CN117421815B - 隧洞排水孔量化设计系统、终端和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种隧洞排水孔量化设计系统、终端和存储介质,非渗控措施参数选取模块,用于确定待进行排水孔设计隧洞衬砌的非渗控措施参数;渗控效果因子量值计算模块,用于在非渗控措施参数的条件下,计算不同排水孔长度和排水孔控制面积条件下的衬砌外水荷载以及对应的渗控效果因子量值;排水孔渗控因子拟合模块,用于建立以排水孔长度和排水孔控制面积为自变量,渗控效果因子为因变量的预测公式,并根据渗控效果因子量值计算模块的计算值进行拟合计算,得到与预测公式的拟合系数值;排水孔设计反向确定模块,用于根据待进行排水孔设计隧洞衬砌的结构安全对衬砌外水荷载的要求,带入预测公式,以反向确定排水孔长度和排水孔控制面积。
Description
技术领域
本发明涉及隧洞衬砌结构安全技术领域,具体涉及一种隧洞排水孔量化设计系统、终端和存储介质。
背景技术
由于地下水的存在,隧洞衬砌结构将承担外水压力作用。从外水压力的字面理解,可指作用在衬砌外缘的压力,是一个边界荷载,然而,这只是外水荷载的一种特殊情况。因为围岩和衬砌都是透水介质,隧洞建好后,洞内的内水压力较小(无压隧洞)或水压力为零值(隧洞放空)。此时,地下水将向洞内渗透而形成渗流场,因此在地下水位以下的空间,每一点都作用有与水力梯度成正比的渗透体积力荷载。当衬砌与围岩脱离,在围岩中的渗透体积力将不能对衬砌应力产生荷载效应,此时衬砌就成为单独承担外水压力的独立结构,此时外水压力折减系数即为隧洞结构设计中,确定衬砌边界荷载条件的一个重要参数。
在现有技术中,关于外水压力折减系数一般根据规范的定性描述确定,在进一步考虑排水孔等渗控措施后,折减系数的取值尚缺乏定量依据。排水孔控制面积和排水孔长度是与渗控措施直接相关的3项设计要素。经计算分析,排水孔控制面积和排水孔长度的取值范围变化较大,且对衬砌结构的外水荷载也有较大影响,因此应当在量化分析外水压力折减系数时予以考虑。因此,亟需一种定量的对隧洞排水孔进行量化设计的方法。
发明内容
本发明提出了隧洞排水孔量化设计系统、终端和存储介质,以解决难以对隧洞的排水孔进行量化设计的技术问题。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种隧洞排水孔量化设计系统,包括以下步骤:
包括非渗控措施参数选取模块、渗控效果因子量值计算模块、排水孔渗控因子拟合模块和排水孔设计反向确定模块;
所述非渗控措施参数选取模块,用于确定待进行排水孔设计隧洞衬砌的非渗控措施参数,并输入所述渗控效果因子量值计算模块;
所述渗控效果因子量值计算模块,用于在所述非渗控措施参数的条件下,计算不同排水孔长度和排水孔控制面积条件下的衬砌外水荷载以及对应的渗控效果因子量值,并输入排水孔渗控因子拟合模块;
所述排水孔渗控因子拟合模块,用于建立以排水孔长度和排水孔控制面积为自变量,渗控效果因子为因变量的预测公式,并根据渗控效果因子量值计算模块的计算值进行拟合计算,得到与所述预测公式的拟合系数值;
所述排水孔设计反向确定模块,用于根据待进行排水孔设计隧洞衬砌的结构安全对衬砌外水荷载的要求,带入所述预测公式,以反向确定排水孔长度和排水孔控制面积。
优选地,所述非渗控措施参数选取模块确定的参数包括围岩渗透系数、外水总水头、围岩厚度、二衬厚度和二衬渗透系数。
优选地,所述二衬渗透系数的取值为0.1Lu。
优选地,所述渗控效果因子量值计算模块中计算衬砌外水荷载的表达式为:
;
式中,P1和P2分别表示衬砌与围岩交界面和隧道轴线处的外水压力,kL和kr分别表示衬砌和围岩的渗透系数,r0、rini和rr分别表示衬砌后的圆形隧洞半径、毛洞半径和围岩半径。
优选地,所述渗控效果因子量值计算模块在进行计算时,排水孔长度包括0.5m、1m、2m和4m;排水孔控制面积包括4㎡、9㎡、16㎡和25㎡。
优选地,所述排水孔渗控因子拟合模块中的预测公式的表达式为:
;
式中,S表示渗控效果因子,x表示排水孔控制面积,y表示排水孔长度,A、B、C和D表示与所述非渗控措施参数相关的拟合系数。
优选地,所述排水孔渗控因子拟合模块计算预测公式的拟合系数值的方法包括以下步骤:根据步骤S2的计算结果,绘制渗控效果因子分布曲线,采用参数拟合的方法,得到所述非渗控措施参数相关的拟合系数值。
本发明还提供了一种隧洞排水孔量化设计终端,包括存储器和处理器;
所述存储器,用于存储计算机程序及隧洞排水孔量化设计系统;
所述处理器,用于执行所述计算机程序及隧洞排水孔量化设计系统,以实现上述系统中模块的功能。
本发明还提供了一种存储有计算机指令的计算机可读存储介质,所述计算机指令用于使处理器执行时实现上述系统中模块的功能。
本发明的有益效果至少包括:本发明通过对排水孔的渗控效果进行数值分析,拟定排水孔在不同设计参数,例如入岩深度、控制面积、孔径等,开展水工隧洞不同衬砌排水孔设计参数方案条件下的场计算,建立影响排水孔排水效果的主要参数与渗控效果因子的定量关系式,进而实现了可根据衬砌可承担的外水荷载量值,从而反向确定衬砌排水孔布置参数,给排水孔的定量设计提供了一个有力的设计依据。
附图说明
图1为本发明实施例的系统模块流程示意图;
图2为本发明实施例的围岩渗透系数对衬砌外水荷载的影响规律示意图;
图3为本发明实施例的外水总水头对衬砌外水荷载的影响规律示意图;
图4为本发明实施例的围岩厚度对衬砌外水荷载的影响规律示意图;
图5为本发明实施例的二衬厚度对衬砌外水荷载的影响规律示意图;
图6为本发明实施例的不同排水孔设计参数的组合方案示意图;
图7为本发明实施例的不同入岩深度和排水孔控制面积条件下的渗控效果因子示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
如图1所示,本发明实施例提供了一种隧洞排水孔量化设计系统,包括非渗控措施参数选取模块、渗控效果因子量值计算模块、排水孔渗控因子拟合模块和排水孔设计反向确定模块;
非渗控措施参数选取模块,用于确定待进行排水孔设计隧洞衬砌的非渗控措施参数,并输入渗控效果因子量值计算模块。
具体地,本发明实施例中首先对围岩渗透系数、外水水头、围岩厚度和衬砌厚度这些非渗控措施对外水荷载的影响进行分析。
根据对称条件下渗透压力作用的弹性力学解,可得到岩土介质与衬砌交界面处的水压力公式:
(1)
式中,P1和P2分别为衬砌与围岩交界面和隧道轴线处的外水压力;kL和kr分别为衬砌和围岩的渗透系数;r0、rini和rr分别为衬砌后的圆形隧洞半径、毛洞半径和围岩半径。
将上式进行转换,得到折减系数βe:
(2)
分别对围岩渗透系数、围岩厚度、初始渗流场隧洞轴线处外水压力和衬砌厚度作为敏感性分析对象,利用式(2)得到外水荷载对表1所列参数的敏感性分析结果,如图2至图5所示。
表1
围岩渗透系数、外水总水头、围岩厚度和二衬厚度主要取决于工程的实际地质条件,以及设计方案,其取值没有固定范围,且变化较大。但对外水荷载都有显著的影响,在对外水压力折减系数进行量化分析时,均应当考虑。
二衬渗透系数即混凝土的渗透系数,一般可取为0.1Lu,该参数可在分析中直接使用定值。
排水孔的设计包括排水孔控制面积和排水孔长度,是与渗控措施直接相关的设计要素,经计算分析,排水孔控制面积和排水孔长度的取值范围变化较大,且对衬砌结构的外水荷载也有较大影响,因此本发明实施例中针对排水孔的设计进行量化分析。
经工程案例数据搜集,排水孔孔径一般在45mm~55mm区间内取值,根据初步计算分析,排水孔孔径的变化对渗控效果的影响相对有限。因此可在量化分析外水压力折减系数时使用定值,不考虑孔径对外水荷载的影响。
综上,选取“围岩渗透系数、外水总水头、围岩厚度、二衬厚度”和“排水孔控制面积、排水孔长度”,共计六项指标,作为量化分析外水压力折减系数取值的考虑因素,六项指标对隧洞衬砌结构外水荷载主要影响的特点如表2所示。
表2
渗控效果因子量值计算模块,用于在非渗控措施参数的条件下,计算不同排水孔长度和排水孔控制面积条件下的衬砌外水荷载以及对应的渗控效果因子量值,并输入排水孔渗控因子拟合模块。
具体地,采用式(1),计算不考虑排水孔条件下的衬砌外水荷载,即:当围岩渗透系数、外水总水头、围岩厚度和二衬厚度值给定时,算得无渗控措施条件下的外水荷载量值。
本发明实施例以不考虑渗控措施的分析结果为基础,选取“排水孔控制面积”和“排水孔长度”共两项指标,开展基于两指标正交组合的多组渗流计算分析,如表3和图6所示,之后,对每组渗流计算进行分析。
表3
排水孔渗控因子拟合模块,用于建立以排水孔长度和排水孔控制面积为自变量,渗控效果因子为因变量的预测公式,并根据渗控效果因子量值计算模块的计算值进行拟合计算,得到与预测公式的拟合系数值;拟合系数值与非渗控措施参数相关。
具体地,本发明实施例中为了计算渗控效果因子,采用公式拟合的方法,建立同时考虑排水孔入岩深度和排水孔控制面积两个未知量的渗控效果因子拟合式:
(3)
式中:S为渗控效果因子;x为排水孔控制面积(m2);y为排水孔长度(m);A、B、C、D为拟合系数,取决于衬砌厚度、围岩厚度、总水头、围岩渗透系数。
然后采用渗控效果因子分析系统,输入围岩渗透系数、外水总水头、围岩厚度、二衬厚度等已知条件,考虑不同排水孔入岩深度和排水孔控制面积,将考虑排水孔不同入岩深度和排水孔控制面积的计算结果整合,绘制与渗控效果因子相关的曲线如图7所示的渗控效果因子分布曲线,进而采用参数拟合的方法,确定式(3)的待定系数A、B、C、D,最终即可获得排水孔设计参数和渗控效果的定量关系。
以图7的所示的数据为例,其输入参数为:衬砌厚0.5m,围岩厚200m,总水头300m,围岩10Lu。通过拟合,得到下式:
(4)
排水孔设计反向确定模块,计算不考虑渗控措施条件下的衬砌外水荷载,并根据待进行排水孔设计隧洞衬砌的结构安全对衬砌外水荷载的要求,带入预测公式,以反向确定排水孔长度和排水孔控制面积。
具体地,在对应的工程环境下,获取步骤S3中的预测公式后,根据待进行排水孔设计隧洞衬砌的结构安全对衬砌外水荷载的要求即可得到所需的渗控效果因子,就可以代入式(3)中,反向确认排水孔的面积和排水孔的长度,进行定量的设计。
本发明还提供了一种隧洞排水孔量化设计终端,包括存储器和处理器;
存储器,用于存储计算机程序及隧洞排水孔量化设计系统;
处理器,用于执行计算机程序及隧洞排水孔量化设计系统,以上述系统中模块的功能。
本发明还提供了一种存储有计算机指令的计算机可读存储介质,计算机指令用于使处理器执行时实现上述系统中模块的功能。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,仅表达了本发明的较佳实施例而已,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种隧洞排水孔量化设计系统,其特征在于:包括非渗控措施参数选取模块、渗控效果因子量值计算模块、排水孔渗控因子拟合模块和排水孔设计反向确定模块;
所述非渗控措施参数选取模块,用于确定待进行排水孔设计隧洞衬砌的非渗控措施参数,并输入所述渗控效果因子量值计算模块;
所述渗控效果因子量值计算模块,用于在所述非渗控措施参数的条件下,计算不同排水孔长度和排水孔控制面积条件下的衬砌外水荷载以及对应的渗控效果因子量值,并输入排水孔渗控因子拟合模块;
所述渗控效果因子量值计算模块中计算衬砌外水荷载的表达式为:
;
式中,P1和P2分别表示衬砌与围岩交界面和隧道轴线处的外水压力,kL和kr分别表示衬砌和围岩的渗透系数,r0、rini和rr分别表示衬砌后的圆形隧洞半径、毛洞半径和围岩半径;
所述排水孔渗控因子拟合模块,用于建立以排水孔长度和排水孔控制面积为自变量,渗控效果因子为因变量的预测公式,并根据渗控效果因子量值计算模块的计算值进行拟合计算,得到与所述预测公式的拟合系数值;
所述排水孔渗控因子拟合模块中的预测公式的表达式为:
;
式中,S表示渗控效果因子,x表示排水孔控制面积,y表示排水孔长度,A、B、C和D表示与所述非渗控措施参数相关的拟合系数;
所述排水孔设计反向确定模块,用于根据待进行排水孔设计隧洞衬砌的结构安全对衬砌外水荷载的要求,代入所述预测公式,以反向确定排水孔长度和排水孔控制面积。
2.根据权利要求1所述的一种隧洞排水孔量化设计系统,其特征在于:所述非渗控措施参数选取模块确定的参数包括围岩渗透系数、外水总水头、围岩厚度、二衬厚度和二衬渗透系数。
3.根据权利要求2所述的一种隧洞排水孔量化设计系统,其特征在于:所述二衬渗透系数的取值为0.1Lu。
4.根据权利要求1所述的一种隧洞排水孔量化设计系统,其特征在于:所述渗控效果因子量值计算模块在进行计算时,排水孔长度包括0.5m、1m、2m和4m;排水孔控制面积包括4㎡、9㎡、16㎡和25㎡。
5.根据权利要求1所述的一种隧洞排水孔量化设计系统,其特征在于:所述排水孔渗控因子拟合模块计算预测公式的拟合系数值的方法包括以下步骤:根据步骤S2的计算结果,绘制渗控效果因子分布曲线,采用参数拟合的方法,得到所述非渗控措施参数相关的拟合系数值。
6.一种隧洞排水孔量化设计终端,其特征在于:包括存储器和处理器;
所述存储器,用于存储计算机程序及隧洞排水孔量化设计系统;
所述处理器,用于执行所述计算机程序及隧洞排水孔量化设计系统,以实现权利要求1至5任意一项所述系统中模块的功能。
7.一种存储有计算机指令的计算机可读存储介质,其特征在于:所述计算机指令用于使处理器执行时实现权利要求1至5任意一项所述系统中模块的功能。
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Analytical study on the seepage field of different drainage and pressure relief options for tunnels in high water-rich areas;Jun Yu;Tunnelling and Underground Space Technology;20230430;第134卷;1-14 * |
不同排水孔失效长度下岩溶隧道衬砌结构受力分析;李延川;王森;钟祖良;;地下空间与工程学报;20171115(S2);341-347 * |
基于堵水限排高压富水区山岭隧道防排水技术研究;赵乐;中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑;20170715(第07期);C034-246 * |
高外水压力下水工隧洞设计理念的初步探讨;孙博;谷玲;谢金元;刘跃;;地下空间与工程学报;20171115(S2);260-264 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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CN117421815A (zh) | 2024-01-19 |
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