CN113685227B - 一种摆翼式斜井运营期突涌水防治结构及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及隧道斜井涌水防治技术领域，特别是一种摆翼式斜井运营期突涌水防治结构及设计方法，其中摆翼式斜井运营期突涌水防治结构包括斜井，所述斜井内设置有导流结构，所述导流结构与所述斜井的井壁之间具有间隙，所述导流结构上连接有摆翼结构，所述摆翼结构能够相对于所述导流结构摆动。本申请所述的一种摆翼式斜井运营期突涌水防治结构，通过在所述斜井内设置有导流结构和摆翼结构，利用导流结构对涌水进行导流，之后利用摆翼结构降低水流流速，通过导流结构和摆翼结构可以逐级降低水流流速，逐级消能，以减少对封堵结构的冲击力。

Description

一种摆翼式斜井运营期突涌水防治结构及设计方法
技术领域
本发明涉及隧道斜井涌水防治技术领域，特别是一种摆翼式斜井运营期突涌水防治结构及设计方法。
背景技术
对于长大隧道的修建，为了加快施工进度、保证施工安全，往往会增设斜井等辅助坑道去多开掌子面。然而，对于处在断裂分布密集、岩溶发育的地段，斜井修建完成后如果斜井内发生涌水涌砂事故冲到正洞，将会对正洞运营安全构成巨大威胁。
现有技术中，一般采取在正洞和斜井交叉位置设置封堵结构阻挡突涌水，然后对于2km以上长斜井，其高差巨大，水流动过程中蓄积能量大，破坏力强，潜在威胁大。
因此，需要采取有效措施，既不阻挡斜井正常排水，又可以减缓涌水的冲击力，防止正洞受到冲击。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的长斜井，其高差巨大，水流动过程中蓄积能量大，破坏力强，潜在威胁大的问题，提供一种摆翼式斜井运营期突涌水防治结构及设计方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种摆翼式斜井运营期突涌水防治结构，包括斜井，所述斜井内设置有导流结构，所述导流结构与所述斜井的井壁之间具有间隙，所述导流结构上连接有摆翼结构，所述摆翼结构能够相对于所述导流结构摆动。
本申请所述的一种摆翼式斜井运营期突涌水防治结构，通过在所述斜井内设置有导流结构和摆翼结构，利用导流结构对涌水进行导流，之后利用摆翼结构降低水流流速，通过导流结构和摆翼结构可以逐级降低水流流速，逐级消能，以减少对封堵结构的冲击力。
优选地，所述导流结构的两侧均设置有所述间隙，所述摆翼结构连接于所述导流结构的两侧。
优选地，所述导流结构包括导流坝，所述导流坝设置于所述斜井内。
优选地，所述摆翼结构包括浮体，所述浮体上连接有拉索，所述拉索与所述导流结构相连接。
优选地，所述拉索包括相铰接的套环和连杆，所述连杆与所述浮体相连接，所述套环与所述导流结构通过柔性件相连接。
优选地，所述的浮体外部连接有托片，增加浮体与水流的接触面积，使得浮体能够更快速的转动，使其消能效果更好。
本申请还公开了一种设计方法，包含以下步骤：
S1：基于本申请所述的摆翼式斜井运营期突涌水防治结构建立防涌设计模型，并使所述防涌设计模型满足：输入所述间隙内涌水的流速V1和导流结构背水侧区域涌水的流速V2得到直接-流速计算关系，所述直接-流速计算关系用于表示浮体的直径R、浮体淹沉在水下部分的深度h和浮体偏转角度θ之间的计算关系；
S2：拟定浮体的直径R和浮体淹沉在水下部分的深度h，并将浮体的直径R和浮体淹沉在水下部分的深度h输入所述直接-流速计算关系，得到浮体偏转角度θ。
本申请所述的设计方法，基于本申请所述的摆翼式斜井运营期突涌水防治结构建立防涌设计模型，通过防涌设计模型能够得到直接-流速计算关系，作为模板计算，之后根据需求的导流结构背水侧区域涌水的流速V2，拟定浮体的直径R和浮体淹沉在水下部分的深度h，并将浮体的直径R和浮体淹沉在水下部分的深度h输入所述直接-流速计算关系，得到浮体偏转角度θ，就能基于此防止浮体撞到斜井井壁上，并基于此确定中间坝体的位置，以合理利用空间，整个设计过程简单可靠，为浮体的结构设计，提供了计算依据。
优选地，所述步骤S1具体为；
S11：基于本申请所述的摆翼式斜井运营期突涌水防治结构建立涌水压差计算模型、侧向推力计算模型和前向推力计算模型，其中，
所述涌水压差计算模型用于表示导流结构背水侧区域涌水压力与间隙内涌水压力之间的差值关系；
所述侧向推力计算模型用于表示所述摆翼结构承受来自涌水的侧向推力F1；
所述前向推力计算模型用于表示所述摆翼结构承受来自涌水的朝向下游的推力F2；
S12：基于所述涌水压差计算模型、侧向推力计算模型和前向推力计算模型建立所述防涌设计模型。
优选地，所述防涌设计模型具体为：
Figure BDA0003229541770000031
F1＝ΔP·Rh
F2＝QρV1
式中,ΔP为导流结构背水侧区域涌水压力与间隙内涌水压力直接的差值，单位：MPa；V1为间隙内涌水的流速，单位：m/s；V2为导流结构背水侧区域涌水的流速，单位：m/s；ρ为涌水的密度，单位kg/m3；g为重力加速度，单位：9.8m/s2；θ为浮体偏转角度；Q为间隙内涌水流量，单位：m3/s；m为摆翼结构的总质量；R为浮体的直径，单位：m；h为浮体淹沉在水下部分的深度，单位：m。
优选地，所述直接-流速计算关系具体为：
Figure BDA0003229541770000041
式中,V1为间隙内涌水的流速，单位：m/s；V2为导流结构背水侧区域涌水的流速，单位：m/s；g为重力加速度，单位：9.8m/s2；R为浮体的直径，单位：m；h为浮体淹沉在水下部分的深度，单位：m；θ为浮体偏转角度；Q为间隙内涌水流量m3/s；m为摆翼结构的总质量。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本申请所述的一种摆翼式斜井运营期突涌水防治结构，通过在所述斜井内设置有导流结构和摆翼结构，利用导流结构对涌水进行导流，之后利用摆翼结构降低水流流速，通过导流结构和摆翼结构可以逐级降低水流流速，逐级消能，以减少对封堵结构的冲击力。
2、本申请所述的一种摆翼式斜井运营期突涌水防治结构，所述的浮体外部连接有托片，增加浮体与水流的接触面积，使得浮体能够更快速的转动，使其消能效果更好。
3、本申请所述的设计方法，基于本申请所述的摆翼式斜井运营期突涌水防治结构建立防涌设计模型，通过防涌设计模型能够得到直接-流速计算关系，作为模板计算，之后根据需求的导流结构背水侧区域涌水的流速V2，拟定浮体的直径R和浮体淹沉在水下部分的深度h，并将浮体的直径R和浮体淹沉在水下部分的深度h输入所述直接-流速计算关系，得到浮体偏转角度θ，就能基于此防止浮体撞到斜井井壁上，并基于此确定中间坝体的位置，以合理利用空间，整个设计过程简单可靠，为浮体的结构设计，提供了计算依据。
附图说明
图1本发明的导流坝横断面。
图2本发明的导流坝平面图。
图3本发明的摆翼结构展开时示意图。
图4本发明的摆翼结构关闭时示意图。
图5本发明的多浮体时导流坝横断面。
图6本发明的多浮体时导流坝平面图。
图7本发明的多浮体时摆翼结构展开时示意图。
图8本发明的多浮体时摆翼结构关闭时示意图。
图9本发明的的导流结构和摆翼结构纵断面示意图。
图10本发明的整体纵断面示意图。
图11本发明的浮体的局部示意图。
图标：1-正洞；2-斜井；3-断层；4-导流坝；5-拉索；51-连杆；52-套环；6-浮体；7-封堵结构；8-托片；9-间隙；10-导流结构背水侧区域。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1-11所示，本实施例所述的一种摆翼式斜井运营期突涌水防治结构，包括斜井2，所述斜井2内设置有导流结构，所述导流结构与所述斜井2的井壁之间具有间隙9，所述导流结构上连接有摆翼结构，所述摆翼结构能够相对于所述导流结构摆动。
本发明特别适用于涌水量大，泥沙含量少，或者含有少量石块的涌水工况，在该工况下具有更好的效果。
在上述基础上，进一步优选的方式，所述导流结构的两侧均设置有所述间隙9，所述摆翼结构连接于所述导流结构的两侧。
在上述基础上，进一步优选的方式，所述导流结构包括导流坝4，所述导流坝4设置于所述斜井2内。
在上述基础上，进一步优选的方式，所述摆翼结构包括浮体6，所述浮体6上连接有拉索5，所述拉索5与所述导流结构相连接。
所述拉索5包括相铰接的套环52和连杆51，所述连杆51与所述浮体6相连接，所述套环52与所述导流结构通过柔性件53相连接。
所述的浮体6外部连接有托片8，增加浮体6与水流的接触面积，使得浮体6能够更快速的转动，使其消能效果更好。
本实施例所述的一种摆翼式斜井2突涌水防治结构，包括导流结构和摆翼结构，所述的导流结构包括导流坝4，导流坝4在斜井2中设置若干个，导流坝4的迎水面呈平滑锥形，摆翼结构设置在导流坝4的两侧，所述的摆翼结构包括浮体6和拉索5，拉索5包括套环52、连杆51和柔性件53，连杆51设置在浮体6中心，连杆51与浮体6固定连接，套环52套在连杆51上，且相互铰接，柔性件53连接导流坝4和套环52，浮体6可以自由旋转，拉索5与导流坝4的连接位置设置在导流坝4的两侧边缘。
所述的摆翼结构可以设置多个浮体6，各个浮体6一次布置在导流坝4后面，所述的浮体6为圆形。
水流冲击导流坝4，导流坝4将水流导向到导流坝4两侧；
以导流坝4左侧摆翼结构为例，浮体6的左侧边缘受到水流冲击，浮体6逆时针旋转，浮体6右侧逆水流旋转，给浮体6右侧水流施加逆势阻力，浮体6右侧水流流速慢、压强大，浮体6左侧水流流速快、压强小，不平衡压强作用下，浮体6受到来自左侧的力，浮体6向左侧摆动，阻挡水流通道；
浮体6阻挡水流通道，浮体6受到水流冲击，回到初始位置，形成一次摆翼运动；
在水流冲击下，左右两侧摆翼结构循环往复做摆翼运动，阻挡水流，减缓水流流速，而又不完全阻挡水流，避免导流坝4承受多余的水压力；
本实施例的有益效果：本申请所述的一种摆翼式斜井运营期突涌水防治结构，通过在所述斜井2内设置有导流结构和摆翼结构，利用导流结构对涌水进行导流，之后利用摆翼结构降低水流流速，通过导流结构和摆翼结构可以逐级降低水流流速，逐级消能，以减少对封堵结构7的冲击力。
本发明摆翼结构的设置循环往复阻挡水流，降低水流的冲击力，水流速度降低，也便于石块沉积，减弱封堵结构7的淤堵。
本发明导流坝4设置在斜井2中央，且不完全占住斜井2横断面，在斜井2正常排水或突涌水量较小的情况下，可以使水流正常排入到正洞1中，避免积水於沙。
本发明梯级设置导流坝4和摆翼结构，可以逐级降低水流流速，逐级消能，具有多重保护的效果。
实施例2
如图1-11所示，本实施例所述的一种设计方法，包含以下步骤：
S1：基于实施例1所述的摆翼式斜井运营期突涌水防治结构建立防涌设计模型，并使所述防涌设计模型满足：输入所述间隙9内涌水的流速V1和导流结构背水侧区域10涌水的流速V2得到直接-流速计算关系，所述直接-流速计算关系用于表示浮体6的直径R、浮体6淹沉在水下部分的深度h和浮体6偏转角度θ之间的计算关系；
S2：拟定浮体6的直径R和浮体6淹沉在水下部分的深度h，并将浮体6的直径R和浮体6淹沉在水下部分的深度h输入所述直接-流速计算关系，得到浮体6偏转角度θ。
所述步骤S1具体为；
S11：基于实施例1所述的摆翼式斜井运营期突涌水防治结构建立涌水压差计算模型、侧向推力计算模型和前向推力计算模型，其中，
所述涌水压差计算模型用于表示导流结构背水侧区域10涌水压力与间隙9内涌水压力之间的差值关系；
所述侧向推力计算模型用于表示所述摆翼结构承受来自涌水的侧向推力F1；
所述前向推力计算模型用于表示所述摆翼结构承受来自涌水的朝向下游的推力F2；
S12：基于所述涌水压差计算模型、侧向推力计算模型和前向推力计算模型建立所述防涌设计模型。
所述防涌设计模型具体为：
Figure BDA0003229541770000081
F1＝ΔP·Rh
F2＝QρV1
式中,ΔP为导流结构背水侧区域10涌水压力与间隙9内涌水压力直接的差值，单位：MPa；V1为间隙9内涌水的流速，单位：m/s；V2为导流结构背水侧区域10涌水的流速，单位：m/s；ρ为涌水的密度，单位kg/m3；g为重力加速度，单位：9.8m/s2；θ为浮体6偏转角度；Q为间隙9内涌水流量，单位：m3/s；m为摆翼结构的总质量。
所述直接-流速计算关系具体为：
Figure BDA0003229541770000091
式中,ΔP为导流结构背水侧区域10涌水压力与所述间隙9内涌水压力直接的差值，单位：MPa；V1为间隙9内涌水的流速，单位：m/s；V2为导流结构背水侧区域10涌水的流速，单位：m/s；ρ为涌水的密度，单位kg/m3；g为重力加速度，单位：9.8m/s2；θ为浮体6偏转角度；Q为间隙9内涌水流量m3/s；m为摆翼结构的总质量。
本实施例的有益效果：本申请所述的设计方法，基于本申请所述的摆翼式斜井运营期突涌水防治结构建立防涌设计模型，通过防涌设计模型能够得到直接-流速计算关系，作为模板计算，之后根据需求的导流结构背水侧区域10涌水的流速V2，拟定浮体6的直径R和浮体6淹沉在水下部分的深度h，并将浮体6的直径R和浮体6淹沉在水下部分的深度h输入所述直接-流速计算关系，得到浮体6偏转角度θ，就能基于此防止浮体撞到斜井井壁上，并基于此确定中间坝体的位置，以合理利用空间，整个设计过程简单可靠，为浮体6的结构设计，提供了计算依据。
整个过程计算如下：
1.建立涌水压差计算模型：
Figure BDA0003229541770000101
求得：
Figure BDA0003229541770000102
式中,P1为间隙9内涌水压力，单位：MPa；P2为导流结构背水侧区域10涌水压力，单位：MPa；ΔP为导流结构背水侧区域10涌水压力与间隙9内涌水压力直接的差值，单位：MPa；V1为间隙9内涌水的流速，单位：m/s；V2为导流结构背水侧区域10涌水的流速，单位：m/s；ρ为涌水的密度，单位kg/m3；g为重力加速度，单位：9.8m/s2。
2.建立侧向推力计算模型:
F1＝ΔP·Rh
式中,ΔP为导流结构背水侧区域10涌水压力与间隙9内涌水压力直接的差值，单位：MPa；R为浮体6的直径，单位：m；h为浮体6淹沉在水下部分的深度，单位：m。
3.建立前向推力计算模型：
Figure BDA0003229541770000103
m＝Qtρ
得出：
F2＝QρV1
式中,ΔP为导流结构背水侧区域10涌水压力与间隙9内涌水压力直接的差值，单位：MPa；V1为间隙9内涌水的流速，单位：m/s；ρ为涌水的密度，取1000，单位kg/m3；g为重力加速度，单位：9.8m/s2；t为水流冲击浮体6的时间，单位：s。
所述直接-流速计算关系具体为：
Figure BDA0003229541770000111
式中,V1为间隙9内涌水的流速，单位：m/s；V2为导流结构背水侧区域10涌水的流速，单位：m/s；g为重力加速度，单位：9.8m/s2；R为浮体6的直径，单位：m；h为浮体6淹沉在水下部分的深度，单位：m；θ为浮体6偏转角度；Q为间隙9内涌水流量m3/s；m为摆翼结构的总质量。
上式中，θ为浮体6偏转角度，当间隙9内涌水水流冲击力与压差产生的力及柔性件53拉力平衡时，为最大摆动角度θ的临界状态。
实施例3
如图1-11所示，本实施例所述的一种设计方法，以实验为例：应用于某一实验场地的摆翼式斜井运营期突涌水防治结构，整个过程计算如下：
Figure BDA0003229541770000112
间隙9内涌水的流速V1＝5m/s；需求的导流结构背水侧区域10涌水的流速V2＝1m/s；涌水的密度ρ＝1000kg/m3；间隙9内涌水流量Q＝1.8m3/s；
1.拟定浮体6的直径R＝1m，浮体6淹沉在水下部分的深度h＝0.2m，
算的浮体6偏转角度θ＝15°；
2.拟定浮体6的直径R＝1m，浮体6淹沉在水下部分的深度h＝0.4m，
算的浮体6偏转角度θ＝28°。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于摆翼式斜井运营期突涌水防治结构的设计方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1：基于摆翼式斜井运营期突涌水防治结构建立防涌设计模型，并使所述防涌设计模型满足：输入间隙(9)内涌水的流速V1和导流结构背水侧区域(10)涌水的流速V2得到直接-流速计算关系，所述直接-流速计算关系用于表示浮体(6)的直径R、浮体(6)淹沉在水下部分的深度h和浮体(6)偏转角度θ之间的计算关系，其中，
所述摆翼式斜井运营期突涌水防治结构包括斜井(2)，所述斜井(2)内设置有导流结构，所述导流结构与所述斜井(2)的井壁之间具有间隙(9)，所述导流结构上连接有摆翼结构，所述摆翼结构能够相对于所述导流结构摆动，所述摆翼结构包括浮体(6)，所述浮体(6)上连接有拉索(5)，所述拉索(5)与所述导流结构相连接；
S2：拟定浮体(6)的直径R和浮体(6)淹沉在水下部分的深度h，并将浮体(6)的直径R和浮体(6)淹沉在水下部分的深度h输入所述直接-流速计算关系，得到浮体(6)偏转角度θ。
2.根据权利要求1所述的一种用于摆翼式斜井运营期突涌水防治结构的设计方法，其特征在于，所述导流结构的两侧均设置有所述间隙(9)，所述摆翼结构连接于所述导流结构的两侧。
3.根据权利要求1所述的一种用于摆翼式斜井运营期突涌水防治结构的设计方法，其特征在于，所述导流结构包括导流坝(4)，所述导流坝(4)设置于所述斜井(2)内。
4.根据权利要求1所述的一种用于摆翼式斜井运营期突涌水防治结构的设计方法，其特征在于，所述拉索(5)包括相铰接的套环(52)和连杆(51)，所述连杆(51)与所述浮体(6)相连接，所述套环(52)与所述导流结构通过柔性件(53)相连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于摆翼式斜井运营期突涌水防治结构的设计方法，其特征在于，所述的浮体(6)外部连接有托片(8)。
6.根据权利要求1所述的一种用于摆翼式斜井运营期突涌水防治结构的设计方法，其特征在于，步骤S1具体为；
S11：基于所述摆翼式斜井运营期突涌水防治结构建立涌水压差计算模型、侧向推力计算模型和前向推力计算模型，其中，
所述涌水压差计算模型用于表示导流结构背水侧区域(10)涌水压力与间隙(9)内涌水压力之间的差值关系；
所述侧向推力计算模型用于表示所述摆翼结构承受来自涌水的侧向推力F1；
所述前向推力计算模型用于表示所述摆翼结构承受来自涌水的朝向下游的推力F2；
S12：基于所述涌水压差计算模型、侧向推力计算模型和前向推力计算模型建立所述防涌设计模型。
7.根据权利要求6所述的一种用于摆翼式斜井运营期突涌水防治结构的设计方法，其特征在于，所述防涌设计模型具体为：
Figure FDA0003519552730000021
F1＝△P·Rh
F2＝QρV1
式中,ΔP为导流结构背水侧区域(10)涌水压力与间隙(9)内涌水压力直接的差值，单位：MPa；V1为间隙(9)内涌水的流速，单位：m/s；V2为导流结构背水侧区域(10)涌水的流速，单位：m/s；ρ为涌水的密度，单位kg/m3；g为重力加速度，单位：9.8m/s2；θ为浮体(6)偏转角度；Q为间隙(9)内涌水流量，单位：m3/s；m为摆翼结构的总质量；R为浮体(6)的直径，单位：m；h为浮体(6)淹沉在水下部分的深度，单位：m。
8.根据权利要求6所述的一种用于摆翼式斜井运营期突涌水防治结构的设计方法，其特征在于，所述直接-流速计算关系具体为：
Figure FDA0003519552730000031
式中,V1为间隙(9)内涌水的流速，单位：m/s；V2为导流结构背水侧区域(10)涌水的流速，单位：m/s；g为重力加速度，单位：9.8m/s2；R为浮体(6)的直径，单位：m；h为浮体(6)淹沉在水下部分的深度，单位：m；θ为浮体(6)偏转角度；Q为间隙(9)内涌水流量m3/s；m为摆翼结构的总质量。
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