基于压力测量的隧道排水管道淤堵监测系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及隧道排水管道淤堵监测技术领域，具体公开了基于压力测量的隧道排水管道淤堵监测系统及方法，在所述隧道排水管的监测段入水口处预设有第一预留操作空间，在所述隧道排水管的其它区域还预设有第二预留操作空间和第三预留操作空间；所述第一预留操作空间、所述第二预留操作空间、所述第三预留操作空间内设有压力传感器；所述第一预留操作空间设有流速计，所述流速计的计量部分布在所述隧道排水管内；所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三压力传感器、所述第四压力传感器分别设在所述隧道排水管的外壁正下方，通过传感器支撑块分别对各个传感器进行支撑。采用本发明专利技术具有判断准确率高、操作便捷等优点。操作便捷等优点。操作便捷等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于压力测量的隧道排水管道淤堵监测系统及方法


[0001]本专利技术涉及隧道排水管道淤堵监测
，具体涉及基于压力测量的隧道排水管道淤堵监测系统及方法。

技术介绍

[0002]随着现代交通不断发展，公路运营里程不断增加，隧道建设数量也不断增加。据统计，截至2017年底，公路隧道超过16000座，其中特长隧道超过900座，长隧道超过3800座；截至2018年底，铁路隧道超过15000座，其中特长隧道超过140座。以上数据表明，我国已经成为建设隧道最多的国家。
[0003]因隧道都是建设在岩体当中，且每座隧道所处岩体性质都有所不同，所以隧道运营环境复杂，土建结构容易出现病害。隧道病害各种各样，包括衬砌裂缝、衬砌渗漏水、施工缝错台、施工缝渗漏水、拱顶沉降、周边位移等。针对这些常见隧道病害，监测设备方法也不一而同。例如监测周边位移可以使用成像设备、全站仪、收敛计、测量机器人、激光断面仪等设备；监测洞门位移可以使用测量机器人、水准仪、经纬仪、光学垂准仪、倾斜仪等仪器。
[0004]但是，排水系统作为隧道的重要组成部分，目前几乎没有方法对其进行监测，这是因为隧道排水系统的监测存在困难。首先是隧道排水系统所处环境湿度高，容易对监测仪器产生不良影响，包括但不限于降低监测仪器精确度、减少监测仪器使用寿命等。其次，隧道排水系统属于隐蔽性工程，仪器安装存在一些困难。运营期安装仪器需要重新开凿安装空间，开凿精度不易控制且容易对周围土建结构产生不良影响，故在施工期就预留好后续仪器安装空间是一个较好的选择。此外，隧道排水系统是否正常工作对隧道衬砌结构安全具有重要意义，因为一旦排水系统发生问题，就会影响隧道土建结构的耐久型和安全性，严重时会导致隧道衬砌结构变形掉块等，无法保障通行安全。特别是岩溶地区，地下水、矿物质丰富，更容易导致隧道排水系统堵塞。岩溶地区排水系统更容易堵塞的原因是岩溶水中含有大量矿物离子，这些矿物离子容易与二氧化碳反应生成难溶物(主要成分为碳酸钙)，难溶物容易粘附在排水管内壁或与其他杂物黏结，最终导致排水管堵塞。
[0005]为保证隧道排水系统能够正常工作，有必要提出监测准确的方案。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对上述技术问题提供一种监测准确、使用效果好的基于压力测量的隧道排水管道淤堵监测系统。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]基于压力测量的隧道排水管道淤堵监测系统，包括隧道排水管，其特征在于：在所述隧道排水管的监测段入水口处预设有第一预留操作空间，在所述隧道排水管的其它区域还预设有第二预留操作空间和第三预留操作空间；所述第一预留操作空间、所述第二预留操作空间和所述第三预留操作空间各设在所述隧道排水管的正下方；所述第二预留操作空间内设有第一压力传感器和第二压力传感器；所述第三预留操作空间内设有第三压力传感
器；所述第一预留操作空间设有第四压力传感器、且正对所述第四压力传感器的上方设有流速计，所述流速计的计量部分布在所述隧道排水管内；所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三压力传感器、所述第四压力传感器分别设在所述隧道排水管的外壁正下方，通过传感器支撑块分别对各个传感器进行支撑。
[0009]优选的，所述第一预留操作空间和所述第三预留操作空间的轴向宽度为6～8cm或8.5～10cm。
[0010]优选的，所述第二预留操作空间的轴向宽度为10～15cm或15.5～20cm。
[0011]优选的，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器分别设在所述第二预留操作空间的上下两侧、且与所述第二预留操作空间的侧壁间距在1cm以上。
[0012]优选的，所述第三压力传感器和所述第四压力传感器分别设在所述所述第三预留操作空间和所述第一预留操作空间的轴向居中位置。
[0013]优选的，所述第一预留操作空间、所述第二预留操作空间和所述第三预留操作空间的投影面的横向宽度不小于所述隧道排水管的投影径向宽度。
[0014]优选的，所述第一预留操作空间、所述第二预留操作空间和所述第三预留操作空间的左侧还各设有弯槽，所述弯槽的左侧呈竖直分布；所述弯槽的左侧顶部高于所述隧道排水管的底部。
[0015]一种隧道排水管道淤堵的监测方法，包括如上所述的监测系统。优选的，通过测量所述隧道排水管的流量变化导致的压力变化，然后通过伯努力原理推导流速变化，然后计算沿程损失，最后通过比较正常情况下和实际情况下的沿程损失判断隧道排水系统的堵塞情况。优选的，包括如下步骤：
[0016]S1：将监测系统中的传感器及流速计连接到信号终端，获取流速及各压力值数据；
[0017]S2：计算
[0018]使用伯努利方程，伯努利方程的含义在于对于理想流体作稳定流动，在同一流管中任一处，每单位体积流体的动能、势能和该处压强之和是一个恒量；并且伯努利方程在黏滞性很小的水中具有实际应用意义，具体表达如式4
‑
1，
[0019][0020]式中：
[0021]P为流体压强；
[0022]ρ为流体密度；
[0023]v为流体流速；
[0024]g为重力加速度；
[0025]h为铅锤高度；
[0026]C为常量；
[0027]伯努力方程也可以表达为静压+动压＝常量，其中静压为P1＝P+ρgh，动压为
[0028]根据伯努力方程得到同一管道的4个测点的常量C相等，即C
a
＝C
b
＝C
c
＝C
d
，常量C通过所述第四压力传感器和所述流速计的数据计算得到；通过四个压力传感器测得4个测点的静压P
1a
、P
1b
、P
1c
、P
1d
；计算得到4个测点的动压P
2a
、P
2b
、P
2c
、P
2d
和4个测点的流速V
a
、V
b
、
V
c
、V
d
；因为第一压力传感器和所述第二压力传感器同安装在所述第二预留操作空间内，则认为流速V
a
＝V
b
，则动压P
2a
＝P
2b
；具体计算式4
‑
2～4
‑
6：
[0029]P
1a
+P
2a
＝C
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4
‑
2)
[0030]P
1b
+P
2b
＝C
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4
‑
3)
[0031]P
1c
+P
2c
＝C
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于压力测量的隧道排水管道淤堵监测系统，包括隧道排水管，其特征在于：在所述隧道排水管的监测段入水口处预设有第一预留操作空间，在所述隧道排水管的其它区域还预设有第二预留操作空间和第三预留操作空间；所述第一预留操作空间、所述第二预留操作空间和所述第三预留操作空间各设在所述隧道排水管的正下方；所述第二预留操作空间内设有第一压力传感器和第二压力传感器；所述第三预留操作空间内设有第三压力传感器；所述第一预留操作空间设有第四压力传感器、且正对所述第四压力传感器的上方设有流速计，所述流速计的计量部分布在所述隧道排水管内；所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第三压力传感器、所述第四压力传感器分别设在所述隧道排水管的外壁正下方，通过传感器支撑块分别对各个传感器进行支撑。2.根据权利要求1所述的基于压力测量的隧道排水管道淤堵监测系统，其特征在于：所述第一预留操作空间和所述第三预留操作空间的轴向宽度为6～8cm或8.5～10cm。3.根据权利要求1所述的基于压力测量的隧道排水管道淤堵监测系统，其特征在于：所述第二预留操作空间的轴向宽度为10～15cm或15.5～20cm。4.根据权利要求1所述的基于压力测量的隧道排水管道淤堵监测系统，其特征在于：所述第一压力传感器和所述第二压力传感器分别设在所述第二预留操作空间的上下两侧、且与所述第二预留操作空间的侧壁间距在1cm以上。5.根据权利要求2所述的基于压力测量的隧道排水管道淤堵监测系统，其特征在于：所述第三压力传感器和所述第四压力传感器分别设在所述所述第三预留操作空间和所述第一预留操作空间的轴向居中位置。6.根据权利要求1所述的基于压力测量的隧道排水管道淤堵监测系统，其特征在于：所述第一预留操作空间、所述第二预留操作空间和所述第三预留操作空间的投影面的横向宽度不小于所述隧道排水管的投影径向宽度。7.根据权利要求1所述的基于压力测量的隧道排水管道淤堵监测系统，其特征在于：所述第一预留操作空间、所述第二预留操作空间和所述第三预留操作空间的左侧还各设有弯槽，所述弯槽的左侧呈竖直分布；所述弯槽的左侧顶部高于所述隧道排水管的底部。8.一种隧道排水管道淤堵的监测方法，其特征在于：包括如权利要求1～7任一所述的监测系统。9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于：通过测量所述隧道排水管的流量变化导致的压力变化，然后通过伯努力原理推导流速变化，然后计算沿程损失，最后通过比较正常情况下和实际情况下的沿程损失判断隧道排水系统的堵塞情况。10.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将监测系统中的传感器及流速计连接到信号终端，获取流速及各压力值数据；S2：计算使用伯努利方程，伯努利方程的含义在于对于理想流体作稳定流动，在同一流管中任一处，每单位体积流体的动能、势能和该处压强之和是一个恒量；并且伯努利方程在黏滞性很小的水中具有实际应用意义，具体表达如式4
‑
1，式中：
P为流体压强；ρ为流体密度；v为流体流速；g为重力加速度；h为铅锤高度；C为常量；伯努力方程也可以表达为静压+动压＝常量，其中静压为P1＝P+ρgh，动压为根据伯努力方程得到同一管道的4个测点的常量C相等，即C
a
＝C
b
＝C
c
＝C
d
，常量C通过所述第四压力传感器和所述流速计的数据计算得到；通过四个压力传感器测得4个测点的静压P
1a
、P
1b
、P
1c
、P
1d
；计算得到4个测点的动压P
2a
、P
2b
、P
2c
、P
2d
和4个测点的流速V
a
、V
b
、V
c
、V
d
...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗资清，蒋雅君，吴春伟，骆俊晖，黄海峰，李洋溢，周祥，廖龙祥，廖来兴，杨永华，肖华荣，
申请(专利权)人：西南交通大学成都扬华源动新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：