基于泄水孔出流特征的富水隧道地层水头测算方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于泄水孔出流特征的富水隧道地层水头测算方法及装置，本发明专利技术根据泄水孔出水口速度水头、泄水孔沿程损失水头、泄水孔入水口孔口损失水头的代数和计算得到富水隧道地层水头。本发明专利技术通过钻设临时泄水孔，根据泄水孔出流特征计算富水隧道地层水头，解决了传统依靠埋设仪器测试地层水头的实际操作繁琐、经济成本较高等问题，此外还考虑了泄水孔入水口孔口损失水头，计算结果更加合理，为富水地层隧道的施工和运营提供了重要参考。考。考。

【技术实现步骤摘要】
基于泄水孔出流特征的富水隧道地层水头测算方法及装置


[0001]本专利技术涉及隧道施工与监测
，具体来说，涉及一种基于泄水孔出流特征的富水隧道地层水头测算方法及装置。

技术介绍

[0002]近年来，随着我国交通基础设施建设的跨越式发展，修建在富水地层中的隧道数量逐渐增长，地下水已经成为此类隧道施工和运营面临的主要难题。
[0003]富水地层水害频发，会对隧道工程施工建设和建成运营产生一系列不利影响。一方面，在施工期间，富水地层中的高水头常造成突水突泥灾害，不仅会导致地下水位下降、地表岩溶塌陷，还会损害隧道内施工设备，严重影响施工人员的安全。另一方面，在运营期间，富水地层高水头会引发衬砌结构开裂、掉块和轨道板渗水、隆起等问题，严重影响隧道结构和行车安全。因此，如何准确测定地层水压力成为了隧道工程界的关键技术难题。然而，传统布点式水压力测试方法由于测点布设成本高、测点布设位置固定、测点布设数目相对较少，仅能获取典型位置处的地层水压力值，而且如遇传感器损坏难以更换从而造成测点数据不全，致使工程人员无法准确掌握地层水压力状态。更重要的是，隧道水害发生段落常与测点布置断面不匹配，而水压力测点又无法在水害突发的短时内进行增设，使得工程人员无法正确认知隧道水害段落的地层水压力量值，最终导致处治方案合理性欠佳。因此，研究一种富水隧道地层水头测算方法，获取地层水压力，对于富水隧道施工与运营尤为重要。目前在富水隧道地层水头测算方法方面已有部分创新：申请号202111049528.4公开了一种基于隧道排水量的衬砌水压力计算及结构安全预警方法，但在现场实践过程中将存在如下三方面的不足：其一，该方法仅能适用于排水管网布设齐备的运营期，而在施工期无法判定地层水压力量值；其二，在隧道运营期间，地下水中的Ca
2+
、Mg
2+
等离子会在排水通道中与空气发生反应，一段时间后易形成结晶物堵塞排水管，导致实际泄水孔截面积与理论计算截面积相差明显，最终导致计算结果与实际地层水压力之间存在较大差异；其三，该方法需要在排水通道中布置大量测试仪器用于监测排水流量，实施方法较复杂，仪器设备需定期检修更换，方法实用性欠佳。
[0004]本文提供的背景描述用于总体上呈现本公开的上下文的目的。除非本文另外指示，在该章节中描述的资料不是该申请的权利要求的现有技术并且不要通过包括在该章节内来承认其成为现有技术。

技术实现思路

[0005]针对相关技术中的上述技术问题，本专利技术提出一种基于泄水孔出流特征的富水隧道地层水头测算方法，其包括如下步骤：S1，根据泄水孔出流特征，测量出水流平抛运动下降高度H1、平抛运动水平距离L1，计算泄水孔出水口速度水头H
v1
；S2，根据泄水孔材料属性，收集泄水孔长度l1、泄水孔孔径d1、出流水流密度、出
流水流粘滞系数，计算泄水孔沿程损失水头H
f1
；S3，根据泄水孔出流水流流速v1、泄水孔孔径d1、泄水孔流量系数C1，计算泄水孔入水口孔口损失水头H
k1
；S4，通过所述泄水孔出水口速度水头H
v1
、泄水孔沿程损失水头H
f1
、泄水孔入水口孔口损失水头H
k1
的代数和计算得到富水隧道地层水头H
z1
。
[0006]具体的，所述步骤S1具体包括：S11、根据隧道泄水孔出流特征，获得出流水流平抛运动下降高度H1、平抛运动水平距离L1、重力加速度；S12、基于平抛运动基本公式计算隧道泄水孔出流水流流速v1；S13、依据流体力学基本公式计算泄水孔出水口速度水头H
v1
：。
[0007]具体的，所述步骤S2具体包括：S21、根据富水隧道泄水孔出流特征和相关设计资料，获得相关参数，包括泄水孔长度l1、泄水孔孔径d1、出流水流密度、出流水流粘滞系数S22、根据流体力学基本公式计算出流水流雷诺数R
e1
：S23、根据出流水流雷诺数R
e1
计算沿程水头损失系数：S24、根据沿程水头损失系数计算泄水孔沿程损失水头H
f1
：。
[0008]具体的，所述步骤S3具体包括：S31、根据泄水孔出流水流流速v1、泄水孔孔径d1，计算出流水流流量q1：
S32、根据泄水孔出流特征和泄水孔孔壁混凝土结构参数，测量泄水孔流量系数C1；S33、计算泄水孔入水口孔口损失水头H
k1
：。
[0009]具体的，所述方法还包括：S5，将所述富水隧道地层水头发送给监控终端，所述监控终端将所述富水隧道地层水头以可视化的形式显示在所述监控终端中。
[0010]第二方面，本专利技术的另一个实施例公开了一种基于泄水孔出流特征的富水隧道地层水头测算装置，其包括如下单元：泄水孔出水口速度水头获取单元，用于根据泄水孔出流特征，测量出水流平抛运动下降高度H1、平抛运动水平距离L1，计算泄水孔出水口速度水头H
v1
；泄水孔沿程损失水头获取单元，用于根据泄水孔材料属性，收集泄水孔长度l1、泄水孔孔径d1、出流水流密度、出流水流粘滞系数，计算泄水孔沿程损失水头H
f1
；泄水孔入水口孔口损失水头获取单元，用于根据泄水孔出流水流流速v1、泄水孔孔径d1、泄水孔流量系数C1，计算泄水孔入水口孔口损失水头H
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；富水隧道地层水头获取单元，用于通过所述泄水孔出水口速度水头H
v1
、泄水孔沿程损失水头H
f1
、泄水孔入水口孔口损失水头H
k1
的代数和计算得到富水隧道地层水头H
z1
。
[0011]具体的，所述泄水孔出水口速度水头包括如下子单元：泄水孔出水口参数获取单元、用于根据隧道泄水孔出流特征，获得出流水流平抛运动下降高度H1、平抛运动水平距离L1、重力加速度；泄水孔出水口速度水头水流流速获取单元、用于基于平抛运动基本公式计算隧道泄水孔出流水流流速v1；泄水孔出水口速度水头计算单元、用于依据流体力学基本公式计算泄水孔出水口速度水头H
v1
：。
[0012]具体的，所述泄水孔沿程损失水头获取单元包括如下子单元：泄水孔沿程损失水头参数获取单元、用于根据富水隧道泄水孔出流特征和相关设计资料，获得相关参数，包括泄水孔长度l1、泄水孔孔径d1、出流水流密度、出流水流粘滞
系数；泄水孔沿程损失水头出流水流雷诺数获取单元、用于根据流体力学基本公式计算出流水流雷诺数R
e1
：沿程水头损失系数获取单元、用于根据出流水流雷诺数R
e1
计算沿程水头损失系数：泄水孔沿程损失水头计算单元、用于根据沿程水头损失系数计算富水隧道泄水孔沿程损失水头H
f1
：。
[0013]具体的，泄水孔入水口孔口损失水头包括如下子单元：泄水孔入水口孔口损失水头参数获取单元、用于根据富水隧道泄水孔出流水流流速v1、泄水孔孔径d1，计算出流水流流量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于泄水孔出流特征的富水隧道地层水头测算方法，其特征在于：包括如下步骤：S1，根据泄水孔出流特征，测量出水流平抛运动下降高度H1、平抛运动水平距离L1，计算泄水孔出水口速度水头H
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；S2，根据泄水孔材料属性，收集泄水孔长度l1、泄水孔孔径d1、出流水流密度、出流水流粘滞系数，计算泄水孔沿程损失水头H
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；S3，根据泄水孔出流水流流速v1、泄水孔孔径d1、泄水孔流量系数C1，计算泄水孔入水口孔口损失水头H
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；S4，通过所述泄水孔出水口速度水头H
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、泄水孔沿程损失水头H
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、泄水孔入水口孔口损失水头H
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的代数和计算得到富水隧道地层水头H
z1
。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括：S11、根据隧道泄水孔出流特征，获得出流水流平抛运动下降高度H1、平抛运动水平距离L1、重力加速度；S12、基于平抛运动基本公式计算隧道泄水孔出流水流流速v1；S13、依据流体力学基本公式计算泄水孔出水口速度水头H
v1
：。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括：S21、根据富水隧道泄水孔出流特征和相关设计资料，获得相关参数，包括泄水孔长度l1、泄水孔孔径d1、出流水流密度、出流水流粘滞系数；S22、根据流体力学基本公式计算出流水流雷诺数R
e1
：S23、根据出流水流雷诺数R
e1
计算沿程水头损失系数：S24、根据沿程水头损失系数计算泄水孔沿程损失水头H
f1
：
。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：S31、根据泄水孔出流水流流速v1、泄水孔孔径d1，计算出流水流流量q1：S32、根据泄水孔出流特征和泄水孔孔壁混凝土结构参数，测量泄水孔流量系数C1；S33、计算泄水孔入水口孔口损失水头H
k1
：。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：还包括：S5，将所述富水隧道地层水头发送给监控终端，所述监控终端将所述富水隧道地层水头以可视化的形式显示在所述监控终端中。6.一种基于泄水孔出流特征的富水隧道地层水头测算装置，其特征在于：其包括如下单元：泄水孔出水口速度水头获取单元，用于根据泄水孔出流特征，测量出水流平抛运动下降高度H1、平抛运动水平距离L1，计算泄水孔出水口速度水头H
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；泄水...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳军生，陈建伟，方星桦，李林毅，谢亦朋，王树英，李雨哲，杨喜锋，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：