地下工程水环境变化与控制

前言

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 3

1.2.1 隧道水文地质及生态环境评价 3

1.2.2 隧道地下水限量排采 4

1.3 研究内容 6

1.3.1 地下工程水环境问题调查研究 6

1.3.2 隧道工程地质环境负效应评价体系研究 6

1.3.3 隧道工程建设地下水环境负效应研究 7

1.3.4 基于环境保护的隧道工程地下水排放量标准与确定方法研究 7

1.3.5 隧道工程地下水控制排放技术 7

第2章 地下工程水环境问题调查研究——重庆市隧道工程 8

2.1 重庆市岩溶水文地质条件 8

2.1.1 区域自然地理条件 8

2.1.2 区域岩溶水文地质条件特征 8

2.2 典型隧道工程地下水环境调查 10

2.2.1 调查概况 10

2.2.2 地下水环境问题时空分布规律 12

2.2.3 地下水环境问题影响要素分析 14

第3章 隧道工程地质环境负效应评价体系研究 18

3.1 隧道工程地质环境负效应评价体系构建 18

3.1.1 隧道工程地质环境负效应评价指标体系 18

3.1.2 隧道工程地质环境负效应评价方法 25

3.1.3 隧道工程地质环境负效应评价系统实现 31

3.2 隧道工程地质环境负效应评价——以重庆市绕城高速玉峰山隧道为例 32

3.2.1 工程概况及区域地质环境 32

3.2.2 玉峰山隧道地质环境负效应评价 38

3.2.3 玉峰山隧道地质环境评价调查验证 44

3.3 隧道工程地质环境负效应评价——以渝湘高速武隆隧道为例 50

3.3.1 工程概况及区域地质环境 50

3.3.2 武隆隧道地质环境负效应评价 54

3.3.3 武隆隧道地质环境评价调查验证 59

第4章 隧道工程建设地下水环境负效应研究 66

4.1 水环境负效应及其特征 66

4.1.1 水环境负效应 66

4.1.2 地下水环境评价类别、等级与要求 67

4.1.3 隧道施工涌水量预测 69

4.1.4 地下水影响范围预测 73

4.1.5 岩溶山区水文地质数值模型 73

4.1.6 岩溶地下水环境变化引起的次生地质灾害及预测评价 75

4.2 隧道地下水环境效应分析——以重庆市中梁山华岩隧道为例 75

4.2.1 华岩隧道水文地质条件概况 75

4.2.2 华岩隧道数值分析模型建立 77

4.2.3 既有隧道条件下拟建隧道地下水渗流场 82

4.2.4 临近采矿下修建隧道地下水渗流场 85

4.2.5 华岩隧道地下水预测分析 88

4.2.6 隧道地下水降落漏斗演化规律 89

4.3 隧道地下水环境效应特征 91

4.3.1 隧道水文地质模式 91

4.3.2 单斜构造山过山隧道地下水影响研究 93

4.3.3 川东隔挡式构造山过山隧道渗地下水影响研究 97

4.3.4 隧址区地下水渗流场时间效应 104

4.4 隧道地下水环境变化规律与勘察评价建议 109

4.4.1 隧道涌水量分析 110

4.4.2 地下水影响范围 111

4.4.3 地下水影响时间 114

4.4.4 隧道埋深、堵排水力与地下水环境 114

4.4.5 隧道地下水环境勘察评价建议 117

第5章 基于环境保护的隧道工程地下水排放量标准与确定方法 119

5.1 隧道工程限量排放解析模型及参数敏感性分析 119

5.1.1 控制型防排水技术方案 119

5.1.2 限量排放解析模型 119

5.1.3 衬砌水压力折减系数敏感度 122

5.2 隧道工程限量排放的标准及确定方法 126

5.2.1 限量排放的概念 126

5.2.2 限量排放的确定方法 126

5.3 地下水限量排放的应用 130

5.3.1 工程概况 130

5.3.2 水文地质 131

5.3.3 设计与施工方案 132

5.3.4 隧道限排量计算 132

第6章 隧道工程地下水控制排放技术 142

6.1 分类与设置原则 142

6.1.1 隧道防排水技术的分类 142

6.1.2 控制排放技术的设置原则 143

6.2 注浆堵水技术 143

6.2.1 围岩注浆的作用 143

6.2.2 注浆堵水总体原则 145

6.2.3 注浆材料的选择 146

6.2.4 注浆参数选定 148

6.2.5 注浆施工流程 150

6.2.6 注浆方式的选择 150

6.2.7 超前注浆实施方案 151

6.2.8 后注浆实施方案 154

6.2.9 注浆效果评估 155

6.3 抗水压补砌 156

6.3.1 外水压力的确定方法 156

6.3.2 抗水压衬砌结构的优化选型 159

6.4 洞内疏导技术 163

6.4.1 暗管与涵洞疏导 163

6.4.2 拱桥跨越 164

6.5 其他控制排放技术 164

6.5.1 地表控制技术 165

6.5.2 地裂缝控制 168

主要参考文献 169

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《地下工程水环境变化与控制》以重庆市岩溶地质条件为背景，采用理论研究、调查评价、数值分析、室内实验等多种手段研究地下工程水环境变化规律和控制技术。在全面调查重庆市隧道工程地下水环境影响基础上，采用理论分析和数值方法研究了重庆市典型隧道地下水输降范围和影响规律，并对重庆市中梁山华岩隧道地下水环境进行了预测研究；采用模糊评价方法建立了地下工程水环境影响评价体系，并将其应用于对重庆市绕城高速玉峰山隧道和渝湘高速武隆隧道的研究；通过理论研究和数值方法，提出了基于环境保护型隧道工程地下水的排放标准和确定方法，并整合提炼了隧道工程地下水控制技术。

所谓变结构，是指当系统的状态满足一定的条件时，系统的控制结构将发生变化。变结构控制(VSC)就是当系统状态穿越不同区域时，反馈控制的结构按照一定的规律发生变化，使得控制系统对被控对象的内在参数变化和外部环境扰动等因素具有一定的适应能力，保证系统性能达到期望的性能指标要求。

由于变结构控制具有抗扰性、自适应性、鲁棒性、实现容易等优点，因此变结构控制引起了人们的普遍重视。

变结构鲁棒控制发展

变结构控制的研究始于 20 世纪 50 年代，前苏联学者 Emelyanov 等提出了变结构控制概念。随后 Utkin，Itkis 等学者总结并发展了滑模变结构控制理论，奠定了滑模变结构控制的理论基础。20 世纪 80 年代以来，随着确定切换函数的系统性方法的出现和微分几何理论的发展，变结构控制开始了新的发展阶段。近二十年来，随着计算机技术和大功率电子开关器件的发展，变结构控制的实现变得越来越容易，因此该方法受到了国内外控制界的广泛重视，现已成为自动控制领域的重要设计方法，并在工程应用中得到了推广应用。

变结构控制是指系统状态达到切换函数值，系统从一个结构自动地切换到另一个确定的结构(结构是一组数学方程描述的模型)。从本质上讲它具有开关切换特性，是一种控制系统的设计方法，适用于线性及非线性系统，包括控制系统的调节，跟踪，自适应及不确定等系统。它具有一些优良特性，尤其是对加给系统的摄动和干扰有良好的自适应性。

变结构鲁棒控制分类

图 1对变结构控制作了大致的分类，变结构控制可分为两大类：

一类是不具有滑动模态的变结构控制，如Bang-Bang 控制、输出反馈变结构控制、多输入继电控制等。这一类控制只能称为变结构控制，虽然控制器可根据反馈量改变系统的结构使系统稳定于平衡位置，但系统不存在一个可滑动的面。

另一类是具有滑动模态(简称为滑模或滑模面)的变结构控制。这一类控制可称为滑模变结构控制或滑模控制，它的控制分为两个步骤：首先是系统从初始状态趋近于并到达滑模面，接着系统在滑模面上滑动并到达平衡位置。

变结构控制器都有一个切换面，如 x1，x2或者 x1 5x2，而具有滑动模态的切换面才称为滑模面。

变结构鲁棒控制（Variable structure robust control）是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性，当系统的状态满足一定的条件时，系统的控制结构将发生变化。变结构鲁棒控制就是当系统状态穿越不同区域时，反馈控制的结构按照一定的规律发生变化，使得控制系统对被控对象的内在参数变化和外部环境扰动等因素具有一定的适应能力，保证系统性能达到期望的性能指标要求的控制方式。

开关变结构控制抖振问题简述

从理论角度，在一定意义上，由于滑动模态可以按需要设计， 而且系统的滑模运动与控制对象的参数变化和系统的外干扰无关，因此开关变结构控制系统的鲁棒性要比一般常规的连续系统强。然而，开关变结构控制在本质上的不连续开关特性将会引起系统的抖振。对于一个理想的开关变结构控制系统，假设“结构”切换的过程具有理想开关特性(即无时间和空间滞后)，系统状态测量精确无误，控制量不受限制，则滑动模态总是降维的光滑运动而且渐近稳定于原点， 不会出现抖振。但是对于一个现实的开关变结构控制系统，这些假设是不可能完全成立的。特别是对于离散系统的开关变结构控制系统，都将会在光滑的滑动模态上叠加一个锯齿形的轨迹。于是，在实际上，抖振是必定存在的，而且消除了抖振也就消除了变结构控制的抗摄动和抗扰动的能力， 因此，消除抖振是不可能的，只能在一定程度上削弱它到一定的范围。抖振问题成为变结构控制在实际系统中应用的突出障碍。

开关变结构控制产生原因

抖振产生的主要原因有：

（1）时间滞后开关。在切换面附近，由于开关的时间滞后，控制作用对状态的准确变化被延迟一定的时间。因此时间滞后开关的作用将在光滑的滑动模态上叠加一个衰减的三角波。

（2）空间滞后开关 。开关的空间滞后作用相当于在状态空间中存在一个状态量变化的“死区”。因此，其结果是在光滑的滑模面上叠加了一个等幅波形。

（3）系统惯性的影响。由于任何的物理现实系统的能量不可能无限大，从而使系统的控制力不能无限大，这就必然使系统的加速度有限，因此系统的惯性总是存在的，于是，控制的切换必然伴有滞后。这种滞后造成的抖振与时间滞后开关造成的后果类同。系统惯性与时间滞后开关共同作用的结果将使衰减三角波的幅度增大。系统惯性与空间滞后开关共同作用时，如果抖振幅度大于空间滞后开关“死区”，则抖振主要呈衰减三角形波；如果抖振幅度小于或等于该“死区”时，则抖振呈等幅振荡波形。

（4）系统时间纯滞后和空间“死区”的影响。有许多控制系统本身存在时间纯滞后及控制滞后，这些滞后往往比开关的时间及空间滞后大得多，从而会造成很大的抖振。如果处理不当，甚至引起整个系统的不稳定。

（5）状态测量误差对抖振的影响。状态测量误差主要是使切换面摄动，而且往往伴有随机性。因此，抖振呈现不规则的衰减三角波；测量误差越大，抖振的波幅也越大。

（6）时间离散开关变结构控制系统的抖振。时间离散系统的滑动模态是一种“准滑模”，它的切换动作并不是正好发生在切换面上，而是发生在以原点为顶点的一个锥形体的表面上。因此，必然有衰减的抖振，而且锥形体越大，抖振幅度越强。该锥形体的大小与采样周期有关。此外，采样周期实质上也是一种时间滞后，同样能造成抖振。

抖振的强弱与上述因素的大小有关，就实际意义而言，“相比之下，切换开关本身的时间及空间滞后对抖振的影响是小的（特别是采用计算机时，计算机的高速逻辑转换以及高精度的数值运算使开关的时间及空间滞后实际上不存在），然而，开关的切换动作造成控制不连续性则是抖振发生的本质原因。

开关变结构控制危害

（1） 对系统动态性能的影响，有可能破坏系统滑动模态的运行条件，从而系统出现超调过大、过渡过程增长、甚至出现不稳定状态。

（2） 平衡点附近的抖振，将会使系统的静态指标降低。

（3） 抖振的存在，对系统将会造成机械磨损，能耗增大。

（4） 高频抖振还有可能激发系统固有振荡源，对系统造成更大影响，甚至无法正常运行。

开关变结构控制抖振的处理方法

1) 滤波方法。通过采用滤波器，对控制信号进行平滑滤波，是削减抖振的有效方法。

2) 消除干扰和不确定性的方法。在常规滑模控制中，往往需要很大的切换增益来消除外加干扰及不确定项，因此，外界干扰及不确定项是滑模控制中抖振的主要来源。利用观测器来消除外界干扰及不确定性成为解决抖振问题研究的重点。

3) 遗传算法优化方法。遗传算法是建立在自然选择和自然遗传学机理基础上的迭代自适应概率性搜索算法，在解决非线性问题时表现出很好的鲁棒性、全局最优性、可并行性和高效率，具有很高的优化性能。

4) 降低切换增益方法。由于抖振主要是由于控制器的不连续切换项造成，因此，减小切换项的增益，便可有效地抑制抖振。

5) 扇形区域法。 2100433B