本實(shí)用新型屬于非飽和土力學(xué)范疇，具體涉及一種模擬不同降雨條件下松散碎石土覆蓋層的非飽和滲透的裝置。

背景技術(shù)：

深凹露天轉(zhuǎn)地下開采是國(guó)內(nèi)外的一項(xiàng)重要研究課題，涉及多學(xué)科多領(lǐng)域。涉及露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山多采用無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)行開采，需要在露天采坑的上部形成30-50m厚度的碎石覆蓋層，以達(dá)到放礦工藝和防滲水、防露風(fēng)的技術(shù)要求。露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層由整體下移層和流動(dòng)層組成，起到阻水作用的主要是整體下移層，礦山多通過一次排棄露天開采剝離的廢石形成整體下移層，為驗(yàn)證排棄所形成覆蓋層的結(jié)構(gòu)是否具有阻止暴雨入滲的能力，開展本次發(fā)明設(shè)計(jì)。

很多情況下礦山水患的發(fā)生都是由于地表水與礦井連通所至。大氣降水和地表水對(duì)于礦山的危害主要在于其突發(fā)性涌入礦坑，使井下水量急劇增加，甚至造成淹井事故，結(jié)果往往是人們始料不及的，因此，研究大氣降水和地表水的匯流與入滲過程，對(duì)于礦山防治水至關(guān)重要。覆蓋層的降雨入滲過程應(yīng)是一個(gè)非飽和—飽和的滲流過程。目前，對(duì)于非飽和帶的研究只是針對(duì)土壤開展，松散碎石土的非飽和滲透過程鮮有研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的問題是研究松散碎石土覆蓋層在不同降雨條件下的非飽和滲透過程，提供一種模擬覆蓋層降雨滲透的實(shí)驗(yàn)裝置。

為解決上述問題，本實(shí)用新型專利是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種模擬覆蓋層降雨滲透的實(shí)驗(yàn)裝置，包括梯形箱體、降雨模擬水槽、支撐殼體和供水裝置；

所述梯形箱體包括前面板、后面板和側(cè)板，前面板為梯形板，后面板上部為與前面板等大的梯形板，其下部為長(zhǎng)方形板；后面板、前面板和兩個(gè)側(cè)板組裝成梯形箱體結(jié)構(gòu)，前、后面板和側(cè)板結(jié)合處的外圍分別以階段式用三角鐵連接固定；所述后面板上設(shè)置有方形儀器探頭預(yù)埋通道和圓形儀器探頭預(yù)埋通道；

所述降雨模擬水槽為一長(zhǎng)方形槽體，水槽底板上均布有通孔，該通孔為降雨通道；

所述支撐殼體包括殼體支撐板、殼體底板和抽插隔板，所述梯形箱體的后面板的底邊與殼體底板固定連接在一起；多個(gè)殼體支撐板豎直并列均布在殼體底板上；相鄰殼體支承板之間的上邊分別插裝有一個(gè)抽插隔板；所述梯形箱體的兩側(cè)板的底邊分別通過連接件與兩側(cè)的殼體支撐板連接；

所述供水裝置包括水桶、輸水軟管和蠕動(dòng)泵，輸水軟管的兩端分別與水桶和降雨模擬水槽連接，蠕動(dòng)泵安裝在輸水軟管上。

支撐殼體為長(zhǎng)方形中空殼體；所述抽插隔板的長(zhǎng)度大于殼體底板長(zhǎng)度200mm；所述的殼體支撐板頂部截面均勻分布有兩條長(zhǎng)550mm，寬2mm的長(zhǎng)方形凹槽，槽內(nèi)放置若干1.5mm直徑的球形滾動(dòng)鋼珠，作為抽插隔板的抽動(dòng)滑道；抽插隔板與滾動(dòng)鋼球之前為接觸式滑動(dòng)配合。

梯形箱體的后面板上等間距布置三個(gè)長(zhǎng)40mm、寬20mm的長(zhǎng)方形通孔作為方形儀器探頭預(yù)埋通道；所述后面板上還均布有六個(gè)直徑為20mm的圓形通孔作為圓形儀器探頭預(yù)埋通道。

用于檢測(cè)降雨滲透情況的孔隙水壓力傳感器、水分水勢(shì)測(cè)定儀探頭和電線，根據(jù)其各自形態(tài)分別設(shè)置在所述的方形儀器探頭預(yù)埋通道和圓形儀器探頭預(yù)埋通道中。

電線上設(shè)置有27個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分為上中下三層，每層均勻分布有9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，電線的外接頭與萬(wàn)用表相連，用于降雨過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各點(diǎn)電阻值變化率。

蠕動(dòng)泵內(nèi)部設(shè)置有控制模塊，該控制模塊上設(shè)定定時(shí)定量模擬不同歷時(shí)的降雨量。

降雨模擬水槽的底板上均布有若干孔徑為5mm、相互間隔5cm的通孔，該通孔形成降雨通道。

本實(shí)用新型所公開的這種實(shí)驗(yàn)裝置，通過控制不同降雨歷時(shí)、不同雨量條件，識(shí)別覆蓋層碎石土的滲透通道、探究非飽和-飽和滲透過程、繪制非飽和碎石土土-水特征曲線、預(yù)測(cè)降雨條件下露天轉(zhuǎn)地下井巷工程的涌水量，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，精準(zhǔn)度高，方法便于操作，監(jiān)測(cè)過程直觀易測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型中降雨模擬水槽的俯視圖。

圖3為本實(shí)用新型中抽插隔板的安裝關(guān)系示意圖。

圖中：水桶1，輸水軟管2，蠕動(dòng)泵3，降雨模擬水槽4，梯形箱體5，三角鐵6，固定螺栓7，方形儀器探頭預(yù)埋通道8，圓形儀器探頭預(yù)埋通道9，滾動(dòng)鋼珠10，抽插隔板11，殼體支撐板12，殼體底板13，水槽邊幫14，水槽底板15，降雨通道16。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。

參見附圖，本實(shí)用新型公開的是一種模擬覆蓋層降雨滲透的實(shí)驗(yàn)裝置以及實(shí)驗(yàn)方法。

這種模擬覆蓋層降雨滲透的實(shí)驗(yàn)裝置，包括梯形箱體、降雨模擬水槽、支撐殼體和供水裝置。降雨模擬水槽設(shè)置在梯形箱體的上部，用于模擬降水；支撐殼體設(shè)置在梯形箱體的底部，模擬放礦進(jìn)路和收集下滲雨水；供水裝置設(shè)置在梯形箱體的外側(cè)。主要包括水桶1，輸水軟管2，蠕動(dòng)泵3，降雨模擬水槽4，梯形箱體5，三角鐵6，固定螺栓7，方形儀器探頭預(yù)埋通道8，圓形儀器探頭預(yù)埋通道9，滾動(dòng)鋼珠10，抽插隔板11，殼體支撐板12，殼體底板13，水槽邊幫14，水槽底板15，降雨通道16。

礦山露天采坑為階梯狀排布，其中東西兩面為80度傾角，另外兩面為65-70度傾角，故所述的碎石土覆蓋層動(dòng)態(tài)模擬裝置主體為梯形的箱型體，即梯形箱體。梯形體箱體采用10mm厚的有機(jī)玻璃板加工而成，梯形箱體內(nèi)充填回填料石。梯形箱體包括前面板、后面板和側(cè)板，前面板為梯形板，后面板為組合板，其上部為與前面板等大的梯形板，其下部為長(zhǎng)方形板，后面板的上部梯形板、前面板和兩個(gè)側(cè)板組裝成梯形箱體結(jié)構(gòu)，前、后面板和側(cè)板結(jié)合處的外圍分別以階段式用三角鐵連接固定，三角鐵通過固定螺栓與面板固定。后面板上設(shè)置有方形儀器探頭預(yù)埋通道和圓形儀器探頭預(yù)埋通道；本裝置中的前后面板、側(cè)板、抽插隔板、殼體支撐板等各板體分別采用有機(jī)玻璃板制作而成。梯形箱體的后面板上等間距布置三個(gè)長(zhǎng)40mm、寬20mm的長(zhǎng)方形通孔作為方形儀器探頭預(yù)埋通道；后面板上還均布有六個(gè)直徑為20mm的圓形通孔作為圓形儀器探頭預(yù)埋通道。用于檢測(cè)降雨滲透情況的孔隙水壓力傳感器、水分水勢(shì)測(cè)定儀探頭和電線，根據(jù)其各自形態(tài)分別設(shè)置在所述的方形儀器探頭預(yù)埋通道和圓形儀器探頭預(yù)埋通道中。其中的孔隙水壓力傳感器、水分水勢(shì)儀探頭等監(jiān)測(cè)部件分別與計(jì)算機(jī)控制器連接受控。

降雨模擬水槽為一長(zhǎng)方形槽體，水槽底板上均布有通孔，該通孔為降雨通道。降雨模擬水槽的底板上均布有若干孔徑為5mm、相互間隔5cm的通孔，該通孔形成降雨通道。降雨模擬水槽長(zhǎng)105cm、寬65cm，槽邊高度20mm。水槽底板和槽邊均勻涂抹玻璃膠，起到防水作用。水槽底板均勻布孔，孔徑5mm，間隔5cm。

支撐殼體包括殼體支撐板、殼體底板和抽插隔板。梯形箱體的后面板下部長(zhǎng)方形板的底邊與殼體底板固定連接在一起；多個(gè)殼體支撐板豎直并列均布在殼體底板上；相鄰殼體支承板之間的上邊分別插裝有一個(gè)抽插隔板；所述梯形箱體的兩側(cè)板的底邊分別通過連接件與兩側(cè)的殼體支撐板連接。支撐殼體為長(zhǎng)方形中空殼體；所述抽插隔板的長(zhǎng)度大于殼體底板長(zhǎng)度200mm，所述的殼體支撐板頂部截面均勻分布有兩條長(zhǎng)550mm，寬2mm的長(zhǎng)方形凹槽，槽內(nèi)放置若干1.5mm直徑的球形滾動(dòng)鋼珠，作為抽插隔板的抽動(dòng)滑道。

作為優(yōu)選方案，梯形箱體下部為與箱體底部大小吻合的支撐殼體。所述殼體前面空，殼體底板上部間距100mm布置7塊高度100mm、長(zhǎng)60cm、寬120mm的有機(jī)玻璃板用作支撐梯形箱體，將支撐板與殼體底板粘連。在所述支撐板上部插入6塊長(zhǎng)80cm、寬100mm、厚10mm的有機(jī)玻璃板，作為抽插隔板。隔板伸出梯形箱體200mm，作為抽插著力點(diǎn)。每個(gè)小長(zhǎng)方體作為模擬放礦的進(jìn)路。梯形箱體的后面板等間距布置三個(gè)長(zhǎng)40mm、寬20mm的長(zhǎng)方形孔徑和六個(gè)直徑20mm的圓孔，作為孔隙水壓力傳感器、水分水勢(shì)測(cè)定儀探頭和電線的預(yù)埋通道。

供水裝置包括水桶、輸水軟管和蠕動(dòng)泵，輸水軟管的兩端分別與水桶和降雨模擬水槽連接，蠕動(dòng)泵安裝在輸水軟管上。所述蠕動(dòng)泵內(nèi)部設(shè)置有控制模塊，該控制模塊上設(shè)定定時(shí)定量模擬不同歷時(shí)的降雨量。計(jì)算機(jī)控制器設(shè)置在梯形箱體的外面，分別與孔隙水壓力傳感器、水分水勢(shì)儀連接，控制孔隙水壓力傳感器、水分水勢(shì)儀開關(guān)，用于測(cè)定降雨過程中孔隙水壓力和繪制松散碎石土覆蓋層的土水特征曲線。

電線上設(shè)置有27個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分為上中下三層，每層均勻分布有9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，電線的外接頭與萬(wàn)用表相連，用于降雨過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各點(diǎn)電阻值變化率。

用所述裝置模擬覆蓋層降雨滲透的實(shí)驗(yàn)方法，所述的各部件按照要求組裝在一起，然后按照如下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

裝置預(yù)處理：需要在梯形箱體中填裝覆蓋層回填物源，在裝填之前，先對(duì)梯形箱體的內(nèi)壁進(jìn)行處理，用木銼將箱體內(nèi)壁打毛，在有機(jī)毛玻璃面均勻涂抹2mm厚的玻璃膠，之后選用物料中顆粒中等以下的碎石土拋灑、按壓至玻璃膠上，使其與箱體內(nèi)壁合為一體，此步驟消除了物料直接與光滑有機(jī)玻璃面相接觸時(shí)產(chǎn)生的大孔隙對(duì)降雨入滲的影響，將梯形箱體與各抽查隔板、各抽查隔板與各支撐板的接觸縫隙用玻璃膠進(jìn)行粘補(bǔ)，排除各接觸部位的透氣、透水的可能性，至此覆蓋層松散碎石土降雨實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建完畢。物料裝填之前先經(jīng)過傾倒分選，從底向上裝填粒徑依次是2-5cm、1-2cm、1cm之下。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）、根據(jù)礦山回填設(shè)計(jì)，廢石回填粒徑有一定的比例關(guān)系，根據(jù)碎石土覆蓋層動(dòng)態(tài)模擬模型與露天礦坑比例關(guān)系，等比例縮放粒徑，選取礦山回填土土樣；

（2）、對(duì)實(shí)驗(yàn)土樣進(jìn)行自然分選預(yù)處理，模擬礦山回填過程中，廢石土樣下部粗、上邊細(xì)的情形；

（3）、根據(jù)分選結(jié)果，對(duì)碎石土覆蓋層動(dòng)態(tài)模擬模型進(jìn)行土樣的裝填工作，從底向上裝填，依據(jù)粒徑，將裝填土樣分為上、中、下三層，裝填過程中分層預(yù)埋控制孔隙水壓力傳感器、水分水勢(shì)儀探頭，同時(shí)布置電阻監(jiān)測(cè)點(diǎn)；

（4）、將降雨模擬水槽覆于梯形箱體上部，輸水軟管置其上，在上水過程中不停的移動(dòng)輸水軟管，使供水均勻的平鋪于整個(gè)裝置的底面，每個(gè)降水孔通過滴水作為降雨的雨滴；

（5）、對(duì)蠕動(dòng)泵進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定降雨時(shí)間和降雨量，計(jì)算機(jī)控制孔隙水壓力傳感器和水分水勢(shì)儀，使其處于開的狀態(tài)，進(jìn)行降雨模擬，實(shí)時(shí)記錄萬(wàn)用表阻值。

裝填覆蓋層回填物源時(shí)，從底向上裝填粒徑依次是2-5cm、1-2cm、1cm以下，根據(jù)粒徑，將梯形箱體分為上中下三層，裝填過程中分層預(yù)埋控制孔隙水壓力傳感器、水分水勢(shì)儀探頭，同時(shí)布置27個(gè)電阻監(jiān)測(cè)點(diǎn)，上中下三層每層均勻分布9個(gè)點(diǎn)，選用1cm粗的電線在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)形成回路，電線外接頭與萬(wàn)用表相連，降雨過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各點(diǎn)電阻值的變化率，自初始干土樣到降雨入滲通過，電阻率值會(huì)在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)快速降低，依次作為依據(jù)確定優(yōu)勢(shì)導(dǎo)水通道。

覆蓋層物源裝填之前抽出其中任意兩條抽插隔板和一條支撐板，作為一次放礦模擬進(jìn)路，并將進(jìn)路作為模擬降雨的出水通道，單獨(dú)作為降雨出水通道時(shí)，抽掉抽插隔板，取外形尺寸與之相同的適當(dāng)孔徑和孔密度的圓孔鐵板架在支撐板之上，替代抽插板阻擋上覆充填物的下移。