CN109492247A - 用于严寒地区隧道洞口深埋中心水沟长度的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于严寒地区隧道洞口深埋中心水沟长度的计算方法，分析位于寒冷及严寒地区隧道洞口的太阳辐射情况，计算隧道洞口的太阳辐射指标；将隧道洞口太阳辐射指标、洞口最冷月平均气温、已建成位于寒冷或严寒地区铁路隧道实测的排水通道结冰长度以及对应的保温水沟设置长度以及水沟结冰长度作为影响因素，拟定非线性曲面方程形式；利用多元非线性回归，计算出多元非线性曲面方程待定参数，得到寒冷及严寒地区隧道保温水沟设置长度计算公式。本发明克服了现有技术对保温水沟设置长度无法理论定性定量分析的缺点，提出了具有针对性的计算方法，提高了用于寒冷及严寒地区隧道洞口保温水沟设置长度的计算的准确性。

Description

用于严寒地区隧道洞口深埋中心水沟长度的计算方法

技术领域

本发明涉及隧道防寒领域，具体涉及一种用于严寒地区隧道洞口深埋中心水沟长度的计算方法。

背景技术

根据我国已建成严寒地区隧道冻害调查概况，隧道冻害一般是从排水通道局部结冰开始的。对我国西北某新建高速铁路隧道进行统计，部分隧道建成后存在局部排水通道结冰的情况，严重威胁行车安全。特别是隧道洞口位于山体的阴坡且气温较低的区域，结冰问题更为突出，山体的阴、阳坡判断受到太阳辐射的直接影响。

完善有效的排水系统及可靠的防寒保温措施是防止冻害的关键。我国严寒地区隧道抗冻设防段的主要措施有防寒泄水洞、中心深埋水沟、中心深埋水沟和电伴热系统。隧道洞口中心深埋水沟长度设计时，通常依据设计人员的设计经验，缺乏定量的计算方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于严寒地区隧道洞口深埋中心水沟长度的计算方法，综合考虑太阳辐射量和隧道洞口气温等影响因素，通过非线性回归确定严寒地区隧道中心深埋水沟的设置长度。

本发明所采用的技术方案为：

用于严寒地区隧道洞口深埋中心水沟长度的计算方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：隧道洞口太阳辐射影响分析：

对位于寒冷及严寒地区隧道洞口的太阳辐射条件进行分析，通过隧道洞口所在坡面的方位角、坡面的自然坡度和地理纬度三个影响因素，计算得到隧道洞口的太阳辐射指标；

步骤二：拟定方程形式：

将隧道洞口太阳辐射指标、洞口最冷月平均气温作为自变量，已建成位于严寒地区铁路隧道实测的排水通道结冰长度以及对应的中心深埋水沟设置长度作为因变量，拟定多元非线性曲面方程形式；

步骤三：多元非线性回归：

计算得到多元非线性曲面方程待定的固定参数和待回归的收敛控制系数，对多元非线性曲面方程进行匹配，得到严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度计算公式。

隧道洞口太阳辐射指标计算公式如下：

其中，I_θ为隧道洞口太阳辐射指标；I_Dθ为隧道洞口太阳直射辐射强度；I_dθ为隧道洞口太阳散射辐射强度；I_Rθ为隧道洞口获得的地面反射辐射强度；I_DN为法向太阳辐射强度，指太阳光线法线方向的太阳直射辐射强度，I_DN＝I₀×P^m，I₀为太阳常数，P为大气透明系数，m为大气质量，h为太阳高度角；i为太阳入射角， cosi＝cosθsinh+sinθcoshcos(α-γ)，γ为斜面方位角；α为太阳方位角；I_DH为水平方向太阳直射辐射强度，I_DH＝I_DNsinh＝I₀P^msinh； I_dH为水平方向太阳散射辐射强度θ为隧道洞口所在坡面的倾角；ρ_G为隧道所在坡面的地表反射率；I_h为水平方向的总辐射强度，

在计算太阳辐射指标时对部分变量进行赋值，其中：太阳方位角α为0，指时刻为12时的太阳方位角；P大气透明系数为0.722；隧道所在坡面的地表反射率ρ_G为0.2；太阳常数I₀取1。

步骤二中，将隧道洞口太阳辐射指标、洞口最冷月平均气温作为自变量，已建成位于严寒地区铁路隧道实测的排水通道结冰长度以及对应的中心深埋水沟设置长度作为因变量，拟定多元非线性方程形式如下；

其中，T为洞口最冷月平均气温；I_θ为隧道洞口太阳辐射指标； L为高速铁路隧道的冻害长度；a、b、c为待回归的固定参数，d为待回归的收敛控制系数。

步骤三中，利用麦夸特法进行多元非线性回归，计算得到多元非线性曲面方程待定的固定参数和待回归的收敛控制系数，进而得到严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度计算公式如下：

所述的严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度计算公式的计算结果建立在隧道洞口最冷月平均气温、太阳辐射指标的基础上；严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度还受到其它因素的影响，当引入洞口微地形、地下水发育程度、隧道坡度、自然风向、风速、列车行驶速度的其它影响因素时，需要在步骤二中增加上述自变量，重新拟定多元非线性方程形式，并在步骤三中增加待回归固定参数，重新进行多元非线性回归：

其中，m₁m₂...m_n为影响严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度计算公式的计算结果的其它因素，包括但不仅限于隧道洞口微地形、地下水发育程度、隧道坡度、自然风向、风速、列车行驶速度；为运算过程，表示各影响因素对计算结果的影响方式。

本发明具有以下优点：

本发明所述的一种用于严寒地区隧道洞口中心深埋水沟设置长度的计算方法，针对隧道洞口的特点，隧道洞口所在坡面的方位角、坡面的自然坡度和地理纬度三个影响因素计算隧道洞口的太阳辐射指标，对隧道洞口接收到的太阳辐射大小进行评价。分析隧道洞口太阳辐射指标、洞口最冷月平均气温对寒冷或严寒地区铁路隧道实测的排水通道结冰长度以及对应的保温水沟设置长度的影响，拟定了多元非线性曲面方程形式，通过多元非线性回归，提出了严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度计算公式。本发明克服了现有技术对位于严寒地区隧道洞口中心深埋水沟设置长度无法理论定性定量分析的缺点，提出了具有针对性的计算方法，提高了严寒地区隧道洞口中心深埋水沟设置长度计算的准确性。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及的一种用于严寒地区隧道洞口中心深埋水沟设置长度的计算方法，包括：

步骤一：隧道洞口太阳辐射影响分析。对位于寒冷及严寒地区隧道洞口的太阳辐射条件进行分析，通过隧道洞口所在坡面的方位角、坡面的自然坡度和地理纬度三个影响因素，计算得到隧道洞口的太阳辐射指标；

步骤二：拟定方程形式。将隧道洞口太阳辐射指标、洞口最冷月平均气温作为自变量，我国已建成位于严寒地区铁路隧道实测的排水通道结冰长度以及对应的中心深埋水沟设置长度作为因变量，拟定多元非线性曲面方程形式；

步骤三：多元非线性回归。计算得到多元非线性曲面方程待定的固定参数和待回归的收敛控制系数，对多元非线性曲面方程进行匹配，得到严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度计算公式。

所述步骤一隧道洞口太阳辐射指标计算公式如下：

其中，I_θ为隧道洞口太阳辐射指标；I_Dθ为隧道洞口太阳直射辐射强度；I_dθ为隧道洞口太阳散射辐射强度；I_Rθ为隧道洞口获得的地面反射辐射强度；I_DN为法向太阳辐射强度，指太阳光线法线方向的太阳直射辐射强度，I_DN＝I₀×P^m，I₀为太阳常数，P为大气透明系数，m为大气质量，h为太阳高度角；i为太阳入射角，cosi＝cosθsinh+sinθcoshcos(α-γ)，γ为斜面方位角；α为太阳方位角；I_DH为水平方向太阳直射辐射强度， I_DH＝I_DNsinh＝I₀P^msinh；I_dH为水平方向太阳散射辐射强度θ为隧道洞口所在坡面的倾角；ρ_G为隧道所在坡面的地表反射率；I_h为水平方向的总辐射强度，

所述步骤一隧道洞口的太阳辐射受到太阳光线入射角、地形、云量、洞口微地形等因素的影响。我国直接测量太阳辐射的站点较少，很多地区并没有太阳辐射的观测值，需要间接计算获得，因而计算中需要选用形式简单，待定参数少的太阳辐射计算模型。为简化计算过程，本发明在计算太阳辐射指标时对部分变量进行赋值，其中：太阳方位角α为0，指时刻为12时的太阳方位角；P大气透明系数为0.722；隧道所在坡面的地表反射率ρ_G为0.2；太阳常数I₀取1。

所述步骤二将隧道洞口太阳辐射指标、洞口最冷月平均气温作为自变量，我国已建成位于严寒地区铁路隧道实测的排水通道结冰长度以及对应的中心深埋水沟设置长度作为因变量，拟定多元非线性方程形式如下；

其中，T为洞口最冷月平均气温；I_θ为隧道洞口太阳辐射指标； L为高速铁路隧道的冻害长度；a、b、c为待回归的固定参数，d为待回归的收敛控制系数。

所述步骤三利用麦夸特法(Levenberg-Marquardt)进行多元非线性回归，计算得到多元非线性曲面方程待定的固定参数和待回归的收敛控制系数，进而得到严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度计算公式如下：

所述的严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度计算公式的计算结果建立在隧道洞口最冷月平均气温、太阳辐射指标的基础上。严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度还受到其它因素的影响，当引入洞口微地形、地下水发育程度、隧道坡度、自然风向、风速、列车行驶速度等其它影响因素时，需要在步骤二中增加上述自变量，重新拟定多元非线性方程形式，并在步骤三中增加待回归固定参数，重新进行多元非线性回归：

其中，m₁m₂...m_n为影响严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度计算公式的计算结果的其它因素，包括但不仅限于隧道洞口微地形、地下水发育程度、隧道坡度、自然风向、风速、列车行驶速度。为运算过程，表示各影响因素对计算结果的影响方式。

所述严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度计算公式的拟合过程建立在我国已建成位于严寒地区铁路隧道实测的排水通道结冰长度以及对应的中心深埋水沟设置长度的基础上，隧道位置处于我国西北地区高海拔温度较低的区域，我国东北等其它严寒地区隧道的适用性需要进一步论证；

受实测资料限制，严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度计算公式仅适用于隧道洞口最冷月平均气温在-7.55℃至-18.0℃之间，且需要设置中心深埋水沟的隧道，最冷月平均气温低于-18.0℃隧道洞口的适应性需要进一步验证。

本发明所述的一种用于严寒地区隧道洞口中心深埋水沟设置长度的计算方法，针对隧道洞口的特点，隧道洞口所在坡面的方位角、坡面的自然坡度和地理纬度三个影响因素计算隧道洞口的太阳辐射指标，对隧道洞口接收到的太阳辐射大小进行评价。分析隧道洞口太阳辐射指标、洞口最冷月平均气温对寒冷或严寒地区铁路隧道实测的排水通道结冰长度以及对应的保温水沟设置长度的影响，拟定了多元非线性曲面方程形式，通过多元非线性回归，提出了严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度计算公式。本发明克服了现有技术对位于严寒地区隧道洞口中心深埋水沟设置长度无法理论定性定量分析的缺点，提出了具有针对性的计算方法，提高了严寒地区隧道洞口中心深埋水沟设置长度计算的准确性。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.用于严寒地区隧道洞口深埋中心水沟长度的计算方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：隧道洞口太阳辐射影响分析：

对位于寒冷及严寒地区隧道洞口的太阳辐射条件进行分析，通过隧道洞口所在坡面的方位角、坡面的自然坡度和地理纬度三个影响因素，计算得到隧道洞口的太阳辐射指标；

步骤二：拟定方程形式：

将隧道洞口太阳辐射指标、洞口最冷月平均气温作为自变量，已建成位于严寒地区铁路隧道实测的排水通道结冰长度以及对应的中心深埋水沟设置长度作为因变量，拟定多元非线性曲面方程形式；

步骤三：多元非线性回归：

计算得到多元非线性曲面方程待定的固定参数和待回归的收敛控制系数，对多元非线性曲面方程进行匹配，得到严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度计算公式。

2.根据权利要求1所述的用于严寒地区隧道洞口深埋中心水沟长度的计算方法，其特征在于：

隧道洞口太阳辐射指标计算公式如下：

其中，I_θ为隧道洞口太阳辐射指标；I_Dθ为隧道洞口太阳直射辐射强度；I_dθ为隧道洞口太阳散射辐射强度；I_Rθ为隧道洞口获得的地面反射辐射强度；I_DN为法向太阳辐射强度，指太阳光线法线方向的太阳直射辐射强度，I_DN＝I₀×P^m，I₀为太阳常数，P为大气透明系数，m为大气质量，h为太阳高度角；i为太阳入射角，cosi＝cosθsinh+sinθcoshcos(α-γ)，γ为斜面方位角；α为太阳方位角；I_DH为水平方向太阳直射辐射强度，I_DH＝I_DNsinh＝I₀P^msinh；I_dH为水平方向太阳散射辐射强度θ为隧道洞口所在坡面的倾角；ρ_G为隧道所在坡面的地表反射率；I_h为水平方向的总辐射强度，

3.根据权利要求2所述的用于严寒地区隧道洞口深埋中心水沟长度的计算方法，其特征在于：

在计算太阳辐射指标时对部分变量进行赋值，其中：太阳方位角α为0，指时刻为12时的太阳方位角；P大气透明系数为0.722；隧道所在坡面的地表反射率ρ_G为0.2；太阳常数I₀取1。

4.根据权利要求3所述的用于严寒地区隧道洞口深埋中心水沟长度的计算方法，其特征在于：

步骤二中，将隧道洞口太阳辐射指标、洞口最冷月平均气温作为自变量，已建成位于严寒地区铁路隧道实测的排水通道结冰长度以及对应的中心深埋水沟设置长度作为因变量，拟定多元非线性方程形式如下；

其中，T为洞口最冷月平均气温；I_θ为隧道洞口太阳辐射指标；L为高速铁路隧道的冻害长度；a、b、c为待回归的固定参数，d为待回归的收敛控制系数。

5.根据权利要求4所述的用于严寒地区隧道洞口深埋中心水沟长度的计算方法，其特征在于：

步骤三中，利用麦夸特法进行多元非线性回归，计算得到多元非线性曲面方程待定的固定参数和待回归的收敛控制系数，进而得到严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度计算公式如下：

6.根据权利要求5所述的用于严寒地区隧道洞口深埋中心水沟长度的计算方法，其特征在于：

所述的严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度计算公式的计算结果建立在隧道洞口最冷月平均气温、太阳辐射指标的基础上；严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度还受到其它因素的影响，当引入洞口微地形、地下水发育程度、隧道坡度、自然风向、风速、列车行驶速度的其它影响因素时，需要在步骤二中增加上述自变量，重新拟定多元非线性方程形式，并在步骤三中增加待回归固定参数，重新进行多元非线性回归：

其中，m₁m₂...m_n为影响严寒地区隧道中心深埋水沟设置长度计算公式的计算结果的其它因素，包括但不仅限于隧道洞口微地形、地下水发育程度、隧道坡度、自然风向、风速、列车行驶速度；为运算过程，表示各影响因素对计算结果的影响方式。