CN114429072B - 一种富水岩溶隧道均质渗流监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种富水岩溶隧道均质渗流监测系统,包括数据采集模块、存储模块、监测模块、中心控制模块、动态分析模块、渗流分析模块、耦合分析模块,数据采集模块采集隧道的监测数据,并将其发送至存储模块进行存储,耦合分析模块对监测数据进行耦合分析得到耦合分析结果并发送至动态分析模块,动态分析模块再根据耦合分析结果和监测数据进行动态分析得到动态分析结果并发送至渗流分析模块,渗流分析模块建立数据分析模型对隧道内的渗流场进行预测分析,最终由监测模块对渗流场分析结果进行分析和监测,通过对监测数据的分析来得到实际富水岩溶隧道内的渗流规律,以此来预防隧道施工中突水突泥带来的灾害,并提高了隧道施工的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域,特别是涉及一种富水岩溶隧道均质渗流监测系统。
背景技术
在隧道施工过程中,富水岩溶隧道中的岩体渗流场带来的突水突泥灾害成为影响安全、制约工程进度和费用的关键因素,在试验室中对渗流的研究数据与隧道中真实的渗流场产生的数据是不同的,监测数据在实际的隧道的质量监测中会受到更多影响因素的影响,现有技术中通过控制微分方程和初值条件来对温度场、应力场、渗流场的耦合问题进行分析,通过数值计算的方法对隧道中的渗流问题进行理论分析,但是,在隧道的实际开挖过程中耦合分析结果与实际问题存在差距,将隧道内的均质多孔介质渗流与非均质多孔渗流分开进行研究的方式不能准确的反映出隧道内的实际渗流问题,同时渗流发生时多孔介质的稳定性受到多方面环境因素的影响,为了对富水岩溶隧道的渗流问题进行更准确的监测,通过对渗透理论的研究来防止突水突泥问题带来的安全性问题,对不同渗透系数的均质渗流和非均质渗流的稳定性进行研究,为此,我们提出了一种富水岩溶隧道均质渗流监测系统。
发明内容
针对上述情况,为克服现有技术之缺陷,本发明之目的在于提供一种富水岩溶隧道均质渗流监测系统,通过耦合分析模块、动态分析模块和渗流分析模块共同对采集的监测数据进行分析得到渗流分析结果,再由监测模块对实际施工过程进行监测,通过对富水岩溶隧道内渗流理论的分析来降低了隧道内的突水突泥带来的灾害,提高了隧道施工的安全性。
其解决的技术方案是,一种富水岩溶隧道均质渗流监测系统,包括数据采集模块、存储模块、监测模块、中心控制模块、动态分析模块、渗流分析模块、耦合分析模块,数据采集模块采集隧道的监测数据,并将采集到的监测数据发送至存储模块进行存储,耦合分析模块根据隧道的监测数据进行耦合分析得到耦合分析结果,并将耦合分析结果发送至动态分析模块,动态分析模块再根据耦合分析结果和监测数据进行动态分析得到动态分析结果,并将动态分析结果发送至渗流分析模块,渗流分析模块建立数据分析模型对隧道内的渗流场进行分析得到渗流场分析结果,由监测模块对渗流场分析结果进行分析和监测;
系统的具体分析如下:
1)、数据采集模块采集的监测数据包括隧道的地质勘测数据、应力场数据、温度场数据、渗流场数据和环境数据,中心控制模块根据分析请求从存储模块中调取对应数据并发送至发送分析请求的分析模块;
2)耦合分析模块通过对应力场数据、温度场数据、渗流场数据进行耦合分析得到耦合分析结果,并将耦合分析结果发送至动态分析模块,具体分析过程如下:
方程表示孔隙介质的压力、温度和密度的控制方程,其中T为温度,t为时间,P为孔隙的压力,Ks为渗透系数,βs、βw分别为固体和水的热膨胀系数,表示水的流速的梯度,Cs、ρs为固体的比热和密度,CW、ρW为水的比热和密度,λ为水的热传导系数,ε为在发生渗流过程中压力P带来的应力误差,当发生渗流时,隧道内介质孔隙的力满足耦合分析的控制方程,耦合分析模块将包括应力误差和介质孔隙的压力的耦合分析结果发送至动态分析模块;
3)、动态分析模块根据耦合分析结果和监测数据中的地质勘测数据建立动态分析模型进行动态分析,在渗流过程中介质孔隙的粒径受到压力的作用而发生变化,动态分析模块对均质渗流与非均质渗流的动态变化过程进行分析,具体分析过程如下:
步骤1、动态分析模块从地质勘测数据中选取待分析区域,根据监测数据对待分析区域建立三维动态分析模型,将待分析区域分为均质渗流层a、均质非渗流层b、非均质渗流层c、非均质非渗流层d,介质孔隙的均匀程度与粒径的均匀系数有关,当均匀系数大于C时介质孔隙为均匀介质,当均匀系数小于C时为非均匀介质,
步骤2、动态分析模块对均质渗流层a和非均质渗流层c内的介质孔隙进行分析,裂缝与裂缝之间不同渗流层的介质孔隙的渗透率随着粒径和孔隙率而发生改变,粒经与压力的方程式如下:
其中,p0表示初始压力梯度,表示压力的变化梯度,a、b分别表示在数据拟合时的拟合系数,dn介质孔隙中颗粒的粒径,当两条裂隙发生渗流时,两条裂隙所处位置的温度场、应力场和渗流场的耦合场均作用于两条裂隙之间的渗流层组成的整体上;
步骤3、两个裂缝在发生渗流过程中同时对裂缝中间的渗流层和非渗流层产生作用,两个渗流裂缝的介质孔隙的压力记为P′和P″,在P′和P″的共同作用下通过叠加原理对介质孔隙进行分析从而改变介质孔隙的均匀系数;
其中ε‘为P′压力作用下的压力误差,ε‘’为P″压力作用下的压力误差,Cu(t)为均匀系数与时间的关系函数,为均匀系数变化的变化率,是孔隙率,裂缝之间的距离为s,方程为P′和P″的叠加压力对隧道内的介质孔隙的作用关系方程,在临界条件下,求解微分方程的解记为满足条件的最优解,动态分析模块将包括最优解的动态分析结果发送至渗流分析模块;
4)、渗流分析模块根据耦合分析模块的耦合分析结果、动态分析结果和监测数据对隧道内的渗流场进行分析得到渗流分析结果,并将渗流分析结果发送至监督模块,渗流分析结果中包括隧道内的渗流监测指标,监督模块对隧道内的各个渗流监测指标进行判断监测,当监测指标超过设定阈值时,监督模块向警报模块发送警报信息。
所述渗流分析模块根据动态分析结果对隧道内介质孔隙的渗流过程进行分析,隧道中受到压力叠加和环境因素的影响,渗流分析模块对均质渗流和非均质渗流分别进行分析,并结合动态分析结果对均质渗流和非均质渗流的转化进行分析得到渗流分析结果,首先渗流分析模块对渗流的介质进行分析,并分别建立均质渗流分析模型和非均质渗流模型,其次,根据动态分析结果对模型进行转化,根据动态分析模型的最优解设定渗流分析的边界条件,在边界条件下,利用渗流理论进行分析。
由于以上技术方案的采用,本发明与现有技术相比具有如下优点;
1.本系统中的耦合分析模块、动态分析模块、渗流分析模块通过对监测数据的分析来对隧道内的地质渗流过程进行分析,并通过监测模块进行实时监测,首先,耦合分析模块对富水岩溶隧道施工中监测施工数据进行渗流分析并得到耦合分析结果,在渗流过程中,应力场、渗流场、温度场三场的作用相互耦合,通过耦合分析得到应力场的耦合分析结果,再由动态分析模块根据耦合分析结果和监测数据对力叠加对介质孔隙的影响进行分析,并将动态分析结果发送至渗流分析模块,克服了启动压力梯度渗流方程不适用的叠加原理的问题,并对渗流过程中介质孔隙的动态分析,提高了富水岩溶隧道在施工中对突水突泥灾害的监测,通过对理论的研究来对实际施工中复杂多变的隧道施工环境进行分析。
2.本系统的动态分析模块通过对渗流过程中受到的压力带来的动态变化进行分析得到动态分析结果,耦合分析模块再利用监测数据在进行渗流分析,将渗流过程中动态分析结果于渗流分析过程进行结合,再对渗流过程进行预测渗流分析得到渗流分析结果,并由监测模块对渗流分析结果中的渗流指标进行监测,利用已经监测数据中的渗流场数据进行分析,再由渗流分析模块进行预测,提高了富水岩溶隧道内施工的安全性,有利于监测人员及时做出安全应对措施。
附图说明
图1为本系统的整体模块图;
图2为本系统的流程图;
图3为本系统的动态分析模块的流程图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效,在以下配合参考附图1至图3对实施例的详细说明中,将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容,均是以说明书附图为参考。
一种富水岩溶隧道均质渗流监测系统,包括数据采集模块、存储模块、监测模块、中心控制模块、动态分析模块、渗流分析模块、耦合分析模块,隧道的实际开挖过程中地下水渗流导致的突水突泥问题时影响隧道施工的一个关键影响因素,现有技术中,通过试验平台对地下渗流过程建立的数据分析模型来对渗流理论进行验证分析,但是在实际的施工中渗流发生的过程于试验室中的模拟模型的分析结果存在很大的差异,在实际的富水岩溶隧道施工中,地下施工环境复杂,在试验室无法对复杂且具有相互关联性的渗流过程进行模拟,本系统是从对实际渗流过程的分析来对渗流的预测,并通过预测的结果来实现对渗流的监测,数据采集模块采集隧道的监测数据,并将采集到的监测数据发送至存储模块进行存储,耦合分析模块根据隧道的监测数据进行耦合分析得到耦合分析结果,并将耦合分析结果发送至动态分析模块,动态分析模块再根据耦合分析结果和监测数据进行动态分析得到动态分析结果,并将动态分析结果发送至渗流分析模块,渗流分析模块建立数据分析模型对隧道内的渗流场进行分析得到渗流场分析结果,由监测模块对渗流场分析结果进行分析和监测;
系统的具体分析如下:
1)、数据采集模块采集的监测数据包括隧道的地质勘测数据、应力场数据、温度场数据、渗流场数据和环境数据,数据采集模块是富水岩溶隧道的施工过程中产生的所有数据进行采集,数据采集模块采集的监测数据的数据样本也会对分析的结果产生影响,中心控制模块根据分析请求从存储模块中调取对应数据并发送至发送分析请求的分析模块,中心控制模块是本检测系统的中心,通过中心控制模块发送指令;
2)、在现有技术中,通过温度场、渗流场和应力场的耦合来对隧道进行分析是一个常见的分析思路,三个场之间相互影响,耦合分析模块通过对应力场数据、温度场数据、渗流场数据进行耦合分析得到耦合分析结果,并将耦合分析结果发送至动态分析模块,耦合分析模块通过监测数据中已经发生的渗流场数据进行分析得到了温度场、渗流场、和压力之间相关关系,具体分析过程如下:
方程表示孔隙介质的压力、温度和密度的控制方程,其中T为温度,t为时间,P为孔隙的压力,Ks为渗透系数,βs、βw分别为固体和水的热膨胀系数,表示水的流速的梯度,Cs、ρs为固体的比热和密度,CW、ρW为水的比热和密度,λ为水的热传导系数,ε为在发生渗流过程中压力P带来的应力误差,当发生渗流时,隧道内介质孔隙的力满足耦合分析的控制方程,温度场、渗流场与压力的关系在同等的环境参数下时不变的,所以当对隧道内的渗流进行监测时,通过判断渗流的条件来监测隧道突水突泥的渗流,耦合分析模块将包括应力误差和介质孔隙的压力的耦合分析结果发送至动态分析模块;
3)、动态分析模块根据耦合分析结果和监测数据中的地质勘测数据建立动态分析模型进行动态分析,在渗流过程中介质孔隙的粒径受到压力的作用而发生变化,动态分析模块对均质渗流与非均质渗流的动态变化过程进行分析,在富水岩溶隧道内,渗流参数是描述流体通过多空介质孔隙难以程度的一个物理量,是渗流理论中最为基础最为重要的参数之一,表达式为k为多空介质的渗透率,η为流体的动力粘滞性系数,ρ为流体密度,渗透系数分为垂向渗透系数和径向渗透系数,在实际渗流过程中温度场、渗流场和压力场的数值会发生变化,介质的多孔缝隙渗流的的粒径会发生变化,当发生渗流的多孔隙渗流达到稳定,渗流介质中的粒子移动,多孔隙所在的温度场、渗流场、应力场满足步骤2)中的方程式,介质所承受的压力变化、渗流速度、介质本身的黏结性质均会影响介质孔隙的变化;
具体分析过程如下:
步骤1、动态分析模块从地质勘测数据中选取待分析区域,根据监测数据对待分析区域建立三维动态分析模型,将待分析区域分为均质渗流层a、均质非渗流层b、非均质渗流层c、非均质非渗流层d,隧道内按照渗流状态将待分析区域进行划分有利于更精确的分析,介质孔隙的均匀程度与粒径的均匀系数有关,当均匀系数大于C时介质孔隙为均匀介质,当均匀系数小于C时为非均匀介质,
步骤2、动态分析模块对均质渗流层a和非均质渗流层c内的介质孔隙进行分析,裂缝与裂缝之间不同渗流层的介质孔隙的渗透率随着粒径和孔隙率而发生改变,粒经与压力的方程式如下:
其中,p0表示初始压力梯度,表示压力的变化梯度,a、b分别表示在数据拟合时的拟合系数,dn介质孔隙中颗粒的粒径,当两条裂隙发生渗流时,两条裂隙所处位置的温度场、应力场和渗流场的耦合场均作用于两条裂隙之间的渗流层组成的整体上;
步骤3、压力叠加原理不适用于启动压力梯度的渗流方程,而当裂隙之间包括均质和非均质的固体时,由同时受到压力的作用,均质和非均质固体会发生动态变化,两个裂缝在发生渗流过程中同时对裂缝中间的渗流层和非渗流层产生作用,两个渗流裂缝的介质孔隙的压力记为P′和P″,在P′和P″的共同作用下通过叠加原理对介质孔隙进行分析从而改变介质孔隙的均匀系数,;
其中ε‘为P′压力作用下的压力误差,ε‘’为P″压力作用下的压力误差,Cu(t)为均匀系数与时间的关系函数,为均匀系数变化的变化率,是孔隙率,裂缝之间的距离为s,方程为P′和P″的叠加压力对隧道内的介质孔隙的作用关系方程,在临界条件下,求解微分方程的解记为满足条件的最优解,动态分析模块将包括最优解的动态分析结果发送至渗流分析模块;
4)、渗流分析模块根据耦合分析模块的耦合分析结果、动态分析结果和监测数据对隧道内的渗流场进行分析得到渗流分析结果,并将渗流分析结果发送至监督模块,渗流分析结果对隧道内监测数据的分析为渗流的预测分析,通过对隧道内已经得到的渗流数据分析来对为发生渗流的位置进行分析,渗流分析结果中包括隧道内的渗流监测指标,监督模块对隧道内的各个渗流监测指标进行判断监测,当监测指标超过设定阈值时,监督模块向警报模块发送警报信息。
所述渗流分析模块根据动态分析结果对隧道内介质孔隙的渗流过程进行分析,隧道中受到压力叠加和环境因素的影响,渗流分析模块对均质渗流和非均质渗流分别进行分析,并结合动态分析结果对均质渗流和非均质渗流的转化进行分析得到渗流分析结果,首先渗流分析模块对渗流的介质进行分析,并分别建立均质渗流分析模型和非均质渗流模型,其次,根据动态分析结果对模型进行转化,根据动态分析模型的最优解设定渗流分析的边界条件,在边界条件下,利用渗流理论进行分析。
所述监测模块根据采集到的监测数据和渗流分析结果对富水岩溶隧道内施工时渗流监测指标进行监测,同时监测模块对应力场和温度场的监测指标也进行监测,监测模块将进行监测的监测结果发送至警报模块。
所述数据采集模块对隧道施工的施工数据、试验分析数据和相关环境数据进行采集,并将采集的数据发送至存储模块中,施工数据包括隧道实际施工过程中产生的勘测数据,试验分析数据包括利用施工数据进行试验室时产生的模拟数据。
所述云存储模块是对监测数据和分析模块分析得到的分析结果进行存储,监测人员通过中心控制模块对系统内的其他模块进行管理,当对监测数据进行分析时,由中心控制模块发送信息调取指令,从存储模块中调取对应数据并发送至发送分析请求的分析模块。
本发明具体使用时,系统主要包括数据采集模块、存储模块、监测模块、中心控制模块、动态分析模块、渗流分析模块、耦合分析模块,数据采集模块采集隧道的监测数据,并将采集到的监测数据发送至存储模块进行存储,耦合分析模块根据隧道的监测数据进行耦合分析得到耦合分析结果,并将耦合分析结果发送至动态分析模块,耦合分析模块是对实际施工中已经发生渗流的监测数据进行分析,通过温度场、渗流场、应力场共同的作用进行分析得到耦合分析结果,耦合分析模块将实际施工中的存在的与渗流理论之间的误差考虑在内,动态分析模块再根据耦合分析结果和监测数据进行动态分析得到动态分析结果,并将动态分析结果发送至渗流分析模块,动态分析模块将使得介质孔隙发生变化的荷载的压力进行叠加分析得到压力与均匀系数的关系,渗流分析模块建立数据分析模型对隧道内的渗流场进行分析得到渗流场分析结果,渗流场分析结果是对未发生渗流的监测数据的预测结果,由监测模块对渗流场分析结果进行分析和监测,通过对监测数据的分析来得到实际富水岩溶隧道内的渗流规律,以此来预防隧道施工中突水突泥带来的灾害,并提高了隧道施工的安全性。
以上所述是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明具体实施仅局限于此;对于本发明所属及相关技术领域的技术人员来说,在基于本发明技术方案思路前提下,所作的拓展以及操作方法、数据的替换,都应当落在本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种富水岩溶隧道均质渗流监测系统,其特征在于,包括数据采集模块、存储模块、监测模块、中心控制模块、动态分析模块、渗流分析模块、耦合分析模块,数据采集模块采集隧道的监测数据,并将采集到的监测数据发送至存储模块进行存储,耦合分析模块根据隧道的监测数据进行耦合分析得到耦合分析结果,并将耦合分析结果发送至动态分析模块,动态分析模块再根据耦合分析结果和监测数据进行动态分析得到动态分析结果,并将动态分析结果发送至渗流分析模块,渗流分析模块建立数据分析模型对隧道内的渗流场进行分析得到渗流场分析结果,由监测模块对渗流场分析结果进行分析和监测;
系统的具体分析如下:
1)、数据采集模块采集的监测数据包括隧道的地质勘测数据、应力场数据、温度场数据、渗流场数据和环境数据,中心控制模块根据分析请求从存储模块中调取对应数据并发送至发送分析请求的分析模块;
2)、耦合分析模块通过对应力场数据、温度场数据、渗流场数据进行耦合分析得到耦合分析结果,并将耦合分析结果发送至动态分析模块,具体分析过程如下:
方程表示孔隙介质的压力、温度和密度的控制方程,其中T为温度,t为时间,P为孔隙的压力,Ks为渗透系数,βs、βw分别为固体和水的热膨胀系数,表示水的流速的梯度,Cs、ρs为固体的比热和密度,CW、ρW为水的比热和密度,λ为水的热传导系数,ε为在发生渗流过程中压力P带来的应力误差,当发生渗流时,隧道内介质孔隙的力满足耦合分析的控制方程,耦合分析模块将包括应力误差和介质孔隙的压力的耦合分析结果发送至动态分析模块;
3)、动态分析模块根据耦合分析结果和监测数据中的地质勘测数据建立动态分析模型进行动态分析,在渗流过程中介质孔隙的粒径受到压力的作用而发生变化,动态分析模块对均质渗流与非均质渗流的动态变化过程进行分析,具体分析过程如下:
步骤1、动态分析模块从地质勘测数据中选取待分析区域,根据监测数据对待分析区域建立三维动态分析模型,将待分析区域分为均质渗流层a、均质非渗流层b、非均质渗流层c、非均质非渗流层d,介质孔隙的均匀程度与粒径的均匀系数有关,当均匀系数大于C时介质孔隙为均匀介质,当均匀系数小于C时为非均匀介质,
步骤2、动态分析模块对均质渗流层a和非均质渗流层c内的介质孔隙进行分析,裂缝与裂缝之间不同渗流层的介质孔隙的渗透率随着粒径和孔隙率而发生改变,粒经与压力的方程式如下:
其中,p0表示初始压力梯度,表示压力的变化梯度,a、b分别表示在数据拟合时的拟合系数,dn介质孔隙中颗粒的粒径,当两条裂隙发生渗流时,两条裂隙所处位置的温度场、应力场和渗流场的耦合场均作用于两条裂隙之间的渗流层组成的整体上;
步骤3、两个裂缝在发生渗流过程中同时对裂缝中间的渗流层和非渗流层产生作用,两个渗流裂缝的介质孔隙的压力记为P′和P″,在P′和P″的共同作用下通过叠加原理对介质孔隙进行分析从而改变介质孔隙的均匀系数;
其中ε′为P′压力作用下的压力误差,ε″为P″压力作用下的压力误差,Cu(t)为均匀系数与时间的关系函数,为均匀系数变化的变化率,是孔隙率,裂缝之间的距离为s,方程为P′和P″的叠加压力对隧道内的介质孔隙的作用关系方程,在临界条件下,求解微分方程的解记为满足条件的最优解,动态分析模块将包括最优解的动态分析结果发送至渗流分析模块;
4)、渗流分析模块根据耦合分析模块的耦合分析结果、动态分析结果和监测数据对隧道内的渗流场进行分析得到渗流分析结果,并将渗流分析结果发送至监督模块,渗流分析结果中包括隧道内的渗流监测指标,监督模块对隧道内的各个渗流监测指标进行判断监测,当监测指标超过设定阈值时,监督模块向警报模块发送警报信息。
2.根据权利要求1所述的一种富水岩溶隧道均质渗流监测系统,其特征在于,所述渗流分析模块根据动态分析结果对隧道内介质孔隙的渗流过程进行分析,隧道中受到压力叠加和环境因素的影响,渗流分析模块对均质渗流和非均质渗流分别进行分析,并结合动态分析结果对均质渗流和非均质渗流的转化进行分析得到渗流分析结果,首先渗流分析模块对渗流的介质进行分析,并分别建立均质渗流分析模型和非均质渗流模型,其次,根据动态分析结果对模型进行转化,根据动态分析模型的最优解设定渗流分析的边界条件,在边界条件下,利用渗流理论进行分析。
3.根据权利要求1所述的一种富水岩溶隧道均质渗流监测系统,其特征在于,所述监测模块根据采集到的监测数据和渗流分析结果对富水岩溶隧道内施工时渗流监测指标进行监测,同时监测模块对应力场和温度场的监测指标也进行监测,监测模块将进行监测的监测结果发送至警报模块。
4.根据权利要求1所述的一种富水岩溶隧道均质渗流监测系统,其特征在于,所述数据采集模块对隧道施工的施工数据、试验分析数据和相关环境数据进行采集,并将采集的数据发送至存储模块中,施工数据包括隧道实际施工过程中产生的勘测数据,试验分析数据包括利用施工数据进行试验室时产生的模拟数据。
5.根据权利要求1所述的一种富水岩溶隧道均质渗流监测系统,其特征在于,所述存储模块是对监测数据和分析模块分析得到的分析结果进行存储,监测人员通过中心控制模块对系统内的其他模块进行管理,当对监测数据进行分析时,由中心控制模块发送信息调取指令,从存储模块中调取对应数据并发送至发送分析请求的分析模块。
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