CN111551381A - 一种用于隧道的渗漏水的分析方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种用于隧道的渗漏水的分析方法和***，包括在隧道内发生渗漏水的区域架设渗漏水收集装置，其中渗漏水收集装置包括拱顶固定板、侧壁固定板和引导膜，引导膜连接拱顶固定板和侧壁固定板用于将渗漏水引导至两侧壁处；利用设置于侧壁固定板上的导流管获取单位时间的渗水量，并分析渗漏水的成分；基于达西定律获取区域的渗透系数Kf；获取水压与单位时间的渗水量的变化关系；基于单位时间的渗水量、渗透系数、水压的变化情况获取隧道发生渗漏水的区域中平行于裂隙方向的应力的变化情况，响应于平行于裂隙方向的应力的变化大于预设阈值，发出安全预警。通过渗漏水的分析可以推测隧道围岩特性及岩体安全等级。

Description

一种用于隧道的渗漏水的分析方法和***

技术领域

本发明涉及隧道的技术领域，尤其是一种用于隧道的渗漏水的分析方法和***。

背景技术

渗漏水是公路、跨海隧道工程常见病害，隧道渗漏水可能导致混凝土衬砌出现风化、剥蚀情况，且如果渗漏水中含有酸性物质，还可腐蚀衬砌，会降低衬砌结构的承载力；海底隧道(跨海段)的渗漏水中可能含有较高浓度氯离子。在氯离子含量较高的环境中，就会引起钢筋腐蚀，造成混凝土结构破坏，致使混凝土的荷载不满足标准要求，也不能在规定的年限中保持着安全稳定性，增加隧道的风险系数。隧道渗漏水的原因是隧道在修建中破坏了原来地下水***的平衡，比如破坏地下水的储存点和转移通道，随着隧道开挖和临空面的形成地下水向隧道区域汇集、渗出，造成地下水的重新分配，从而形成新的含水层和地下水转移通道，在隧道修建完成后，积聚的地下水将需要新的通道，水从结构薄弱的地方比如施工缝、变形缝、衬砌裂缝等发生渗漏，形成隧道渗漏水。其原因按形成的因素可分为自然因素导致的渗漏水和人为原因导致的渗漏水。

(一)自然因素导致的渗漏水

开挖隧道对地下水的影响，是隧道发生渗漏水的客观因素。根据水力学和水文地质学原理，地下水从高压水位向低压水位流动，有其固定的流线，由于隧道的开挖，形成临空面的低水压区，改变了围岩的力学特性和地下水泾流路线，使周围地下水向隧道内汇集和积聚，给衬砌及底部渗漏水留下隐患。隧道开挖影响范围的大小与地层的渗透系数、水位高低、过水断面大小有关，此外还受大气降水、隧道进深及隧道周围溶洞、泉眼、水库或江、河、湖泊的影响。

(二)人为因素导致的渗漏水、

设计方面的因素：衬砌的横截面厚度是抗渗防漏的决定性因素，在设计过程中，衬砌的横截面必须拥有足够的厚度，保证其具有较大的荷载。混凝土强度不够，混凝土是衬砌组成的主要材料，除了形变之外，混凝土有可能出现收缩、徐变、开裂等情况，设计中必须考虑混凝土的强度，保证其衬砌体密实、高强度、受力合理，拥有足够的抗形变能力。防排水结构设计不足，某些高速公路隧道项目会忽视防排水结构的设计，是否拥有防排水设置比衬砌渗漏水的后果更严重，设计中要考虑完善防排水设施。

施工方面的因素：隧道开挖使地下水发生了流向及压力改变，隧道周边的地下水集中向隧道方向***。施工单位对于开挖时出现的漏点处理不及时、不彻底。不按设计配合比配制防水混凝土，特别是随意加水的现象并不罕见；不按规定浇筑混凝土；未按规定进行混凝土振捣，致使混凝土不密实；拆模时间过早。未按规定的时间养护，造成混凝土裂缝；超挖回填或未回填，坍方过大造成空洞积水；施工缝、变形缝处理时，操作不细；隧道底板是防水最薄弱的部位，施工中经常出现漏洞，主要是基底处理不干净，有残留的泥水，在浇筑时，混凝土不能和地层紧密结合，中间存在泥沙夹层，影响了混凝土的质量，给防水造成了很大的隐患。

在地下工程开挖形成一系列巷道、硐室、隧道的过程中，岩体的破坏和稳定性的下降其实就是岩体内部微裂纹、微缺陷不断发展、贯通并产生新的裂隙，进而最终导致岩体破坏的过程。而岩体作为一类复杂的天然地质体，在对其开挖建设过程中水对岩体力学响应特性及其稳定性影响不容忽视。据统计，90％的岩质边坡的破坏是由于地下水在裂隙中渗流而引起，30％～40％的水电工程大坝失事是由于水的渗流作用所引起。因此，水对工程岩体稳定性影响研究长期以来一直是众多学者关注的重点与热点课题。

发明内容

为了解决现有技术中隧道渗漏水影响隧道岩体的稳定性，难以分析的技术问题，本发明提出了一种用于隧道的渗漏水的分析方法和***，用以解决隧道渗漏水分析岩性和安全性困难等问题。

在一个方面，本发明提出了一种用于隧道的渗漏水的分析方法，包括以下步骤：

S1：在隧道内发生渗漏水的区域架设渗漏水收集装置，其中渗漏水收集装置包括拱顶固定板、侧壁固定板和引导膜，引导膜连接拱顶固定板和侧壁固定板用于将渗漏水引导至两侧壁处；

S2：利用设置于侧壁固定板上的导流管获取单位时间的渗水量，并分析渗漏水的成分；

S3：基于达西定律获取区域的渗透系数Kf，渗透系数Kf的计算公式为：

其中Q为单位时间的渗水量，μ为水的动力粘度，ΔL为裂隙长度，A为渗透截面积，ΔP为水头差；

S4：获取水压与单位时间的渗水量的变化关系，其中，渗透系数Kf、单位时间的渗水量和水压依次呈正比关系；

S5：基于单位时间的渗水量、渗透系数、水压的变化情况获取隧道发生渗漏水的区域中平行于裂隙方向的应力的变化情况，响应于平行于裂隙方向的应力(下文会建立应力与渗水量的关系，应力阈值通过渗水量反映)的变化大于预设阈值，发出安全预警，其中，平行于裂隙方向的应力与单位时间的渗水量呈正比关系。

优选的，拱顶固定板和侧壁固定板为玻璃钢或硬塑料。采用玻璃钢或硬塑料的材质可以便于加工且质量较轻。

优选的，拱顶固定板和隧道拱顶壁之间设置有海绵防水层。凭借海绵防水层的设置可以使得固定板与拱顶壁之间更好的贴合。

优选的，侧壁固定板上端面设置有导流锥面，导流管设置于导流锥面的底部。凭借该设置可以便于导流管更彻底地收集渗漏水。

优选的，引导膜为聚氯乙烯塑料膜。聚氯乙烯塑料膜具有材料轻便成本低廉，且无需事先预制。

优选的，利用钉枪将拱顶固定板、侧壁固定板与引导膜固定连接。利用钉枪可以方便地将拱顶固定板、侧壁固定板与引导膜连接。

优选的，步骤S5中还包括对垂直于裂隙方向应力的分析，其中，垂直于裂隙方向的应力与单位时间的渗水量呈反比关系。通过该关系可以推断出渗漏水与垂直于裂隙方向应力的关系。

进一步优选的，步骤S5具体包括：使作用于裂隙上的垂直于裂隙方向的应力与平行于裂隙方向的应力满足σ_x＝2σ_y，获取单位时间的渗水量与垂直于裂隙方向的应力与平行于裂隙方向的应力的关系如下：Q＝8.61-1.54(2.3σ_x-σ_y)+0.3(1.41σ_xx-σ_y)²-0.02(1.3σ_x-σ_y)³。

根据本发明的第二方面，提出了一种用于隧道的渗漏水的分析***，该***包括：

渗漏水收集单元：包括拱顶固定板、侧壁固定板和引导膜，引导膜连接拱顶固定板和侧壁固定板用于将渗漏水引导至两侧壁处；

渗漏水分析单元：配置用于利用设置于侧壁固定板上的导流管获取单位时间的渗水量，并分析渗漏水的成分；

渗透系数计算单元：配置用于基于达西定律(将岩体裂隙统一看作单一裂隙的水力学问题，将裂隙描述成平行光滑板模型的立方定律q＝c b^3式中:q为裂隙渗流速度,b为裂隙宽度,c为系数。)获取隧道内发生渗漏水的区域的渗透系数Kf，渗透系数Kf的计算公式为：

其中Q为单位时间的渗水量，μ为水的动力粘度，ΔL为裂隙长度，A为渗透截面积，ΔP为水头差；

水压分析单元：配置用于获取水压与单位时间的渗水量的变化关系，其中，渗透系数Kf、单位时间的渗水量和水压依次呈正比关系；以及；

应力分析单元：配置用于基于单位时间的渗水量、渗透系数、水压的变化情况获取隧道发生渗漏水的区域中平行于裂隙方向的应力的变化情况，响应于平行于裂隙方向的应力的变化大于预设阈值，发出安全预警，其中，平行于裂隙方向的应力与单位时间的渗水量呈正比关系。

优选的，应力分析单元还配置用于对垂直于裂隙方向应力的分析，其中，垂直于裂隙方向的应力与单位时间的渗水量呈反比关系。

本发明提出了一种用于隧道的渗漏水的分析方法和***，该方法利用可分离式的采集装置对正在施工中的隧道进行渗漏水量的分析，使用时可根据隧道渗漏水位置进行安装，避免材料浪费，提高使用效率，通过单位时间渗水量、水压、垂直、平行于裂隙方向应力的关系可以预估出隧道所处岩体的安全性。在某一渗漏位置安装渗漏水收集装置进行周期渗漏水量的测量，根据规定的周期内渗漏水量是否有突增来判断岩体裂缝的发育趋势，从而对隧道安全性做出判断，对可能来到的安全隐患进行预报。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本申请的一个实施例的一种用于隧道的渗漏水的分析方法的流程图；

图2是本申请的一个具体的实施例的一种渗漏水收集装置的结构示意图；

图3是本申请的一个具体的实施例的拱顶固定部位的结构示意图；

图4是本申请的一个具体的实施例的侧壁固定部位的结构示意图；

图5是本申请的一个具体的实施例的渗透系数与水压的关系图；

图6是本申请的一个具体的实施例的双向等压时的应力—渗流量的关系图；

图7是本申请的一个具体的实施例的双向不等压时的应力—渗流量的关系图；

图8是本申请的一个实施例的一种用于隧道渗漏水的分析***的框架图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

根据本申请的一个实施例的基于大数据的数据采集方法，图1示出了根据本申请的实施例的用于隧道的渗漏水的分析方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1：在隧道内发生渗漏水的区域架设渗漏水收集装置，其中渗漏水收集装置包括拱顶固定板、侧壁固定板和引导膜，引导膜连接拱顶固定板和侧壁固定板用于将渗漏水引导至两侧壁处。

在具体的实施例中，图2示出了根据本申请的一个具体的实施例的一种渗漏水收集装置的结构示意图，如图2所示，渗漏水收集装置采用整体式安装结构，包括拱顶固定板1，利用螺丝将拱顶固定板1固定于拱顶，固定板等间隔使用螺丝固定在拱顶上。拱顶固定板1的材料可采用玻璃钢或硬塑料此类质量轻且便于加工的材料；侧壁固定板3，固定方式与前者相同；采用聚氯乙烯塑料制成的引导膜2连接于拱顶固定板1、侧壁固定板3之间用于承接、导流渗漏水。整体安装式收集装置优点在于，省去制作时间，因为整个装置运用“轻材料”，重量不大，方便安装。但是在运输工程中，动辄5米以上的整体装置就显得笨重，在一些工况较复杂的隧道就无法发挥其作用；且由于形式确定，无法在隧道内视具体情况而使用，导致整体式装置使用率低，无法重复利用。

在优选的实施例中，图3示出了根据本申请的一个具体的实施例的拱顶固定部位的结构示意图，如图3所示，渗漏水收集装置采用可分离式安装结构，将拱顶固定板1、侧壁固定板3和引导膜2分开安装，利用螺丝4将拱顶固定板1固定于拱顶，固定板等间隔使用螺丝4固定在拱顶上，其中引导膜2包括左侧引导膜21和右侧引导膜22，左侧引导膜21与左侧的侧壁固定板3、右侧引导膜22与右侧的侧壁固定板3连接。在拱顶固定板1和拱顶壁之间设置海绵防水层5使得拱顶固定板1与拱顶壁更加贴合。引导膜2与拱顶固定板1、侧壁固定板3的连接方式改进为钉枪打钉固定，引导膜2采用塑料薄膜即可，材料轻便且可按需取用无需事先预制。采用可分离式装置，使用时可根据隧道渗漏水位置进行安装，避免材料浪费，提高使用效率。由于固定装置与引导膜2是分开的所以可分离式装置可以重复利用。

S2：利用设置于侧壁固定板上的导流管获取单位时间的渗水量，并分析渗漏水的成分。通过获取单位时间的渗水量和渗漏水的成分分析，可以为后续的分析提供数据基础，便于进行岩性分析。

在具体的实施例中，图4示出了根据本申请的一个具体的实施例的侧壁固定部位的结构示意图，如图4所示，利用螺丝4将侧壁固定板3固定于侧壁上，在两侧的侧壁固定板3内设置有导流管6，用于将引导膜2收集到的渗漏水集中采集，进行统一称量与成分分析，其中两侧的侧壁固定板3的上端面设置有导流锥面，导流管6设置于导流锥面的底部，便于彻底地将引导膜2收集到的渗漏水集中采集。

S3：基于达西定律获取区域的渗透系数Kf，渗透系数Kf的计算公式为：

其中Q为单位时间的渗水量，μ为水的动力粘度，ΔL为裂隙长度，A为渗透截面积，ΔP为水头差。

在具体的实施例中，在施工开始阶段可以利用仪器测量隧道测点处的地下水估算此处围岩渗透压力、孔隙水压、裂缝开度等初始参考数据。将岩体裂隙统一看作单一裂隙的水力学问题，将裂隙描述成平行光滑板模型的立方定律：q＝cb³，式中：q为裂隙渗流速度，b为裂隙宽度，c为系数。参考三轴渗透实验结果，依据达西定律进行裂隙渗透系数Kf的计算：

式中Q为单位时间的渗水量，μ为水的动力粘度，ΔL为裂隙长度，A为渗透截面积，ΔP为水头差。

S4：获取水压与单位时间的渗水量的变化关系，其中，渗透系数Kf、单位时间的渗水量和水压依次呈正比关系。

在具体的实施例中，在隧道工作时，理想的将隧道壁渗透截面看作不变量，所以可根据上公式得出：渗透系数Kf∝Q单位时间渗水量∝水压，渗透系数作为中间量，可得出水压∝单位时间渗水量，只需测量单位时间渗水量(ml/mins)即可得到水压变化情况。图5示出了渗透系数与水压的关系。

S5：基于单位时间的渗水量、渗透系数、水压的变化情况获取隧道发生渗漏水的区域中平行于裂隙方向的应力的变化情况，响应于平行于裂隙方向的应力的变化大于预设阈值，发出安全预警，其中，平行于裂隙方向的应力与单位时间的渗水量呈正比关系。

在具体的实施例中，令垂直于裂隙方向与平行裂隙方向加载应力相等,即σ_x＝σ_y的试验，如表1将此情况下得到的应力值与渗流量绘成曲线，获得如图6示出了双向等压时的应力—渗流量的关系图，从图6中可以看出,裂隙岩体的渗流量随着垂直裂隙方向应力的增加而减小。

表1

另作用于裂隙上两个方向的力成一定的比率关系σ_x＝2σ_y，其试验结果如表2所示。并将其拟合成曲线，获得如图7示出了双向不等压时的应力—渗流量的关系图。

表2

进一步分析探索研究,可得出统一的关系式:

Q＝8.61-1.54(2.3σ_x-σ_y)+0.3(1.41σ_xx-σ_y)²-0.02(1.3σ_x-σ_y)³

综上所得，裂隙的渗流量随着平行于裂隙面方向的单向压应力的增加而增加,随着双向压应力的增加而减少。单位时间渗水量Q增大，平行于裂隙面方向的单向压应力随之增大，渗透系数Kf也随之增大，P(渗透水压)也增大。

根据以上公式可以得出，垂直裂隙方向应力与单位时间渗水量呈正比关系。利用渗水量可以推断出裂隙垂直或水平方向的应力变化情况，进而根据预设的阈值来判断隧道的岩性是否发生变化，作为安全预警。该阈值可以根据实际需求设置为10％或者其他数据，例如当应力变化幅度大于10％时，发出安全预警，通知相应人员进行排查，避免安全事故的发生。

继续参考图8，图8示出了根据本发明的实施例的用于隧道的渗漏水的分析***。该***具体包括依次连接的渗漏水收集单元801、渗漏水分析单元802、渗透系数计算单元803、水压分析单元804和应力分析单元805。

在具体的实施例中，渗漏水收集单元801：包括拱顶固定板、侧壁固定板和引导膜，引导膜连接拱顶固定板和侧壁固定板用于将渗漏水引导至两侧壁处；渗漏水分析单元802：配置用于利用设置于侧壁固定板上的导流管获取单位时间的渗水量，并分析渗漏水的成分；渗透系数计算单元803：配置用于基于达西定律获取隧道内发生渗漏水的区域的渗透系数Kf，渗透系数Kf的计算公式为：

其中Q为单位时间的渗水量，μ为水的动力粘度，ΔL为裂隙长度，A为渗透截面积，ΔP为水头差；水压分析单元804：配置用于获取水压与单位时间的渗水量的变化关系，其中，渗透系数Kf、单位时间的渗水量和水压依次呈正比关系；应力分析单元805：配置用于基于单位时间的渗水量、渗透系数、水压的变化情况获取隧道发生渗漏水的区域中平行于裂隙方向的应力的变化情况，响应于平行于裂隙方向的应力的变化大于预设阈值，发出安全预警，其中，平行于裂隙方向的应力与单位时间的渗水量呈正比关系。应力分析单元805还配置用于对垂直于裂隙方向应力的分析，其中，所述垂直于裂隙方向的应力与单位时间的渗水量呈反比关系。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种用于隧道的渗漏水的分析方法，其特征在于，包括：

S1：在所述隧道内发生渗漏水的区域架设渗漏水收集装置，其中所述渗漏水收集装置包括拱顶固定板、侧壁固定板和引导膜，所述引导膜连接所述拱顶固定板和所述侧壁固定板用于将所述渗漏水引导至两侧壁处；

S2：利用设置于所述侧壁固定板上的导流管获取单位时间的渗水量，并分析所述渗漏水的成分；

S3：基于达西定律获取所述区域的渗透系数Kf，所述渗透系数Kf的计算公式为：

其中Q为单位时间的渗水量，μ为水的动力粘度，ΔL为裂隙长度，A为渗透截面积，ΔP为水头差；

S4：获取水压与所述单位时间的渗水量的变化关系，其中，所述渗透系数Kf、所述单位时间的渗水量和所述水压依次呈正比关系；

S5：基于所述单位时间的渗水量、所述渗透系数、水压的变化情况获取所述隧道发生渗漏水的区域中平行于裂隙方向的应力的变化情况，响应于所述平行于裂隙方向的应力的变化大于预设阈值，发出安全预警，其中，所述平行于裂隙方向的应力与单位时间的渗水量呈正比关系。

2.根据权利要求1所述的用于隧道的渗漏水的分析方法，其特征在于，所述拱顶固定板和所述侧壁固定板为玻璃钢或硬塑料。

3.根据权利要求1或2所述的用于隧道的渗漏水的分析方法，其特征在于，所述拱顶固定板和隧道拱顶壁之间设置有海绵防水层。

4.根据权利要求1所述的用于隧道的渗漏水的分析方法，其特征在于，所述侧壁固定板上端面设置有导流锥面，所述导流管设置于所述导流锥面的底部。

5.根据权利要求1所述的用于隧道的渗漏水的分析方法，其特征在于，所述引导膜为聚氯乙烯塑料膜。

6.根据权利要求1所述的用于隧道的渗漏水的分析方法，其特征在于，利用钉枪将所述拱顶固定板、所述侧壁固定板与所述引导膜固定连接。

7.根据权利要求1所述的用于隧道的渗漏水的分析方法，其特征在于，所述步骤S5中还包括对垂直于裂隙方向应力的分析，其中，所述垂直于裂隙方向的应力与单位时间的渗水量呈反比关系。

8.根据权利要求7所述的用于隧道的渗漏水的分析方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：使作用于裂隙上的所述垂直于裂隙方向的应力与所述平行于裂隙方向的应力满足σ_x＝2σ_y，获取所述单位时间的渗水量与所述垂直于裂隙方向的应力与所述平行于裂隙方向的应力的关系如下：Q＝8.61-1.54(2.3σ_x-σ_y)+0.3(1.41σ_xx-σ_y)²-0.02(1.3σ_x-σ_y)³。

9.一种用于隧道的渗漏水的分析***，其特征在于，所述***包括：

渗漏水收集单元：包括拱顶固定板、侧壁固定板和引导膜，所述引导膜连接所述拱顶固定板和所述侧壁固定板用于将所述渗漏水引导至两侧壁处；

渗漏水分析单元：配置用于利用设置于所述侧壁固定板上的导流管获取单位时间的渗水量，并分析所述渗漏水的成分；

渗透系数计算单元：配置用于基于达西定律获取所述隧道内发生渗漏水的区域的渗透系数Kf，所述渗透系数Kf的计算公式为：

其中Q为单位时间的渗水量，μ为水的动力粘度，ΔL为裂隙长度，A为渗透截面积，ΔP为水头差；

水压分析单元：配置用于获取水压与所述单位时间的渗水量的变化关系，其中，所述渗透系数Kf、所述单位时间的渗水量和所述水压依次呈正比关系；以及；

应力分析单元：配置用于基于所述单位时间的渗水量、所述渗透系数、水压的变化情况获取所述隧道发生渗漏水的区域中平行于裂隙方向的应力的变化情况，响应于所述平行于裂隙方向的应力的变化大于预设阈值，发出安全预警，其中，所述平行于裂隙方向的应力与单位时间的渗水量呈正比关系。

10.根据权利要求9所述的一种用于隧道的渗漏水的分析***，其特征在于，所述应力分析单元还配置用于对垂直于裂隙方向应力的分析，其中，所述垂直于裂隙方向的应力与单位时间的渗水量呈反比关系。

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