CN108316972B - 一种充气启动式隧道排水系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种充气启动式隧道排水系统，包括钻孔、虹吸管、边沟、充气启动装置，在隧道围岩内需要排水的位置设置钻孔，虹吸管的进水口置于钻孔内，虹吸管的出水口置于密闭的水箱中，充气启动装置包括水箱、排气管、阀门A、排水管、阀门B、气瓶A、气瓶B、导流管、支管、压力表、导气管、阀门C，气瓶A盛有碳酸氢钠溶液，气瓶B盛有柠檬酸溶液，气瓶A和气瓶B之间通过导流管连接，导流管中间设有压力表，支管连接在导流管上，导气管的入口端置于气瓶A之内，导气管的出口端与水箱底部连接，阀门C安装在导气管上，排气管安装在水箱的顶部，阀门A安装在排气管上，排水管的入口端连接在水箱的底部，阀门B安装在排水管的出口处。

Description

一种充气启动式隧道排水系统及方法

技术领域

本发明属于隧道工程领域，适用于山体隧道的排水，尤其涉及一种充气启动式隧道排水系统及方法。

背景技术

受复杂地质环境和水文地质条件的影响，隧道的建设与运营过程目前仍面临很多工程病害问题。其中，隧道的渗漏水病害就是一个困扰隧道运营和养护的难题。隧道长期渗漏水会对隧道衬砌产生侵蚀破坏，渗漏水对隧道围岩也会产生软化作用，降低了围岩的强度，致使围岩失稳破坏。隧道渗漏水滴落到路面会造成路面积水或结冰，影响交通运行。目前的排水措施对衬砌整体性破坏较大，排水范围较小，长期的效果不佳，用于养护的成本较高。近年有人提出了隧道虹吸排水技术，其具有排水孔布置方便、集水能力强、截排水效果好、工程建设速度快等优点，然而在使用隧道虹吸排水方法的工程中，虹吸管顶部需要保持一定的真空度，但是由于溶解在水中的气体在负压下会析出、外界空气渗入虹吸管等原因，部分虹吸管常常因为空气在管内累积而导致真空度下降，部分虹吸管会暂时处于停止工作状态，如果虹吸管长时间处于停流状态，会导致虹吸排水维护困难甚至整个虹吸排水系统中断，虹吸启动变得异常困难。另外，隧道虹吸排水技术一般使用直径4mm以下的虹吸管，虹吸管管径较小，容易出现泥沙淤堵状况，同样会造成虹吸中断，并且中断后难以再启动。

发明内容

本发明针对现有隧道虹吸排水维护困难的技术缺陷，提供一种充气启动式隧道排水系统及方法，可在隧道虹吸排水系统使用过程中反复进行虹吸启动，解决排水过程中因虹吸管内空气积累而需要维护并重启动虹吸的问题，也解决虹吸管内泥沙淤堵的问题，满足隧道有效排水的需要，实时控制隧道围岩内地下水位上升。

本发明的技术方案是：一种充气启动式隧道排水系统，包括钻孔、虹吸管、边沟、充气启动装置，在隧道围岩内需要排水的位置设置钻孔，虹吸管的进水口置于钻孔内，虹吸管的出水口置于密闭的水箱中，水箱顶部的高程低于钻孔底部的高程，充气启动装置位于隧道外的路基边坡上，充气启动装置包括水箱、排气管、阀门A、排水管、阀门B、气瓶A、气瓶B、导流管、支管、压力表、导气管、阀门C，气瓶A盛有碳酸氢钠溶液，气瓶B盛有柠檬酸溶液，气瓶A和气瓶B之间通过导流管连接，导流管的两端都位于液面以下，导流管中间设有压力表，支管连接在导流管上，支管的进气口在液面以上，导气管的入口端置于气瓶A之内，导气管的入口端在液面以上，导气管的出口端与水箱底部连接，阀门C安装在导气管上，水箱设置在路基坡面上，排气管安装在水箱的顶部，阀门A安装在排气管上，排水管的入口端连接在水箱的底部，阀门B安装在排水管的出口处。

进一步地，所述的虹吸管的直径为4mm。

进一步地，所述的导气管的直径为10mm。

进一步地，所述的水箱中置入虹吸管的数量为100-200根。

一种充气启动式隧道排水方法，该方法包括：

（1）充气启动式隧道排水系统初次使用时，关闭阀门A，关闭阀门C，打开阀门B，从阀门B处向排水管逆向灌水，排出虹吸管中的气体后，停止逆向灌水，打开阀门A，记录排水管的初始排水流量；

（2）当排水管的排水流量下降到初始排水流量的30%-50%时，关闭阀门B，挤压气瓶B，使柠檬酸溶液通过导流管流入气瓶A，柠檬酸与碳酸氢钠反应产生二氧化碳气体，气体通过支管进入气瓶B，使气瓶A和气瓶B中的气压达到平衡；

（3）当压力表显示为150kpa时，打开阀门C，气体充入水箱，引起水箱内液面产生震荡；

（4）水箱的液面震荡10-20分钟后，关闭阀门C，打开阀门B，记录新的排水管的排水初始流量。

本发明的有益效果主要表现在：

1、本发明通过高压气体充入水箱引发液面震荡来启动虹吸，解决虹吸管空气累积和泥沙淤堵的问题，不借助其他电气设备，简单可靠。

2、本发明材料简单易获取，不受其他外界条件干扰，适用范围广，适用于偏远地区的野外山体隧道。

3、本发明利用化学反应产生气体，可以多次使用，操作方法简单，也可以同时启动多根虹吸管，快速高效启动虹吸。

4、本发明的气体发生系统的设计保证了气体源源不断地流入水箱，气瓶A和气瓶B内的气压始终保持动态平衡，使整个装置稳定可靠。

附图说明

图1为本发明的一种充气启动式隧道排水系统的整体结构示意图；

图2为本发明的一种充气启动式隧道排水系统的隧道横断面示意图；

图3为本发明的一种充气启动式隧道排水系统的充气启动装置的结构示意图；

图中：钻孔1、虹吸管2、边沟4、隧道5、山体6、路基边坡7、充气启动装置3、水箱31、排气管32、阀门A 33、排水管34、阀门B 35、气瓶A 81、气瓶B 82、导流管83、压力表84、导气管85、阀门C 86、支管87。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

如图1、图2、图3所示，本实施例提供一种充气启动式隧道排水系统，包括钻孔1、虹吸管2、边沟4、充气启动装置3，在隧道5围岩内需要排水的位置设置钻孔1，虹吸管2的进水口置于钻孔1内，虹吸管2的出水口置于密闭的水箱31中，水箱31顶部的高程低于钻孔1底部的高程，充气启动装置3位于隧道5外的路基边坡7上；充气启动装置3包括水箱31、排气管32、阀门A 33、排水管34、阀门B 35、气瓶A 81、气瓶B 82、导流管83、支管87、压力表84、导气管85、阀门C 86，气瓶A 81盛有碳酸氢钠溶液，气瓶B 82盛有柠檬酸溶液，气瓶A 81和气瓶B82之间通过导流管83连接，导流管83的两端都位于液面以下，导流管83中间设有压力表84，支管87连接在导流管83上，支管87的进气口在液面以上，导气管85的入口端置于气瓶A 81之内，导气管85的入口端在液面以上，导气管85的出口端与水箱31底部连接，阀门C 86安装在导气管85上，水箱31设置在路基坡面7上，排气管32安装在水箱31的顶部，阀门A 33安装在排气管32上，排水管34的入口端连接在水箱31的底部，阀门B35安装在排水管34的出口处。虹吸管2的直径为4mm。导气管85的直径为10mm。水箱31中置入虹吸管2的数量为100根。气瓶A 81的碳酸氢钠溶液为500克碳酸氢钠和2升水混合，气瓶B 82的柠檬酸溶液为500克柠檬酸和1千克水混合，根据化学反应方程；3NaHCO₃+C₆H₈O₇=C₆H₅O₇Na₃+3CO₂+3H₂O，碳酸氢钠和柠檬酸完全反应后，在常温、常压下，可产生二氧化碳133升。每次对软土地基排水系统进行充气维护后，向气瓶A 81中补充碳酸氢钠，向气瓶B 82中补充柠檬酸。

一种充气启动式隧道排水方法，该方法包括：

（1）充气启动式隧道排水系统初次使用时，关闭阀门A 33，关闭阀门C 86，打开阀门B 35，从阀门B 35处向排水管34逆向灌水，排出虹吸管2中的气体后，停止逆向灌水，打开阀门A 33，虹吸作用启动，隧道5围岩内地下水依次流经虹吸管2、水箱31、排水管34流出隧道5，记录排水管34的初始排水流量；

（2）当排水管34的排水流量下降到初始排水流量的30%-50%时，关闭阀门B 35，挤压气瓶B 82，使柠檬酸溶液通过导流管83流入气瓶A 81，柠檬酸与碳酸氢钠反应产生二氧化碳气体，气体通过支管87进入气瓶B 82，使气瓶A 81和气瓶B 82中的气压达到平衡；

（3）当压力表84显示为150kpa时，打开阀门C 86，气体充入水箱31，引起水箱31内液面产生震荡，水箱31内压强呈现波峰波谷式变化，当虹吸管2内压强突然变低时，虹吸中断的虹吸管2中的空气被吸出，泥沙淤堵的虹吸管2受到震荡式的压强变化影响，使泥沙随水流流出虹吸管2外，气体流出气瓶A 81后，气瓶A 81压力减小，柠檬酸溶液通过导流管83被压入气瓶A 81，继续发生反应产生气体，从导气管85进入水箱31的气体引发液面震荡后从排气管32流出水箱31；

（4）水箱31的液面震荡10-20分钟后，关闭阀门C 86，打开阀门B 82，记录新的排水管34的排水初始流量。

Claims (2)

1.一种充气启动式隧道排水系统，其特征在于，包括钻孔、虹吸管、边沟、充气启动装置，在隧道围岩内需要排水的位置设置钻孔，虹吸管的进水口置于钻孔内，虹吸管的出水口置于密闭的水箱中，水箱顶部的高程低于钻孔底部的高程，充气启动装置位于隧道外的路基边坡上；充气启动装置包括水箱、排气管、阀门A、排水管、阀门B、气瓶A、气瓶B、导流管、支管、压力表、导气管、阀门C，气瓶A盛有碳酸氢钠溶液，气瓶B盛有柠檬酸溶液，气瓶A和气瓶B之间通过导流管连接，导流管的两端都位于液面以下，导流管中间设有压力表，支管连接在导流管上，支管的进气口在液面以上，导气管的入口端置于气瓶A之内，导气管的入口端在液面以上，导气管的出口端与水箱底部连接，阀门C安装在导气管上，水箱设置在路基边坡上，排气管安装在水箱的顶部，阀门A安装在排气管上，排水管的入口端连接在水箱的底部，阀门B安装在排水管的出口处，所述的虹吸管的直径为4mm，所述的导气管的直径为10mm，所述的水箱中置入虹吸管的数量为100-200根。

2.一种应用权利要求1所述系统的充气启动式隧道排水方法，其特征在于，该方法包括：

（1）充气启动式隧道排水系统初次使用时，关闭阀门A，关闭阀门C，打开阀门B，从阀门B处向排水管逆向灌水，排出虹吸管中的气体后，停止逆向灌水，打开阀门A，记录排水管的初始排水流量；

（2）当排水管的排水流量下降到初始排水流量的30%-50%时，关闭阀门B，挤压气瓶B，使柠檬酸溶液通过导流管流入气瓶A，柠檬酸与碳酸氢钠反应产生二氧化碳气体，气体通过支管进入气瓶B，使气瓶A和气瓶B中的气压达到平衡；

（3）当压力表显示为150kpa时，打开阀门C，气体充入水箱，引起水箱内液面产生震荡；

（4）水箱的液面震荡10-20分钟后，关闭阀门C，打开阀门B，记录新的排水管的排水初始流量。