專利名稱：過江過河隧道的埋深定位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種過江過河隧道的埋深定位方法。
背景技術：
為了適應沿江(河)城市的快速發(fā)展，緩解日趨嚴峻的過江交通壓力，修建過江隧道成為一種較好的工程措施。在進行過江隧道的規(guī)劃設計時，隧道的最大埋深是關鍵之一。 埋深確定過小，盡管可減少投資，一旦河床沖刷較大使得工程上覆蓋土層小于設計標準或者使工程出露，則工程運營安全將會受到嚴重威脅；埋深確定過大，盡管工程安全可得以保障，但會增加工程投資及施工難度。如何能合理確定最大埋深，既能保證工程安全又能盡量減小投資是過江隧道工程規(guī)劃設計中必須解決的關鍵問題。最大埋深的確定是基于工程所在位置河床最大沖刷深度。一般來說，河床最大沖深包括工程引起的局部沖刷和河流自然沖刷兩種類型。由于隧道埋設于河床下，并沒有對河流的水沙運動形成干擾，因此其沖刷問題主要是第二類沖刷。由于河床沖淤調(diào)整的復雜性，目前對于這一類型的河床沖刷尚未形成統(tǒng)一的理論計算公式。已有研究多采用物理模型等技術手段，在工程河段演變特點深入認識的基礎上，結合工程位置的地質(zhì)條件，在一定的水沙條件下對河床可能出現(xiàn)的最大沖深進行研究，取得了較為豐富的成果，但還存在以下幾方面的問題一是沖刷水沙條件的確定。水沙過程的選擇是最大沖深研究的前提條件， 其正確與否直接關系到研究成果的合理性。然而已有研究對于水沙條件的選擇沒有充分考慮河段水沙輸移特性，尤其是對河床沖刷作用影響最大的特大洪水的水沙過程如何確定目前尚缺乏深入研究；二是受測量手段限制，物理模型無法給出工程位置最深點高程隨時間的變化過程，因此也難以較為準確給出工程位置的最大沖深。針對以上存在的不足，如何能在深入認識工程河段沖淤特性的基礎上，選取較為合理的水沙條件，并采取合適的模擬手段精確高效的確定工程位置的最大沖深是目前亟需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本次發(fā)明的目的就是針對上述技術現(xiàn)有的狀況，提供一種過江過河隧道的埋深定位方法，能夠充分考慮工程河段的沖淤特點，從工程安全角度出發(fā)，更為方便高效地確定工程位置最大沖深和最深點擺動幅度。本發(fā)明的技術方案為過江過河隧道的埋深定位方法，包括以下步驟步驟1，初判最大沖深位置，具體實現(xiàn)包括以下步驟，步驟1. 1，通過套繪歷年工程位置斷面形態(tài)并點繪斷面形態(tài)下包線圖，確定已觀測到的斷面最深點高程Ht和位置；步驟1. 2，根據(jù)工程附近的地質(zhì)條件，確定可沖層的厚度Ahl，并根據(jù)當前工程斷面的最深點高程11§和步驟1. 1中給出的斷面最深點高程Ht*位置，初步確定工程斷面的最大沖深位置和高程變化范圍[HT，Hs-Ahl]；步驟2，確定不利水沙條件，具體實現(xiàn)包括以下步驟，流量進行頻率分析，按照頻率大于75 %的是小水年， 25% 75%的是中水年，小于25%的是大水年的標準確定出包括大、中、小水不同水沙組合的典型水沙系列年；步驟2. 2，采用工程校核洪水作為典型特大洪水，并根據(jù)已知河床沖刷作用最大的特大洪水年，通過特大洪水年的水沙過程推求出工程校核洪水對應的水沙過程；步驟2. 3，將步驟2. 1所得典型水沙系列年和步驟2. 2所得典型特大洪水進行組合，形成最影響工程安全的不利水沙條件；步驟3，工程位置最大沖深準確定位，具體實現(xiàn)包括以下步驟，步驟3. 1，根據(jù)步驟2確定的不利水沙條件，采用平面二維水沙數(shù)學模型計算工程位置最深點高程隨時間的變化過程，得到每個時刻工程斷面最深點高程值，從中得到最大沖深出現(xiàn)的時間和最深點高程；步驟3. 2，判斷步驟3. 1所得最大沖深時的最深點高程是否處于步驟1. 2中初步確定的工程斷面的最大沖深高程變化范圍[HT，Hs-Ahl]中，如果是則根據(jù)步驟3.1最大沖深出現(xiàn)的時間和最深點高程進行埋深定位。而且，步驟2. 2中，工程校核洪水對應的水沙過程包括流量過程和沙量過程，確定工程校核洪水對應的流量過程時，包括取特大洪水年的洪水過程線，用同頻率放大的方法推求工程校核洪水對應的流量過程；確定工程校核洪水對應的沙量過程時，采用如下公式進行計算Qs = aQb其中A為輸沙率，Q為流量，系數(shù)a和b通過建立多年流量和輸沙率相關關系的下包線確定；所述輸沙率只包含床沙質(zhì)輸沙率。本發(fā)明基于河床演變基本原理和水沙輸移基本理論，對工程河段演變，尤其是工程附近斷面沖淤特性形成深入認識的基礎上，提出能反映河段水沙輸移特性的水沙條件的推求方法，利用數(shù)學模型，實現(xiàn)對工程位置最大沖深位置的準確定位，并能提供工程位置最深點高程隨時間變化過程和擺動幅度。本發(fā)明既能用于過江隧道，也能用于過河隧道。


圖1為本發(fā)明實施例的流程圖；圖2為工程斷面形態(tài)及下包線圖；圖3為工程附近典型地質(zhì)柱狀圖；圖4為校核洪水流量及床沙質(zhì)含沙量過程線；圖5為流量與床沙質(zhì)輸沙率相關關系圖；圖6為工程斷面最深點高程變化過程；圖7為最大沖深時工程斷面變化圖。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例詳細說明本發(fā)明技術方案。參見附圖1，本發(fā)明實施例是擬建于某河段的過江隧道工程，結合水文資料、地形資料、地質(zhì)資料，采用以下步驟確定工程位置的最大沖深
步驟1，初判最大沖深位置。具體實現(xiàn)包括以下步驟步驟1. 1，通過套繪歷年工程位置斷面形態(tài)并點繪斷面形態(tài)下包線圖，確定已觀測到的斷面最深點高程H τ和位置。實施例通過比較分析歷年工程位置橫斷面形態(tài)圖，并根據(jù)斷面不同位置的最深點確定工程斷面的下包線圖，參見附圖2，圖中橫坐標表示離左岸距離，縱坐標是高程。分析結果顯示，斷面整體呈沖淤交替變化，并隨兩岸護岸工程的不斷加固，斷面形態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定。從工程斷面的下包線可以看出，工程斷面的最深點高程曾達到Ht，其發(fā)生的時間主要是在兩岸實施護岸工程以前，河勢穩(wěn)定性相對較差，遇大水少沙年份，工程斷面就會出現(xiàn)較大幅度的沖刷。步驟1. 2，根據(jù)工程附近的地質(zhì)條件，確定可沖層的厚度Ahl，并根據(jù)當前工程斷面的最深點高程11§和步驟1. 1中給出的斷面最深點高程Ht*位置，初步確定工程斷面的最大沖深位置和高程變化范圍[HT，HS-Ahl]。通過初步確定工程斷面的最大沖深位置， 可以預估最大沖深可能會發(fā)生在河床那個部位。由附圖3可見實施例中工程附近的地質(zhì)條件，河床組成可分為三層，第1層是粒徑較細的粉砂，層厚為Ahl，層底標高為hl(hl<HT)，這個高程以下的第2層(層厚為Ah2， 層底標高為Μ)和第3層(層厚為Δ1ι3，層底標高為Μ)就是由抗沖性非常好的細圓礫土和基巖。圖中提供了巖層剖面示意，以供參考。因此，該處的可沖層基本在hi高程以上。以上分析可見，盡管近年來工程河段河勢總體穩(wěn)定，工程斷面最深點高程變化幅度也不大，但由于該處河床有約Ahl厚的可沖層，遇大水小沙等不利年份，河床極有可能發(fā)生較大幅度沖刷，最深點高程可能會達到Ht以下。步驟2，確定不利水沙條件，具體實現(xiàn)包括以下步驟步驟2. 1，將河段歷年徑流量進行頻率分析，按照頻率大于75 %的是小水年， 25 % 75 %的是中水年，小于25 %的是大水年的標準確定出包括大、中、小水不同水沙組合的典型水沙系列年。一般水沙系列是選擇一典型系列年加上特大洪水年(如設計洪水、校核洪水)作為計算條件進行模擬。對于典型系列年的選擇，從以上分析多年工程斷面的沖淤特點可見， 工程斷面多年來沖淤交替，沒有出現(xiàn)趨勢性的沖刷或淤積這種單向變化，因此實施例選取包括大、中、小水等連續(xù)水沙年作為典型水沙系列年即可。步驟2. 2，采用工程校核洪水作為典型特大洪水，并根據(jù)已知河床沖刷作用最大的特大洪水年，通過特大洪水年的水沙過程推求出工程校核洪水對應的水沙過程；實施例對于特大洪水年的確定，根據(jù)隧道的設計標準，從工程安全角度出發(fā)，選擇工程校核洪水作為典型洪水過程。具體實施時，可以收集整理工程河段多年的日均流量資料，并對其進行頻率計算，確定了洪峰流量較大的幾個年份，并比較這幾個年份洪水期間河床沖刷幅度的大小，確定河床沖刷幅度較大的年份作為特大洪水年。確定工程校核洪水對應的流量過程用目前應用較為廣泛的同頻率放大的方法將其流量過程放大成校核洪水對應的流量過程，參見附圖4?，F(xiàn)有的水文觀測資料一般較短，至多百年左右，不能滿足設計時對洪水頻率的要求。因此在確定典型洪水對應的流量過程時必須根據(jù)工程河段已發(fā)生洪水過程進行放大。同頻率放大的方法屬于現(xiàn)有技術，可參見葉守澤，詹道江，高等學校教材-工程水文學(第三版)，北京中國水利水電出版社，1987。確定工程校核洪水對應的沙量過程根據(jù)實測資料，按照床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的劃分方法確定分界粒徑胃，分別點繪了流量和床沙質(zhì)輸沙率的相關關系，如附圖5?？紤]到同流量下含沙量越小，河床的沖刷作用越顯著，從工程安全角度出發(fā)，采用附圖5中流量輸沙率關系的下包線(乘冪)作為沙量過程確定的依據(jù)。在推求沙量過程時，采用如下公式進行計算 = aQb，其中A為輸沙率，Q為流量， 系數(shù)a和b通過建立多年流量和輸沙率相關關系的下包線確定。計算輸沙率時，由于參與河床變形的泥沙主要是床沙質(zhì)，因此只需計算床沙質(zhì)輸沙率?？梢允紫雀鶕?jù)工程河段的水文和河床組成資料，按照河床上泥沙組成小于5% 10%的泥沙粒徑作為河段床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的分界粒徑的方法確定床沙質(zhì)，再通過建立床沙質(zhì)輸沙率和流量相關關系來推求典型洪水對應的沙量過程。現(xiàn)有技術一般采用小于5% 10%的泥沙粒徑作為分界粒徑，本發(fā)明不予贅述。實施例的流量輸沙率關系表達式為A = 7E-14Q2 81。附圖4即為按下包線推求的校核洪水對應的床沙質(zhì)含沙量過程線。步驟2. 3，將步驟2. 1所得典型水沙系列年和步驟2. 2所得典型特大洪水進行組合，形成最影響工程安全的不利水沙條件。即根據(jù)以上步驟結果，實施例確定不利水沙條件為包括大、中、小水等連續(xù)水沙年+校核洪水。步驟3，工程位置最大沖深準確定位，具體實現(xiàn)包括以下步驟步驟3. 1，根據(jù)步驟2確定的不利水沙條件，采用平面二維水沙數(shù)學模型計算分析工程位置最深點高程隨時間的變化過程，得到每個時刻工程斷面最深點高程值，從中得到最大沖深出現(xiàn)的時間和最深點高程。平面二維水沙數(shù)學模型為現(xiàn)有技術，具體實施時可參見李義天，趙明登，曹志芳， 河道平面二維水沙數(shù)學模型，北京中國水利水電出版社，2001。實施例采用平面二維水沙數(shù)學模型和上述水沙條件，計算工程位置的最大沖深時，選取當前時刻地形作為模型計算起始地形。模型計算的斷面最深點高程隨時間變化見附圖6，最大沖深時斷面形態(tài)和計算起始時刻斷面形態(tài)見附圖7。可見，斷面沖深最大值一般出現(xiàn)在洪水期末，汛后退水最深點高程逐漸回淤，而校核洪水對工程斷面最大沖深出現(xiàn)在校核洪水條件下，最深點高程為hmax(hmax > Ητ)，相對起始地形沖刷的厚度為Ahmax(Ahmax< Ahl)。步驟3. 2，判斷步驟3. 1所得最大沖深時的最深點高程是否處于步驟1. 2中初步確定的工程斷面的最大沖深高程變化范圍[HT，Hs-Ahl]中，如果是則根據(jù)步驟3.1最大沖深出現(xiàn)的時間和最深點高程進行埋深定位。通過將步驟3. 1的計算結果與步驟1. 2中的初步確定結果相互印證，可以檢驗計算和分析結果的合理性。極少情況下出現(xiàn)不符合，則可以調(diào)整平面二維水沙數(shù)學模型的參數(shù)，返回步驟3. 1重新計算，直到出現(xiàn)符合的結果，模型計算得到的最大沖深時的最深點高程處于預判范圍中。具體調(diào)整可由本領域技術人員實現(xiàn)， 參考文獻有詳細說明。該方法采用的各種條件都是從對工程安全最不利的角度出發(fā)，模型計算出的結果也與實際發(fā)生現(xiàn)象的變化特點較為相符，表明確定的最大沖深是合理的，對工程而言是偏安全的，可為過江隧道的合理埋設提供科學依據(jù)。 本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
權利要求
1.一種過江過河隧道的埋深定位方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟1，初判最大沖深位置，具體實現(xiàn)包括以下步驟，步驟1. 1，通過套繪歷年工程位置斷面形態(tài)并點繪斷面形態(tài)下包線圖，確定已觀測到的斷面最深點高程《V和位置；步驟1.2，根據(jù)工程附近的地質(zhì)條件，確定可沖層的厚度AM，并根據(jù)當前工程斷面的最深點高程I3和步驟1. 1中給出的斷面最深點高程If和位置，初步確定工程斷面的最大沖深位置和高程變化范圍[H飛，^3 Ml ]；步驟2，確定不利水沙條件，具體實現(xiàn)包括以下步驟，步驟2. 1，將河段歷年徑流量進行頻率分析，按照頻率大于75%的是小水年，259Γ75%的是中水年，小于25%的是大水年的標準確定出包括大、中、小水不同水沙組合的典型水沙系列年；步驟2. 2，采用工程校核洪水作為典型特大洪水，并根據(jù)已知河床沖刷作用最大的特大洪水年，通過特大洪水年的水沙過程推求出工程校核洪水對應的水沙過程；步驟2. 3，將步驟2. 1所得典型水沙系列年和步驟2. 2所得典型特大洪水進行組合，形成最影響工程安全的不利水沙條件；步驟3，工程位置最大沖深準確定位，具體實現(xiàn)包括以下步驟， 步驟3. 1，根據(jù)步驟2確定的不利水沙條件，采用平面二維水沙數(shù)學模型計算工程位置最深點高程隨時間的變化過程，得到每個時刻工程斷面最深點高程值，從中得到最大沖深出現(xiàn)的時間和最深點高程；步驟3. 2，判斷步驟3. 1所得最大沖深時的最深點高程是否處于步驟1.2中初步確定的工程斷面的最大沖深高程變化范圍[，H5 _______Ml ]中，如果是則根據(jù)步驟3. 1最大沖深出現(xiàn)的時間和最深點高程進行埋深定位。
2.如權利要求1所述過江過河隧道的埋深定位方法，其特征在于步驟2.2中，工程校核洪水對應的水沙過程包括流量過程和沙量過程，確定工程校核洪水對應的流量過程時，包括取特大洪水年的洪水過程線，用同頻率放大的方法推求工程校核洪水對應的流量過程；確定工程校核洪水對應的沙量過程時，采用如下公式進行計算其中&為輸沙率，Q為流量，系數(shù)a和b通過建立多年流量和輸沙率相關關系的下包線確定；所述輸沙率只包含床沙質(zhì)輸沙率。
全文摘要
本發(fā)明提出一種過江過河隧道的埋深定位方法，首先初步確定工程斷面最大沖深可能出現(xiàn)的部位，然后根據(jù)工程河段沖淤特點及與水文年的對應關系以及工程的設計標準，從工程安全角度出發(fā)，確定對工程安全最不利的水沙條件。最后采用平面二維水沙數(shù)學模型和不利水沙條件，實現(xiàn)對工程位置最大沖深部位的準確定位，并能提供最大沖深出現(xiàn)的時間、最深點高程。
文檔編號E02D29/063GK102418349SQ201110302180
公開日2012年4月18日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權日2011年9月28日
發(fā)明者孫昭華, 張為, 李義天, 趙明登, 鄧金運 申請人:武漢大學