專利名稱：巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地下巖溶隧道暗河暴雨徑流過程以及涌水預(yù)警領(lǐng)域，尤其涉及一種巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法。
背景技術(shù)：
鐵路隧道施工時(shí)，通常會(huì)遭遇巖溶地下河系統(tǒng)。巖溶地下河系統(tǒng)通常以巖溶洞穴等多種巖溶空隙介質(zhì)體為主，其形態(tài)結(jié)構(gòu)和地表河流具有一定的相似性，符合地表水系的發(fā)育、形成和演化規(guī)律，地下河流量動(dòng)態(tài)變化特征與地表水流也具有很好的相似性，都具有流量大、流速快、洪峰在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成的特點(diǎn)。在隧道施工的過程中，隧道襲奪了地下河原徑流途徑，巖溶地下河水成為隧道涌水最主要的水源。因而，在隧道施工的過程中，實(shí)時(shí)進(jìn)行涌水洪水預(yù)報(bào)、提高洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的精度和增長預(yù)見期是施工階段防洪減災(zāi)和安全生產(chǎn)的核心。目前，常用的對隧道涌水量進(jìn)行預(yù)測的方法是降雨入滲法、地下水動(dòng)力學(xué)法等傳統(tǒng)方法。然而，采用傳統(tǒng)的水文地質(zhì)隧道涌水量預(yù)測方法來實(shí)現(xiàn)巖溶隧道涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間時(shí)，無論在理論、方法和技術(shù)手段等方面都遇到了挑戰(zhàn)。因此，有必要提供一種巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法克服上述缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法，能準(zhǔn)確預(yù)測隧道內(nèi)涌水洪峰峰值以及洪峰到達(dá)時(shí)間，從而根據(jù)預(yù)測的洪峰峰值和洪峰到達(dá)時(shí)間，安排隧道施工時(shí)間，進(jìn)而保證施工人員的生命安全以及施工機(jī)械設(shè)備的安全，為隧道的安全快速掘進(jìn)和保證隧道如期貫通創(chuàng)造條件。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法，包括如下步驟(I)計(jì)算點(diǎn)雨量；(2)根據(jù)點(diǎn)雨量確定面雨量；(3)根據(jù)面雨量計(jì)算凈雨量；(4)計(jì)算時(shí)段單位線；(5)根據(jù)時(shí)段單位線計(jì)算凈雨時(shí)段單位線；(6)根據(jù)凈雨量和凈雨時(shí)段單位線計(jì)算地面徑流；(7)計(jì)算地下徑流；(8)將各時(shí)段的地面徑流與相應(yīng)時(shí)段的地下徑流相加得到洪水量；(9)對洪水量的值進(jìn)行擬合得到洪水過程線；(10)從洪水過程線上獲得洪峰峰值及其對應(yīng)的峰值時(shí)間，并根據(jù)洪峰峰值及其對應(yīng)的峰值時(shí)間確定巖溶隧道的施工時(shí)間。較佳地，所述步驟(I)具體為根據(jù)公式義計(jì)算點(diǎn)雨量，其中，I為1、6、24小時(shí)的點(diǎn)暴雨量均值，kp為皮爾遜III型頻率曲線的模比系數(shù)。較佳地，所述步驟(2)包括(21)根據(jù)地形圖按照1:5000的比例量算出巖溶隧道附近流域的流域面積；(22)當(dāng)流域面積< 25 km2時(shí)，Htaj=Ht^其中，HtB為面雨量；當(dāng)流域面積≥ 25km2 且 10 分鐘彡 t < 60 分鐘時(shí)，Zft面=H2411 ·4”2—1 ·6"1—1 ·60" —V1—"。(a);當(dāng)CN 102930357 A說明書2/9 頁
流域面積彡25 km2且I小時(shí)< t < 6小時(shí)時(shí)，Hm = Hm · t^n' ( b);當(dāng)流域面積彡25 km2且6小時(shí)< t < 24小時(shí)時(shí)，Hm = H1.'.' ·6":-1 ·t1^"2 (c);在公式(a)、公式(b)和公式(C)中，
= I + o.5581n , = I + 0.5581n , = I + 0.721 In , Ht 面為面雨量，H24 面為 24
η6Μ打24 面
小時(shí)的設(shè)計(jì)面暴雨量，Hib為I小時(shí)的設(shè)計(jì)面暴雨量，H6b為6小時(shí)的設(shè)計(jì)面暴雨量，H10,面為10分鐘時(shí)的設(shè)計(jì)面暴雨量。較佳地，所述步驟(3)具體為根據(jù)公式/, =(//,ι -/,,)-0.0615/#義計(jì)算凈雨
量，其中，HtB為面雨量，Itl為初損雨量且1^=22. 5，i^61為24小時(shí)的總徑流深，Λ t為凈雨時(shí)段。較佳地，所述步驟(4)具體為根據(jù)公式u(Aft)=S(t)-S(t-At)計(jì)算時(shí)段單位線，其中，S(t)為t時(shí)刻對應(yīng)的S(t)曲線的值。較佳地，所述步驟(4)包括(41)根據(jù)地形圖按照1:5000的比例算出巖溶隧道附
近流域的主河道長度和主河道平均比降；(42)根據(jù)公式呷=0.76Fa33ianJ-M7(l-i)_"12
l·
計(jì)算第一匯流參數(shù)，其中，F(xiàn)為巖溶隧道附近流域的流域面積，L為巖溶隧道附近流域的主河道長度，J為巖溶隧道附近流域的主河道平均比降，為巖溶隧道附近流域的天坑率；
(43)根據(jù)公式Ill=O. 69F0·224Ja 092計(jì)算第二匯流參數(shù)，其中，F(xiàn)為巖溶隧道附近流域的流域面
積，J為巖溶隧道附近流域的主河道平均比降；(44)根據(jù)公式〃(Ο·/) = ^~(-Y V I計(jì)
kY (η) k
算瞬時(shí)單位線，其中，k為線性水庫的調(diào)蓄系數(shù)且&二 I ；Γ (η)為η的伽馬函數(shù)；η為線性
nI
tt-Xt
水庫的個(gè)數(shù)；(45)根據(jù)公式〃(Δ/·0 = J*" (O· t) dt- ]*"(()·(〖-計(jì)算時(shí)段單
OO
位線，其中，u(0· t)為瞬時(shí)單位線，u(0· (t-At))為錯(cuò)開一個(gè)時(shí)段的瞬時(shí)單位線。較佳地，根據(jù)公式 /(Δ/=iAt-t) H十算凈雨時(shí)段單位線，其中，F(xiàn)為巖
3.6Δ/
溶隧道附近流域的流域面積，h為凈雨深度，u(At · t)為時(shí)段單位線。較佳地，所述步驟(6)具體為通過凈雨時(shí)段單位線q(At *t)分別乘以順次錯(cuò)開一個(gè)時(shí)段的各段凈雨量的值相加計(jì)算地面徑流。較佳地，所述步驟(7)具體為當(dāng)t彡T時(shí)，根據(jù)公式β計(jì)算地
7
下徑流；當(dāng)t > T時(shí)，根據(jù)公式Qt=Qg · e-Mt_T)計(jì)算地下徑流；在上述兩個(gè)式子中，Qtl為起
以.1’. -(LL)Q0
漲流量且，Qg為地下徑流洪峰值且= 3 6 τ2χβ~，f。為穩(wěn)滲率且
Q0 = Qmif1cuFI+^
6I = 0.0615/C'，為24小時(shí)的總徑流深，F(xiàn)為巖溶隧道附近流域的流域面積，tc為凈雨歷時(shí)，β為退水指數(shù)且β=0. 133F_°_28，T為地面徑流過程線底寬且T=te+D-At，D為時(shí)段At的單位線底寬。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法具有以下優(yōu)點(diǎn)I、采用的模型結(jié)構(gòu)簡單、計(jì)算方便且所需的原始資料數(shù)據(jù)比較容易獲得；2、充分考慮到鐵路隧道巖溶地下河(也稱“暗河”)流量動(dòng)態(tài)變化特征，在流域尺度范圍內(nèi)，對降雨徑流形成過程進(jìn)行綜合模擬，從而實(shí)現(xiàn)了流域水文響應(yīng)的目的；3、可根據(jù)降水量、通過獲得的洪水過程線預(yù)測涌水量、涌水量峰值、涌水量峰值到達(dá)的時(shí)間、涌水量峰值過后的衰減規(guī)律以及水壓動(dòng)態(tài)等給出進(jìn)洞、出洞規(guī)避的建議，以保證施工人員的生命安全以及施工機(jī)械設(shè)備的安全，從而為隧道的安全快速掘進(jìn)和保證隧道如期貫通創(chuàng)造條件；4、可進(jìn)行實(shí)時(shí)涌水預(yù)報(bào)，以提高洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)精度和增長預(yù)見期，為施工階段防洪減災(zāi)和安全生產(chǎn)提供保障；5、可預(yù)測鐵路巖溶隧道地下河降雨洪峰峰值涌水量及峰現(xiàn)時(shí)間，以達(dá)到安全預(yù)警、保障施工安全作業(yè)的重要作用；6、將流域水文模型法應(yīng)用到巖溶區(qū)隧道涌水量的預(yù)測中，是一種新的嘗試，該方法應(yīng)用于復(fù)雜深埋巖溶隧道突水洪峰預(yù)警時(shí)間預(yù)測為國內(nèi)首創(chuàng)且對類似隧道暗河涌水預(yù)測具有借鑒作用和推廣價(jià)值。通過以下的描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本發(fā)明的實(shí)施例。


圖I為本發(fā)明巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法的主流程圖。圖2為采用本發(fā)明宜萬鐵路巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法獲得的中鹿箐隧道洪水過程曲線的示意圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中類似的元件標(biāo)號代表類似的元件。參考圖1，本實(shí)施例巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法包括如下步驟步驟SI,根據(jù)公式丑@ =//·&計(jì)算點(diǎn)雨量,其中，百為1、6、24小時(shí)的點(diǎn)暴雨量均值，kp為皮爾遜III型頻率曲線的模比系數(shù)；步驟S2，根據(jù)地形圖按照1:5000的比例量算出巖溶隧道附近流域的流域面積；步驟S3，當(dāng)流域面積< 25 km2時(shí)，Ht B=Ht點(diǎn)，其中，Ht B為面雨量；當(dāng)流域面積彡25 km2且10分鐘彡t < 60分鐘時(shí)，
7H =":4|.丨.4": —1 6 '60”" V f,° Ca)當(dāng)流域面積彡25 km2且I小時(shí)彡t < 6小時(shí)時(shí)，
= ' 、b)，當(dāng)流域面積彡25km2且6小時(shí)彡t彡24小時(shí)時(shí)，
/Z11.丨=",、丨.丨 Hi(c);
H在公式(a)、公式(b)和公式(C)中，《。=l+ 0.5581n~^H，W1 = l+0.5581n 7 2 =1 + 0.721 In HtB為面雨量，H24b為24小時(shí)的設(shè)計(jì)面暴雨量，H1B為I小時(shí)的設(shè)計(jì)面
#24面
暴雨量，H6b為6小時(shí)的設(shè)計(jì)面暴雨量，H10,面為10分鐘時(shí)的設(shè)計(jì)面暴雨量；步驟S4,根據(jù)公式/,. = (Nnllj -/,,)-0.計(jì)算凈雨量,其中，HtB為面雨量,
I0為初損雨量且Io=22. 5，R^f1為24小時(shí)的總徑流深，Λ t0為凈雨時(shí)段；步驟S5，根據(jù)公式u( At OS(O-Sa-At)計(jì)算時(shí)段單位線，其中，S (t)為t時(shí)刻對應(yīng)的S (t)曲線的值；
Jif7步驟S6，根據(jù)公式#…·/) = ^“ (Δ/· ) H十算凈雨時(shí)段單位線，其中，F(xiàn)為巖
3.6Δ/
溶隧道附近流域的流域面積，h為凈雨深度，u(At · t)為時(shí)段單位線；步驟S7，通過凈雨時(shí)段單位線q(At · t)分別乘以順次錯(cuò)開一個(gè)時(shí)段的各段凈雨量的值相加計(jì)算地面徑流；步驟S8，當(dāng)t彡T時(shí)，根據(jù)公式( , = +((^計(jì)算地下徑流；
I當(dāng)t > T時(shí)，根據(jù)公式Qt=Qg · e_e (t_T)計(jì)算地下徑流；在上述兩個(gè)式子中，Qtl為起漲流量且=0.021./:M4/’、Qg為地下徑流洪峰值且
/' .1 .F T I,、
V... _(，_ 尬
(J = 3 6 τ 2{ β~，f。為穩(wěn)滲率且， 為24小時(shí)的總徑流深，F(xiàn)為
Zc = 0.0615/^；' K'；'
巖溶隧道附近流域的流域面積，t。為凈雨歷時(shí)，β為退水指數(shù)且β =0. 133F_°_28，T為地面徑流過程線底寬且T=te+D-A t，D為時(shí)段Λ t的單位線底寬；步驟S9，將各時(shí)段的地面徑流與相應(yīng)時(shí)段的地下徑流相加得到洪水量；步驟S10，對洪水量的值進(jìn)行擬合得到洪水過程線。步驟S11，從洪水過程線上獲得洪峰峰值及其對應(yīng)的峰值時(shí)間，并根據(jù)洪峰峰值及其對應(yīng)的峰值時(shí)間確定巖溶隧道的施工時(shí)間
需要說明的是，步驟SI中的1、6、24小時(shí)的點(diǎn)暴雨量均值可從各省市的“暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集”中的“1、6、24小時(shí)點(diǎn)暴雨均值亙和變差系數(shù)Cv等值線圖”中查得。kp可從“皮爾遜III型頻率曲線kp值表”中查得。步驟S2中的巖溶隧道附近流域的流域面積指隧道涌水點(diǎn)斷面以上地下河的集水面積，單位為km2。步驟S3中，H1B、H6B和H24b可從“1、6、24小時(shí)設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)表”上查得。Hltl, B可從各省市“最大十分鐘點(diǎn)雨量等值線圖”上查得。步驟S4中，/《 可從“暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集”中查得，At為根據(jù)實(shí)際情況人為設(shè)定。步驟S5中，S(t)和S(t-At)可從“暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集”中的“S(t)曲線查算表”中獲得。步驟S7具體為先計(jì)算順次錯(cuò)開一個(gè)時(shí)段的多個(gè)時(shí)間段的凈雨量，再用凈雨時(shí)段單位線q(At · t)分別乘以上述多個(gè)時(shí)間段的凈雨量，最后計(jì)算它們的和即得地面徑流。作為本發(fā)明的另一實(shí)施例與本實(shí)施例不同在于步驟S5具體包括S51，根據(jù)地形圖按照1:5000的比例算出巖溶隧道附近流域的主河道長度和主河道平均比降；S52，根據(jù)公式
權(quán)利要求
1.一種巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法，包括如下步驟(O計(jì)算點(diǎn)雨量；(2)根據(jù)點(diǎn)雨量確定面雨量；(3)根據(jù)面雨量計(jì)算凈雨量；(4)計(jì)算時(shí)段單位線；(5)根據(jù)時(shí)段單位線計(jì)算凈雨時(shí)段單位線；(6)根據(jù)凈雨量和凈雨時(shí)段單位線計(jì)算地面徑流；(7)計(jì)算地下徑流；(8)將各時(shí)段的地面徑流與相應(yīng)時(shí)段的地下徑流相加得到洪水量；(9)對洪水量的值進(jìn)行擬合得到洪水過程線；(10)從洪水過程線上獲得洪峰峰值及其對應(yīng)的峰值時(shí)間，并根據(jù)洪峰峰值及其對應(yīng)的峰值時(shí)間確定巖溶隧道規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的施工時(shí)間。
2.如權(quán)利要求I所述的巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟(I)具體為根據(jù)公式計(jì)算點(diǎn)雨量，其中，I為1、6、24小時(shí)的點(diǎn)暴雨量均值，kp為皮爾遜III型頻率曲線的模比系數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟(2)包括(21)根據(jù)地形圖按照1:5000的比例量算出巖溶隧道附近流域的流域面積；(22)當(dāng)流域面積<25km2時(shí)，Ht B=Ht點(diǎn)，其中，Ht B為面雨量；當(dāng)流域面積彡25 km2且10分鐘< t < 60分鐘時(shí)，Hm = H ·4"2 O ·6(Τ" V(a);當(dāng)流域面積彡25 km2且I小時(shí)彡t < 6小時(shí)時(shí)，= 1 (b);當(dāng)流域面積彡25 km2且6小時(shí)彡t < 24小時(shí)時(shí)，(C);在公式(a)、公式(b)和公式(c)中，n0 =l + 0.5581n^^, //, = I + 0.5581n ^ , 2 =1 + 0.721 In#^，HtB為面雨量，H24B為24小時(shí)的設(shè)計(jì)面暴雨量，H1B為I小時(shí)的設(shè)計(jì)面#24面暴雨量，H6b為6小時(shí)的設(shè)計(jì)面暴雨量，H10,面為10分鐘時(shí)的設(shè)計(jì)面暴雨量。
4.如權(quán)利要求3所述的巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟(3)具體為根據(jù)公式/, =(Hm -./0)-0.0615<6^計(jì)算凈雨量，其中，Ht面為面雨量，I0為初損雨量且1^=22. 5，i^61為24小時(shí)的總徑流深，At為凈雨時(shí)段。
5.如權(quán)利要求4所述的巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟(4)具體為根據(jù)公式u( At *t)=S(t)-S(t-A t)計(jì)算時(shí)段單位線,其中，S (t)為t時(shí)刻對應(yīng)的S (t)曲線的值。
6.如權(quán)利要求4所述的巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟(4)包括(41)根據(jù)地形圖按照1:5000的比例算出巖溶隧道附近流域的主河道長度和主河道平均比降；(42)根據(jù)公式珥=0.76F°3W—計(jì)算第一匯流參數(shù)，其中，F(xiàn)為巖溶隧I,道附近流域的流域面積，L為巖溶隧道附近流域的主河道長度，J為巖溶隧道附近流域的主河道平均比降，巖溶隧道附近流域的天坑率；(43)根據(jù)公式Ill=O.69F0·224Ja 092計(jì)算第二匯流參數(shù)，其中，F(xiàn)為巖溶隧道附近流域的流域面積，J為巖溶隧道附近流域的主河道平均比降；(44)根據(jù)公式〃(O叫=十算瞬時(shí)單位線，其中，k為線性水庫的調(diào)蓄kY (//) k系數(shù)且A = I ；Γ (η)為η的伽馬函數(shù)；η為線性水庫的個(gè)數(shù)；
7.如權(quán)利要求5或6所述的巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟(5)具體為根據(jù)公式=(Δ ·0 H十算凈雨時(shí)段單位線，其中，F(xiàn)為巖溶隧道附近流3.6 Al域的流域面積，h為凈雨深度，u(A t · t)為時(shí)段單位線。
8.如權(quán)利要求7所述的巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟(6)具體為通過凈雨時(shí)段單位線q(At *t)分別乘以順次錯(cuò)開一個(gè)時(shí)段的各段凈雨量的值相加計(jì)算地面徑流。
9.如權(quán)利要求8所述的巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟(7)具體為當(dāng)t≤T時(shí),根據(jù)公式( ), =Qn + ((J1; f計(jì)算地下徑流；當(dāng)t > T時(shí),根據(jù)公式Qt=Qg · e-0 (t_T)計(jì)算地下徑流；在上述兩個(gè)式子中，Qtl為起漲流量且^=0.021/)14/^ Qg為地下徑流洪峰值且
全文摘要
本發(fā)明公開了一種巖溶隧道暗河暴雨涌水洪峰峰值及峰值時(shí)間的預(yù)測方法，其包括(1)計(jì)算點(diǎn)雨量；(2)根據(jù)點(diǎn)雨量確定面雨量；(3)根據(jù)面雨量計(jì)算凈雨量；(4)計(jì)算時(shí)段單位線；(5)根據(jù)時(shí)段單位線計(jì)算凈雨時(shí)段單位線；(6)根據(jù)凈雨量和凈雨時(shí)段單位線計(jì)算地面徑流；(7)計(jì)算地下徑流；(8)將各時(shí)段的地面徑流與相應(yīng)時(shí)段的地下徑流相加得到洪水量；(9)對洪水量的值進(jìn)行擬合得到洪水過程線；(10)從洪水過程線上獲得洪峰峰值及對應(yīng)的峰值時(shí)間，并根據(jù)洪峰峰值及對應(yīng)的峰值時(shí)間確定巖溶隧道的施工時(shí)間。本發(fā)明能準(zhǔn)確預(yù)測隧道內(nèi)涌水洪峰峰值以及洪峰到達(dá)時(shí)間，從而能合理安排隧道施工時(shí)間，保證人員的生命安全和機(jī)械設(shè)備的安全。
文檔編號G06Q10/04GK102930357SQ20121047358
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者汪繼鋒, 顧湘生, 劉坡拉, 曹柏樹, 曾強(qiáng)運(yùn), 黃新連, 鄔強(qiáng), 姚建偉, 徐紅星, 陳愛云 申請人:中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司