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与流程

本发明涉及隧道工程，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。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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

1、本发明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。

2、本发明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。

3、为解决上述问题，本发明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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、所述软管与所述排水管通过卡箍ⅱ连接。

8、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。

9、所述环境试验箱的温度环境为-30~40℃。

10、所述保温棉的长度与所述排水管的长度相同。

11、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。

12、所述制冷机的温度调节范围为-20~0℃。

13、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。

14、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。

15、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：

16、⑴组装模型试验系统：

17、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；

18、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10cm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；

19、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；

20、⑵排水管冻结试验：

21、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；

22、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；

23、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；

24、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；

25、⑶按照其他设定继续排水管冻结试验：

26、重新设定所述环境试验箱内的环境温度、所述升降支架的高度、所述止水阀的开合度，以及所述制冷机输出冷媒的温度，以满足不同环境温度、不同排水管内水流速度和水流量以及不同负温情况下的排水管内水流冻结试验；然后按照所述步骤⑵重新开始试验。

27、本发明与现有技术相比具有以下优点：

28、1、与传统在单一环境温度条件下开展排水管内静置水的冻结试验相比，本发明中排水管内的水是流动的，还考虑了排水管内水流速度、排水管水流量以及环境温度等多因素对排水管冻结的影响，更加贴近实际寒区隧道内排水管冻结情况。

29、2、与传统排水管冻结试验只得到水流的温度相比，本发明在排水管内不同位置布设网状温度传感器和水流速度传感器，还布设有高清摄像头，对排水管各位置的温度、水流速度以及结冰位置和结冰过程进行实时监测，更加全面地得到排水管的冻结规律。

30、3、与传统排水管冻结试验相比，本发明通过改变升降支架的高度控制排水管内水流的速度，通过改变止水阀的开合度控制排水管内水流量，通过调控制冷机的冷媒温度控制排水管的温度，操作简单。同时本发明还利用抽水泵和回流管实现了水的循环重复利用，节约了水资源。

31、4、采用本发明所述系统，可以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。

32、5、本发明制作简单、实用性强、试验费用较低，可以用于分析寒区隧道排水管水流冻结规律，进而为寒区隧道防治排水系统冻结提供指导。