CN103397908B - 用于解决隧道中心沟排水能力不足的缓冲系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于解决隧道中心沟排水能力不足的缓冲系统，以中心沟的中心线方向为纵向，中心沟的边缘设有多个纵向排列的溢流井，隧道外侧与溢流井对应的位置设有缓冲池，溢流井与缓冲池之间通过溢流管相通连接，缓冲池与中心沟之间通过排水管连接，缓冲池内安装有排水泵，排水泵的出水口与排水管的入水口连接。本发明还公开了一种用于解决隧道中心沟排水能力不足的缓冲系统的控制方法，根据溢流井位置的中心沟内的水高，关闭或开启溢流管上的阀门，同时开启或关闭排水泵和排水管上的阀门，使中心沟内的水量保持在中心沟的最大流量值内。本发明利用缓冲池的临时屯水功能实现中心沟内水量的分时分配，确保中心沟能顺利排水，利于隧道安全。

Description

用于解决隧道中心沟排水能力不足的缓冲系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种隧道内的辅助排水系统，尤其涉及一种用于解决隧道中心沟排水能力不足的缓冲系统及控制方法。

背景技术

由于隧道构筑于地表之下，地层中的地下水时刻对隧道进行侵蚀，造成隧道的渗漏水，隧道的渗漏水不仅极大降低隧道内各种设施的使用寿命和功能，同时对于隧道安全行车的运营环境造成极大影响，为保障隧道安全及正常运营，需做好隧道的防排水。

在现有隧道的排水设计中，针对于隧道常规涌水，采用环向排水盲管、纵向排水管、横向排水管、中心排水沟(下称中心沟)构成的系统来解决隧道排水问题。涌水的流程为：围岩→环向排水盲管→纵向排水管→横向排水管→中心沟→洞外出水口，每隔一定距离沿洞周环向铺设环向排水盲管，环向排水盲管下端与纵向排水管相连，纵向排水管每隔10－20m留有一出水口，通过横向排水管与纵向排水管和中心沟相连，经中心沟排出；围岩渗水进入环向排水盲管，纵向排水管汇集环向排水盲管的水，通过横向排水管排入中心沟，中心沟的水最后通过洞外排出口排出。这样，“环向排水盲管—纵向排水管—横向排水管—中心沟”组成的这一系统可以解决隧道运营期间的常规涌水问题。

但是，在隧道实际运营期间，受降雨历时增加及强度增大等影响，隧道常规涌水量会有一定程度的增加，造成中心沟排水能力不足，当隧道涌水通过中心沟溢流至隧道表面，这就对于隧道内的各种设施使用和行车安全带来一定的安全隐患。在现有隧道设计中，未能考虑到这种由于隧道常规涌水量增加而造成中心沟排水能力不足的情况。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于解决隧道中心沟排水能力不足的缓冲系统及控制方法。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明所述用于解决隧道中心沟排水能力不足的缓冲系统，以所述中心沟的中心线方向为纵向，所述中心沟的两侧分别设置有纵向排水管，所述中心沟与所述纵向排水管之间通过多个横向排水管相通连接，多个所述横向排水管中，以最靠近泄水洞起点的所述横向排水管为第一个；所述中心沟的边缘设有多个纵向排列的溢流井，所述隧道外侧与所述溢流井对应的位置设有缓冲池，所述溢流井与所述缓冲池之间通过溢流管相通连接，所述缓冲池与所述中心沟之间通过排水管连接，所述缓冲池内安装有排水泵，所述排水泵的出水口与所述排水管的入水口连接。

本缓冲系统利用缓冲池的临时屯水功能实现中心沟内水量的分时分配，从而确保中心沟始终能顺利排水，不会溢流至隧道表面。

作为优选，所述溢流井与所述缓冲池为一一对应连接结构，以便于独立控制。

为了便于灵活控制中心沟和缓冲池内的水量，所述溢流管与所述排水管上均安装有阀门。

为了实现自动控制，所述阀门为电控阀门，所述中心沟内位于所述溢流井上游方向且靠近所述溢流井的位置设有用于检测水位的水位检测仪，所述缓冲池内的顶部和底部分别安装有顶部水位传感器和底部水位传感器，所述水位检测仪的信号输出端、所述顶部水位传感器的信号输出端和所述底部水位传感器的信号输出端分别与控制器的信号输入端连接，所述控制器的控制输出端分别与所述电控阀门的控制输入端和所述排水泵的控制输入端连接。

为了实现最佳排水效果并尽量节省成本，多个所述溢流井的设置位置满足以下条件：设第一个所述横向排水管～第i+1个所述横向排水管为第一段区域的横向排水管，i为大于1的自然数，其最大流量值分别为q₁～q_i+1，所述中心沟的预设最大流量值为Q_max，在下述式I和式II同时成立时，第一个所述溢流井设于所述第i个所述横向排水管和所述第i+1个所述横向排水管之间：

Σq_i＝q₁+q₂+…+q_i＝Q_i＜Q_max   (式I)

Σq_i+1＝q₁+q₂+…+q_i+q_i+1＝Q_i+1≥Q_max   (式II)

设在第i个所述横向排水管以后的第一个所述横向排水管～第j+1个所述横向排水管为第二段区域的横向排水管，j为大于1的自然数，其最大流量值分别为r₁～r_j+1,在下述式III和式IV同时成立时，第二个所述溢流井设于所述第j个所述横向排水管和第j+1个所述横向排水管之间：

Σr_j＝Q_maxX+r₁+r₂+…+r_j＝R_j＜Q_max   (式III)

Σr_j+1＝Q_maxX+r₁+r₂+…+r_j+r_j+1＝R_j+1≥Q_max   (式IV)

式III和式IV中，X为上一段区域中心沟溢水后的剩余系数，取值为30～60％，实际取值根据前一个所述溢流井的溢流速度而定；

其它的所有所述溢流井按照第二个所述溢流井的位置设置方法设置位置。

本发明所述缓冲系统的控制方法为：设中心沟的高度为h，当溢流井稍靠上游的中心沟内的水高为0.8h以上时，开启溢流管上的阀门，同时关闭排水泵和排水管上的阀门，在此过程中，如果缓冲池内水未满，则一直开启溢流管上的阀门，如果缓冲池内水满，则关闭溢流管上的阀门；当溢流井稍靠上游的中心沟内的水高为0.3h～0.8h时，关闭溢流管上的阀门，此时，如果预计下段时间上游水量不会增加，则开启排水泵和排水管上的阀门，如果预计下段时间上游水量会增加，则关闭排水泵和排水管上的阀门；当溢流井稍靠上游的中心沟内的水高为0.3h以下时，关闭溢流管上的阀门，同时开启排水泵和排水管上的阀门，直至缓冲池内的水排完，再关闭排水泵和排水管上的阀门。

本发明的有益效果在于：

本发明利用缓冲池的临时屯水功能实现中心沟内水量的分时分配，确保中心沟能顺利排水，利于隧道安全；通过对溢流井设置位置的合理分布，在满足对中心沟内的水进行临时储蓄并合理排放的前提下，尽可能地减少了溢流井和缓冲池的数量，节约了成本；通过对中心沟内水的高度和缓冲池内水的深度的实时检测和合理控制，确保了中心沟和缓冲池的最大利用率，推迟了下游中心沟流量达到临界最大值的时间，充分利用了中心沟的排水能力，弥补了现有隧道排水设计中中心沟排水能力不足这一缺陷，解决了中心沟排水能力不足而带来的安全隐患。

附图说明

图1是本发明所述缓冲系统的俯视结构示意图；

图2是图1中C-C方向的断面结构放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步具体描述：

如图1和图2所示，本发明所述缓冲系统应用于隧道排水系统，在隧道排水系统中，环向排水盲管1将水排入纵向排水管2，纵向排水管2的水依次汇入横向排水管3(包括横向排水管31、32、33…3i、3i+1…3j、3j+1…)，横向排水管3的流量依次汇入中心沟4，中心沟4内水排出到隧道外，以中心沟4的中心线方向(图1中的左右方向)为纵向，中心沟4的两侧分别设置有纵向排水管2，中心沟4与纵向排水管2之间通过多个横向排水管3相通连接，中心沟4的边缘设有多个纵向排列的溢流井5，隧道外侧与溢流井对应的位置设有缓冲池7，溢流井5与缓冲池7之间通过溢流管6相通连接，溢流井5与缓冲池7为一一对应连接结构，缓冲池7与中心沟4之间通过排水管8连接，溢流管6与排水管8上均安装有阀门9，缓冲池7内安装有排水泵10，排水泵10的出水口与排水管8的入水口连接。

根据实际应用情况，对阀门9和排水泵10的控制分为手动控制和自动控制两种，若为手动控制，阀门9和排水泵10则采用手动阀门和手控排水泵；若采用自动控制，阀门9和排水泵10则采用电控阀门和电控排水泵，且还需增加水位检测仪11、顶部水位传感器12、底部水位传感器13和控制器(图中未示出)，用于检测水位的水位检测仪11设于中心沟4内位于溢流井5上游方向且靠近溢流井5的位置，顶部水位传感器12和底部水位传感器13分别安装于缓冲池7内的顶部和底部，控制器的安装位置由用户确定，便于操作即可，水位检测仪11的信号输出端、顶部水位传感器12的信号输出端和底部水位传感器13的信号输出端分别与控制器的信号输入端连接，控制器的控制输出端分别与阀门9的控制输入端和排水泵10的控制输入端连接。

如图1所示，为了便于确定多个溢流井的设置位置，将整个排水系统在纵向方向分为多段区域，图中示出了第一段区域、第二段区域，后面的区域与第二段区域类似。第一段区域内包括第一横向排水管31、第二横向排水管32、第三横向排水管33…第i横向排水管3i和第i+1横向排水管3i+1，第一横向排水管31最靠近泄水洞起点即图1中的断面B，断面A为隧道人字坡排水起点；第二段区域包括第二区域第一横向排水管(图中未示出)、第二区域第二横向排水管(图中未示出)…第j横向排水管3j和第j+1横向排水管3j+1，第二段区域中第j横向排水管3j上游(即靠近断面B的方向，图1中的左方)的所有横向排水管未示出，i和j为大于1的自然数。由图1可知，其实每一段区域相接处的横向排水管是被重复定义的，如第一段区域的第i+1横向排水管3i+1即为第二段区域的第一横向排水管。图2中用横向排水管3代替了所有横向排水管。

如图1所示，多个溢流井5的设置位置满足以下条件：设第一横向排水管31～第i+1个横向排水管3i+1的最大流量值分别为q₁～q_i+1，中心沟4的预设最大流量值为Q_max，在下述式I和式II同时成立时，第一个溢流井5设于第i个横向排水管3i和第i+1个横向排水管3i+1之间：

Σq_i＝q₁+q₂+…+q_i＝Q_i＜Q_max   (式I)

Σq_i+1＝q₁+q₂+…+q_i+q_i+1＝Q_i+1≥Q_max   (式II)

设在第i个横向排水管3i以后的第一个横向排水管即第i+1横向排水管3i+1～第j+1个横向排水管3j+1的最大流量值分别为r₁～r_j+1,在下述式III和式IV同时成立时，第二个溢流井5设于第j个横向排水管3j和第j+1个横向排水管3j+1之间：

Σr_j＝Q_maxX+r₁+r₂+…+r_j＝R_j＜Q_max   (式III)

Σr_j+1＝Q_maxX+r₁+r₂+…+r_j+r_j+1＝R_j+1≥Q_max   (式IV)

式III和式IV中，X为上一段区域中心沟4溢水后的剩余系数，取值为30～60％，实际取值根据前一个溢流井5的溢流速度而定；

其它的所有溢流井5按照第二个溢流井5的位置设置方法设置位置。

结合图1和图2，本发明所述缓冲系统采用以下方法控制：设中心沟4的高度为h，当溢流井5稍靠上游的中心沟4内的水高为0.8h时，开启溢流管6上的阀门9，同时关闭排水泵10和排水管8上的阀门9，在此过程中，如果缓冲池7内水未满，则一直开启溢流管6上的阀门9，如果缓冲池7内水满，则关闭溢流管6上的阀门9；当溢流井5稍靠上游的中心沟4内的水高为0.3h～0.8h时，关闭溢流管6上的阀门9，此时，如果预计下段时间上游水量不会增加，则开启排水泵10和排水管8上的阀门9，如果预计下段时间上游水量会增加，则关闭排水泵10和排水管8上的阀门9；当溢流井5稍靠上游的中心沟4内的水高为0.3h以下时，关闭溢流管6上的阀门9，同时开启排水泵10和排水管8上的阀门9，直至缓冲池7内的水排完，再关闭排水泵10和排水管8上的阀门9。上述控制方法对每一个缓冲单元(包括对应的溢流井5、缓冲池7、排水泵10、溢流管6、排水管8和阀门9，本例中示出了2个缓冲单元，实际应用中包括更多个缓冲单元)均适用。具体的控制过程中，可以采用上述的手动或自动控制，具体过程不再赘述。

Claims (2)

1.一种用于解决隧道中心沟排水能力不足的缓冲系统，以所述中心沟的中心线方向为纵向，所述中心沟的两侧分别设置有纵向排水管，所述中心沟与所述纵向排水管之间通过多个横向排水管相通连接，多个所述横向排水管中，以最靠近泄水洞起点的所述横向排水管为第一个；所述中心沟的边缘设有多个纵向排列的溢流井，所述隧道外侧与所述溢流井对应的位置设有缓冲池，所述溢流井与所述缓冲池之间通过溢流管相通连接，所述缓冲池与所述中心沟之间通过排水管连接，所述缓冲池内安装有排水泵，所述排水泵的出水口与所述排水管的入水口连接；所述中心沟内位于所述溢流井上游方向且靠近所述溢流井的位置设有用于检测水位的水位检测仪，所述缓冲池内的顶部和底部分别安装有顶部水位传感器和底部水位传感器；其特征在于：多个所述溢流井的设置位置满足以下条件：设第一个所述横向排水管～第i+1个所述横向排水管为第一段区域的横向排水管，i为大于1的自然数，其最大流量值分别为q₁～q_i+1，所述中心沟的预设最大流量值为Q_max，在下述式I和式II同时成立时，第一个所述溢流井设于第i个所述横向排水管和所述第i+1个所述横向排水管之间：

Σq_i＝q₁+q₂+...+q_i＝Q_i＜Q_max      (式I)

Σq_i+1＝q₁+q₂+...+q_i+q_i+1＝Q_i+1≥Q_max      (式II)

设在第i个所述横向排水管以后的第一个所述横向排水管～第j+1个所述横向排水管为第二段区域的横向排水管，j为大于1的自然数，其最大流量值分别为r₁～r_j+1,在下述式III和式IV同时成立时，第二个所述溢流井设于第j个所述横向排水管和第j+1个所述横向排水管之间：

Σr_j＝Q_maxX+r₁+r₂+...+r_j＝R_j＜Q_max      (式III)

Σr_j+1＝Q_maxX+r₁+r₂+...+r_j+r_j+1＝R_j+1≥Q_max         (式IV)

式III和式IV中，X为上一段区域中心沟溢水后的剩余系数，取值为30～60％，实际取值根据前一个所述溢流井的溢流速度而定；

其它的所有所述溢流井按照第二个所述溢流井的位置设置方法设置位置。

2.一种用于解决隧道中心沟排水能力不足的缓冲系统的控制方法，所述缓冲系统中，以所述中心沟的中心线方向为纵向，所述中心沟的两侧分别设置有纵向排水管，所述中心沟与所述纵向排水管之间通过多个横向排水管相通连接，多个所述横向排水管中，以最靠近泄水洞起点的所述横向排水管为第一个；其特征在于：所述中心沟的边缘设有多个纵向排列的溢流井，所述隧道外侧与所述溢流井对应的位置设有缓冲池，所述溢流井与所述缓冲池之间通过溢流管相通连接，所述缓冲池与所述中心沟之间通过排水管连接，所述缓冲池内安装有排水泵，所述排水泵的出水口与所述排水管的入水口连接；所述溢流管与所述排水管上均安装有阀门；设中心沟的高度为h，当溢流井稍靠上游的中心沟内的水高为0.8h以上时，开启溢流管上的阀门，同时关闭排水泵和排水管上的阀门，在此过程中，如果缓冲池内水未满，则一直开启溢流管上的阀门，如果缓冲池内水满，则关闭溢流管上的阀门；当溢流井稍靠上游的中心沟内的水高为0.3h～0.8h时，关闭溢流管上的阀门，此时，如果预计下段时间上游水量不会增加，则开启排水泵和排水管上的阀门，如果预计下段时间上游水量会增加，则关闭排水泵和排水管上的阀门；当溢流井稍靠上游的中心沟内的水高为0.3h以下时，关闭溢流管上的阀门，同时开启排水泵和排水管上的阀门，直至缓冲池内的水排完，再关闭排水泵和排水管上的阀门。