专利名称：过江过河隧道的埋深定位方法
技术领域：
本发明涉及一种过江过河隧道的埋深定位方法。
背景技术：
为了适应沿江(河)城市的快速发展，缓解日趋严峻的过江交通压力，修建过江隧道成为一种较好的工程措施。在进行过江隧道的规划设计时，隧道的最大埋深是关键之一。 埋深确定过小，尽管可减少投资，一旦河床冲刷较大使得工程上覆盖土层小于设计标准或者使工程出露，则工程运营安全将会受到严重威胁；埋深确定过大，尽管工程安全可得以保障，但会增加工程投资及施工难度。如何能合理确定最大埋深，既能保证工程安全又能尽量减小投资是过江隧道工程规划设计中必须解决的关键问题。最大埋深的确定是基于工程所在位置河床最大冲刷深度。一般来说，河床最大冲深包括工程引起的局部冲刷和河流自然冲刷两种类型。由于隧道埋设于河床下，并没有对河流的水沙运动形成干扰，因此其冲刷问题主要是第二类冲刷。由于河床冲淤调整的复杂性，目前对于这一类型的河床冲刷尚未形成统一的理论计算公式。已有研究多采用物理模型等技术手段，在工程河段演变特点深入认识的基础上，结合工程位置的地质条件，在一定的水沙条件下对河床可能出现的最大冲深进行研究，取得了较为丰富的成果，但还存在以下几方面的问题一是冲刷水沙条件的确定。水沙过程的选择是最大冲深研究的前提条件， 其正确与否直接关系到研究成果的合理性。然而已有研究对于水沙条件的选择没有充分考虑河段水沙输移特性，尤其是对河床冲刷作用影响最大的特大洪水的水沙过程如何确定目前尚缺乏深入研究；二是受测量手段限制，物理模型无法给出工程位置最深点高程随时间的变化过程，因此也难以较为准确给出工程位置的最大冲深。针对以上存在的不足，如何能在深入认识工程河段冲淤特性的基础上，选取较为合理的水沙条件，并采取合适的模拟手段精确高效的确定工程位置的最大冲深是目前亟需解决的问题。
发明内容
本次发明的目的就是针对上述技术现有的状况，提供一种过江过河隧道的埋深定位方法，能够充分考虑工程河段的冲淤特点，从工程安全角度出发，更为方便高效地确定工程位置最大冲深和最深点摆动幅度。本发明的技术方案为过江过河隧道的埋深定位方法，包括以下步骤步骤1，初判最大冲深位置，具体实现包括以下步骤，步骤1. 1，通过套绘历年工程位置断面形态并点绘断面形态下包线图，确定已观测到的断面最深点高程Ht和位置；步骤1. 2，根据工程附近的地质条件，确定可冲层的厚度Ahl，并根据当前工程断面的最深点高程11§和步骤1. 1中给出的断面最深点高程Ht*位置，初步确定工程断面的最大冲深位置和高程变化范围[HT，Hs-Ahl]；步骤2，确定不利水沙条件，具体实现包括以下步骤，流量进行频率分析，按照频率大于75 %的是小水年， 25% 75%的是中水年，小于25%的是大水年的标准确定出包括大、中、小水不同水沙组合的典型水沙系列年；步骤2. 2，采用工程校核洪水作为典型特大洪水，并根据已知河床冲刷作用最大的特大洪水年，通过特大洪水年的水沙过程推求出工程校核洪水对应的水沙过程；步骤2. 3，将步骤2. 1所得典型水沙系列年和步骤2. 2所得典型特大洪水进行组合，形成最影响工程安全的不利水沙条件；步骤3，工程位置最大冲深准确定位，具体实现包括以下步骤，步骤3. 1，根据步骤2确定的不利水沙条件，采用平面二维水沙数学模型计算工程位置最深点高程随时间的变化过程，得到每个时刻工程断面最深点高程值，从中得到最大冲深出现的时间和最深点高程；步骤3. 2，判断步骤3. 1所得最大冲深时的最深点高程是否处于步骤1. 2中初步确定的工程断面的最大冲深高程变化范围[HT，Hs-Ahl]中，如果是则根据步骤3.1最大冲深出现的时间和最深点高程进行埋深定位。而且，步骤2. 2中，工程校核洪水对应的水沙过程包括流量过程和沙量过程，确定工程校核洪水对应的流量过程时，包括取特大洪水年的洪水过程线，用同频率放大的方法推求工程校核洪水对应的流量过程；确定工程校核洪水对应的沙量过程时，采用如下公式进行计算Qs = aQb其中A为输沙率，Q为流量，系数a和b通过建立多年流量和输沙率相关关系的下包线确定；所述输沙率只包含床沙质输沙率。本发明基于河床演变基本原理和水沙输移基本理论，对工程河段演变，尤其是工程附近断面冲淤特性形成深入认识的基础上，提出能反映河段水沙输移特性的水沙条件的推求方法，利用数学模型，实现对工程位置最大冲深位置的准确定位，并能提供工程位置最深点高程随时间变化过程和摆动幅度。本发明既能用于过江隧道，也能用于过河隧道。
图1为本发明实施例的流程图；图2为工程断面形态及下包线图；图3为工程附近典型地质柱状图；图4为校核洪水流量及床沙质含沙量过程线；图5为流量与床沙质输沙率相关关系图；图6为工程断面最深点高程变化过程；图7为最大冲深时工程断面变化图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。参见附图1，本发明实施例是拟建于某河段的过江隧道工程，结合水文资料、地形资料、地质资料，采用以下步骤确定工程位置的最大冲深
步骤1，初判最大冲深位置。具体实现包括以下步骤步骤1. 1，通过套绘历年工程位置断面形态并点绘断面形态下包线图，确定已观测到的断面最深点高程H τ和位置。实施例通过比较分析历年工程位置横断面形态图，并根据断面不同位置的最深点确定工程断面的下包线图，参见附图2，图中横坐标表示离左岸距离，纵坐标是高程。分析结果显示，断面整体呈冲淤交替变化，并随两岸护岸工程的不断加固，断面形态逐渐趋于稳定。从工程断面的下包线可以看出，工程断面的最深点高程曾达到Ht，其发生的时间主要是在两岸实施护岸工程以前，河势稳定性相对较差，遇大水少沙年份，工程断面就会出现较大幅度的冲刷。步骤1. 2，根据工程附近的地质条件，确定可冲层的厚度Ahl，并根据当前工程断面的最深点高程11§和步骤1. 1中给出的断面最深点高程Ht*位置，初步确定工程断面的最大冲深位置和高程变化范围[HT，HS-Ahl]。通过初步确定工程断面的最大冲深位置， 可以预估最大冲深可能会发生在河床那个部位。由附图3可见实施例中工程附近的地质条件，河床组成可分为三层，第1层是粒径较细的粉砂，层厚为Ahl，层底标高为hl(hl<HT)，这个高程以下的第2层(层厚为Ah2， 层底标高为Μ)和第3层(层厚为Δ1ι3，层底标高为Μ)就是由抗冲性非常好的细圆砾土和基岩。图中提供了岩层剖面示意，以供参考。因此，该处的可冲层基本在hi高程以上。以上分析可见，尽管近年来工程河段河势总体稳定，工程断面最深点高程变化幅度也不大，但由于该处河床有约Ahl厚的可冲层，遇大水小沙等不利年份，河床极有可能发生较大幅度冲刷，最深点高程可能会达到Ht以下。步骤2，确定不利水沙条件，具体实现包括以下步骤步骤2. 1，将河段历年径流量进行频率分析，按照频率大于75 %的是小水年， 25 % 75 %的是中水年，小于25 %的是大水年的标准确定出包括大、中、小水不同水沙组合的典型水沙系列年。一般水沙系列是选择一典型系列年加上特大洪水年(如设计洪水、校核洪水)作为计算条件进行模拟。对于典型系列年的选择，从以上分析多年工程断面的冲淤特点可见， 工程断面多年来冲淤交替，没有出现趋势性的冲刷或淤积这种单向变化，因此实施例选取包括大、中、小水等连续水沙年作为典型水沙系列年即可。步骤2. 2，采用工程校核洪水作为典型特大洪水，并根据已知河床冲刷作用最大的特大洪水年，通过特大洪水年的水沙过程推求出工程校核洪水对应的水沙过程；实施例对于特大洪水年的确定，根据隧道的设计标准，从工程安全角度出发，选择工程校核洪水作为典型洪水过程。具体实施时，可以收集整理工程河段多年的日均流量资料，并对其进行频率计算，确定了洪峰流量较大的几个年份，并比较这几个年份洪水期间河床冲刷幅度的大小，确定河床冲刷幅度较大的年份作为特大洪水年。确定工程校核洪水对应的流量过程用目前应用较为广泛的同频率放大的方法将其流量过程放大成校核洪水对应的流量过程，参见附图4。现有的水文观测资料一般较短，至多百年左右，不能满足设计时对洪水频率的要求。因此在确定典型洪水对应的流量过程时必须根据工程河段已发生洪水过程进行放大。同频率放大的方法属于现有技术，可参见叶守泽，詹道江，高等学校教材-工程水文学(第三版)，北京中国水利水电出版社，1987。确定工程校核洪水对应的沙量过程根据实测资料，按照床沙质和冲泻质的划分方法确定分界粒径胃，分别点绘了流量和床沙质输沙率的相关关系，如附图5。考虑到同流量下含沙量越小，河床的冲刷作用越显著，从工程安全角度出发，采用附图5中流量输沙率关系的下包线(乘幂)作为沙量过程确定的依据。在推求沙量过程时，采用如下公式进行计算 = aQb，其中A为输沙率，Q为流量， 系数a和b通过建立多年流量和输沙率相关关系的下包线确定。计算输沙率时，由于参与河床变形的泥沙主要是床沙质，因此只需计算床沙质输沙率。可以首先根据工程河段的水文和河床组成资料，按照河床上泥沙组成小于5% 10%的泥沙粒径作为河段床沙质和冲泻质的分界粒径的方法确定床沙质，再通过建立床沙质输沙率和流量相关关系来推求典型洪水对应的沙量过程。现有技术一般采用小于5% 10%的泥沙粒径作为分界粒径，本发明不予赘述。实施例的流量输沙率关系表达式为A = 7E-14Q2 81。附图4即为按下包线推求的校核洪水对应的床沙质含沙量过程线。步骤2. 3，将步骤2. 1所得典型水沙系列年和步骤2. 2所得典型特大洪水进行组合，形成最影响工程安全的不利水沙条件。即根据以上步骤结果，实施例确定不利水沙条件为包括大、中、小水等连续水沙年+校核洪水。步骤3，工程位置最大冲深准确定位，具体实现包括以下步骤步骤3. 1，根据步骤2确定的不利水沙条件，采用平面二维水沙数学模型计算分析工程位置最深点高程随时间的变化过程，得到每个时刻工程断面最深点高程值，从中得到最大冲深出现的时间和最深点高程。平面二维水沙数学模型为现有技术，具体实施时可参见李义天，赵明登，曹志芳， 河道平面二维水沙数学模型，北京中国水利水电出版社，2001。实施例采用平面二维水沙数学模型和上述水沙条件，计算工程位置的最大冲深时，选取当前时刻地形作为模型计算起始地形。模型计算的断面最深点高程随时间变化见附图6，最大冲深时断面形态和计算起始时刻断面形态见附图7。可见，断面冲深最大值一般出现在洪水期末，汛后退水最深点高程逐渐回淤，而校核洪水对工程断面最大冲深出现在校核洪水条件下，最深点高程为hmax(hmax > Ητ)，相对起始地形冲刷的厚度为Ahmax(Ahmax< Ahl)。步骤3. 2，判断步骤3. 1所得最大冲深时的最深点高程是否处于步骤1. 2中初步确定的工程断面的最大冲深高程变化范围[HT，Hs-Ahl]中，如果是则根据步骤3.1最大冲深出现的时间和最深点高程进行埋深定位。通过将步骤3. 1的计算结果与步骤1. 2中的初步确定结果相互印证，可以检验计算和分析结果的合理性。极少情况下出现不符合，则可以调整平面二维水沙数学模型的参数，返回步骤3. 1重新计算，直到出现符合的结果，模型计算得到的最大冲深时的最深点高程处于预判范围中。具体调整可由本领域技术人员实现， 参考文献有详细说明。该方法采用的各种条件都是从对工程安全最不利的角度出发，模型计算出的结果也与实际发生现象的变化特点较为相符，表明确定的最大冲深是合理的，对工程而言是偏安全的，可为过江隧道的合理埋设提供科学依据。 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
权利要求
1.一种过江过河隧道的埋深定位方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤1，初判最大冲深位置，具体实现包括以下步骤，步骤1. 1，通过套绘历年工程位置断面形态并点绘断面形态下包线图，确定已观测到的断面最深点高程《V和位置；步骤1.2，根据工程附近的地质条件，确定可冲层的厚度AM，并根据当前工程断面的最深点高程I3和步骤1. 1中给出的断面最深点高程If和位置，初步确定工程断面的最大冲深位置和高程变化范围[H飞，^3 Ml ]；步骤2，确定不利水沙条件，具体实现包括以下步骤，步骤2. 1，将河段历年径流量进行频率分析，按照频率大于75%的是小水年，259Γ75%的是中水年，小于25%的是大水年的标准确定出包括大、中、小水不同水沙组合的典型水沙系列年；步骤2. 2，采用工程校核洪水作为典型特大洪水，并根据已知河床冲刷作用最大的特大洪水年，通过特大洪水年的水沙过程推求出工程校核洪水对应的水沙过程；步骤2. 3，将步骤2. 1所得典型水沙系列年和步骤2. 2所得典型特大洪水进行组合，形成最影响工程安全的不利水沙条件；步骤3，工程位置最大冲深准确定位，具体实现包括以下步骤， 步骤3. 1，根据步骤2确定的不利水沙条件，采用平面二维水沙数学模型计算工程位置最深点高程随时间的变化过程，得到每个时刻工程断面最深点高程值，从中得到最大冲深出现的时间和最深点高程；步骤3. 2，判断步骤3. 1所得最大冲深时的最深点高程是否处于步骤1.2中初步确定的工程断面的最大冲深高程变化范围[，H5 _______Ml ]中，如果是则根据步骤3. 1最大冲深出现的时间和最深点高程进行埋深定位。
2.如权利要求1所述过江过河隧道的埋深定位方法，其特征在于步骤2.2中，工程校核洪水对应的水沙过程包括流量过程和沙量过程，确定工程校核洪水对应的流量过程时，包括取特大洪水年的洪水过程线，用同频率放大的方法推求工程校核洪水对应的流量过程；确定工程校核洪水对应的沙量过程时，采用如下公式进行计算其中&为输沙率，Q为流量，系数a和b通过建立多年流量和输沙率相关关系的下包线确定；所述输沙率只包含床沙质输沙率。
全文摘要
本发明提出一种过江过河隧道的埋深定位方法，首先初步确定工程断面最大冲深可能出现的部位，然后根据工程河段冲淤特点及与水文年的对应关系以及工程的设计标准，从工程安全角度出发，确定对工程安全最不利的水沙条件。最后采用平面二维水沙数学模型和不利水沙条件，实现对工程位置最大冲深部位的准确定位，并能提供最大冲深出现的时间、最深点高程。
文档编号E02D29/063GK102418349SQ201110302180
公开日2012年4月18日 申请日期2011年9月28日 优先权日2011年9月28日
发明者孙昭华, 张为, 李义天, 赵明登, 邓金运 申请人:武汉大学