。

起吊横梁与固定支架的铰接处位于库坝的顶端。

位于库尾处的所述模拟库区底部还安装有保护横臂，该保护横臂的一端固定在所述模拟库区上，另一端开有插销孔，该插销孔中插装有承重销的一端，所述承重销的另一端连接有承重柱，该承重柱靠近所述模拟库区的库尾，该承重柱上开有一列承重销插孔，所述承重销插装在其中一个该承重销插孔中。

当液压缸和顶升推杆将库尾举起之后，为安全考虑，再通过保护横臂和承重销、承重柱支撑住库尾，可以防止液压缸失效后发生安全事故。

所述沟槽的边框由角钢焊接形成，该沟槽的槽壁和槽底为玻璃板，所述玻璃板固定在角钢上，玻璃板与角钢的连接处安装有密封条。

所述在沟槽内安装有压力传感器测量泥浆压力，沟槽的外部布置有摄像头测量泥浆速度和过流断面的泥浆深度变化情况。

所述沟槽的首段槽壁或尾端槽壁上焊接有过渡板。

当相邻沟槽的坡度变化后，沟槽间的间隙也会发生变化，但过渡板在一定程度上弥补了沟槽间的间隙，同时，再在间隙处粘贴上密封胶带或玻璃胶，就可以防止流水溢出。

根据形状的不同，所述沟槽可以分为直线沟槽和转弯沟槽，所述直线沟槽的槽底为直线板，所述转弯沟槽的槽底为曲线板。

转弯沟槽主要用于模拟转弯沟谷，可以真实展现沟谷内泥浆的流态。

所述汽缸支架经第一转轴与所述库坝汽缸的缸体连接，该库坝汽缸的推杆与所述起吊横梁通过第二转轴连接。

第一转轴实现汽缸支架与汽缸之间的活动连接，第二转轴实现推杆与起吊横梁之间的活动连接，汽缸带动起吊横梁运动，当起吊横梁绕固定支架转动时，第一转轴和第二转轴实现汽缸自身的角度摆动。

所述活动挡板经螺栓与所述固定支架相装配。

为被起吊横梁提起的活动挡板依然固定在固定支架上，形成为缺口的坝体部分。

所述固定支架上并排安装有三块梯形的活动挡板，三块依次由坝顶向坝底排列。

可以在固定支架装配4、5块或更多的活动挡板，以满足不同尾矿库溃坝模拟试验的需要。要控制某一块或几块活动挡板模拟库坝的溃决状态，只要将这一块或几块活动挡板与起吊横梁用螺栓装配在一起，其余的活动挡板依然用螺栓与固定支架装配在一起。保证起吊横梁只能可靠地拉起这一块或几块活动挡板。只需调整活动挡板是与起吊横梁装配还是与固定支架装配的装配关系，就可以实现不同溃坝状态的模拟试验。

本发明的显著效果是：提供一种兼容性强、结构简单、成本低、易于维修、操作方便，能对不同坡度、容量的尾矿库进行模拟，面对尾矿库不同溃坝口宽、不同溃坝口高度、不同走向和坡度的沟谷，都能获得溃坝泥浆的流态演进特征、泥浆运动过程中的应力场、流场分布规律，以及泥浆冲击范围、沉积厚度随泥浆运动距离的关系等尾矿库溃坝数据。

附图说明

图1是模拟库区的结构示意图；

图2是模拟库区库尾被举起的状态图；

图3是本发明的俯视图；

图4是沟槽的结构示意图；

图5是相邻沟槽的连接关系图；

图6是可调关节的结构示意图；

图7是库坝的俯视图；

图8是坡度可调的模拟沟谷示意图；

图9是所有活动挡板被放下时模拟库区的状态图；

图10是起吊横梁将第一块活动挡板提起的状态图；

图11是起吊横梁将第一、二块活动挡板提起的状态图；

图12是起吊横梁将第一、二、三块活动挡板提起的状态图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1、2、3所示：一种尾矿坝溃决破坏相似模拟试验装置，设置有模拟库区1，该模拟库区1的库坝连接有模拟沟谷，位于库尾处的模拟库区1底部安装有顶升推杆，该顶升推杆安装在液压缸3上，位于库坝处的模拟库区1底部安装有库坝转轴4，模拟库区1经库坝转轴4铰接在库区基座5上；

2个液压缸3并列在库尾处的模拟库区1底部，能提高模拟库区1举升时的稳定性和可靠性。

为提高模拟库区1的真实效果，可以用石膏等材料模仿库区内地表形状制成石膏地形，固化后的石膏地形放入模拟库区1内，根据实际地形，浇注不同的石膏地形，或在模拟库区1内涂覆粘土，就能模拟出库区的地形机构，增强模拟的真实效果。

如图3、4、5、8所示：所述模拟沟谷有至少二节沟槽2依次首尾连接组成，其中首节沟槽2的首端安装在所述库区基座5上，相邻沟槽2之间经可调关节连接；

根据实际地形布置多节沟槽2，或直或弯，就能模拟出沟谷的走向。如果需要模拟出沟谷的地形，再在沟槽2内固定石膏地形，或在沟槽2内涂覆粘土，就能模拟出沟谷的地形。

如图6所示：所述可调关节包括沟槽转轴6，相邻沟槽2的首端焊接有首端套管，尾端底部都焊接有尾端套管，首端套管和尾端套管都套装在所述沟槽转轴6上，沟槽转轴6的两端固定在“门”形推杆7两端的立柱上，该门形推杆7的横梁连接在电动提升机构11上，该电动提升机构11安装在“门”形站架9上。

也可以将电动提升机构11下置到地面，由电动提升机构11上推沟槽转轴6。

如图1、2所示：位于库尾处的所述模拟库区1底部还安装有保护横臂9，该保护横臂9的一端固定在所述模拟库区1上，另一端开有插销孔，该插销孔中插装有承重销的一端，所述承重销的另一端连接有承重柱10，该承重柱10靠近所述模拟库区1的库尾，该承重柱10上开有一列承重销插孔10a，所述承重销插装在其中一个该承重销插孔10a中。

保护横臂9可以焊接在模拟库区1的下底，也可以经螺栓固定在模拟库区1上。

承重销插孔10a的排布方式很多，如一列水平条孔，也可以按承重销的圆弧运行轨迹，排列出一组通孔。

如图4、5所示：所述沟槽2的边框由角钢焊接形成，该沟槽2的槽壁和槽底为玻璃板，所述玻璃板固定在角钢上，玻璃板与角钢的连接处安装有密封条。

为获取溃坝泥浆的流态，所述库坝两侧的堤岸和沟槽2槽壁都是透明材料板，该透明材料板为有机玻璃板或玻璃钢。沟槽2槽底也是透明材料板，可研究泥浆底部颗粒运动特性。

所述沟槽2的首段槽壁或尾端槽壁上焊接有过渡板2a。

根据形状的不同，所述沟槽2可以分为直线沟槽和转弯沟槽，所述直线沟槽的槽底为直线板，所述转弯沟槽的槽底为曲线板。

如图7、9所示：模拟库区1的库坝由固定支架13和至少一块活动挡板构成，所述活动挡板上安装有吊耳14，该吊耳经螺栓与起吊横梁15相装配，该起吊横梁15的一端与所述固定支架13相铰接，该起吊横梁15的另一端连接在库坝汽缸16的推杆上，所述库坝汽缸16安装在汽缸支架17上，该汽缸支架17固定在所述库区基座5上。

通过起吊横梁拉动不同位置、不同高度的活动挡板，就能实现模拟出不同高度、不同溃坝口的尾矿库溃坝数据。从而对比研究尾矿坝在不同溃决程度情况下，泥浆对下游建筑物的冲击情况和淹没范围。

所述汽缸支架17经第一转轴18与所述库坝汽缸16的缸体连接，该库坝汽缸16的推杆16a与所述起吊横梁5通过第二转轴19连接。

所述活动挡板经螺栓与所述固定支架13相装配。

如图10、11、12所示：所述固定支架13上并排安装有三块梯形的活动挡板，三块依次由坝顶向坝底排列。

其工作原理是：

多块活动挡板分别或同时与起吊横梁15固定在一起，当汽缸16拉动起吊横梁15上行，活动挡板与固定支架13脱离，形成试验所需要的溃坝口，模拟库区1内预存的模拟泥浆就从该溃坝口处流出，流入模拟沟谷，模拟出溃坝泥浆的流态演进特征、泥浆运动过程中的应力场、流场分布规律，以及泥浆冲击扇范围、沉积厚度随泥浆运动距离的关系等尾矿库溃坝数据。

液压缸3和顶升推杆推举库尾，调节模拟库区1的坡度，电动提升机构11推动沟槽转轴6，调节沟槽2的坡度，也调节相邻沟槽2间的坡度，实现尾矿库和下游沟谷的模拟，当尾矿坝被模拟打开后，能真实模拟出水流在模拟沟谷内的流量、流速和水压。

起吊横梁15拉动不同位置、不同高度的活动挡板，就能模拟出不同高度、不同溃坝口的尾矿库溃坝数据和下流沟谷泥浆数据。

尽管以上结构结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但本发明不限于上述具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的而不是限定性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以作出多种类似的表示，如更改沟槽2的数量和相互位置类等方式，更换可调关节的结构，更改活动挡板的数量和安装位置，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。