CN110671149B - 一种岩溶隧道的排水系统 - Google Patents
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Abstract
本发明根据隧道建设过程中的排水问题，提出一种岩溶隧道排水系统，岩溶隧道的排水系统沿隧道两侧可以设置多个，水动力装置放置在隧道的边沟中，水动力装置与边沟底部固定，水动力装置包括储水室、旋片腔、圆轮、旋片槽、旋片、弹簧、排水管、转轴、水轮叶片，储水室、排水管与旋片腔连接，旋片腔内设置圆轮，圆轮上设置旋片槽，旋片槽的两端设置旋片，旋片通过弹簧与旋片槽固定连接，圆轮的上边缘与旋片腔的上边缘存在1‑2mm的间隙，圆轮的转动不会受到旋片腔的阻力，转轴连接圆轮与水轮叶片，水轮叶片设置在边沟中。
Description
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，尤其涉及一种岩溶隧道的排水系统。
背景技术
铁路、公路的隧道工程是交通基础设施中重要而敏感的结构，受地质环境复杂性、空间结构封闭性的影响很大，其病害问题多、维护难度大。其中，隧道排水系统结晶堵塞后，会引起隧址区地下水位上升，围岩力学性质劣化，衬砌承受压力增大，进而引发路面积水、衬砌开裂、结构变形等一系列病害，将威胁运营安全、影响结构美观、降低使用寿命，且修复难度大、维护成本高。
在经济持续发展、综合国力快速提升、高新技术不断应用的支撑下，我国已成为世界上隧道工程规模最大、数量最多、地质条件最复杂、结构形式最多样、修建技术发展最快速的国家，修建在云南、贵州、广西、四川、重庆等岩溶地区的隧道工程不胜枚举，隧道排水系统结晶堵塞问题大量存在，且持续性快速增长。目前，国内外隧道行业针对隧道排水系统结晶堵塞问题的处治能力严重不足，这对隧道排水系统结晶堵塞的处治技术提出了极为迫切的需求。因此，开发一种隧道排水系统疏通设备及使用方法，对于提高隧道排水系统的维护水平，保障隧道整体结构的服役性能，具有十分重要的理论意义和工程应用价值，这也正是本发明得以完成的动力和基础所在。
目前，隧道的排水方法主要是在隧道内设置排水设施和构造措施，衬砌背部、路面结构层下的积水排入隧道的侧沟，积水再从侧沟中流出隧道外，以此达到降低隧道围岩区地下水位的目的，减小衬砌背部的积水压力，然而排水管出现堵塞的状况，就会导致排水不顺畅，甚至断流，加之排水管设置在衬砌内部，很难对其进行修复，所以，隧道排水系统在隧道运营一段时间后便会失效，有学者提出隧道虹吸排水技术，隧道虹吸排水技术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，中断后难以再启动。
发明内容
针对现有技术中使用隧道虹吸排水方法时，因地下水位下降虹吸作用暂停后，虹吸管内真空度降低，虹吸作用很难自行恢复的缺陷。本发明提供一种利用水流动力实时启动虹吸作用的排水装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种岩溶隧道排水系统，在隧道的围岩内需要排水的位置设置钻孔，在钻孔中放置虹吸管，虹吸管的进水口处于钻孔的底部，虹吸管的出水口与水动力装置连接，虹吸管的直径为4mm，出水管的一端与虹吸管连接，出水管的另一端置入边沟中，水动力装置放置在隧道的边沟中，水动力装置与边沟底部固定，水动力装置包括储水室、旋片腔、圆轮、旋片槽、旋片、弹簧、排水管、转轴、水轮叶片，虹吸管与水动力装置的储水室连接，储水室、排水管与旋片腔连接，旋片腔内设置圆轮，圆轮上设置旋片槽，旋片槽的两端设置旋片，旋片通过弹簧与旋片槽固定连接，圆轮的上边缘与旋片腔的上边缘存在1-2mm的间隙，圆轮的转动不会受到旋片腔的阻力，转轴连接圆轮与水轮叶片，水轮叶片设置在边沟中。
进一步地，所述的岩溶隧道的排水系统沿隧道两侧可以设置多个。
进一步地，所述的钻孔的孔口与孔底之间的垂直距离比当地大气压力对应的水柱高度高2m以上，钻孔的直径不小于75mm。
进一步地，所述的虹吸管设置一根或多根。
进一步地，所述的虹吸管采用PU管或者PA管。
进一步地，所述的水动力装置设置一个或者多个。
进一步地，所述的水动力装置采用耐腐蚀材料制成。
一种岩溶隧道的排水方法，包括如下步骤：
（1）将虹吸管的一端放入钻孔中，虹吸管的另一端放在边沟中，向虹吸管逆向灌水，排出虹吸管中的气体后，停止逆向灌水，再将虹吸管的另一端与水动力装置连接，然后将水动力装置与边沟固定连接，围岩地下水流经虹吸管、排水管排到边沟中；
（2）降雨发生后，边沟水位线上升，水流冲击水轮叶片，水轮叶片转动带动转轴和圆轮转动，旋片随着圆轮转动，旋片受到离心力和弹簧作用力，旋片的顶端与旋片腔内壁始终保持接触滑动，旋片逆时针旋转，储水室压强减小，排水管内压强增加，虹吸管中累积的空气被吸入旋片腔，而后又从排水管排出，反复进行上述过程，虹吸管真空度增加，虹吸作用恢复，隧道正常进行虹吸排水；
（3）降雨停止后，边沟水位线上升并淹没水轮叶片，隧道正常发生虹吸排水，围岩地下水流经虹吸管、排水管排到边沟中；
（4）下一次降雨发生，边沟水位线上升，重复上述过程。
本发明的优点如下：
1、本发明利用水动力装置将水流动能转化为机械能，抽走累积在虹吸管内的空气，增加虹吸管内的真空度，给虹吸作用提供动力，为虹吸作用的自行恢复提供保障。
2、本发明利用水动力启动虹吸作用，不需要借助外力，不需要人工操作。
3、本发明的水动力装置随着降雨发生而发生作用，发生作用频率高，可以时时保障虹吸作用的持续进行。
4、本发明利用水流动力制造的压强差，可以提供较大的吸力，能够经常性地清除虹吸管内的泥沙，防止虹吸管淤堵。
附图说明
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明的水动力装置的正面示意图；
图3为本发明的水动力装置的侧面示意图；
图4为本发明的水轮叶片的示意图；
图中：隧道1、钻孔2、虹吸管3、水动力装置5、出水管6、储水室7、旋片腔8、圆轮9、旋片槽10、旋片11、弹簧12、排水管13、转轴14、边沟15、水轮叶片16、边沟水位线17。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
如图1-图4所述，一种岩溶隧道排水系统，在隧道1的围岩内需要排水的位置设置钻孔2，在钻孔2中放置虹吸管3，虹吸管3的进水口处于钻孔2的底部，虹吸管3的出水口与水动力装置5连接，虹吸管3的直径为4mm，出水管6的一端与虹吸管3连接，出水管6的另一端置入边沟15中，水动力装置5放置在隧道1的边沟15中，水动力装置5与边沟15底部固定，水动力装置5包括储水室7、旋片腔8、圆轮9、旋片槽10、旋片11、弹簧12、排水管13、转轴14、水轮叶片16，虹吸管3与水动力装置5的储水室7连接，储水室7、排水管13与旋片腔8连接，旋片腔8内设置圆轮9，圆轮9上设置旋片槽10，旋片槽10的两端设置旋片11，旋片11通过弹簧12与旋片槽10固定连接，圆轮9的上边缘与旋片腔8的上边缘存在1-2mm的间隙，圆轮9的转动不会受到旋片腔8的阻力，转轴14连接圆轮9与水轮叶片16，水轮叶片16设置在边沟15中。
进一步地，所述的岩溶隧道的排水系统沿隧道1两侧可以设置多个。
进一步地，所述的钻孔2的孔口与孔底之间的垂直距离比当地大气压力对应的水柱高度高2m以上，钻孔2的直径不小于75mm。
进一步地，所述的虹吸管3设置一根或多根。
进一步地，所述的虹吸管3采用PU管或者PA管。
进一步地，所述的水动力装置5设置一个或者多个。
进一步地，所述的水动力装置5采用耐腐蚀材料制成。
一种岩溶隧道的排水方法，包括如下步骤：
（1）将虹吸管3的一端放入钻孔2中，虹吸管3的另一端放在边沟15中，向虹吸管3逆向灌水，排出虹吸管3中的气体后，停止逆向灌水，再将虹吸管3的另一端与水动力装置5连接，然后将水动力装置5与边沟15固定连接，围岩地下水流经虹吸管3、排水管13排到边沟15中；
（2）降雨发生后，边沟水位线17上升，水流冲击水轮叶片16，水轮叶片16转动带动转轴14和圆轮9转动，旋片11随着圆轮9转动，旋片11受到离心力和弹簧作用力，旋片11的顶端与旋片腔8内壁始终保持接触滑动，旋片11逆时针旋转，储水室7压强减小，排水管13内压强增加，虹吸管3中累积的空气被吸入旋片腔8，而后又从排水管13排出，反复进行上述过程，虹吸管3真空度增加，虹吸作用恢复，隧道1正常进行虹吸排水；
（3）降雨停止后，边沟水位线17上升并淹没水轮叶片16，隧道1正常发生虹吸排水，围岩地下水流经虹吸管3、排水管13排到边沟15中；
（4）下一次降雨发生，边沟水位线17上升，重复上述过程。
Claims (7)
1.一种岩溶隧道排水系统，其特征在于，在隧道的围岩内需要排水的位置设置钻孔，在钻孔中放置虹吸管，虹吸管的进水口处于钻孔的底部，虹吸管的出水口与水动力装置连接，虹吸管的直径为4mm，出水管的一端与虹吸管连接，出水管的另一端置入边沟中，水动力装置放置在隧道的边沟中，水动力装置与边沟底部固定，水动力装置包括储水室、旋片腔、圆轮、旋片槽、旋片、弹簧、排水管、转轴、水轮叶片，虹吸管与水动力装置的储水室连接，储水室、排水管与旋片腔连接，旋片腔内设置圆轮，圆轮上设置旋片槽，旋片槽的两端设置旋片，旋片通过弹簧与旋片槽固定连接，圆轮的上边缘与旋片腔的上边缘存在1-2mm的间隙，圆轮的转动不会受到旋片腔的阻力，转轴连接圆轮与水轮叶片，水轮叶片设置在边沟中。
2.根据权利要求1所述的一种岩溶隧道排水系统，其特征在于，所述的岩溶隧道的排水系统沿隧道两侧可以设置多个。
3.根据权利要求1所述的一种岩溶隧道排水系统，其特征在于，所述的钻孔的孔口与孔底之间的垂直距离比当地大气压力对应的水柱高度高2m以上，钻孔的直径不小于75mm。
4.根据权利要求1所述的一种岩溶隧道排水系统，其特征在于，所述的虹吸管设置一根或多根。
5.根据权利要求4所述的一种岩溶隧道排水系统，其特征在于，所述的虹吸管采用PU管或者PA管。
6.根据权利要求1所述的一种岩溶隧道排水系统，其特征在于，所述的水动力装置设置一个或者多个。
7.根据权利要求1所述的一种岩溶隧道排水系统，其特征在于，所述的水动力装置采用耐腐蚀材料制成。
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