[發明專利]一種寒區隧道排水通道凍害安全性的評估方法

有效

• 申請號: 202010166615.7
• 申請日: 2020-03-11
• 公開（公告）號: CN111400889B
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 郭力;張吉明
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;E21F16/02;G06F113/14;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種寒區隧道排水通道凍害安全性的評估方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)結合能量守恒原理和冰水力學理論，計算水流初始位置與水流結冰臨界位置處的距離L，確定隧道內排水通道的水流結冰臨界位置；

所述水流初始位置與水流結冰臨界位置處的距離L根據下式確定：

L＝L₁+L₂；

其中，L₁為排水通道內水體橫斷面溫度為0℃的位置與水流初始位置間的距離，L₂為排水通道內水體橫斷面溫度為0℃位置與冰花密度達到限值位置處的距離；

所述水流初始位置與水體橫斷面溫度為0℃位置處的距離L₁根據如下公式(1)計算：

式中，c_w為水的比熱容，ρ_w為水的密度，Q為水流流量，b為水面寬度，h為水體和空氣的對流換熱系數；g為重力加速度，i為排水通道的底坡坡度；T_A為空氣溫度，T₀為水流初始位置處的水溫；

所述冰花密度達到限值位置處與水體橫斷面溫度為0℃位置處的距離L₂根據如下公式(2)計算：

式中，ρ_i為冰的密度，L_i為水的結冰潛熱，ρ_w為水的密度，g為重力加速度，i為排水通道的底坡坡度；Q為水流流量，b為水面寬度，h為水體和空氣的對流換熱系數；C_i為冰花密度限值；

2)判斷水流結冰臨界位置與隧道洞口的相對位置，若水流結冰臨界位置位于隧道洞口外，表明排水通道不會結冰堵塞，安全；反之，說明排水通道存在結冰堵塞的風險，不安全。

2.根據權利要求1所述的寒區隧道排水通道凍害安全性的評估方法，其特征在于，所述水體和空氣的對流換熱系數h通過查閱實際現場數據獲得或通過水流結冰實驗反演確定。

3.根據權利要求2所述的寒區隧道排水通道凍害安全性的評估方法，其特征在于，所述通過水流結冰實驗反演確定水體和空氣的對流換熱系數h的方法為：進行水流結冰實驗，得到水流初始位置與結冰臨界位置處的距離、水流初始位置處的水溫、空氣溫度、水流流量及渠底坡度五個觀測數據，結合公式L＝L₁+L₂，使用數值軟件反演得到水體和空氣的對流換熱系數h。

4.根據權利要求1所述的寒區隧道排水通道凍害安全性的評估方法，其特征在于，步驟2)中，所述判斷水流結冰臨界位置與隧道洞口的相對位置的方法為：比較水流初始位置距水流結冰臨界位置處的距離L與水流初始位置距隧道洞口的距離L₀的值，當L＞L₀時，說明水流結冰臨界位置位于隧道洞外，當L≤L₀時，說明水流結冰臨界位置位于隧道洞內。