一种复合排水板及其设计方法与流程

本发明涉及一种排水板及其设计方法，尤其涉及一种隧洞内使用的复合排水板及其设计方法。

背景技术：

隧洞特别是深埋隧洞具有高外水压力的特点。在不采用排水工程措施的情况下，隧洞的衬砌结构难以承受高外水压。为了降低外水压力，通常情况下采用排水管道、排水格栅、排水板等排水结构。

采用排水管道降低外水压力时，为满足排水管道的排水能力，排水管道的口径通常要求较大，因而占据较大施工空间，为保证隧洞施工空间及隧洞永久断面尺寸，导致隧洞开挖断面较大，隧洞结构的经济性下降。此外，为满足内衬和外衬分开受力的要求，还需要另设泡沫板作为分开受力隔离层。例如在温晓英等人发表的论文：西江引水工程盾构输水隧洞衬砌型式的选择与设计[j].中国给水排水，2012，28(10):1-4中提到的西江引水工程盾构输水隧洞的排水结构：在管片内侧设泡沫板作为弹性隔离层，沿弹性隔离层均匀布置了5根pvc排水花管，花管直径为50mm，为防止施工过程中水泥浆堵塞排水孔，在花管外包裹一层反滤土工布。此外，为了防止泡沫板弹性隔离层阻塞渗水，在其上开设了联通孔。这种排水结构存在以下不足：(1)为满足排水管道的排水能力，排水管道的口径通常要求较大，因而占据较大施工空间，给隧洞内衬钢管施工造成相当大的困难，若考虑隧洞施工空间富余及保证隧洞永久断面尺寸，则导致隧洞开挖断面较大，隧洞结构的经济性下降；(2)排水管为线状排水结构，隧洞长年运行，堵塞风险高；(3)为满足隧洞内衬和外衬分开受力的要求，还需要另设泡沫板作为分开受力弹性隔离层；(4)该泡沫板为可燃材料，在内衬钢管焊接时容易引起火灾等危险。

采用排水格栅降低外水压力时，由于排水格栅的排水通道较小，排水能力相对较差。为防止长久运行堵塞，在排水格栅的内侧和外侧需要设置起过滤作用的土工布。因此排水格栅的排水结构由两层土工布及中间的排水格栅组成。这导致排水结构复杂，铺设施工安装难度较大。此外，由于土工布具有可燃性，在内衬钢筋焊接或钢管焊接时容易引起火灾等危险。例如在钮新强等人发表的论文：南水北调中线工程穿黄隧洞关键技术研究[j].南水北调与水利科技，2009，7(6):42-46中提到穿黄隧洞的排水结构：排水垫层由pe膜和分居两侧的内、外排水层构成，其中外层排水层为土工布，内层为排水格栅层。这种排水结构存在以下不足：(1)排水格栅的排水通道较小，排水能力相对较差；(2)pe膜在施工铺装过程中容易刺穿；(3)为防止长久运行堵塞，在排水格栅的内侧和外侧需要设置起过滤作用的土工布，多层结构组成，铺设施工安装难度相当大；(4)由于土工布、pe膜均为可燃材料，在内衬钢筋焊接或钢管焊接时容易引起火灾等危险。

采用排水板降低外水压力时，现有的排水板通常为单层的设置有圆形光滑凸体的防水板结构，一方面，这样的排水板不具备阻燃特性，另一方面，圆形光滑凸体难以粘贴固定在隧洞内的外衬表面，此外，这样的排水板的一侧为圆形光滑凸体，另一侧的底面为圆形凹坑，在浇筑隧洞的内衬混凝土时，排水板底面的圆形凹坑常常被混凝土填满，无法起协调变形作用，影响隧洞内衬和外衬的受力状态。并且隧洞工程利用排水板降低外水压力时，通常采用市场上现有的产品，现有产品存在以下不足：(1)现有产品的排水能力及抗压强度是现成既定的，其排水能力、抗压强度以及施工铺装便利性往往不能适应实际工程的需要；(2)现有产品不具备自适应变形特性，隧洞内衬在内水压力作用下挤压排水板变形，甚至排水板被压坏失效；(3)现有产品不具备阻燃特性，在内衬钢筋焊接或钢管焊接时容易引起火灾等危险。

技术实现要素：

针对以上不足，本发明提供一种复合排水板，该复合排水板的排水通道大，排水能力强，占据空间小，易粘贴固定，施工铺装难度小；并且具有阻燃特性，施工安全性高；同时能起到协调变形作用，不影响隧洞内、外衬的受力状态。

本发明通过以下方案达到上述目的：

在本发明的第一方面，提供一种复合排水板，包括面层和底层，所述面层包括面层本体和设置在面层本体上的多个凸体，所述凸体为矩阵式分布，所述凸体的表面为毛面表面，所述底层和面层本体之间连接，所述底层由阻燃弹性材料制成，所述面层由防水材料制成。

在上述排水板中，底层由阻燃弹性材料制成，可以起阻燃和协调变形作用，面层的凸体之间形成排水通道，使得面层具有排水作用，凸体具有毛面，施工铺装时有利于粘贴固定。

应该理解，在上述排水板中，底层和面层本体之间可以通过任何可行的方式进行连接或连接为一体(整体连接)。

优选的，一种复合排水板，包括面层和底层，所述面层包括面层本体和设置在面层本体上的多个凸体，所述凸体为矩阵式分布，所述凸体的表面为毛面表面，所述底层和面层本体之间为整体连接，所述底层由阻燃弹性材料制成，所述面层由防水材料制成。

优选的，所述底层和面层本体之间通整体连接。

进一步优选的，所述底层和面层本体之间通过热熔方式整体连接。

优选的，所述底层和面层本体之间通过粘贴方式连接。

优选的，所述制成底层的材料包括聚乙烯材料和阻燃剂。

由聚乙烯材料并添加阻燃剂制成的底层，其弹性模量很小，可适应钢内衬变形，并具有阻燃特性。

优选的，所述面层由高密度聚乙烯材料制成。

优选的，所述凸体为方形凸体。方形凸体具有更大的表面积，可以更有利于施工时的粘贴固定。

应该理解，上述方形包括长方形或正方形。

优选的，所述凸体为正方形，进一步优选的，所述凸体为边长在20-40mm的正方形。

优选的，所述凸体之间的排距与凸体之间的行距相等。

进一步优选的，所述排距和行距为20-40mm，例如30mm。

优选的，所述凸体的高度为3mm～9mm。

优选的，所述面层的高度为5～10mm。

优选的，所述复合排水板的高度为10～20mm。

上述排水板适合于隧洞内使用，尤其适合于深埋隧洞内使用。

在本发明的第二方面，提供一种上述复合排水板的设计方法，包括：

(1)计算或实测得出隧洞的总渗水量(首先计算或实测总渗水量)，根据总渗水量的排水能力要求，确定面层排水通道高度(凸体高度)及排水通道宽度(凸体排距)；

(2)根据施工荷载、铺装粘合要求，确定凸体个数；

(3)计算钢内衬变形量，根据复合排水板的底层材料强度、弹性模量，拟定材料厚度，使得钢内衬变形与底层变形相协调。

其中，所述步骤(1)中，根据隧洞防水等级、隧洞直径及隧洞长度，计算或实测得出隧洞的总渗水量。

其中，所述步骤(1)包括：

a.根据隧洞防水等级、隧洞直径(周长)及隧洞长度，按照规范计算或实测得出隧洞的总渗水量qr；

b.拟定面层排水通道高度(凸体高度)h0：所述排水通道高度(凸体高度)h0为假定的一个初始值，如果排水安全系数不满足要求，则需加大排水通道高度h0；

c.拟定排水通道宽度(凸体排距)w0：所述排水通道宽度(凸体排距)w0为假定的一个初始值，如果排水安全系数不满足要求，则需加大排水通道宽度；

d.根据水力计算的相关公式计算排水板的排水能力：将排水板视为具有若干纵向排水通道的排水结构，每个排水纵向排水通道的过水断面面积为a＝w0×h0；每个环向通道的损失系数考虑ζi＝0.1；纵向排水通道湿周为χ＝2(w0+h0)，水力半径为r＝a/χ，谢才系数为糙率n根据排水板材质及光滑程度取值，设计时取0.008～0.012；流量系数排水板的最大作用水头h为钢内衬抗外压稳定安全系数k＝1.8或2.0(钢内衬带肋取1.8，光面钢内衬取2.0)下的外水压；每个纵向排水通道的最大过水能力为排水板沿隧洞环向分布排水通道的个数ε,因此排水板的最大过水流量为qc＝ε·q；若排水安全系数则步骤(2)完成，若排水安全系数fs≤2.0，则需重复步骤b、c和d。

其中，步骤(2)具体可以为：

a.拟定单个凸体尺寸a0×b0，所述单个凸体尺寸a0×b0为假定的一个初始值，是否合理需要通过后续步骤施工荷载及铺装粘合验证；

b.根据材料强度，计算单个凸体可承受的压力值p，根据复合排水板施工荷载的抗压强度p要求，计算每平方米的凸体个数n，即需满足

c.凸体表面为毛面表面，表面有粘性浆材，测得单个凸体表面与混凝土表面的粘合力τ，根据复合排水板每平方米的重量g，计算在混凝土表面粘合铺装每平方米复合排水板所需凸体个数

d.拟定凸体行距α0；所述凸体行距α0为假定的一个初始值；在拟定了凸体排距、凸体行距以及凸体尺寸的情况下，可获得每平方米布置凸体的实际个数f，与n和m相对比，若f＞n且f＞m，步骤(3)完成，否则，重新调整凸体行距，或者重复步骤a-d；最终使得凸体个数能同时满足施工荷载及铺装粘合要求。

其中，所述步骤(3)具体可以为：

根据隧洞钢内衬材料强度及内水压力，计算钢内衬最大变形量；根据底层材料的低强度、低弹性模量，拟定底层材料厚度，厚度大于钢内衬最大变形量，使得底层材料变形与隧洞内衬变形相协调。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

1)复合排水板的排水能力强，有效减小深埋隧洞外水压力，利于降低隧洞衬砌结构成本。

2)复合排水板的排水通道大，呈面状排水，降低了长久运行情况下的堵塞风险。

3)复合排水板占据空间小，有效的保证了隧洞施工空间，减小隧洞开挖断面尺寸，有利于隧洞结构经济性。

4)复合排水板的面层凸体为方形，表面积大，并具有毛面，毛面易留住粘性浆材，方便粘贴固定，施工铺装难度小。

5)复合排水板的底层材料具有阻燃特性，施工安全性高，降低隧洞内衬钢筋焊接或钢管焊接引起火灾的风险。

6)底层具有低强度、低弹性模量特性，起到协调隧洞结构变形作用，内外衬分开受力，有效保护排水板面层，排水板面层基本没有变形，隧洞外衬不受内力。

附图说明

图1为实施例1的复合排水板的立体结构示意图。

图2为实施例1的复合排水板的断面结构示意图。

图3为实施例1的复合排水板的安装布置示意图。

其中，1-复合排水板；2-面层，201-面层本体，202-凸体；3-底层；4-排水通道；5-隧洞外衬；6-隧洞钢内衬。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1：

如图1和图2所示的复合排水板1，包括底层3和面层2。面层2由高密度聚乙烯材料制成，具有防水特性。面层2包括面层本体201和在面层本体201上设置的若干成矩阵分布的凸体202。凸体202是正方形凸体，表面积大，并且凸体202的表面为毛面，毛面易留住粘性浆材，方便粘贴固定，施工铺装难度小。凸体202与凸体202之间形成的空间即为排水通道4。凸体202之间的排距和行距相等。面层2的下方为底层3，底层3为聚乙烯弹性层，具有协调变形作用，以及阻燃特性，降低了隧洞内衬6钢筋焊接或钢管焊接引起火灾的风险。面层2与底层3采用热熔或粘贴方式形成复合排水板1。

如图3所示为复合排水板1的安装在隧洞内的安装布置示意图。复合排水板1的面层层2的凸体202表面粘贴固定在隧洞外衬5内表面，底层3位于隧洞内衬6外侧。面层2负责排水泄压降低外水压力。底层3负责协调隧洞结构变形，底层3负责协调隧洞结构变形，排水板面层2基本没有挤压变形，从而有效保护排水板面层2，避免出现排水板1挤压变形甚至挤压破坏现象发生，保证排水效果，并且实现隧洞内外衬分开受力，隧洞外衬5基本不受内力，不影响隧洞外衬5和隧洞内衬6的受力状态。

实施例2

在该实施例中，复合排水板的结构与实施例1相似，复合排水板的高度10～15mm，其中面层高5～10mm，板材厚1～2mm，凸体为30mm边长的正方形，高3mm～9mm，排距及行距净间距相等，均为30mm。底层高5mm。

实施例3

在该实施例中，是基于上述复合排水板的设计方法所设计的，与实施例2相似，面层厚1.0mm～1.5mm(厚1.0mm面层本体刺穿强度不小于300n，厚1.5mm面层本体刺穿强度不小于350n，抗刺穿能力远大于pe膜)，复合排水板的面层排水通道高度(凸体高度)为8.5mm，排水通道宽度(凸体排距)为25mm(隧洞防水等级为二级，隧洞外径为6.0m，隧洞长度为3000m，经计算，隧洞的总渗水量约2828l/d，排水安全系数fs大于5，排水通道高度及宽度能满足排水能力要求)。凸体为25mm边长的正方形，凸体行距25mm，每平方米有400个凸体(抗压强度不小于60kpa，每平方米粘合力大于复合排水板重量，凸体个数满足施工荷载及铺装粘合要求)。底层厚10mm(钢内衬在1.1mpa内水压力作用下变形为4mm，排水板面层基本没有挤压变形，有效保护了排水板面层)。

本实施例仅为一个具体的实施例，所述排水通道高度及宽度、凸体尺寸、每平方米凸体个数、底层厚度可根据实际工程需求，按照本发明提供的设计方法进行设计。

实施例4

一种实施例1的复合排水板的设计方法，包括：

(1)根据隧洞防水等级、隧洞直径及隧洞长度，按照规范计算或实测得出隧洞的总渗水量(首先计算或实测总渗水量)，根据总渗水量的排水能力要求，确定面层排水通道高度(凸体高度)及排水通道宽度(凸体排距)：

该步骤具体为：

a.根据隧洞防水等级、隧洞直径(周长)及隧洞长度，按照规范计算或实测得出隧洞的总渗水量qr；

b.拟定面层排水通道高度(凸体高度)h0：所述排水通道高度(凸体高度)h0可以理解为根据经验假定的一个初始值，在实际计算中，可能需要多次修改拟定的排水通道高度(凸体高度)，其值是否合理需要通过后续步骤排水能力验证，如果排水安全系数不满足要求，则需加大排水通道高度；

c.拟定排水通道宽度(凸体排距)w0：所述排水通道宽度(凸体排距)w0可以理解为根据经验假定的一个初始值，在实际计算中，可能需要多次修改拟定的排水通道宽度(凸体排距)，其值是否合理需要通过后续步骤排水能力验证，如果排水安全系数不满足要求，则需加大排水通道宽度；

d.根据水力计算的相关公式计算排水板的排水能力：由于排水板最终将隧洞的渗水沿隧洞纵向排出，所以可以将排水板视为具有若干纵向排水通道的排水结构，每个排水纵向排水通道的过水断面面积为a＝w0×h0；隧洞环向没有排水出口，因此环向通道空间仅视为储水空间，用以降低渗压，计算流量系数时可适当考虑损失系数，每个环向通道的损失系数考虑ζi＝0.1；纵向排水通道湿周为χ＝2(w0+h0)，水力半径为r＝a/χ，谢才系数为糙率n根据排水板材质及光滑程度取值，设计时一般可取0.008～0.012；流量系数μ考虑环向通道的损失系数及隧洞长度的沿程损失，排水板的过流能力与作用水头h有关，作用水头h越大，过流流量越大；排水板的最大作用水头h不能超过满足隧洞钢内衬抗外压稳定要求的最大外压，设计时可取排水板的最大作用水头h为钢内衬抗外压稳定安全系数k＝1.8或2.0(钢内衬带肋取1.8，光面钢内衬取2.0)下的外水压；每个纵向排水通道的最大过水能力可以简化为排水板沿隧洞环向分布排水通道的个数ε,因此排水板的最大过水流量为qc＝ε·q；若排水安全系数则步骤(2)完成，若排水安全系数fs≤2.0，则需重复步骤b、c和d。

(2)根据施工荷载、铺装粘合要求，确定凸体个数；

该步骤具体为：

a.拟定单个凸体尺寸a0×b0，所述单个凸体尺寸a0×b0可以理解为根据经验假定的一个初始值，在实际计算中，可能需要多次修改拟定的单个凸体尺寸，其值是否合理需要通过后续步骤施工荷载及铺装粘合验证；

b.根据材料强度，计算单个凸体可承受的压力值p，根据复合排水板施工荷载的抗压强度p要求，计算每平方米的凸体个数n，即需满足

c.凸体表面为毛面表面，表面有粘性浆材，测得单个凸体表面与混凝土表面的粘合力τ，根据复合排水板每平方米的重量g，计算在混凝土表面粘合铺装每平方米复合排水板所需凸体个数

d.拟定凸体行距α0；所述凸体行距α0可以理解为根据经验假定的一个初始值，在实际计算中，可能需要多次修改拟定；在拟定了凸体排距、凸体行距以及凸体尺寸的情况下，可获得每平方米布置凸体的实际个数f，与n和m相对比，若f＞n且f＞m，步骤(3)完成，否则，重新调整凸体行距，或者重复步骤a-d。最终使得凸体个数能同时满足施工荷载及铺装粘合要求。

(3)计算钢内衬变形量，根据复合排水板的底层材料强度、弹性模量，拟定材料厚度，使得钢内衬变形与底层变形相协调。

该步骤(3)具体为：

根据隧洞钢内衬材料强度及内水压力，计算钢内衬最大变形量；根据底层材料的低强度、低弹性模量，拟定底层材料厚度，厚度大于钢内衬最大变形量，使得底层材料变形与隧洞内衬变形相协调，即排水板面层基本没有挤压变形，从而有效保护排水板面层，避免出现排水板挤压变形甚至挤压破坏现象发生，保证排水效果，并且实现隧洞内外衬分开受力，隧洞外衬基本不受内力。

实施例5

一种实施例1结构的隧道内使用的复合排水板的设计方法，步骤如下：

(1)根据复合排水板的排水、施工便利性、自适应变形及阻燃等功能需求，确定复合排水板的基本构造：包括面层和底层。所述面层由高密度聚乙烯材料制成，包括面层本体和设置在面层本体上的多个凸体，凸体之间形成排水通道，使得面层具有排水功能；所述底层由阻燃弹性材料制成，具有自适应变形及阻燃特性。

(2)根据隧洞防水等级、隧洞直径及隧洞长度，按照规范计算或实测得出隧洞的总渗水量(首先计算或实测总渗水量)，然后根据总渗水量的排水能力要求，确定面层排水通道高度(凸体高度)及排水通道宽度(凸体排距)

其中，所述步骤(2)具体可以为：

a.根据隧洞防水等级、隧洞直径(周长)及隧洞长度，按照规范计算或实测得出隧洞的总渗水量qr。隧洞防水等级为二级，要求平均渗水量不大于0.05l/(m².d)，隧洞外径d＝6.0m，隧洞长度为10000m，经计算，隧洞的总渗水量不大于9425l/d。

b.拟定面层排水通道高度(凸体高度)，初拟h0＝8.5mm。

c.拟定排水通道宽度(凸体排距)，初拟w0＝25mm。

d.根据水力计算的相关公式计算排水板的排水能力。由于排水板最终将隧洞的渗水沿隧洞纵向排出，所以可以将排水板视为具有若干纵向排水通道的排水构造，每个排水纵向排水通道的过水断面面积为a＝w0×h0＝212.5mm²。隧洞环向没有排水出口，因此环向通道空间仅视为储水空间，用以降低渗压，计算流量系数时可适当考虑损失系数，每个环向通道的损失系数考虑ζi＝0.1。纵向排水通道湿周为χ＝2(w0+h0)＝67mm，水力半径为r＝a/χ＝3.17mm，谢才系数为糙率根据排水板材质及光滑程度取n＝0.01。流量系数μ考虑环向通道的损失系数及隧洞长度的沿程损失，排水板的过流能力与作用水头h有关，作用水头h越大，过流流量越大。排水板的最大作用水头h不能超过满足隧洞钢内衬抗外压稳定要求的最大外压。采用钢内衬抗外压稳定公式进行计算，钢内衬抗外压稳定安全系数k＝1.8对应的外水压力水头为h＝20m，设计时可取排水板的最大作用水头h＝20m。每个纵向排水通道的最大过水能力可以简化为排水板沿隧洞顶部环向240度布置，隧洞内径为5.4m，因此分布排水通道的个数因此排水板的最大过水流量为qc＝ε·q＝329825l/d。排水安全系数排水板的过流能力满足安全系数要求。因此，认为初拟的排水通道高度(凸体高度)h0＝8.5mm以及排水通道宽度(凸体排距)w0＝25mm基本合理，排水板满足排水能力要求。

(3)根据施工荷载、铺装粘合要求，确定凸体个数。

其中，所述步骤(3)具体可以为：

a.拟定单个凸体尺寸a0×b0(长×宽)，本例为计算方便，初拟a0＝b0＝25mm。

b.根据材料强度，可取凸体竖向变形为3％对应的压力值为凸体能承受的压力值，经计算单个凸体可承受的压力值p＝150n，如果复合排水板施工荷载的抗压强度为p＝50kpa，计算每平方米的凸体个数n，即需满足个。

c.凸体表面为毛面表面，表面有粘性浆材，测得单个凸体表面与混凝土表面的粘合力τ＝0.25n，根据复合排水板每平方米的重量g＝31.4n，计算在混凝土表面粘合铺装每平方米复合排水板所需凸体个数个。

d.拟定凸体行距，初拟α0＝25mm。在拟定了凸体排距、凸体行距以及凸体尺寸的情况下，每个凸体控制面积为2500mm²，可获得每平方米布置凸体的实际个数f＝400个，与n和m相对比，f＞n且f＞m，即凸体个数能同时满足施工荷载及铺装粘合要求。

(4)计算钢内衬变形量，根据复合排水板底层材料强度、弹性模量，拟定材料厚度，使得钢内衬变形与底层变形相协调。

其中，所述步骤(4)具体可以为：根据隧洞钢内衬材料强度及内水压力，计算钢内衬最大变形量，钢内衬在1.1mpa内水压力作用下变形为4mm；根据底层材料的低强度、低弹性模量，拟定底层材料厚度10mm，厚度大于钢内衬最大变形量，使得底层材料变形与隧洞内衬变形相协调，即排水板面层基本没有挤压变形，从而有效保护排水板面层，避免出现排水板挤压变形甚至挤压破坏现象发生，保证排水效果，并且实现隧洞内外衬分开受力，隧洞外衬基本不受内力。

以上所述，仅为本发明的较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。