CN116297634A - 寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，该系统包括环境试验箱及置于环境试验箱内的顶端水箱、底端水箱、制冷机和数据采集仪。顶端水箱架设在升降支架上，顶端水箱连有软管；软管的出口端Ⅰ连有排水管，排水管的出口端Ⅱ伸入底端水箱中；底端水箱内设有抽水泵，抽水泵与顶端水箱相连；排水管的外表面敷设冷媒输送管，冷媒输送管的外表面包裹有一层保温棉；冷媒输送管的两端与制冷机的冷媒出口和进口相连；排水管内分别设有温度传感器、水流流速传感器和高清摄像头；数据采集仪分别与温度传感器、水流流速传感器和高清摄像头通过数据采集线电联。同时，本发明还公开了该系统的使用方法。本发明制作简单、实用性强、试验费用较低。

Description

寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，尤其涉及寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统及其使用方法。

背景技术

近年来，随着路网日益完善，铁路和公路基础建设正向高纬度、高海拔等气候条件恶劣的寒区延伸。由于设计或施工的原因，许多高海拔、高纬度寒区隧道出现了不同程度的冻害，如七道梁隧道因衬砌结构背后发生积水冻胀而引起排水沟冻结；梯子岭隧道部分衬砌和排水沟因积水冻胀出现了明显的开裂现象；奎先隧道因排水管保温不当，导致隧道冻结长度达2870 m。分析以上寒区隧道冻害现象发现，排水系统冻结是寒区隧道发生冻结的根本原因之一，解决好隧道排水防冻问题对保证寒区隧道安全运营意义重大，而防治排水系统冻结的基础是要理清寒区隧道排水管水流冻结规律。

目前，关于寒区隧道排水管水流冻结规律的研究理论支撑较少，大多从试验角度进行研究，例如在单一环境温度条件下开展排水管内静置水的冻结试验，测量静置水的温度变化，以此分析排水管冻结规律。但当前的研究存在以下问题：（1）单一环境温度条件下的排水管冻结试验不能反映寒区隧道实际的排水管水流冻结规律。因为实际寒区隧道中，排水管内的水是流动而非静止的，并且排水管内水流速度因隧址水压力的不同而不同，排水管内水流量也因隧址地下水充裕程度的不同而不同，排水管内温度因排水所处隧道的位置不同而不同。（2）单一环境温度条件下的排水管冻结试验只监测排水管内水流的温度，不能准确获得寒区隧道排水管水流冻结规律。水分发生冻结的宏观表现是温度低于0℃。但是，排水管内水流冻结是一个动态的过程，包括排水管在冻结过程中各位置的温度和水流速度变化，排水管内冰层萌生位置及其扩展。

因此，有必要提出一种寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，在综合考虑排水管内水流速度、排水管温度、排水管内水流量的情况下，准确得到排水系统内各位置的温度、水流速度、结冰位置和冰层扩展过程，为防治排水系统冻结提供指导。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种制作简单、实用性强、试验费用较低的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统的使用方法。

为解决上述问题，本发明所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：该系统包括环境试验箱及置于所述环境试验箱内的顶端水箱、底端水箱、制冷机和数据采集仪；所述顶端水箱架设在升降支架上，该顶端水箱的一侧连有软管；所述软管的出口端Ⅰ连有排水管，该排水管的出口端Ⅱ伸入所述底端水箱中；所述底端水箱内设有抽水泵，该抽水泵通过回流管与所述顶端水箱相连；所述排水管的外表面呈螺旋状敷设有冷媒输送管，该冷媒输送管外表面的包裹有一层保温棉；所述冷媒输送管的两端分别与所述制冷机的冷媒出口和冷媒进口相连；所述排水管内分别设有温度传感器、水流流速传感器和高清摄像头；所述数据采集仪分别与所述温度传感器、所述水流流速传感器和所述高清摄像头通过数据采集线电联。

所述升降支架包括底面钢板、顶面钢板和千斤顶；所述千斤顶的底部通过底面螺栓与所述底面钢板相连，顶部通过顶面螺栓与所述顶面钢板相连；所述顶面钢板上架设有所述顶端水箱。

所述顶端水箱的形状为长方体、立方体或圆柱体，其底面不大于所述顶面钢板，容积不小于1 m³。

所述顶端水箱的一侧边缘处设有出水口Ⅰ，该出水口Ⅰ通过止水阀与所述软管相连；所述止水阀与所述软管通过卡箍Ⅰ连接。

所述软管与所述排水管通过卡箍Ⅱ连接。

所述回流管的出水口Ⅱ伸入所述顶端水箱内，进水口通过卡箍Ⅲ与所述抽水泵的出水口Ⅲ相连；所述抽水泵的吸水口低于所述底端水箱的液面。

所述环境试验箱的温度环境为-30~40℃。

所述保温棉的长度与所述排水管的长度相同。

所述底端水箱的形状为长方体、立方体或圆柱体，容积不小于1 m³。

所述制冷机的温度调节范围为-20~0℃。

在所述排水管内每隔20 cm布设多个温度监测断面，在每个温度监测断面呈网状布设37个所述温度传感器；在每个温度监测断面的顶端设有所述高清摄像头。

在所述排水管内每隔20 cm布设多个水流速度监测断面，在每个水流速度监测断面呈网状布设37个所述水流流速传感器，且温度监测断面与水流速度监测断面相隔10 cm。

如上所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统的使用方法，包括以下步骤：

⑴组装模型试验系统：

①在环境试验箱内，铺设尺寸为2 m×2 m的底面钢板；在所述底面钢板上通过底面螺栓将千斤顶的底面固定在所述底面钢板上；在所述千斤顶的顶面，通过顶面螺栓将顶面钢板固定在所述千斤顶的顶面；最终，组成升降支架；

②在排水管内每隔20 cm呈网状布设37个温度传感器；与所述温度传感器间隔10cm再呈网状布设37个水流流速传感器；在所述温度传感器安设的顶点位置安设高清摄像头；将全部所述温度传感器、所述水流流速传感器和所述高清摄像头通过数据采集线与数据采集仪电联；最终，组成监控监测系统；将冷媒输送管敷设在所述排水管外表面，再用保温棉包裹敷设有冷媒输送管的所述排水管；

③将顶端水箱放置并固定于所述顶面钢板上，在所述顶端水箱的出水口Ⅰ处安装止水阀，并在所述止水阀的出口套入软管，且用卡箍Ⅰ进行固定；在所述软管的另一端套入安装有所述温度传感器、所述水流流速传感器和所述高清摄像头的所述排水管，并用卡箍Ⅱ固定；在所述排水管的出水口Ⅳ接入底端水箱；在所述底端水箱内放入抽水泵；在所述抽水泵的出水口Ⅲ处通过卡箍Ⅲ连接回流管，并将所述回流管的出水口Ⅱ放置于所述顶端水箱内；最终，组成水流循环系统；

⑵排水管冻结试验：

ⅰ调设所述环境试验箱内的环境温度；调整所述千斤顶的顶起高度，使所述升降支架达到预定高度；开启所述止水阀，控制所述止水阀的开合度，使所述排水管内水流按照预设的流速和流量流动至所述底端水箱内；开启所述抽水泵，将所述底端水箱内的水输送到所述顶端水箱内；

ⅱ待所述环境试验箱内的环境温度达到均匀后，开启制冷机；设定所述制冷机输出冷媒的温度，使冷媒在所述冷媒输送管流动并形成回路，给所述排水管降温；

ⅲ开启所述监控监测系统，采用所述数据采集线实时采集所述排水管内各位置的温度、水流速度、结冰位置和冰层发育情况数据；

ⅳ待监测到所有数据随时间无明显变化时，关闭所述止水阀和所述抽水泵，使所述水流循环系统停止工作；同时关闭所述环境试验箱的控温系统和所述制冷机，使温度控制系统停止工作；最后，关闭所述数据采集仪，使所述监控监测系统停止工作；

⑶按照其他设定继续排水管冻结试验：

重新设定所述环境试验箱内的环境温度、所述升降支架的高度、所述止水阀的开合度，以及所述制冷机输出冷媒的温度，以满足不同环境温度、不同排水管内水流速度和水流量以及不同负温情况下的排水管内水流冻结试验；然后按照所述步骤⑵重新开始试验。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、与传统在单一环境温度条件下开展排水管内静置水的冻结试验相比，本发明中排水管内的水是流动的，还考虑了排水管内水流速度、排水管水流量以及环境温度等多因素对排水管冻结的影响，更加贴近实际寒区隧道内排水管冻结情况。

2、与传统排水管冻结试验只得到水流的温度相比，本发明在排水管内不同位置布设网状温度传感器和水流速度传感器，还布设有高清摄像头，对排水管各位置的温度、水流速度以及结冰位置和结冰过程进行实时监测，更加全面地得到排水管的冻结规律。

3、与传统排水管冻结试验相比，本发明通过改变升降支架的高度控制排水管内水流的速度，通过改变止水阀的开合度控制排水管内水流量，通过调控制冷机的冷媒温度控制排水管的温度，操作简单。同时本发明还利用抽水泵和回流管实现了水的循环重复利用，节约了水资源。

4、采用本发明所述系统，可以准确得到排水系统内各位置的温度、水流速度、结冰位置和冰层扩展过程。

5、本发明制作简单、实用性强、试验费用较低，可以用于分析寒区隧道排水管水流冻结规律，进而为寒区隧道防治排水系统冻结提供指导。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的排水管半结构示意图。

图3为本发明的升降支架示意图。

图4为本发明的排水管主视图。

图5为本发明的温度监测断面示意图。

图6为本发明的水流速度监测断面示意图。

图7为本发明的冷媒输送管。

图中：1-环境试验箱；2-顶端水箱；3-底端水箱；4-升降支架；5-卡箍Ⅰ；6-止水阀；7-软管；8-排水管；9-卡箍Ⅱ；10-抽水泵；11-回流管；12-卡箍Ⅲ；13-冷媒输送管；14-保温棉；15-制冷机；16-温度传感器；17-水流流速传感器；18-高清摄像头；19-数据采集仪；20-底面钢板；21-顶面钢板；22-千斤顶；23-底面螺栓；24-顶面螺栓；25-数据采集线。

具体实施方式

如图1~7所示，寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，该系统包括环境试验箱1及置于环境试验箱1内的顶端水箱2、底端水箱3、制冷机15和数据采集仪19。

顶端水箱2架设在升降支架4上，该顶端水箱2的一侧连有软管7；软管7的出口端Ⅰ连有排水管8，该排水管8的出口端Ⅱ伸入底端水箱3中；底端水箱3内设有抽水泵10，该抽水泵10通过回流管11与顶端水箱2相连；排水管8的外表面呈螺旋状敷设有冷媒输送管13，该冷媒输送管13的外表面包裹有一层保温棉14，防止冷媒输送管13内冷能散失。冷媒输送管13的两端分别与制冷机15的冷媒出口和冷媒进口相连，使冷媒在冷媒输送管13和制冷机15形成的回路中循环。排水管8内分别设有温度传感器16、水流流速传感器17和高清摄像头18；数据采集仪19分别与温度传感器16、水流流速传感器17和高清摄像头18通过数据采集线25电联。

其中：升降支架4包括底面钢板20、顶面钢板21和千斤顶22。千斤顶22的底部通过底面螺栓23与底面钢板20相连，顶部通过顶面螺栓24与顶面钢板21相连；顶面钢板21上架设有顶端水箱2。

顶端水箱2的形状为长方体、立方体或圆柱体，其底面不大于顶面钢板21，容积不小于1 m³。

顶端水箱2的一侧边缘处设有出水口Ⅰ，该出水口Ⅰ通过止水阀6与软管7相连。止水阀6可通过控制阀门的开合度控制流出的水量。止水阀6与软管7通过卡箍Ⅰ5连接，以防漏水。

软管7与排水管8通过卡箍Ⅱ9连接，以防漏水。排水管8为聚乙烯管，管径10~50cm，长度2~4 m。

回流管11的出水口Ⅱ伸入顶端水箱2内，进水口通过卡箍Ⅲ12与抽水泵10的出水口Ⅲ相连；抽水泵10的吸水口低于底端水箱3的液面。回流管11的材质为普通PVC管，直径为10~15cm。

环境试验箱1为排水管8的水流冻结试验提供温度环境，其温度环境为-30~40℃，且温度可调节。

保温棉14的长度与排水管8的长度相同。该保温棉14材质为聚乙烯泡沫，厚度为6~10 cm。

冷媒输送管13的材质为耐低温硅胶管，直径为1~2 cm。

底端水箱3的形状为长方体、立方体或圆柱体，容积不小于1 m³。

制冷机15的温度调节范围为-20~0℃。

在排水管8内每隔20 cm布设多个温度监测断面，在每个温度监测断面呈网状布设37个温度传感器16，用于监测排水管8内水流、空气温度。在每个温度监测断面的顶端设有高清摄像头18，用于监测排水管8内结冰位置和冰层发育情况。

在排水管8内每隔20 cm布设多个水流速度监测断面，在每个水流速度监测断面呈网状布设37个水流流速传感器17，用于监测排水管8内水流速度，且温度监测断面与水流速度监测断面相隔10 cm。

寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统的使用方法，包括以下步骤：

⑴组装模型试验系统：

①在环境试验箱1内，铺设尺寸为2 m×2 m的底面钢板20；在底面钢板20上通过底面螺栓23将千斤顶22的底面固定在底面钢板20上；在千斤顶22的顶面，通过顶面螺栓24将顶面钢板21固定在千斤顶22的顶面；最终，组成升降支架4。

②在排水管8内每隔20 cm呈网状布设37个温度传感器16；与温度传感器16间隔10cm再呈网状布设37个水流流速传感器17；在温度传感器16安设的顶点位置安设高清摄像头18；将全部温度传感器16、水流流速传感器17和高清摄像头18通过数据采集线25与数据采集仪19电联；最终，组成监控监测系统；将冷媒输送管13敷设在排水管8外表面，再用保温棉14包裹敷设有冷媒输送管13的排水管8。

③将顶端水箱2放置并固定于顶面钢板21上，在顶端水箱2的出水口Ⅰ处安装止水阀6，并在止水阀6的出口套入软管7，且用卡箍Ⅰ5进行固定；在软管7的另一端套入安装有温度传感器16、水流流速传感器17和高清摄像头18的排水管8，并用卡箍Ⅱ9固定；在排水管8的出水口Ⅳ接入底端水箱3；在底端水箱3内放入抽水泵10，抽水泵10的吸水口要尽量靠近底端水箱9底面；在抽水泵10的出水口Ⅲ处通过卡箍Ⅲ12连接回流管11，并将回流管11的出水口Ⅱ放置于顶端水箱2内；最终，组成水流循环系统。

水流循环系统中，从顶端水箱2经过排水管8流入底端水箱3的水最终通过抽水泵10和回流管11重新回到顶端水箱2，达到水流循环利用的目的。

⑵排水管8冻结试验：

ⅰ调设环境试验箱1内的环境温度；调整千斤顶22的顶起高度，使升降支架4达到预定高度；开启所述止水阀6，控制所述止水阀6的开合度，使所述排水管8内水流按照预设的流速和流量流动至所述底端水箱3内；开启所述抽水泵10，将所述底端水箱3内的水输送到所述顶端水箱2内。

ⅱ待环境试验箱1内的环境温度达到均匀后，开启制冷机15；设定制冷机15输出冷媒的温度，使冷媒在冷媒输送管13流动并形成回路，给排水管8降温。

ⅲ开启监控监测系统，采用数据采集线25实时采集排水管8内各位置的温度、水流速度、结冰位置和冰层发育情况数据。

ⅳ待监测到所有数据随时间无明显变化时，关闭止水阀6和抽水泵10，使水流循环系统停止工作；同时关闭环境试验箱1的控温系统和制冷机15，使温度控制系统停止工作；最后，关闭数据采集仪19，使监控监测系统停止工作。

⑶按照其他设定继续排水管8冻结试验：

重新设定环境试验箱1内的环境温度、升降支架4的高度、止水阀6的开合度，以及制冷机15输出冷媒的温度，以满足不同环境温度、不同排水管内水流速度和水流量以及不同负温情况下的排水管内水流冻结试验；然后按照步骤⑵重新开始试验。

Claims (13)

1.寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：该系统包括环境试验箱（1）及置于所述环境试验箱（1）内的顶端水箱（2）、底端水箱（3）、制冷机（15）和数据采集仪（19）；所述顶端水箱（2）架设在升降支架（4）上，该顶端水箱（2）的一侧连有软管（7）；所述软管（7）的出口端Ⅰ连有排水管（8），该排水管（8）的出口端Ⅱ伸入所述底端水箱（3）中；所述底端水箱（3）内设有抽水泵（10），该抽水泵（10）通过回流管（11）与所述顶端水箱（2）相连；所述排水管（8）的外表面呈螺旋状敷设有冷媒输送管（13），该冷媒输送管（13）的外表面包裹有一层保温棉（14）；所述冷媒输送管（13）的两端分别与所述制冷机（15）的冷媒出口和冷媒进口相连；所述排水管（8）内分别设有温度传感器（16）、水流流速传感器（17）和高清摄像头（18）；所述数据采集仪（19）分别与所述温度传感器（16）、所述水流流速传感器（17）和所述高清摄像头（18）通过数据采集线（25）电联。

2.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：所述升降支架（4）包括底面钢板（20）、顶面钢板（21）和千斤顶（22）；所述千斤顶（22）的底部通过底面螺栓（23）与所述底面钢板（20）相连，顶部通过顶面螺栓（24）与所述顶面钢板（21）相连；所述顶面钢板（21）上架设有所述顶端水箱（2）。

3.如权利要求2所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：所述顶端水箱（2）的形状为长方体、立方体或圆柱体，其底面不大于所述顶面钢板（21），容积不小于1 m³。

4.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：所述顶端水箱（2）的一侧边缘处设有出水口Ⅰ，该出水口Ⅰ通过止水阀（6）与所述软管（7）相连；所述止水阀（6）与所述软管（7）通过卡箍Ⅰ（5）连接。

5.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：所述软管（7）与所述排水管（8）通过卡箍Ⅱ（9）连接。

6.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：所述回流管（11）的出水口Ⅱ伸入所述顶端水箱（2）内，进水口通过卡箍Ⅲ（12）与所述抽水泵（10）的出水口Ⅲ相连；所述抽水泵（10）的吸水口低于所述底端水箱（3）的液面。

7.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：所述环境试验箱（1）的温度环境为-30~40℃。

8.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：所述保温棉（14）的长度与所述排水管（8）的长度相同。

9.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：所述底端水箱（3）的形状为长方体、立方体或圆柱体，容积不小于1 m³。

10.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：所述制冷机（15）的温度调节范围为-20~0℃。

11.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：在所述排水管（8）内每隔20 cm布设多个温度监测断面，在每个温度监测断面呈网状布设37个所述温度传感器（16）；在每个温度监测断面的顶端设有所述高清摄像头（18）。

12.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：在所述排水管（8）内每隔20 cm布设多个水流速度监测断面，在每个水流速度监测断面呈网状布设37个所述水流流速传感器（17），且温度监测断面与水流速度监测断面相隔10 cm。

13.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统的使用方法，包括以下步骤：

⑴组装模型试验系统：

①在环境试验箱（1）内，铺设尺寸为2 m×2 m的底面钢板（20）；在所述底面钢板（20）上通过底面螺栓（23）将千斤顶（22）的底面固定在所述底面钢板（20）上；在所述千斤顶（22）的顶面，通过顶面螺栓（24）将顶面钢板（21）固定在所述千斤顶（22）的顶面；最终，组成升降支架（4）；

②在排水管（8）内每隔20 cm呈网状布设37个温度传感器（16）；与所述温度传感器（16）间隔10 cm再呈网状布设37个水流流速传感器（17）；在所述温度传感器（16）安设的顶点位置安设高清摄像头（18）；将全部所述温度传感器（16）、所述水流流速传感器（17）和所述高清摄像头（18）通过数据采集线（25）与数据采集仪（19）电联；最终，组成监控监测系统；将冷媒输送管（13）敷设在所述排水管（8）外表面，再用保温棉（14）包裹敷设有冷媒输送管（13）的所述排水管（8）；

③将顶端水箱（2）放置并固定于所述顶面钢板（21）上，在所述顶端水箱（2）的出水口Ⅰ处安装止水阀（6），并在所述止水阀（6）的出口套入软管（7），且用卡箍Ⅰ（5）进行固定；在所述软管（7）的另一端套入安装有所述温度传感器（16）、所述水流流速传感器（17）和所述高清摄像头（18）的所述排水管（8），并用卡箍Ⅱ（9）固定；在所述排水管（8）的出水口Ⅳ接入底端水箱（3）；在所述底端水箱（3）内放入抽水泵（10）；在所述抽水泵（10）的出水口Ⅲ处通过卡箍Ⅲ（12）连接回流管（11），并将所述回流管（11）的出水口Ⅱ放置于所述顶端水箱（2）内；最终，组成水流循环系统；

⑵排水管（8）冻结试验：

ⅰ调设所述环境试验箱（1）内的环境温度；调整所述千斤顶（22）的顶起高度，使所述升降支架（4）达到预定高度；开启所述止水阀（6），控制所述止水阀（6）的开合度，使所述排水管（8）内水流按照预设的流速和流量流动至所述底端水箱（3）内；开启所述抽水泵（10），将所述底端水箱（3）内的水输送到所述顶端水箱（2）内；

ⅱ待所述环境试验箱（1）内的环境温度达到均匀后，开启制冷机（15）；设定所述制冷机（15）输出冷媒的温度，使冷媒在所述冷媒输送管（13）流动并形成回路，给所述排水管（8）降温；

ⅲ开启所述监控监测系统，采用所述数据采集线（25）实时采集所述排水管（8）内各位置的温度、水流速度、结冰位置和冰层发育情况数据；

ⅳ待监测到所有数据随时间无明显变化时，关闭所述止水阀（6）和所述抽水泵（10），使所述水流循环系统停止工作；同时关闭所述环境试验箱（1）的控温系统和所述制冷机（15），使温度控制系统停止工作；最后，关闭所述数据采集仪（19），使所述监控监测系统停止工作；

⑶按照其他设定继续排水管（8）冻结试验：

重新设定所述环境试验箱（1）内的环境温度、所述升降支架（4）的高度、所述止水阀（6）的开合度，以及所述制冷机（15）输出冷媒的温度，以满足不同环境温度、不同排水管内水流速度和水流量以及不同负温情况下的排水管内水流冻结试验；然后按照所述步骤⑵重新开始试验。

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