1.一种岩溶隧道突水预警计算模型,其特征在于,包括以下数据层:数据输入层,用于输入根据压强采集装置检测到的岩溶水作用到中间岩层上的压强;
所述压强采集装置包括至少三根位于同一直线上并且贯穿中间岩层而伸入岩溶水中的应力传感器;
均布荷载计算层,用于将岩溶水作用到中间岩层上的荷载简化为均布荷载,并根据数据输入层输入的各压强值,计算岩溶水作用到中间岩层上的均布荷载;
应力计算层,用于将中间岩层简化为简支梁,并将应力传感器简化为固定支点,然后通过结构力学以及均布荷载来计算中间岩层受岩溶水作用而产生的拉应力σt;
拉应力σt按如下公式计算: M表示均布荷载对简支梁产生的弯矩,其中,X1表示绕简支梁轴线转动方向的广义多余应力,X2表示沿
垂直简支梁长度方向的广义多余应力,X3表示沿简支梁长度方向的广义多余应力; 表示X1作用下静定结构的弯矩, 表示X2作用下静定结构的弯矩, 表示X3作用下静定结构的弯矩,Mp表示原结构荷载作用在该结构静定基上的弯矩,A表示简支梁横截面积,l表示简支梁总长度,q表示岩溶水作用到中间岩层上的均布荷载;
比较层,用于将中间岩层产生的拉应力σt与事先测定的中间岩层的许用应力[σ]进行比较:若σt≤[σ],则表明中间岩层处于安全状态;若σt>[σ],则表明中间岩层处于不稳定状态,并生成预警信号。
2.根据权利要求1所述的岩溶隧道突水预警计算模型,其特征在于,所述应力计算层在计算拉应力σt的同时,还计算中间岩层受应力传感器作用而产生的剪应力τ;比较层在比较拉应力σt与许用应力[σ]时,还一并验证剪应力τ是否为零:若为零,则表明应力传感器贯通中间岩层后未对岩体整体性造成影响,即应力传感器不会将岩体切割下来;若不为零,则表明应力传感器会影响岩体整体性,存在切割岩体的风险。
3.根据权利要求1所述的岩溶隧道突水预警计算模型,其特征在于,所述均布荷载按如下公式计算:其中,q表示均布荷载,qi表示第i个应力传感器检测到的压强,n表示应力传感器的总数量,i∈{1,2,......n}。
4.根据权利要求2所述的岩溶隧道突水预警计算模型,其特征在于,所述剪应力τ的计算公式为: 其中,Q表示剪力,A表示中间岩层简化为简支梁后的横截面积。
5.一种岩溶隧道突水预警计算方法,其特征在于:采用权利要求1至4中任一所述的岩溶隧道突水预警计算模型进行突水预警;包括以下步骤:步骤1:数据输入层将应力传感器检测到的压强发送给均布荷载计算层;
步骤2:均布荷载计算层根据数据输入层输入的各压强值,计算岩溶水作用到中间岩层上的均布荷载q;
步骤3:应力计算层根据结构力学以及均布荷载计算中间岩层受岩溶水作用而产生的拉应力σt;
步骤4:比较层将中间岩层产生的拉应力σt与事先测定的中间岩层的许用应力[σ]进行比较:若σt≤[σ],则表明中间岩层处于安全状态;若σt>[σ],则表明中间岩层处于不稳定状态,并生成预警信号。
6.根据权利要求5所述的岩溶隧道突水预警计算方法,其特征在于:采用三个应力传感器作为压强采集装置,并将三个应力传感器简化为三个固定支点A、B、C,两端的应力传感器分别对应A点与C点,B点位于AC连线的中点。
7.根据权利要求6所述的岩溶隧道突水预警计算方法,其特征在于:步骤3具体按如下步骤计算:步骤3.1:建立力法基本方程:
其中,Xi表示沿i方向上的广义多余力,i∈{1,2,3};当i=1时,表示绕简支梁轴线转动的方向;当i=2时,表示沿垂直简支梁长度方向,当i=3时,表示沿简支梁长度方向;
δij表示由于沿j方向的单位广义多余力Xj的作用,简支梁在i方向上的位移;j∈{1,2,
3};当j=1时,表示绕简支梁轴线转动的方向;当j=2时,表示表示沿垂直简支梁长度方向,当j=3时,表示沿简支梁长度方向;
Δip表示简支梁承受外荷载作用时,沿i方向的位移;
步骤3.2:作 以及Mp弯矩图,从而计算δij与Δip,从而得到:其中, 表示X1作用下静定结构的弯矩, 表示X2作用下静定结构的弯矩图, 表示X3作用下静定结构的弯矩,Mp表示原结构荷载作用在该结构静定基上的弯矩,E表示弹性模量,I表示截面惯性矩, 表示X3作用下的剪力,Np表示原结构荷载作用在该结构静定基上的剪力,A表示简支梁横截面积,l表示简支梁总长度;
步骤3.3:将步骤3.2中得到的δij与Δip代入步骤3.1中的方程组,得到:求解方程组,从而得到 X3=0;
步骤3.4:作M弯矩图,根据弯矩图得到拉应力 M表示均布荷载对简支梁产生的弯矩,A表示简支梁横截面积,l表示简支梁总长度。