[發(fā)明專利]一種寒區(qū)隧道排水通道凍害安全性的評估方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010166615.7
• 申請日: 2020-03-11
• 公開（公告）號: CN111400889B
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發(fā)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

本發(fā)明公開一種寒區(qū)隧道排水通道凍害安全性的評估方法，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結冰臨界位置處的距離L，確定寒區(qū)隧道排水通道內(nèi)水流結冰的臨界位置；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。本發(fā)明通過定量描述確定了排水通道中水流結冰的臨界位置，然后以排水通道水流結冰臨界位置與隧道洞口的相對位置關系來判斷排水通道發(fā)生結冰堵塞的可能性，可方便快捷地確定排水通道的凍害可能性，降低隧道在施工期和運營期發(fā)生凍害的風險，整體上確保了寒區(qū)隧道的安全。

技術領域

本發(fā)明涉及一種寒區(qū)隧道排水通道凍害安全性的評估方法，屬于高海拔寒冷地區(qū)隧道工程的防寒保溫領域。

背景技術

在海拔高、冬季氣溫低、地勢崎嶇、山脈縱橫交錯等特點的地區(qū)建設公路、鐵路交通運輸線，一般需修建隧道工程。然而位于高海拔寒冷地區(qū)的隧道工程，襯砌結構的凍脹破壞影響其在施工期和運營期的安全。為減小滲流水對襯砌結構的水壓力及凍脹破壞作用，會修建排水溝、中心深埋水溝或者防寒泄水洞等排水通道。

寒冷季節(jié)，排水通道因水體結冰堵塞，使得通道中的水流漫溢到道床，發(fā)生結冰現(xiàn)象；亦或襯砌背后的滲流水因無法順利排出，產(chǎn)生較大的水壓力并且沿著襯砌結構的孔隙流動，在洞內(nèi)負溫的作用下，滲流水凍結成冰，在襯砌結構的局部區(qū)域產(chǎn)生壁面掛冰等現(xiàn)象，影響襯砌結構的穩(wěn)定性和行車安全。然而，綜合現(xiàn)有相關研究，目前尚沒有有效的方法判斷隧道排水通道是否會發(fā)生結冰堵塞，無法有效保障隧道安全。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有高海拔寒冷地區(qū)隧道工程排水通道中水流結冰堵塞情況無法評估、無法保障隧道安全的問題，本發(fā)明提供一種寒區(qū)隧道排水通道凍害安全性的評估方法。

技術方案：本發(fā)明所述的一種寒區(qū)隧道排水通道凍害安全性的評估方法，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(nèi)排水通道的水流結冰臨界位置；

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。

上述步驟1)中，水流初始位置與水流結冰臨界位置處的距離L根據(jù)下式確定：L＝L₁+L₂；其中，L₁為排水通道內(nèi)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(nèi)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。

具體的，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(jù)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(shù)；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。

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(jù)公式(2)計算：

式中，ρ_i為冰的密度，L_i為水的結冰潛熱，C_i為冰花密度限值，其余參數(shù)的含義與式(1)中相同。