一种深埋长隧道水-热害资源化利用系统及控制方法

本发明涉及深埋隧道灾害治理与资源化利用，具体而言，涉及一种深埋长隧道水-热害资源化利用系统及控制方法。

背景技术：

1、随着我国西部高寒地区重大交通工程建设持续推进，青藏高原等区域的深埋长隧道工程日益增多。该区域地质条件复杂，构造隆升强烈、活动断裂发育，隧道施工过程中普遍面临高地温、高压突涌水共生的地质安全风险，现有工程数据显示，部分隧道钻遇岩温可达90℃以上、涌水量可达1000l/s以上，水害与热害耦合作用显著，对施工安全、工程进度与运维成本均构成严重威胁。

2、现有技术中，针对隧道水害多采用“排、防、堵相结合”的综合治理模式，浅埋低水压段采用完全封堵策略，高压地段以堵为主、限量排放，通过注浆堵水、排水廊道、集水廊道等措施防控突涌水风险；针对热害则主要通过通风降温、铺设隔热层、设置散热通道等方式降低作业面温度，也有技术采用相变储冷设备辅助降温。在资源化利用方面，已有少量工程尝试利用断裂带地热水解决洞口融雪问题，或通过水源热泵提取高温涌水热量用于工区供暖，但整体仍处于初步探索阶段。

3、但现有技术存在诸多难以规避的缺陷：其一，水害与热害分离治理，未充分考虑二者的耦合效应，高地温会显著提升围岩充填介质的孔隙度与渗透系数，进而加剧突涌水风险，分开治理的思路难以从根源上消除灾害隐患；其二，治理逻辑以“封堵”“排放”为核心，大量低温涌水与地层热能被直接废弃，造成水资源与能源的双重浪费，也易对隧区脆弱生态环境产生长期不良影响；其三，现有资源化利用方式多为直接取用高温涌水，缺乏稳定的水质处理与调峰储能环节，供热能力完全依赖天然涌水量，受涌水波动影响大，供给稳定性不足，且隧道涌水水质复杂、结垢腐蚀问题突出，难以保障系统长期稳定运行；其四，未能充分适配高寒极端环境，传统防排水与供热管路在冻融循环作用下易结冰堵塞，保温材料耐久性不足、施工工艺复杂，冬季运行可靠性差；其五，各环节技术彼此孤立，缺少统筹“涌水收集-水质处理-热能提取-储能调峰-分级利用”的系统性集成方案，智能控制与多目标协同调度技术应用不足，运行效率与场景适配性有限。

4、因此，有必要设计一种深埋长隧道水-热害资源化利用系统，用以解决现有技术中因水热灾害治理协同性差、资源利用率低、系统运行稳定性不足、高寒环境适配性弱、缺乏集成化智能控制导致的难以满足高寒深埋长隧道施工期灾害治理与资源化利用的综合需求的技术问题。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提出了一种深埋长隧道水-热害资源化利用系统及控制方法，通过涌水收集、三级预处理、换热取热、储能调峰、分级利用的一体化系统架构，配合全流程自适应智能控制，实现突涌水与高地温热害的协同治理与资源化高效利用，同时适配高寒极端环境，保障系统长期稳定运行。

2、一个方面，本发明提出了一种深埋长隧道水-热害资源化利用系统，包括：

3、水源模块；

4、集水处理模块，与所述水源模块连接，所述集水处理模块用于收集水源模块传输的隧道涌水并对所述隧道涌水进行三级预处理；

5、换热模块，与所述集水处理模块连接，所述换热模块用于接收预处理后的隧道涌水并根据隧道内热异常面积对预处理后隧道涌水进行换热处理，得到热涌水；

6、储能模块，与所述换热模块连接，所述储能模块用于存储热涌水；

7、分级供水模块，与所述储能模块连接，所述分级供水模块包括生活供水单元和余热供水单元；

8、控制模块，内置多源传感器，用于采集各模块的运行数据；所述控制模块还用于根据所述运行数据分别控制集水处理模块、换热模块、储能模块和分级供水模块的运行。

9、进一步的，所述集水处理模块包括集水单元，涌水处理单元；

10、所述集水单元包括集水构件、涌水收集箱、补水构件、溢水口；

11、所述集水构件，用于承接隧道涌水，所述集水构件内设过滤网，所述过滤网用于对隧道涌水进行一级物理过滤；

12、所述涌水收集箱进水口设置有浮球阀；

13、所述补水构件的出水口与所述涌水收集箱的补水口连通；

14、所述集水构件上部侧壁设置有溢水口。

15、进一步的，所述换热模块包括若干换热单元；

16、所述换热单元包括由外到内依次设置的防护外壳、固定件、蛇形管路、螺纹管和快速接头；

17、所述若干换热单元通过快速接头和螺纹管拼接成一体；

18、所述换热模块通过膨胀固定件贴附于隧道内壁。

19、进一步的，所述储能模块包括储热水箱、保温层、外防护层；

20、所述保温层包裹于储热水箱外壁与所有管路接口外侧；

21、所述外防护层包覆于保温层外侧，所述外防护层选自彩钢板、镀锌钢板中的至少一种。

22、进一步的，所述控制模块控制集水处理模块的运行，包括：

23、所述控制模块实时采集涌水收集箱内的第一水位数据，并与预设正常水位范围进行对比，其中：

24、当所述第一水位数据高于预设正常水位范围上限时，所述控制模块则控制开启溢水口通路；

25、当所述第一水位数据低于预设正常水位范围下限时，所述控制模块则控制开启补水构件。

26、进一步的，所述涌水处理单元包括软化处理装置和防腐调节装置；

27、控制模块控制集水处理模块的运行，还包括：

28、所述控制模块实时获取涌水收集箱内的软化度数据以及ph值

29、所述控制模块根据所述软化度数据以及预设软化阈值控制软化处理装置对一级物理过滤后的涌水进行二级软化处理；

30、所述控制模块根据所述ph值以及预设ph阈值范围控制防腐调节装置对二级软化处理后的涌水进行三级防腐调节。

31、进一步的，所述换热模块用于接收预处理后的隧道涌水并根据隧道内热异常面积对预处理后隧道涌水进行换热处理，得到热涌水

32、所述控制模块根据所述运行数据控制换热模块的运行，包括：

33、所述控制模块实时采集隧道内壁的热异常区域面积数据，并调取当前换热单元的预设热负荷阈值；

34、所述控制模块根据热异常区域面积数据与预设热负荷阈值的比对结果，确定换热单元的布设数量，其中：

35、当热异常区域面积数据高于预设热负荷阈值时，所述控制模块则增加换热单元的布设数量；

36、当热异常区域面积数据低于预设热负荷阈值时，所述控制模块则减少换热单元的布设数量。

37、进一步的，所述储热水箱包括进水通路和出水通路；所述出水通路包括第一出水通路、第二出水通路；

38、所述换热模块的出水口通过进水通路与储热水箱连通，所述第一出水通路连接生活供水单元，所述第二出水通路连接余热供水单元；

39、所述控制模块根据所述运行数据控制储能模块的运行，包括：

40、所述控制模块采集储热水箱内的第二水位数据和温度数据；

41、所述控制模块比对第二水位数据与预设储水水位阈值，其中：

42、当第二水位数据高于预设储水水位范围上限时，所述控制模块则关闭进水通路；

43、当第二水位数据低于预设储水水位范围下限时，所述控制模块则开启进水通路。

44、进一步的，所述控制模块根据所述运行数据控制分级供水模块的运行，包括：

45、控制模块实时采集场地环境温度和水流流量数据，并根据场地环境温度以及预设的温度切换阈值确定分级供水顺序，其中：

46、当所述场地环境温度持续预设时长仍低于预设温度切换阈值时，所述控制模块确定优先开启余热供水单元，并在场地环境温度达到预设温度切换阈值时，开启生活供水单元；

47、当场地环境温度持续预设时长仍高于预设温度切换阈值时，所述控制模块确定优先开启生活供水单元，并实时采集第一出水通路出水端的水体流量数据；在水流流量数据小于或等于预设水流流量阈值时，所述控制模块开启余热供水单元。

48、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过构建由水源模块、集水处理模块、换热模块、储能模块、分级供水模块与控制模块协同配合的一体化系统，能够同步实现深埋长隧道突涌水与高地温热害的协同治理及资源化利用，集水处理模块对隧道涌水开展三级预处理，可有效去除水体杂质、降低结垢与腐蚀风险，保障系统长期稳定运行；换热模块可依据隧道内热异常面积灵活适配换热能力，以低温涌水为介质充分提取围岩热量，既消减隧道热害又导排疏解涌水压力，从根源上破解水热灾害耦合治理难题；储能模块对换热后的热涌水进行调峰存储，可有效匹配隧道持续产热与工区间歇性用热的时间错配特征，提升供热稳定性与可靠性；分级供水模块通过生活供水与余热供水的分级梯级利用，最大化提升水热资源的利用效率；控制模块依托多源传感器采集全流程运行数据，实现各模块的自适应协同调控，降低人工运维成本，最终将施工期的两类地质灾害转化为可服务于工区生活供暖、路面融雪的可用资源，变废为宝，兼具灾害治理效益、生态环保效益与工程经济效益，能够良好适配高寒深埋长隧道的复杂施工环境。

49、另一方面，本发明还提出了一种深埋长隧道水-热害资源化利用控制方法，用于控制一种深埋长隧道水-热害资源化利用系统，包括以下步骤：

50、收集隧道涌水并对所述隧道涌水进行三级预处理；

51、根据隧道内热异常面积对预处理后隧道涌水进行换热处理，得到热涌水，并进行存储；

52、对所述存储的热涌水进行分级供水。

53、可以理解的是，上述一种深埋长隧道水-热害资源化利用系统及控制方法具备相同的有益效果，在此不再赘述。