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隧道排水系统结晶堵塞风险模糊评价模型研究

所属栏目:工业设计论文 发布日期:2021-04-15 09:10 热度:

   随着交通建设的大力发展,隧道已是我国交通系统中重要的一个组成部分。近年来学者们开始关注隧道在投入运营后产生的一些问题,隧道排水系统结晶堵塞(如图1)就是其中的热点之一[1-7],隧道的排水系统就犹如人体的血管,一旦发生堵塞就会对隧道整体的健康状态产生影响,进一步地可能导致衬砌开裂、隧道渗漏水、隧道内配套电器设施失效等问题发生,对隧道内行车安全造成重大影响。模糊评价理论逐渐被应用于工程建设中,将传统工程中一些定性和经验值进行量化,进一步地准确指导实际工程,不仅能提升工程安全性,同时又可降低工程造价。贾磊等[8]通过建立模糊评价模型对隧道围岩稳定性进行评价分级,为隧道施工围岩稳定性提供参考依据;王德民等[9]运用模糊综合评价法对隧道开挖注浆效果进行了分级评价,并应用于指导实际工程,对注浆效果进行量化;马岩等[10]通过建立模糊综合评价模型,对隧道排水系统进行评价分级;但对于隧道排水系统结晶堵塞的影响因素正处于研究中,各因素与结晶关系并未得到准确量化,通过模糊理论将一些不易定量的影响因素进行量化,然后建立模糊评价模型,即可对研究对象进行量化分级,并结合隧道养护相关规范,为隧道运营期养护工作提供优化方案。图1隧道排水系统结晶堵塞。

隧道排水系统结晶堵塞风险模糊评价模型研究

  一、隧道排水系统结晶堵塞程度分级

  1.评价模型根据目前学者们[1-7]目前对隧道排水系统结晶机理的研究,以多级模糊综合评价对评价对象进行划分(如图2)。选取一级评价8项单因素,分别为:管道连接形式、排水坡度、排水管材料、水力半径、地下水pH值、速凝剂掺和量、围岩岩溶、衬砌溶解。二级评价,3项二级因素,流速、pH值、钙离子含量;2项单因素,二氧化碳浓度、水温。

  2.隧道排水系统结晶堵塞风险分级根据《公路隧道养护技术规范》(JTGH12-2015)[11]对隧道排水系统结晶堵塞风险等级进行分级如表1所示。将隧道排水系统结晶堵塞风险等级划分为五个等级:Ⅰ级(较低风险)、Ⅱ级(低风险)、Ⅲ级(中风险)、Ⅳ级(高风险)、Ⅴ级(较高风险),并将各级排水系统每延米排水量和相对应处置方法分类。

  二、隧道排水系统结晶堵塞程度评价体系

  1.模型参数二级模糊综合评价模型如式(1)。其中,B为对象的模糊综合评价;A为二级评价的权向量,Ai(i=1,2,…,n)为一级评价的权向量;Ui(i=1,2,…,n)为二级评价的模糊评价矩阵,Uij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)为一级评价的模糊评价矩阵;为模糊矩阵合成算子。式(1)中需要确定各级权向量A、Ai,和模糊评价矩阵Ui、Uij和模糊矩阵合成算子“”。(1)对于模糊算子的选取,评价模型通常使用诸因素决定性模糊综合评价模型,主因素突出型模糊综合评价模型,加权平均型模糊综合评价模型,对于隧道排水系统结晶堵塞风险的研究需考虑各种因素对其造成的影响,故使用加权平均型模糊综合评价模型M(·,+)。

  2.隶函数确定对于隧道排水系统结晶堵塞程度评价模型共选取10个影响因素,其中定量指标5个:排水坡度、地下水pH值、速凝剂掺和量、水温;对于5个定量指标中,正向定量指标为:排水管道粗糙度、地下水pH值、水温;负向定量指标为:排水坡度、速凝剂掺和量。定性指标4个:管道连接型式、围岩溶解、衬砌溶解、二氧化碳浓度。(1)定量指标隶函数隶函数选取降半梯形分布函数(式2)进行隶属度计算,式1中a、b、c、d、e为参数,例如正向型定量指标管道摩擦系数中的5个等级划分为0.009~0.011、0.009~0.011、0.011~0.013、0.013~0.015、0.015~0.017,参数a、b、c、d、e为0.009、0.011、0.013、0.015、0.017。同理可得到负向型定量指标,并划分等级,其定量评价指标划分如表2所示。(2)定性指标隶函数定性指标共计5个:水力半径、管道连接形式、围岩溶解、衬砌溶解、二氧化碳浓度。通过隶属度取值表进行确定(表3)。对定性指标按照其对隧道排水系统结晶堵塞影响的程度分为:无影响、轻微影响、中等影响、严重影响、极严重影响。

  3.模糊评价权重对于模糊评价体系中的权重,即为表征所选取各单因素对整体评价结果影响的程度,一般采用专家评定法、因素敏感度法、统计影射法、数理统计法等方法进行权重的确定。此处采取专家评定法以构建模糊评价权重集如表4。

  三、工程应用

  1.工程概况白岩脚隧道为分离式复合衬砌隧道,隧道左幅全长5265m,起止桩号ZK20+740~ZK26+005;右幅全长4245m,起止桩号YK20+720~YK25+965。最大埋深470m,隧道区海拔高程介于1505~2001m之间。多年平均降水量914.6mm,年最大降水量1520mm,年最小降水量510mm。评价处桩号ZK20+800,该段为Ⅴ级围岩,以碎石、强风化白云岩为主,节理裂隙发育,岩体破碎,富水性较强。环向排水管采用单壁HDPE,ND75mm半管,横向、纵向排水管均采用HDPE,DN110mm管道。通过现场测量和相关设计资料,ZK20+800处的排水系统结晶堵塞影响因素取值如表5。将表5中影响因素取值带入隶属函数,即可得到模糊关系矩阵,如下:UAB1655.02485.01769.02979.01112.0由最大隶属度原则,即可知该隧道排水系统结晶堵塞风险为低风险,并偏向于中风险,结晶堵塞的影响和排水系统维护的周期可参照表2进行选择,建议隧道排水量较大时(如雨季),每季度清理一次;隧道排水量较小时(如旱季)每两季度清理一次。

  四、结论

  (1)提出隧道排水系统结晶风险模糊评价模型,可用评估隧道投入运营后的排水系统结晶的风险状态,并对养护周期做出一定指导,节约养护成本。

  (2)目前隧道排水系统结晶影响因素尚处于研究,文章以已探明的几种影响因素,建立模糊评价模型,在之后的研究中可能还会出现新的影响因素,评价模型需不断优化调整,以便得到更加准确的评价结果。

  (3)对于实际投入运营的隧道而言,由于围岩、地下水、衬砌等因素的影响,对于同一隧道可根据实际情况将其划分为多段进行评价,已达到跟实际更加贴切的目的,同时也能够优化隧道排水系统养护方案。

  《隧道排水系统结晶堵塞风险模糊评价模型研究》来源:《中国水运》,作者:聂崇欣 饶军应

文章标题:隧道排水系统结晶堵塞风险模糊评价模型研究

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