富水断层非标准三角堰测法流量计算方法及工程应用

牟勇忠; 周传波; 肖文芳; 蒋楠; 吴廷尧; 杜超飞; 刘赶平; 刘磊

doi:10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0619

富水断层非标准三角堰测法流量计算方法及工程应用

doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0619

牟勇忠^{1, 2,},
周传波^1, ,,
肖文芳³,
蒋楠¹,
吴廷尧¹,
杜超飞¹,
刘赶平⁴,
刘磊⁴

基金项目:

中铁十六局集团第三工程有限公司科研项目 2017056179

贵州省教育厅青年科技人才成长项目黔教合KY字[2019]083

贵州省科技厅基础研究项目黔科合基础[2019]1173

详细信息

作者简介:
牟勇忠(1979-), 男, 讲师, 主要从事工程岩土体稳定性论证、优化与防控研究和教学工作。E-mail:461007702@qq.com

通讯作者:
周传波(1963-), 男, 教授, 主要从事岩土工程、地下工程、工程爆破等领域的教学和科研工作。E-mail:cbzhou@cug.edu.cn

中图分类号: X43
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出版历程
- 收稿日期: 2020-03-22

Flow calculation method and engineering application of non-standard triangle weir measurement method for rich-water faults

摘要

摘要: 公路、铁路、水利水电、矿山等隧道工程建设和运营过程中，不可避免地会遭遇塌方、突涌水等地质灾害问题，围岩失稳破坏和渗流突变是发生突水的直接原因。为查明龙南隧道F₈富水断层洞身范围涌水来源及其涌水量的大小，采用非标准三角堰测法结合矩形堰测法现场监测F₈断层地表上、下游流量。本研究提出非标准三角堰测法的基本概念，并根据标准三角堰测法流量公式，结合流量的等效原理，推导出了非标准三角堰测法流量公式。通过理论与实测数据进行比较，证明了本公式的合理性。研究结果表明，非标准三角堰测法流量公式的推导为现场流量实测提供了方便，克服了标准三角堰测法公式适用范围不足的缺点，为分析断层破碎带洞身围岩范围内涌水量大小提供了可靠依据。
- 富水断层 /
- 非标准三角堰测法 /
- 矩形堰测法 /
- 流量公式 /
- 流量等效原理
Abstract: In the construction and operation of tunnels such as highways, railways, water conservancy and hydropower, and mines, it is inevitable to encounter geological disasters such as collapse and water inrush. The instability and destruction of surrounding rocks and seepage sudden change are the direct causes of water inrush. To find out the source of water inrush and the amount of water inrush in the area of F₈ rich-water faults of Longnan tunnel, the non-standard triangular weir measuring method and the rectangular weir measuring method are used to monitor the flow of F₈ surface upstream and downstream. In this paper, the basic concept of non-standard triangular weir method is put forward, and according to the flow formula of standard triangular weir measuring method and the principle of flow equivalence, the flow formula of non-standard triangular weir measuring method is derived. The rationality of the formula is proved by comparing the theory with the measured data. The results show that the derivation of the flow formula of the non-standard triangular weir measurement method provides convenience for the field flow measurement, overcomes the shortcomings of the application scope of the standard triangular weir measurement method formula, and provides a reliable basis for the analysis of the water inflow in the surrounding rock of the tunnel body in the fault fracture zone.
- rich-water fault /
- non-standard triangular weir mesuring method /
- rectangular weir mesuring method /
- flow formula /
- flow equivalent principle

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图 1 标准三角堰断面

Figure 1. Section of standard triangular weir

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图 2 非标准三角堰与标准三角堰断面

Figure 2. Section of standard triangular weir and isosceles acute angle triangular weir

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图 3 龙南隧道区位示意图

Figure 3. Location sketch map of Longnan tunnel

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图 4 龙南隧道工程地质剖面

Figure 4. Engineering geological profile of Longnan tunnel

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图 5 F₈断层地表水系分布

注：勘察期间发现ZK2孔口涌水，水柱高约2 m，推测F₈断层范围洞身水压高达0.5 MPa

Figure 5. Surface drainage distribution of F₈ fault

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图 6 上矩形堰实物图

Figure 6. Physical drawing of upper rectangular weir

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图 7 下矩形堰连接非标准三角堰(下三角堰)实物图

Figure 7. Physical drawing of lower rectangular weir connected with non-standard triangular weir (lower-triangular weir)

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表 1 F₈断层上游矩形堰测法流量监测结果

Table 1. Flow monitoring results of F₈ fault upstream rectangular weir method

监测时间	天气	h/cm	B/cm	Q/(L·s^-1)	Q/(m³·h^-1)
2019/03/13, 17:05	晴	6.53	102.00	30.64	110.29
2019/03/14, 17:00	雨转阴	6.63	102.00	31.34	112.83
2019/03/15, 17:10	晴	6.60	102.00	31.13	112.07
2019/03/16, 17:30	雨	7.03	102.00	34.22	123.20
2019/03/17, 17:50	雨转阴	6.77	102.00	32.34	116.43
2019/03/18, 18:00	阴	6.50	102.00	30.43	109.53
2019/03/19, 18:05	阴	6.47	102.00	30.22	108.78
2019/03/20, 18:30	阴	6.57	102.00	30.92	111.31
2019/03/21, 18:32	阴	6.47	102.00	30.22	108.78
2019/03/22, 18:20	雨转阴	6.70	102.00	31.84	114.63
2019/03/23, 18:25	雨转阴	6.90	102.00	33.28	119.80
2019/03/24, 18:20	阴	6.93	102.00	33.49	120.58
2019/03/25, 18:10	阴	6.83	102.00	32.77	117.98
2019/03/26, 18:20	雨转阴	6.80	102.00	32.56	117.20
2019/03/27, 18:15	阴	6.97	102.00	33.78	121.63
平均值		6.71		31.95	115.00
注：矩形堰测法适用条件为流量Q≥30 L/s；h为水深; B为堰口宽，下同

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表 2 F₈断层下游非标准三角堰测法流量监测结果

Table 2. Flow monitoring results of non-standard triangular weir measurement method at the downstream of F₈ fault

监测时间	天气	h/cm	C	Q/(L·s^-1)	Q/(m³·h^-1)
2019/03/13, 17:30	晴	13.13	0.014	13.04	46.94
2019/03/14, 17:25	雨转阴	13.40	0.014	13.72	49.39
2019/03/15, 17:28	晴	13.33	0.014	13.54	48.74
2019/03/16, 17:55	雨	16.33	0.014	22.49	80.97
2019/03/17, 18:15	雨转阴	15.17	0.014	18.71	67.35
2019/03/18, 18:30	阴	13.90	0.014	15.03	54.12
2019/03/19, 18:35	阴	13.40	0.014	13.72	49.39
2019/03/20, 18:55	阴	13.47	0.014	13.90	50.03
2019/03/21, 18:53	阴	13.27	0.014	13.39	48.20
2019/03/22, 18:48	雨转阴	14.60	0.014	17.00	61.20
2019/03/23, 18:50	雨转阴	14.33	0.014	16.22	58.41
2019/03/24, 18:45	阴	15.33	0.014	19.20	69.14
2019/03/25, 18:35	阴	14.90	0.014	17.89	64.39
2019/03/26, 18:47	雨转阴	15.73	0.014	20.48	73.74
2019/03/27, 18:42	阴	15.67	0.014	20.29	73.03
平均值		14.40		16.57	59.67
注：1.非标准三角堰测法适用条件为1 L/s＜Q＜30 L/s；2.测得非标准三角堰顶角θ=108°

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表 3 F₈断层下游标准三角堰测法流量计算结果

Table 3. Flow calculation results of F₈ fault downstream standard triangular weir measurement method

监测时间	天气	h/cm	C	Q/(L·s^-1)	Q/(m³·h^-1)
2019/03/13, 17:30	晴	13.13	0.014	8.75	31.48
2019/03/14, 17:25	雨转阴	13.40	0.014	9.21	33.13
2019/03/15, 17:28	晴	13.33	0.014	9.08	32.70
2019/03/16, 17:55	雨	16.33	0.014	15.09	54.31
2019/03/17, 18:15	雨转阴	15.17	0.014	12.55	45.17
2019/03/18, 18:30	阴	13.90	0.014	15.03	54.12
2019/03/19, 18:35	阴	13.40	0.014	9.20	33.13
2019/03/20, 18:55	阴	13.47	0.014	9.32	33.56
2019/03/21, 18:53	阴	13.27	0.014	8.98	32.33
2019/03/22, 18:48	雨转阴	14.60	0.014	11.40	41.05
2019/03/23, 18:50	雨转阴	14.33	0.014	10.88	39.18
2019/03/24, 18:45	阴	15.33	0.014	12.88	46.38
2019/03/25, 18:35	阴	14.90	0.014	12.00	43.19
2019/03/26, 18:47	雨转阴	15.73	0.014	13.74	49.46
2019/03/27, 18:42	阴	15.67	0.014	13.61	48.99
平均值		14.40		11.45	41.21
注：标准三角堰测法适用条件为1 L/s＜Q＜30 L/s

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表 4 F₈断层下游普通堰测法流量理论计算值

Table 4. Theoretical calculation value of flow measured by ordinary weir downstream of F₈ fault

h′/cm	S/cm²	L/cm	t/s	υ/(cm·s^-1)	Q/(L·s^-1)
13.13	237.40	120.00	2.22	54.05	12.83
13.40	247.14	120.00	2.15	55.81	13.79
13.33	244.69	120.00	2.12	56.60	13.85
16.33	367.19	120.00	2.11	56.87	20.88
15.17	316.61	120.00	2.09	57.42	18.18
13.90	265.93	120.00	2.02	59.41	15.80
13.40	247.14	120.00	2.15	55.81	13.79
13.47	249.61	120.00	2.09	57.42	14.33
13.27	242.25	120.00	2.12	56.60	13.71
14.60	293.39	120.00	1.98	60.61	17.78
14.33	282.77	120.00	2.04	58.82	16.63
15.33	323.60	120.00	2.01	59.70	19.32
14.90	305.57	120.00	1.97	60.91	18.61
15.73	340.71	120.00	2.05	58.54	19.94
15.67	337.83	120.00	1.99	60.30	20.37
平均值	286.79		2.07	57.92	16.66
注：断面面积$S=h^{\prime} \times \operatorname{tg}\left(\frac{\theta}{2}\right)$, 其中顶角θ=108°，h′为水深；L为堰长；t为时间；v为平均流速

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