虹吸式反坡排水系统及排水方法与流程

本发明涉及隧道反坡排水技术领域，特别涉及一种虹吸式反坡排水系统及排水方法。

背景技术：

在地质水文条件复杂的山体中施工隧道，隧道防排水设计遵循“防、排、截、堵，因地制宜，综合治理”的原则，通车地下水治理应都是以“排”为主的原则。因此，排水是富水隧道施工中的难点，尤其是长大隧道的反坡段隧道开挖，地下水不能沿设计边沟和中心排水沟自然排出，而是沿反向坡度向施工开挖面处汇集，如果不能及时、有效地排出地下水，将导致掌子面积水，不仅会严重干扰开挖、支护和衬砌等作业的正常施工，严重时甚至引发大软岩变形、围岩塌方等地质灾害，引发工程事故。

目前，隧道反坡排水处理的技术方案基本都是通过设置分级集水井和泵站，将掌子面的积水以机械泵送方式分级抽水直至排出洞外。申请号为201820348100.7，名称为铁路单线隧道反坡排水系统的专利申请中，虽然公开了反坡排水系统，但是这种排水系统也需要在隧道内每隔50～200m修建一个集水井和泵站，靠电力驱动水泵抽水，对设备、材料、人工投入较大，由于设置多级抽水泵，电力消耗较大，并且后期需要对大量的集水井进行回填处理。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种节约电力资源的虹吸式反坡排水系统及排水方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：虹吸式反坡排水系统，包括集水坑、抽水装置、集水装置、虹吸排水管和真空泵；所述集水坑设置在隧道内；所述集水装置放置在隧道内，且集水装置的进口通过抽水装置与集水坑连通；所述集水装置的出口与虹吸排水管的进口连通，所述虹吸排水管的出口设置在隧道外部、且虹吸排水管的出口的标高低于所述集水装置的出口的标高；所述真空泵的进口通过抽气管与所述虹吸排水管连通。

进一步的，还包括设置在隧道外部的沉淀净化池，所述虹吸排水管的出口设置在沉淀净化池内。

进一步的，所述集水装置包括内部具有腔室的壳体；所述壳体内具有竖向设置的分隔板，所述分隔板将壳体内的腔室分隔为与集水装置的进口连通的进水区和与集水装置的出口连通的集水区；所述分隔板包括位于下方的第一过滤筛和位于上方的隔水板。

进一步的，所述壳体内的进水区还设置有一侧与隔水板连接的第二过滤筛，所述第一过滤筛的筛孔尺寸小于所述第二过滤筛的筛孔尺寸；所述第二过滤筛将进水区分隔为位于第二过滤筛上方的粗颗粒过滤区和位于第二过滤筛下方的细颗粒过滤区；所述集水装置的进口与粗颗粒过滤区连通。

进一步的，所述集水装置的底部设置有脚轮。

进一步的，所述抽水装置包括水泵；所述水泵的进口与集水坑连通，所述水泵的出口与集水装置的进口连通。

进一步的，所述水泵为潜水泵，该潜水泵设置在集水坑内，该潜水泵的出口通过抽水管与集水装置的进口连通。

虹吸式反坡排水方法，采用虹吸式反坡排水系统进行排水，包括以下步骤，

s1、在隧道内靠近掌子面处挖掘集水坑，将集水装置放置在掌子面后方的非作业区，将集水坑和集水装置通过抽水装置连通；在隧道外挖掘沉淀净化池，将虹吸排水管的进口与集水装置的出口连通，将虹吸排水管的出口伸入沉淀净化池内水面的下方；将真空泵的进口通过抽气管与虹吸排水管连通；

s2、启动抽水装置，将集水坑内的水抽送至集水装置中；

s3、启动真空泵，当虹吸排水管内充满水后，关闭真空泵。

本发明的有益效果是：本发明实施例的虹吸式反坡排水系统及排水方法，通过设置集水坑，用于汇集围岩开挖后的岩壁地下水、掌子面反向水和洞内反坡水；通过设置抽水装置，将集水坑内的水抽送到集水装置中，为掌子面的开挖、支护、衬砌创造一个相对干燥、有利的作业环境；通过设置虹吸排水管和真空泵，利用真空泵使虹吸排水管的内外形成压力差，进而在压力差的作用下使集水装置中的水充满虹吸排水管，然后利用虹吸排水管的虹吸原理将集水装置中的水自动排至隧道外部，有效解决反坡隧道掌子面积水的问题，在自动排水的过程中不需要电力驱动，省去了传统反坡排水方式中大量的分级集水井和泵站，大大节省了人力、电力、原材料等，具有环保节能的优点。本发明还具有布置灵活、可靠性好、适用性强、隧道内占用空间小、不干扰施工、且可重复利用的优点。

附图说明

图1是本发明实施例的虹吸式反坡排水系统结构示意图；

图2是本发明实施例中集水装置的剖视图。

图中附图标记为：1-集水坑，2-抽水装置，3-集水装置，4-虹吸排水管，5-真空泵，6-沉淀净化池，7-掌子面，8-沟渠，9-抽气管，21-潜水泵，22-抽水管，31-壳体，32-分隔板，33-进水区，34-集水区，35-第二过滤筛，36-脚轮，37-进水管，38-出水管，321-第一过滤筛，322-隔水板，331-粗颗粒过滤区，332-细颗粒过滤区。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明实施例的虹吸式反坡排水系统，包括集水坑1、抽水装置2、集水装置3、虹吸排水管4和真空泵5；所述集水坑1设置在隧道内；所述集水装置3放置在隧道内，且集水装置3的进口通过抽水装置2与集水坑1连通；所述集水装置3的出口与虹吸排水管4的进口连通，所述虹吸排水管4的出口设置在隧道外部、且虹吸排水管4的出口的标高低于所述集水装置3的出口的标高；所述真空泵5的进口通过抽气管9与所述虹吸排水管4连通。

掌子面7指的是开挖隧道不断向前推进的工作面。如图1所示，所述集水坑1为临时挖掘的集水坑，设置于富水隧道的掌子面7附近，用于汇集隧道开挖后的岩壁地下水、掌子面反向水和洞内反坡水。

所述集水装置3为临时储存地下水的容器，它放置于隧道的掌子面7后方的非工作区处。所述抽水装置2的作用为将集水坑1内的水及时、快速抽送至集水装置3内、并进行临时储存，为掌子面7的开挖、支护、衬砌等施工工序创造一个相对干燥、有利的作业环境。

所述真空泵5通过抽气管9与虹吸排水管4连通，所述抽气管9上设置有阀门；通过真空泵5可减小虹吸排水管4内部的压力，使虹吸排水管4外部的压力大于其内部的压力，形成内外压力差，进而使集水装置3中的水在压力差的作用下自动充满整个虹吸排水管4，完成排水系统的启动过程。所述真空泵5设置于隧道外部、且标高低于掌子面7的边坡或沟渠8附近。作为优选，所述抽气管9与虹吸排水管4的连接位置的标高低于所述集水装置3的出口的标高。

上述实施例的虹吸式反坡排水系统的工作原理为：虹吸式排水系统安装完成后，如图1所述，启动抽水装置2，将集水坑1内的水抽送至集水装置3内，并淹没集水装置3的出口；然后将虹吸排水管4的出口封闭，例如可以通过在虹吸排水管4的出口安装阀门进行封闭；打开抽气管9上的阀门，启动真空泵5，由于虹吸排水管4的两端均封闭，因此虹吸排水管4内部的压力将减小，使虹吸排水管4的外部压力大于其内部压力，在内外压力差的作用下，促使集水装置3中的水自动流入虹吸排水管4，当虹吸排水管4充满水后，关闭真空泵5，并关闭抽气管9上的阀门，然后打开虹吸排水管4的出口，由于虹吸排水管4的出口的标高低于所述集水装置3的出口的标高，因此在虹吸作用下，就可使集水装置3中的水自动流至隧道外部进行排放。为了方便对虹吸排水管4内的水体情况进行观察，作为优选，所述虹吸排水管4采用透明材质制作。

本发明实施例的虹吸式反坡排水系统，利用真空泵5使虹吸排水管4的内外形成压力差，进而在压力差的作用下使集水装置3中的水充满虹吸排水管4，然后利用虹吸排水管4的虹吸原理将集水装置3中的水自动排至隧道外部，有效解决反坡隧道掌子面7积水的问题，在自动排水的过程中不需要电力驱动，省去了传统反坡排水方式中大量的分级集水井和泵站，大大节省了人力、电力、原材料等，具有环保节能的优点。本发明还具有布置灵活、可靠性好、适用性强、隧道内占用空间小、不干扰施工、且可重复利用的优点。

如图1所示，本发明实施例的虹吸式反坡排水系统还包括设置在隧道外部的沉淀净化池6，所述虹吸排水管4的出口设置在沉淀净化池6内。所述沉淀净化池6设置于隧道外部、且标高低于掌子面7的边坡或沟渠8附近；所述沉淀净化池6与隧道附近的沟渠8形成连接水路，并使沉淀净化池6内的最高水面的标高低于所述集水装置3的出口的标高。当虹吸排水管4内的水流入沉淀净化池6内后，水在沉淀净化池6内经过分级沉淀和净化处理，经检验满足排放标准后，通过顺接沟渠8排放引入附近的自然水系之中。

虹吸式反坡排水方法，采用上述实施例的虹吸式反坡排水系统进行排水，包括以下步骤，

s1、在隧道内靠近掌子面7处挖掘集水坑1，将集水装置3放置在掌子面7后方的非作业区，将集水坑1和集水装置3通过抽水装置2连通；在隧道外挖掘沉淀净化池6，将虹吸排水管4的进口与集水装置3的出口连通，将虹吸排水管4的出口伸入沉淀净化池6内水面的下方；将真空泵5的进口通过抽气管9与虹吸排水管4连通；

s2、启动抽水装置2，将集水坑1内的水抽送至集水装置3中；

s3、启动真空泵5，当虹吸排水管4内充满水后，关闭真空泵5。

步骤s1中，对排水系统进行施工和安装，所述集水坑1为临时挖掘的集水坑，用于汇集隧道开挖后的岩壁地下水、掌子面反向水和洞内反坡水。将虹吸排水管4的出口伸入沉淀净化池6内水面的下方，通过沉淀净化池6内的水体对虹吸排水管4的出口进行封闭。

步骤s2中，当步骤s1中的排水系统施工完毕后，启动抽水装置2，将集水坑1内的水及时、快速抽送到集水装置3内、并进行临时储存，不仅为掌子面7的开挖、支护、衬砌等施工工序创造一个相对干燥、有利的作业环境，而且使集水装置3内的水淹没集水装置3的出口，进而实现对虹吸排水管4的进口进行封闭。

步骤s3中，启动真空泵5，打开抽气管9上的阀门，由于虹吸排水管4的两端均封闭，因此虹吸排水管4内部的压力减小，使虹吸排水管4外部的压力高于内部的压力，在内外压力差的作用下，促使集水装置3中的水自动流入虹吸排水管4，当虹吸排水管4充满水后，关闭真空泵5，并关闭抽气管9上的阀门，此时，利用集水装置3的出口与沉淀净化池6的水面之间的高差现象、以及两者之间通过虹吸排水管4形成真空连通器，集水装置3内的水在虹吸作用下，沿虹吸排水管4排出到洞外的沉淀净化池6内，实现自动反坡排水的功能。

沉淀净化池6中的水体采用分级沉淀和净化处理，经检验满足排放标准后，通过顺接沟渠8排放引入附近自然水系之中。

如图1所示，所述抽水装置2包括水泵；所述水泵的进口与集水坑1连通，所述水泵的出口与集水装置3的进口连通。使用时，通过水泵将集水坑1中的水抽送至集水装置3中。作为优选，所述水泵为潜水泵21，该潜水泵21设置在集水坑1内，该潜水泵21的出口通过抽水管22与集水装置3的进口连通。使用时，潜水泵21的整个机组可以潜入水中工作，将集水坑1中的水通过抽水管22抽送到集水装置3中。

在通过抽水装置2将集水坑1内的水抽送至集水装置3的过程中，水体中会夹杂砂石颗粒物和杂质，在通过虹吸排水管4排水时，这些颗粒物和杂质容易堵塞管路。

为了避免上述颗粒物和杂质堵塞虹吸排水管4，作为优选，所述集水装置3包括内部具有腔室的壳体31；所述壳体31内具有竖向设置的分隔板32，所述分隔板32将壳体31内的腔室分隔为与集水装置3的进口连通的进水区33和与集水装置3的出口连通的集水区34；所述分隔板32包括位于下方的第一过滤筛321和位于上方的隔水板322。

如图2所示，所述集水装置3包括内部具有腔室的壳体31，壳体31内部腔室的大小可根据隧道实际排水流量和储量需求来设计。所述壳体31内具有竖向设置的分隔板32，分隔板32将壳体31内的腔室分为位于分隔板32左侧的进水区33和位于分隔板32右侧的集水区34。所述壳体31上设置有与进水区33连通的进水管37，进水管37与抽水管22连通；壳体31上设置有与集水区34连通的出水管38，出水管38与虹吸排水管4连通。具体的，所述分隔板32包括位于下方的第一过滤筛321和位于上方的隔水板322；所述隔水板322起阻挡、隔离的作用，用于隔离进水区33和集水区34；所述第一过滤筛321起过滤作用，用于过滤进水区33内水体中的颗粒物和杂质，过滤后的水体在集水区34内汇集。

作为优选，所述壳体31内的进水区33还设置有一侧与隔水板322连接的第二过滤筛35，所述第一过滤筛321的筛孔尺寸小于所述第二过滤筛35的筛孔尺寸；所述第二过滤筛35将进水区33分隔为位于第二过滤筛35上方的粗颗粒过滤区331和位于第二过滤筛35下方的细颗粒过滤区332；所述集水装置3的进口与粗颗粒过滤区331连通。

如图2所示，所述壳体31上的进水管37与粗颗粒过滤区331连通；根据实际排水需求，所述壳体31上的出水管38的数量可以为一个，也可以为多个；当出水管38的数量为多个时，如图1所示，每个出水管38与一个虹吸排水管4连通。实施时，集水坑1中汇集的水，首先通过抽水装置2抽送至集水装置3中的粗颗粒过滤区331，然后通过第二过滤筛35过滤掉水体中的棱石、砂砾等粒径较大的粗颗粒后，水进入到细颗粒过滤区332，然后通过第一过滤筛321过滤掉水体中的粉砂、细沙等粒径较小的细颗粒后，水进入到集水区34内汇集，然后通过虹吸排水管4排至隧道外部。

本发明实施例的集水装置3，通过设置多级过滤筛，分级过滤水体中不同大小的颗粒物、杂质，以避免水体中的颗粒物和杂质堵塞管道，提高了整个排水装置的使用寿命，降低了排水装置在使用过程中的维修次数。

为了方便集水装置3在隧道内移动，所述集水装置3的底部设置有脚轮36。如图1、图2所示，所述集水装置3的底部设置有四个脚轮36，所述脚轮36为万向脚轮，进一步，所述脚轮36为设置有制动插销的脚轮，方便集水装置3在隧道内自由移动和固定位置。