一种用于评估干湿交替下铀尾矿库滩面覆盖层稳定性的实验装置

技术领域

本发明涉及环境保护领域，特别涉及一种用于评估干湿交替下铀尾矿库滩面覆盖层稳定性的实验装置。

背景技术

随着我国经济的快速发展，需电量、供电量的需求大大增加，核能发电占比逐年上升，用来存放铀废石和铀废渣的尾矿库等工程建造活动日益增加。铀尾矿库内依然残留长期放射性核素能严重地影响到周围居民或者环境的生活健康及生态系统，其中铀尾矿中的放射性物质衰变后产生的氡是人类第I类致癌物。目前为止，考虑到防止过量的放射性核素氡扩散危害周边环境和控制氡的析出量，以及节约经济成本、高效利用当地物质材料条件，我国主要采取覆盖控氡的方法用于铀尾矿库环境治理。但是铀尾矿库软基滩面覆盖土层易受外部因素影响而导致滩面覆盖土层控氡性能降低的变化。

我国南方地区多属于亚热带季风气候，热量充足、降水丰沛，大规模降雨和雨后水分的快速蒸发时常交替发生；此外，间歇性降雨亦是常态，从而引起河流、湖泊的水位发生往复变化，使岸滩、边坡以及土壤路基等处在干土复湿或湿土复干的循环之中。这种持续干湿循环属于典型的连续时间随机过程，会导致地表土体的含水率发生反复变化，并对土体结构、强度以及土壤Birch效应造成严重影响。

对于铀尾矿库而言软基滩面覆盖层具有防氡和控氡的功能，在铀尾矿库环境治理工作上有突出的作用；对于尾矿库而言，滩面是其基本组成部分，在尾矿库稳定性及安全度中起到关键作用，铀尾矿库类型的不同使得滩面覆土控氡性能以及覆土层受环境作用影响的程度不同，铀尾矿库软基滩面稳定性满足标准时，库内放射性物质才得以稳固，事故得以避免，且国内外各类尾矿库由于滩面稳定性不达标导致的事故时有发生，造成人员伤亡经济损失，其事故具有破坏性大、突发性强的特点，对居民生活、环境安全有严重威胁。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种用于评估干湿交替下铀尾矿库滩面覆盖层稳定性的实验装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明一种用于评估干湿交替下铀尾矿库滩面覆盖层稳定性的实验装置，包括实验装置、弹性波测试仪、ZBL-U520非金属超声检测仪、单片机、蓄水箱、水泵、铀尾矿库滩面缩尺模型、流量调节阀、日光灯、喷头、干湿环境控制模块、装置实验区域和装置排水区域，所述蓄水箱的一侧设置有单片机，所述蓄水箱的内部设置有管道，所述管道的一侧设置有水泵和流量调节阀，所述管道的另一端设置有干湿环境控制模块，所述管道的端部设置有喷头，所述干湿环境控制模块的内部顶端设置有日光灯，所述干湿环境控制模块的内部设置有装置实验区域，所述装置实验区域的内部设置有铀尾矿库滩面缩尺模型，所述铀尾矿库滩面缩尺模型的表面设置有温湿度传感器，所述干湿环境控制模块的底部安装有装置排水区域，所述管道的一侧设置有支撑架，所述支撑架的一侧设置有高速摄像机，所述干湿环境控制模块的上端设置有导气管和回流管，所述导气管的一端设置有干燥管，所述干燥管的一端设置有RAD7测氡仪。

作为本发明的一种优选技术方案，所述单片机与日光灯信号连接，所述温湿度传感器与单片机数据连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述实验装置由光照及温湿度控制系统、降雨模拟系统和软基滩面稳定性评估系统三个子系统集合而成，所述光照及温湿度控制系统由日光灯、控温及控湿部件、机械元件和温湿度传感器联动而成，所述降雨模拟系统由蓄水箱、水泵、流量调节阀和喷头配合单片机联动而成，所述RAD7测氡仪、高速摄像机、ZBL-U520非金属超声检测仪组成软基滩面稳定性评估系统。

作为本发明的一种优选技术方案，所述日光灯采用可调节卤素灯。

作为本发明的一种优选技术方案，所述导气管通过干燥管与RAD7测氡仪连通，所述RAD7测氡仪通过回流管与干湿环境控制模块连通。

作为本发明的一种优选技术方案，所述蓄水箱的内壁上设置有最高水位线及最低水位线，所述蓄水箱内设置有水位传感器，且水位传感器与单片机数据连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述高速摄像机位于干湿环境控制模块的正上方，且高速摄像机与支撑架活动连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1：本发明通过基于南方地区温度高、降水多的气候特点，以衡阳市地区往年气候数据为基础构建干湿数据库，将干湿状态控制作为环境状态模拟的重点控制部分，利用高速摄像机、测氡仪及弹性波测试仪从多角度开展滩面覆盖层稳定性的评估，基于单片机，利用PID算法实现降雨量、温度等参数的自动校正与控制，采取低周期、高强度，反复加载的实验方法进行滩面覆盖层控氡性能加速退化实验，提高降雨量、温度等参数的控制精度，考虑降雨的均匀性及模型模拟降水时的壁面效应，对降雨模拟系统进行改进，通过对典型模型实验，提高装置的可靠性及稳定性，通过实验测定数据，实现滩面覆盖层稳定性评估等级划分表的定量。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的平面结构示意图；

图3是本发明的局部结构示意图；

图4是本发明的工作原理示意图；

图中：1、单片机；2、蓄水箱；3、水泵；4、铀尾矿库滩面缩尺模型；5、流量调节阀；6、日光灯；7、喷头；8、干湿环境控制模块；9、装置实验区域；10、装置排水区域；11、管道；12、高速摄像机；13、支撑架；14、RAD7测氡仪；15、导气管；16、回流管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1-4所示，本发明提供一种用于评估干湿交替下铀尾矿库滩面覆盖层稳定性的实验装置，实验装置、弹性波测试仪、ZBL-U520非金属超声检测仪、单片机1、蓄水箱2、水泵3、铀尾矿库滩面缩尺模型4、流量调节阀5、日光灯6、喷头7、干湿环境控制模块8、装置实验区域9和装置排水区域10，蓄水箱2的一侧设置有单片机1，蓄水箱2的内部设置有管道11，管道11的一侧设置有水泵3和流量调节阀5，管道11的另一端设置有干湿环境控制模块8，管道11的端部设置有喷头7，干湿环境控制模块8的内部顶端设置有日光灯6，干湿环境控制模块8的内部设置有装置实验区域9，装置实验区域9的内部设置有铀尾矿库滩面缩尺模型4，铀尾矿库滩面缩尺模型4的表面设置有温湿度传感器，干湿环境控制模块8的底部安装有装置排水区域10，管道11的一侧设置有支撑架13，支撑架13的一侧设置有高速摄像机12，干湿环境控制模块8的上端设置有导气管15和回流管16，导气管15的一端设置有干燥管，干燥管的一端设置有RAD7测氡仪14。

进一步的，单片机1与日光灯6信号连接，温湿度传感器与单片机1数据连接，通过单片机1控制日光灯6的光照强度。

实验装置由光照及温湿度控制系统、降雨模拟系统和软基滩面稳定性评估系统三个子系统集合而成，光照及温湿度控制系统由日光灯6、控温及控湿部件、机械元件和温湿度传感器联动而成，降雨模拟系统由蓄水箱2、水泵3、流量调节阀5和喷头7配合单片机1联动而成，RAD7测氡仪14、高速摄像机12、ZBL-U520非金属超声检测仪组成软基滩面稳定性评估系统。

日光灯6采用可调节卤素灯，使得使用寿命不仅得到了大大延长，同时由于灯丝可以工作在更高温度下，从而得到了更高的亮度，更高的色温和更高的发光效率。

导气管15通过干燥管与RAD7测氡仪14连通，RAD7测氡仪14通过回流管16与干湿环境控制模块8连通。

蓄水箱2的内壁上设置有最高水位线及最低水位线，蓄水箱2内设置有水位传感器，且水位传感器与单片机1数据连接。

高速摄像机12位于干湿环境控制模块8的正上方，且高速摄像机12与支撑架13活动连接。

具体的，使用过程中，光照及温湿度控制系统由可调功率日光灯6、温湿度传感器组合而成，日光灯6通过热辐射光源，日光灯6采用可调节卤素灯，在灯泡内注入碘或溴等卤素气体，在高温下，升华的钨丝与卤素进行化学作用，冷却后的钨会重新凝固在钨丝上，形成平衡的循环，避免钨丝过早断裂，通过这种再生循环过程，灯丝的使用寿命不仅得到了大大延长，同时由于灯丝可以工作在更高温度下，从而得到了更高的亮度，更高的色温和更高的发光效率，将光照强度划分为弱光照强度、中光照强度、强光照强度三档，实验过程中通过单片机1设定光照强度及光照时数，保证系统模拟的光照均匀，同时可以控制光照强度连续地变化，并非呈数字量分立跳变地采集不同光照条件下的数据，其模拟程度较为接近真实的日照情况，单片机1调控光照强度及光照时数，通过导入的干湿状态参数，设定一定的时间间隔自动换档或暂停，实现智能简便操作，单片机1在实现小型智能化普遍使用，单片机1联动整体系统，实时反馈数据，温湿度传感器置于铀尾矿库滩面缩尺模型4土壤的温湿度变化，并于实验过程中将数据反馈至单片机1，降雨模拟系统由蓄水箱2、水泵3、流量调节阀5和喷头7配合单片机1联动而成，水泵3从蓄水箱2中抽水，蓄水箱2内划定最高水位线及最低水位线，在系统中采用水位传感器将感受到的水位信号传送到单片机1，单片机1将实测的水位信号与设定的最高水位及最低水位进行比较，若超出最高水位线或低于最低水位线，单片机1将输出警告信号至屏幕显示，通过喷头7均匀的喷洒在堆积的土坝上，模拟现实环境中的降雨过程，对于管道11中水流量的控制，采用霍尔流量计获取水流速度发送至单片机1，管道11末端设有水泵3以给予水流一个恒定的速度，闭环反馈控制，同时可以实时显示计算后的降雨量至装置主屏幕，流量调节阀5实时检测水流量大小，并发送脉冲信号反馈给单片机1，单片机1实时控制并调节流量调节阀5的开合，使水流速度保持稳定，通过改变流量调节阀5的开合，调节不同的水流量大小，以模拟现实环境小雨、中雨、暴雨等不同强度降雨情况，通过单片机1设定相应的降水档位，并设定降雨时间，利用加权平均算法判断干、湿期出现的先后顺序，以季度为单位进行干湿期的模拟，将分析而得的降雨量数据按照缩比划分为三档：小雨为0—200mm、中雨为200-400mm、大雨为大于400mm的降雨量，于操作设备的主屏幕中设定相应的降水档位，并设定降雨时间，数据计算过程为：

①建立能量守恒方程

式中P-水泵功率，W；

t-降雨时间，s；

h-降雨高度，m；

m-降雨质量，kg；

v-雨滴末速度，m/s；

②将m＝psvt，t＝1s，h＝1m代入上式

P＝ρsv

③经查阅资料，暴雨的收尾速度为v＝9m/s

④对水柱从管口喷出，再落到滩面过程列动能定理(忽略空气阻力)

v

即从水管喷出水柱初速度为8.48m/s。

式中v-降雨末速度，m/s；

V

h-降雨高度，m；

m一降水质量，kg；

⑤由相关数据可知，暴雨情况下，12小时内地面积积水高度达70mm，装置箱体地面积为0.8×0.8＝0.64m

得箱体系统内部总降雨量为

V＝0.64×70×10

水泵可在30s内使箱内系统达到V＝0.0448m

则水管截面积为S＝1.7cm

将

5＝1.7cm

为留有一定裕度，水泵功率选取70W，水管截面积选取S＝2cm

泵的选择：根据上述计算可知，采用IHG32-125A主式管道泵，流量为5.8m

a、图像预处理，为准确识别并提取出相应的裂隙，先对图像进行相关处理。将裂隙和土块以及其他冗杂信息进行快速分离，并对裂隙作合理的修复和强化操作，方便后续量化处理；

b、土块识别与量化，对土块面积、周长、个数、面积比、形状系数、尺寸因子、等效边长和等效直径等多个参数快速量化；

c、裂隙识别与量化，进行裂隙识别与提取、图形化展示、形态参数统计、量化分析等操作，为了使裂隙的识别和量化更加准确，对裂隙图像进行平滑和骨架化处理，以满足复杂裂隙网络的量化要求，利用弹性波探测仪，获悉铀尾矿库滩面缩尺模型4试验中弹性波速度及振幅的变化，分析土壤内部的破碎情况及应力变化状况，以更好地评估干湿交替下滩面覆盖层的稳定性，由于岩土孔隙度是影响弹性波波速的主要因素，因而利用ZBL-U520非金属超声检测仪对土壤进行弹性波探测，具体步骤如下：

a、于岩土滩面布置多个测区及测点，测定其强度变化；

b、于岩土滩面布置网格状测点，检测岩土内部损伤情况；

c、基于波速测值与孔隙率-波速经验公式，评判岩土体内部损伤情况；氡探测方法为高速摄像机12拍摄法及弹性波测试法的综合手段，通过RAD7测氡仪14测定出实验前后土壤氡浓度，反映土壤损伤的整体情况，通过上述三种方法，反映岩土滩面各方面指标，综合评估岩土滩面的稳定性；

表1稳定性等级划分表

实验准备，连接实验装置，检查装置气密性；软基层装样；将试样分层装入试验区，测定并记录其高度及质量；将温湿度传感器均匀装配在试验区的不同高度处；预估软基层厚度50-55cm,覆盖层厚度10-15cm，实验条件施加区域余40cm，并将温湿度传感器分两层均布于试样模型四周；静置3-4d，静置结束后测量试样表面氡浓度变化；确定覆土层厚度，筛分及干燥后的红土配置为初始含水率为100％的饱和红土泥浆，静置24h；将静置后的红土泥浆经搅拌均匀后缓慢倒入试样模型之上，每次增添3-5cm的红土覆于尾矿砂之上，并压实；利用RAD7测氡仪14测量一个循环周期的氡浓度；将数据导入软件，得数据拟合曲线，获知曲线斜率k；利用J＝kh计算氡析出率，要求覆盖层表面的氡析出率与尾砂无覆盖时相比降低80％-85％，则覆土层厚度合格；利用装配好的温湿度传感器测定温湿度变化；使用RAD7测氡仪14测定静置后覆土层表面的氡析出率；

实验过程以模拟春季干湿交替实验为例：

①测量未施加实验条件前各层土壤温湿度、覆盖层氡析出率的数据，利用高速摄像机拍摄此时的土壤表面裂隙情况，采用弹性波测试仪获知覆盖层及软基层的弹性波速；

②施加实验条件；

③氡浓度的测量，打开RAD7测氡仪14后，排出仪器内部的残留氡气，并使用仪器内部的空气湿度降至10％以下，设置RAD7测氡仪14的测量循环周期及次数；

④每隔2-3h利用高速摄像机12及弹性波测试仪在相同位置处测定土壤表面及内部状况；

实验数据处理：

①绘制施加实验条件前后的各季节氡浓度变化曲线、温湿度变化曲线；

②利用CIAS软件分析加速退化实验过程中各季节土壤裂隙变化情况；

③处理弹性波测试数据，进行数学曲线拟合；

设定实验工况条件：

表2实验基本参数

注：①此处以2500mm，取合理值；②以一个季度日数计；③P为湿期平均降雨量；④指时间缩比与滩面覆盖层缩比，两者之比，即30/10＝3；⑤T

实验结束：

①测量施加条件后滩面覆盖层土壤氡浓度；

②利用高速摄像机拍摄施加条件后土壤内部裂隙发育情况及形变状况；

③利用弹性波探测仪器获知土壤施加干湿条件后的内部损失情况；

④分析三种测量方法施加条件前后的土壤内部情况，以评估滩面覆盖层稳定性。

本发明通过基于南方地区温度高、降水多的气候特点，以衡阳市地区往年气候数据为基础构建干湿数据库，将干湿状态控制作为环境状态模拟的重点控制部分，利用高速摄像机、测氡仪及弹性波测试仪从多角度开展滩面覆盖层稳定性的评估，基于单片机，利用PID算法实现降雨量、温度等参数的自动校正与控制，采取低周期、高强度，反复加载的实验方法进行滩面覆盖层控氡性能加速退化实验，提高降雨量、温度等参数的控制精度，考虑降雨的均匀性及模型模拟降水时的壁面效应，对降雨模拟系统进行改进，通过对典型模型实验，提高装置的可靠性及稳定性，通过实验测定数据，实现滩面覆盖层稳定性评估等级划分表的定量。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。