寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统及其使用方法技术方案

本发明专利技术涉及一种寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，该系统包括环境试验箱及置于环境试验箱内的顶端水箱、底端水箱、制冷机和数据采集仪。顶端水箱架设在升降支架上，顶端水箱连有软管；软管的出口端Ⅰ连有排水管，排水管的出口端Ⅱ伸入底端水箱中；底端水箱内设有抽水泵，抽水泵与顶端水箱相连；排水管的外表面敷设冷媒输送管，冷媒输送管的外表面包裹有一层保温棉；冷媒输送管的两端与制冷机的冷媒出口和进口相连；排水管内分别设有温度传感器、水流流速传感器和高清摄像头；数据采集仪分别与温度传感器、水流流速传感器和高清摄像头通过数据采集线电联。同时，本发明专利技术还公开了该系统的使用方法。本发明专利技术制作简单、实用性强、试验费用较低。试验费用较低。试验费用较低。

【技术实现步骤摘要】
寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统及其使用方法


[0001]本专利技术涉及隧道工程
，尤其涉及寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统及其使用方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着路网日益完善，铁路和公路基础建设正向高纬度、高海拔等气候条件恶劣的寒区延伸。由于设计或施工的原因，许多高海拔、高纬度寒区隧道出现了不同程度的冻害，如七道梁隧道因衬砌结构背后发生积水冻胀而引起排水沟冻结；梯子岭隧道部分衬砌和排水沟因积水冻胀出现了明显的开裂现象；奎先隧道因排水管保温不当，导致隧道冻结长度达2870 m。分析以上寒区隧道冻害现象发现，排水系统冻结是寒区隧道发生冻结的根本原因之一，解决好隧道排水防冻问题对保证寒区隧道安全运营意义重大，而防治排水系统冻结的基础是要理清寒区隧道排水管水流冻结规律。
[0003]目前，关于寒区隧道排水管水流冻结规律的研究理论支撑较少，大多从试验角度进行研究，例如在单一环境温度条件下开展排水管内静置水的冻结试验，测量静置水的温度变化，以此分析排水管冻结规律。但当前的研究存在以下问题：（1）单一环境温度条件下的排水管冻结试验不能反映寒区隧道实际的排水管水流冻结规律。因为实际寒区隧道中，排水管内的水是流动而非静止的，并且排水管内水流速度因隧址水压力的不同而不同，排水管内水流量也因隧址地下水充裕程度的不同而不同，排水管内温度因排水所处隧道的位置不同而不同。（2）单一环境温度条件下的排水管冻结试验只监测排水管内水流的温度，不能准确获得寒区隧道排水管水流冻结规律。水分发生冻结的宏观表现是温度低于0℃。但是，排水管内水流冻结是一个动态的过程，包括排水管在冻结过程中各位置的温度和水流速度变化，排水管内冰层萌生位置及其扩展。
[0004]因此，有必要提出一种寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，在综合考虑排水管内水流速度、排水管温度、排水管内水流量的情况下，准确得到排水系统内各位置的温度、水流速度、结冰位置和冰层扩展过程，为防治排水系统冻结提供指导。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种制作简单、实用性强、试验费用较低的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统。
[0006]本专利技术所要解决的另一个技术问题是提供寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统的使用方法。
[0007]为解决上述问题，本专利技术所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：该系统包括环境试验箱及置于所述环境试验箱内的顶端水箱、底端水箱、制冷机和数据采集仪；所述顶端水箱架设在升降支架上，该顶端水箱的一侧连有软管；所述软管的出口端Ⅰ连有排水管，该排水管的出口端Ⅱ伸入所述底端水箱中；所述底端水箱内设有抽水泵，该抽水泵通过回流管与所述顶端水箱相连；所述排水管的外表面呈螺旋状敷设有冷媒
输送管，该冷媒输送管外表面的包裹有一层保温棉；所述冷媒输送管的两端分别与所述制冷机的冷媒出口和冷媒进口相连；所述排水管内分别设有温度传感器、水流流速传感器和高清摄像头；所述数据采集仪分别与所述温度传感器、所述水流流速传感器和所述高清摄像头通过数据采集线电联。
[0008]所述升降支架包括底面钢板、顶面钢板和千斤顶；所述千斤顶的底部通过底面螺栓与所述底面钢板相连，顶部通过顶面螺栓与所述顶面钢板相连；所述顶面钢板上架设有所述顶端水箱。
[0009]所述顶端水箱的形状为长方体、立方体或圆柱体，其底面不大于所述顶面钢板，容积不小于1 m3。
[0010]所述顶端水箱的一侧边缘处设有出水口Ⅰ，该出水口Ⅰ通过止水阀与所述软管相连；所述止水阀与所述软管通过卡箍Ⅰ连接。
[0011]所述软管与所述排水管通过卡箍Ⅱ连接。
[0012]所述回流管的出水口Ⅱ伸入所述顶端水箱内，进水口通过卡箍Ⅲ与所述抽水泵的出水口Ⅲ相连；所述抽水泵的吸水口低于所述底端水箱的液面。
[0013]所述环境试验箱的温度环境为
‑
30~40℃。
[0014]所述保温棉的长度与所述排水管的长度相同。
[0015]所述底端水箱的形状为长方体、立方体或圆柱体，容积不小于1 m3。
[0016]所述制冷机的温度调节范围为
‑
20~0℃。
[0017]在所述排水管内每隔20 cm布设多个温度监测断面，在每个温度监测断面呈网状布设37个所述温度传感器；在每个温度监测断面的顶端设有所述高清摄像头。
[0018]在所述排水管内每隔20 cm布设多个水流速度监测断面，在每个水流速度监测断面呈网状布设37个所述水流流速传感器，且温度监测断面与水流速度监测断面相隔10 cm。
[0019]如上所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统的使用方法，包括以下步骤：
⑴
组装模型试验系统：
①
在环境试验箱内，铺设尺寸为2 m
×
2 m的底面钢板；在所述底面钢板上通过底面螺栓将千斤顶的底面固定在所述底面钢板上；在所述千斤顶的顶面，通过顶面螺栓将顶面钢板固定在所述千斤顶的顶面；最终，组成升降支架；
②
在排水管内每隔20 cm呈网状布设37个温度传感器；与所述温度传感器间隔10 cm再呈网状布设37个水流流速传感器；在所述温度传感器安设的顶点位置安设高清摄像头；将全部所述温度传感器、所述水流流速传感器和所述高清摄像头通过数据采集线与数据采集仪电联；最终，组成监控监测系统；将冷媒输送管敷设在所述排水管外表面，再用保温棉包裹敷设有冷媒输送管的所述排水管；
③
将顶端水箱放置并固定于所述顶面钢板上，在所述顶端水箱的出水口Ⅰ处安装止水阀，并在所述止水阀的出口套入软管，且用卡箍Ⅰ进行固定；在所述软管的另一端套入安装有所述温度传感器、所述水流流速传感器和所述高清摄像头的所述排水管，并用卡箍Ⅱ固定；在所述排水管的出水口Ⅳ接入底端水箱；在所述底端水箱内放入抽水泵；在所述抽水泵的出水口Ⅲ处通过卡箍Ⅲ连接回流管，并将所述回流管的出水口Ⅱ放置于所述顶端水箱内；最终，组成水流循环系统；
⑵
排水管冻结试验：
ⅰ
调设所述环境试验箱内的环境温度；调整所述千斤顶的顶起高度，使所述升降支架达到预定高度；开启所述止水阀，控制所述止水阀的开合度，使所述排水管内水流按照预设的流速和流量流动至所述底端水箱内；开启所述抽水泵，将所述底端水箱内的水输送到所述顶端水箱内；
ⅱ
待所述环境试验箱内的环境温度达到均匀后，开启制冷机；设定所述制冷机输出冷媒的温度，使冷媒在所述冷媒输送管流动并形成回路，给所述排水管降温；
ⅲ
开启所述监控监测系统，采用所述数据采集线实时采集所述排水管内各位置的温度、水流速度、结冰位置和冰层发育情况数据；
ⅳ
待监测到所有数据随时间无明显变化时，关闭所述止水阀和所述抽水泵，使所述水流循环系统停止工作；同时关闭所述环境试验箱的控温系统和所述制冷机，使温度控制系统停止工作；最后，关闭所述数据采集仪，使所述监控监测系统停止工作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：该系统包括环境试验箱（1）及置于所述环境试验箱（1）内的顶端水箱（2）、底端水箱（3）、制冷机（15）和数据采集仪（19）；所述顶端水箱（2）架设在升降支架（4）上，该顶端水箱（2）的一侧连有软管（7）；所述软管（7）的出口端Ⅰ连有排水管（8），该排水管（8）的出口端Ⅱ伸入所述底端水箱（3）中；所述底端水箱（3）内设有抽水泵（10），该抽水泵（10）通过回流管（11）与所述顶端水箱（2）相连；所述排水管（8）的外表面呈螺旋状敷设有冷媒输送管（13），该冷媒输送管（13）的外表面包裹有一层保温棉（14）；所述冷媒输送管（13）的两端分别与所述制冷机（15）的冷媒出口和冷媒进口相连；所述排水管（8）内分别设有温度传感器（16）、水流流速传感器（17）和高清摄像头（18）；所述数据采集仪（19）分别与所述温度传感器（16）、所述水流流速传感器（17）和所述高清摄像头（18）通过数据采集线（25）电联。2.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：所述升降支架（4）包括底面钢板（20）、顶面钢板（21）和千斤顶（22）；所述千斤顶（22）的底部通过底面螺栓（23）与所述底面钢板（20）相连，顶部通过顶面螺栓（24）与所述顶面钢板（21）相连；所述顶面钢板（21）上架设有所述顶端水箱（2）。3.如权利要求2所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：所述顶端水箱（2）的形状为长方体、立方体或圆柱体，其底面不大于所述顶面钢板（21），容积不小于1 m3。4.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：所述顶端水箱（2）的一侧边缘处设有出水口Ⅰ，该出水口Ⅰ通过止水阀（6）与所述软管（7）相连；所述止水阀（6）与所述软管（7）通过卡箍Ⅰ（5）连接。5.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：所述软管（7）与所述排水管（8）通过卡箍Ⅱ（9）连接。6.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：所述回流管（11）的出水口Ⅱ伸入所述顶端水箱（2）内，进水口通过卡箍Ⅲ（12）与所述抽水泵（10）的出水口Ⅲ相连；所述抽水泵（10）的吸水口低于所述底端水箱（3）的液面。7.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：所述环境试验箱（1）的温度环境为
‑
30~40℃。8.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：所述保温棉（14）的长度与所述排水管（8）的长度相同。9.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：所述底端水箱（3）的形状为长方体、立方体或圆柱体，容积不小于1 m3。10.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：所述制冷机（15）的温度调节范围为
‑
20~0℃。11.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：在所述排水管（8）内每隔20 cm布设多个温度监测断面，在每个温度监测断面呈网状布设37个所述温度传感器（16）；在每个温度监测断面的顶端设有所述高清摄像头（18）。12.如权利要求1所述的寒区隧道排水管水流冻结模型综合试验系统，其特征在于：在所述排水管（8）内每隔20 cm布设多个水流速度监测断面，在每个水流速度监测断面呈网状布设37个所述水流流速传感器（17），且温度监测断面与水流速度监测断面相...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴元金，王栋，赵希望，马勤国，马国栋，周川川，彭桂彬，罗占夫，赵军喜，杨效广，曹贵才，高华勇，蔡征宇，史文哲，
申请(专利权)人：中铁隧道勘察设计研究院有限公司华南理工大学，
类型：发明
国别省市：