一种冲沟的布置方法及消能结构与流程

1.本发明涉及一种冲沟的布置方法及消能结构。


背景技术：

2.不少高等级公路、铁路修入山区，比如近年来的川藏铁路，沿金沙江高速公路等等，隧道的路线占比均超过50％，遇水架桥，遇山钻洞，越来越多的隧道被修建。由于复杂的地形地貌，不少隧道下穿冲沟常年有水，汛期还常常爆发泥石流，如果冲沟处理不当，地下水下渗，冲沟继续深切，将会严重影响隧道结构的耐久性，如何有效的处理隧道洞顶冲沟，确保隧道结构安全和耐久性，多年来一直是令人头疼的问题。
3.目前常见的方法有以下几种，一是对冲沟进行铺砌，二是隧道内加强防水措施，加强隧道结构，或者两者配合使用。这些方法短期内是确实是有效果的，但是经过三五年后却发现冲沟下方洞内渗水，轻者呈点滴状，严重者呈水帘洞，严重影响了隧道的结构和运营安全。其渗水最主要的原因在于洞顶冲沟水或泥石流冲刷严重，造成冲沟铺砌被破坏。
4.隧道下穿冲沟主要有以下三个问题：
5.1.隧道下穿冲沟时的施工安全问题
6.不少隧道在下穿冲沟时，由于技术方案、施工组织等不到位，认识不足，导致施工时出现涌突水、冒顶，发生安全事故。
7.2.隧道下穿冲沟时的耐久性问题
8.不少隧道下穿冲沟时，刚开始几年或者旱季时没有任何问题，过几年或者雨季的时候发现冲沟下方洞内渗水，轻者呈点滴状，严重者呈水帘洞，严重影响了隧道的结构和运营安全。而且隧道建成以后，洞外冲沟处治起来比较繁琐，首先是便道问题，需要新建便道至隧道洞顶冲沟处，其次是处治难度大，地表水下渗至洞内，补给稳定，堵水困难。
9.3.隧道全寿命周期运营成本问题
10.不少隧道下穿冲沟处治不到位，后期反反复复的进行处治，几乎是每年一小修，三年一大修，不仅成本高，而且影响隧道结构安全。隧道下穿冲沟处治必须一劳永逸，要用全寿命周期眼光看待其处治方案，其措施要强，措施要全面，不仅地表需要处治，洞内也需要进行处治，并且需要进行容错设计。


技术实现要素：

11.为解决现有技术中由于冲沟铺砌容易被破坏导致影响隧道结构的安全性和耐久性的问题，本发明实施例提供一种冲沟的布置方法及消能结构。
12.本发明实施例通过下述技术方案实现：
13.第一方面，本发明实施例提供一种消能结构，包括：用于铺砌于冲沟的波浪形台阶；所述波浪形台阶包括：
14.卵石堆，用于设于波浪形台阶的每个迎水面；
15.消能网，用于连接相邻的两个卵石堆，并与相邻的两个卵石堆形成弧形台阶；以及
16.消能坑，设于所述弧形台阶。
17.进一步的，所述消能网为钢丝格栅。
18.进一步的，所述钢丝格栅为孔径4-5cm的热镀锌高强度钢丝格栅；所述钢丝格栅用于通过钢丝绳固定在冲沟的流水表面。
19.进一步的，所述波浪形台阶采用混凝土结构进行铺砌。
20.第二方面，本发明实施例提供一种冲沟的布置方法，包括：
21.在冲沟上铺砌所述消能结构。
22.进一步的，在冲沟上铺砌所述消能结构；包括：
23.确定铺砌消能结构的长度和位置；
24.根据冲沟设计洪水频率和冲沟的洪痕确定冲沟铺砌的设计流量；
25.根据冲沟流量和冲沟铺砌的纵坡确定冲沟断面；
26.根据铺砌消能结构的长度和位置和冲沟断面对冲沟进行铺砌施工，得到铺砌好消能结构的冲沟断面。
27.进一步的，根据冲沟设计洪水频率和冲沟的洪痕确定冲沟铺砌的设计流量之前，还包括：
28.根据隧道设计基准年限确定冲沟设计洪水频率。
29.进一步的，确定铺砌消能结构的长度和位置；包括：
30.确定铺砌上游位置，包括：
31.根据公式(1)-(4)确定冲沟上游位置的施工参数l1；
32.h＝max(5，h1，h2)
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(1)
33.h1＝tanα(r+r sinα)
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(2)
34.l＝l1+l2＝l1+r tabα＝hcscα
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(3)
35.l1＝hcscα-r tanα
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(4)
36.其中，α为冲沟坡度；r为隧道开挖轮廓半径；r为隧道开挖最小覆土半径，覆盖层为r＝r+5；基岩为r+2；h为隧道拱肩最薄处至铺砌上游顶端高度；h1为冲沟影响计算深度，h2冲沟冲刷计算深度，l为隧道拱肩最薄处至铺砌上游顶端距离,l1为隧道中心线至铺砌上游顶端距离，l2为隧道拱肩最薄处至隧道中心线距离。
37.进一步的，根据铺砌消能结构的长度和位置和冲沟断面对冲沟进行铺砌施工，得到铺砌好消能结构的冲沟断面，之前，还包括：
38.在冲沟铺砌段上方设置拦水埂；
39.抽排拦水埂上方的积水。
40.进一步的，确定铺砌消能结构的长度和位置；包括：
41.确定铺砌下游位置，包括：
42.确定消能结构铺砌在下游止点高程低于隧道底板高度1.8-2.4m的位置。
43.本发明实施例与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
44.本发明实施例的一种冲沟的布置方法及消能结构，通过采用波浪形台阶能降低流水对底板的冲击，通过设置消能网能降低接触面的流速，从而实现流水冲击能的降低，同时消能网便于安装，后期养护也便于更换，对提高冲沟的耐久性极为有利，从而提高隧道的耐久性。
附图说明
45.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
46.图1为冲沟的布置方法的流程示意图。
47.图2为冲沟与隧道相对位置示意图。
48.图3为冲沟消能结构的布置示意图。
49.图4为冲沟消能结构的俯视结构示意图。
50.图5为冲沟断面的结构示意图。
51.附图中标记及对应的零部件名称：
52.1-冲沟心地面线，2-隧道开挖轮廓线，3-隧道中心线，4-第一卵石堆，5-消能网，6-第二卵石堆，7-冲沟铺垫的砼，8
‑‑
消能坑，9-洞顶覆土，10-侧壁，11-底板。
具体实施方式
53.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
54.在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
55.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
56.在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
57.实施例
58.为解决现有技术中由于冲沟铺砌容易被破坏导致影响隧道结构的安全性和耐久性的问题，第一方面，本发明实施例提供一种消能结构，参考图1-5所示，包括：用于铺砌于冲沟的波浪形台阶；所述波浪形台阶包括：卵石堆，用于设于波浪形台阶的每个迎水面；消能网，用于连接相邻的两个卵石堆，并与相邻的两个卵石堆形成弧形台阶；以及消能坑，设于所述弧形台阶。进一步的，所述消能网为钢丝格栅。进一步的，所述钢丝格栅为孔径4-5cm的热镀锌高强度钢丝格栅；所述钢丝格栅用于通过钢丝绳固定在冲沟的流水表面。进一步
的，所述波浪形台阶采用混凝土结构进行铺砌。冲沟铺砌材料不局限于混凝土及其等级，也可采用其他建筑材料。
59.具体地，冲沟铺砌消能结构后的结构，参考图3所示。波浪形台阶包括若干个弧形台阶；波浪形台阶的每个迎水面即每个弧形台阶的设有卵石堆的冲沟位置，相邻的两个卵石堆之间通过消能网连接，如第一卵石堆4和第二卵石堆6之间通过消能网5连接；第一卵石堆4、消能网5和第二卵石堆6形成弧形台阶；消能坑8设于消能网靠近第一卵石堆4的位置。
60.可选地，冲沟采用混凝土结构进行铺砌，冲沟下方依次设有作为冲沟铺垫的砼7和洞顶覆土9。
61.可选地，参考图5所示，冲沟包括底板11和设于底板两侧的侧板10；底板上用于设置消能结构的消能网或卵石堆。
62.传统冲沟铺砌耐久性较差主要原因是消能措施没有做好，传统的冲沟铺砌均为90度台阶状，虽然在一定程度上进行了消能，但是其仅仅是对最后一级台阶能量进行了减小，各个台阶能量冲击加大，本发明实施例提出的波浪线台阶，其台阶逐级向下，每个台阶迎水面设置有消能坑，当上游水流冲击时，可有效降低对冲沟底板的冲击，然后每个台阶微向上，这样可以降低水流速度，最大限度消能。同时在每个波浪台阶迎水面铺设一层卵石堆，降低流水对冲沟底板冲击，在冲沟的流水表面设置一层消能网，消能网可以采用高强度钢丝格栅，也可以采用树脂等其他材料做出的网状物。
63.可选地，消能网为钢丝格栅，采用耐腐蚀的热镀锌高强度钢丝格栅，孔径大约4～5cm，端头采用钢丝绳网固定在流水表面，并预留一定的富裕度，其可以在流水的冲击下产生一定的变形，消耗一定的能量，从而降低流水对铺底的影响，且铺面的钢丝格栅方便替换，便于养护。
64.本发明实施例不仅适用于公路隧道下穿冲沟，也适用于其他地下构筑物下穿冲沟。
65.从而，本发明实施例通过采用波浪形台阶能降低流水对底板的冲击，通过设置消能网能降低接触面的流速，从而实现流水冲击能的降低，同时消能网便于安装，后期养护也便于更换，对提高冲沟的耐久性极为有利，从而提高隧道的耐久性。
66.为有效的降低流水的势能对冲沟的损坏，延长冲沟的服役年限，确保隧道的耐久性，参考图1所示，本发明实施例提供一种冲沟的布置方法，包括：在冲沟上铺砌所述消能结构。
67.进一步的，在冲沟上铺砌所述消能结构；包括：
68.s1.确定铺砌消能结构的长度和位置；
69.s11.确定铺砌下游位置：
70.考虑地下水在自重作用下由高向低流动，铺砌下游止点高程低于隧道底板高度2m既可。
71.s12.确定铺砌上游位置：
72.铺砌上游位置的确定是确定整个长度的关键，影响其上游位置的确定因素有隧道和沟渠的位置关系、冲沟地质条件、水文条件等，核心是冲刷深度对隧道的影响，需在保证隧道洞壁最薄厚度的基础上，确保冲沟冲刷对隧道无影响即可。
73.浅埋隧道下穿水、泥石流冲沟必须要对冲沟进行处治，冲沟的物源宜排不宜堵，需
要对冲沟进行铺砌，但是对冲沟如何进行铺砌，铺砌多长，规范没有规定，导致设计时均凭设计人员的经验进行设计，是否合适需要经过时间来检验，导致结果良莠不齐，本发明实施例根据地下水渗流特点、冲沟和隧道的关系首次提出隧道洞顶铺砌长度与位置的计算公式，其计算公式参考下述公式(1)-(4)所示。
74.进一步的，s1.确定铺砌消能结构的长度和位置；包括：
75.s11.确定铺砌上游位置，包括：
76.根据公式(1)-(4)确定冲沟上游位置的施工参数l1；
77.h＝max(5，h1，h2)
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(1)
78.h1＝tanα(r+rsinα)
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(2)
79.l＝l1+l2＝l1+rtanα＝hcscα
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(3)
80.l1＝hcscα-rtanα
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(4)
81.其中，α为冲沟坡度；r为隧道开挖轮廓半径,m；r为隧道开挖最小覆土半径，覆盖层为r＝r+5；基岩为r+2,m；h为隧道拱肩最薄处至铺砌上游顶端高度,m；h1为冲沟影响计算深度,m，h2冲沟冲刷计算深度,m，l为隧道拱肩最薄处至铺砌上游顶端距离,m,l1为隧道中心线3至铺砌上游顶端距离,m，l2为隧道拱肩最薄处至隧道中心线距离,m。
82.隧道拱肩最薄处至铺砌上游顶端应取影响计算深度、冲沟计算深度和5中的最大值，确保隧道安全，最后计算得到隧道中心至铺砌上游顶端距离即可。
83.具体地，参考图2所示，根据冲沟心地面线1和隧道开挖轮廓线2确定冲沟与隧道的相对位置，根据公式(1)-(4)确定隧道拱肩最薄处至铺砌上游顶端距离l和隧道拱肩最薄处至铺砌上游顶端高度的h值，根据l1的值进行施工后，可在保证隧道洞壁最薄厚度的基础上，确保冲沟冲刷对隧道无影响。
84.进一步的，确定铺砌消能结构的长度和位置；包括：s12.确定铺砌下游位置，包括：
85.确定消能结构铺砌在下游止点高程低于隧道底板高度1.8-2.4m的位置，可选地，消能结构铺砌在下游止点高程低于隧道底板高度2.0m的位置。
86.s2.根据冲沟设计洪水频率和冲沟的洪痕确定冲沟铺砌的设计流量；
87.进一步的，s2.根据冲沟设计洪水频率和冲沟的洪痕确定冲沟铺砌的设计流量,之前，还包括：根据隧道设计基准年限确定冲沟设计洪水频率。
88.根据隧道设计基准年限确定冲沟设计洪水频率，冲沟设计洪水频率应与隧道设计洪水频率保持一致。根据设计冲沟设计洪水频率、冲沟的洪痕等计算冲沟铺砌的设计流量。
89.s3.根据冲沟流量和冲沟铺砌的纵坡确定冲沟断面；
90.冲沟铺砌一般采用混凝土结构进行铺砌，根据冲沟流量和冲沟铺砌的纵坡可确定冲沟断面。
91.s4.根据铺砌消能结构的长度和位置和冲沟断面对冲沟进行铺砌施工，得到铺砌好消能结构的冲沟断面。
92.具体地，包括：1)计算冲沟铺砌长度确定冲沟铺砌位置；(2)计算冲沟流量；(3)计算冲沟断面。
93.进一步的，根据铺砌消能结构的长度和位置和冲沟断面对冲沟进行铺砌施工，得到铺砌好消能结构的冲沟断面，之前，还包括：在冲沟铺砌段上方设置拦水埂；抽排拦水埂上方的积水。
94.具体地，包括：(1)在冲沟铺砌段落上方设置拦水埂；(2)抽排拦水埂上方的积水；(3)对冲沟铺砌进行施工；(4)施工该段隧道。
95.从而，本发明实施例的冲沟的布置方法，对冲沟铺砌长度进行了计算，明确了冲沟设计方法及施工的步骤，提出了冲沟铺砌的设计基准期与隧道一致并给出了冲沟铺砌的消能方法，采用波浪形台阶能降低流水对底板的冲击，通过设置消能网能降低接触面的流速，从而实现流水冲击能的降低，同时消能网便于安装，后期养护也便于更换，对提高冲沟的耐久性极为有利，从而提高隧道的耐久性。另外，本发明实施例的有益效果主要体现在以下几个方面：
96.一是本发明技术方案实用性广，广泛适用于各种隧道下穿冲沟，隧道在下穿冲沟时，由于技术方案、施工组织等不到位，认识不足，导致施工时出现涌突水、冒顶，发生安全事故，本发明的技术方案实施后，最大限度降低地表水下渗，其有效提高隧道下穿冲沟时的施工安全。
97.二是本发明施工简单，易于操作，本发明涉及的抽水、混凝土、消能网等分项工程，均不属于危大工程。
98.三是本发明不必采用额外材料，符合工程施工中新技术、新材料、新工艺、新设备要求，有效的促进生产力的提高，降低工程成本，节能环保。
99.四是能有效提高隧道下穿冲沟段的耐久性，本发明实施例能有效的防止地表水渗入隧道，水是影响隧道结构耐久性最重要的因素，阻止了地表水下渗，降低了隧道全寿命周期运营成本。
100.从而，本发明实施例可以广泛的运用在浅埋隧道下穿冲沟的处治中。其不必采用额外的材料，原材料易得，施工简便，适用性广，处治效果明显，能有效提高隧道下穿冲沟段的耐久性，降低了隧道全寿命周期运营成本，也保障了人员及隧道结构安全。
101.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。