复杂地形矿区（通用7篇）
复杂地形矿区 篇1
摘要：分析了在豫西复杂地形和采动裂隙普遍发育矿区水井施工困难的原因, 通过改进施工工艺, 提高了在复杂条件下水井施工可靠程度, 解决了地形复杂和采动裂隙普遍的矿区生产和生活用水难题。
关键词：采动裂隙,水井,施工工艺,复杂地形,控制顶板
登封煤田地处豫西的登封市南部、西南部, 共划分为告成、白坪、新新、郭沟、马岭山、暴雨山6个井田, 本区自上而下有3层煤可采:上石盒子组五煤段的五3煤层大部分可采, 厚度0～2.30 m, 平均厚度0.95 m;二叠系山西组二煤段下部的二1煤层全区可采, 平均厚度5.3 m, 为各井田的主采煤层;石炭系底部一煤段的一3煤层局部可采, 平均厚度0.5 m。上述煤层均有开采, 有的矿井还进行多个煤层联合开采。
1矿区施工水井的必要性
郑煤集团白坪煤业有限公司位于河南省登封市东南部, 开采白坪井田, 设计生产能力180万t/a, 服务年限45 a, 是郑煤集团的主力矿井, 主采二叠系山西组下部的二1煤层, 二1煤层厚度0～29.76 m, 平均厚度5.3 m, 倾角3～15°, 平均8°, 地面标高+380～+650 m, 开采标高+300～-175 m, 开拓方式为立井—斜井混合多水平上下山开拓全井田, 沿煤层伪倾斜布置回采工作面, 采用综 (炮) 采放顶煤一次采全高回采工艺, 全部垮落法控制顶板。
白坪煤业有限公司前身为地方私营小煤矿, 2002年7月参加资源整合, 后经技术改造成为郑煤集团白坪煤业有限公司。技改期间有4支队伍计980人施工基建工程项目, 生产、生活用水只能到5 km以外的水源购买, 汽车运送, 运距远, 费用高, 且不能满足生产、生活需要, 缺水严重制约了企业的正常发展, 打钻水井势在必行。
2影响水井施工的主要因素
登封煤田地表多为受风化剥蚀的低山丘陵, 第四系覆盖层薄, 有的矿井基本没有覆盖层, 地面标高在+320～+650 m之间, 登封煤田的多个井田均采用炮采放顶煤或综采放顶煤回采工艺。由于早期无序开采, 开采范围和强度大, 矿区及周边地表采动裂隙普遍发育, 多个煤层联合开采加剧了地表采动裂隙范围的扩大。地形复杂和采动裂隙是登封煤田各矿区的普遍特点, 因地形限制和采动裂隙发育及补给水量不充分等原因, 浅部含水层基本被疏干。因此, 登封煤田各矿区普遍存在缺水问题, 水井选址和施工困难, 即使勉强施工, 成井率也极低, 常造成已竣工水井井壁变形、水源堵塞、水井报废。2006年10月, 在郑煤集团白坪煤业有限公司采用新型钻机、新工艺、新材料, 水井施工获得成功。
3水井井位选择
白坪煤业有限公司曾在2005年4月在其工业广场以北施工一口深水井, 终孔于寒武系上部固山组白云质灰岩, 后因水井中段受采动裂隙发育影响, 井壁变形、坍塌堵塞水源, 后投井失败而放弃。
2006年10月, 经论证在风井北箕F59正断层上盘施工新水井。因登封煤田南部普遍缺失奥陶系地层, 确定将终孔层位定在寒武系中统白云质灰岩裂隙发育段的方案。穿过五煤段五3煤层和主采的二叠系底部二煤段二1煤层, 预计井深400 m左右, 并进行了地面物探。但对应的地表地形复杂, 施工场地狭小, 且早期采动裂隙发育, 对照有关图纸和附近勘探资料, 水井只能布置在一宽度20 m左右的巷道保护煤柱内, 给水井施工提出了更高的要求。
4施工工艺优化
(1) 选用大功率自动纠偏钻机。
采用MKS-800型塔式钻机, 该钻机具有功率大、钻程深、稳定性好、自动纠偏、钻进速度快等特点, 配合大孔径金刚复合片旋削钻头, 可快速破削f=5～8的岩石。
MKS-800型塔式钻机参数:切削硬度值f=3～8;塔高20 m;配套钻头Ø377, Ø325, Ø273 mm;电机功率75 kW;自动纠偏方式为悬吊卡盘;最大钻程800 m;自动纠偏值≤ 20′;转速195 r/min。
(2) 施工工艺。
结合以往施工资料, 开孔钻进30 m后即遇采动裂隙带, 清水钻进消耗大量水源, 且孔壁遇水后成型不好, 易片落。此次调整施工工艺, 开孔前在地面施工一容量为10 m3的泥浆池, 用泥浆替代清水做冲洗液, 可根据裂隙发育程度调整比例, 减少消耗的同时, 解决井壁成型的问题, 比例为1 ∶0.6。钻进至30～150 m, 因采动裂隙大, 岩心破碎, 预计下部地层更难以施工。下入一级Ø377 mm×8 mm套管150 m, 下套管时, 为保证套管垂直, 用尼康DTM-325型全站仪校正垂直度;150～180 m地层主要为泥岩, 泥浆中加入适量水泥, 比例为1 ∶0.4 ∶0.6, 下入二级Ø325 mm×8 mm套管30 m, 接近二1煤层顶板和穿过二1煤层及进入二1煤层直接底各10 m时, 用525#硅酸盐水泥浆对3段共25 m进行全段注浆, 提高二1煤层和顶底板稳固性;180～230 m地层为太原群L1-8灰岩及本溪组铝土质泥岩, 该段也采用525#硅酸盐水泥浆全段封注后下入三级Ø273 mm×8 mm套管50 m;230～400 m为寒武系白云质灰岩, 钻进速度明显加快, 此时, 孔内水量预计为45 m3/h, 根据岩心判断, 已到达预定寒武系地层, 且没有其他柔弱岩石夹层, 是终孔的较好选择。经分析, 施工至400 m后终孔。
经72 h不间断抽水试验, 该水井涌水量为47.86 m3/h, 稳定水量为47.80 m3/h, 比预计水量多7.86 m3/h, 水质化验达到优质饮用水标准, 达到设计要求。自2007年10月投用以来, 井壁没有出现变形、片落、堵塞, 水量和水质稳定, 满足了生产、生活用水的需要。
5结语
在解决生产、生活用水的同时, 水井施工查明了矿井深部寒武系区域含水层压力为1.83 MPa, 该水井对寒武系白云质裂隙灰岩承压水起到了有效疏放, 对解决矿井带水压开采具有积极的意义。
白坪煤业有限公司在复杂地形和采动裂隙发育两大不利条件下施工大孔径吃水井的成功, 不仅解决了矿区的生产、生活用水, 也为相似条件下的水井施工积累了资料和经验, 提供了新的方法和思路, 具有积极的借鉴作用。
复杂地形矿区 篇2
1 GPS定位系统的模式
GPS卫星定位系统可用于在任何时间, 以在世界任何地方进行高精度的三维坐标, 三维速度和时间信息等相对不间断地供应使得各种技术参数的的监测项目有待提高, 它在工作中的基本原理被主要用在这里。
1.1 GPS系统的构成
GPS卫星定位系统, 包括地面系统和太空监视系统GPS的设备定位系统主要分为两个部分, 即GPS地面监测系统和GPS太空监测系统, 在卫星接收设备的过程中用户必须装有一系列必要的措施。GPS用户必须拥有的相关物件有:GPS接收器, 相应的用户设备和数据处理软件。GPS接收器的主要功能是主接收器接收由GPS卫星发射出的各种信号, 它可以在被所接收的信号所探得, 而后对其精确的定位。在测量现场, 随着现代测量技术的不断深入, GPS在一定程度上呈体积小, 重量轻的形式发展, 在一定程度上便携式GPS定位设备和高精密的技术指标给相应的测量带来了极大的方便。
1.2 GPS工作原理
GPS卫星定位系统的工作原理就是利用距离交会方法来实现距离的长短位置监测, 通过一定的方法来实现检测系统所处的位置。如图l所示, 在位置O点需要测量接收发出信号的GPS接收机的, 在同一时间断会在不同的位设置的方向由GPS卫星进行发射相应的检测符号, 也就是导航信号, 通过一系列的数字和系统相对进行数据处理, 根据收到的数据计算时间可以由GPS接收机进行GPS卫星发来的信号来获得相应的距离d1, d2, D3, D4, 也通过在接收卫星时间和接受卫星的星历获取相对卫星位置 (三维坐标) 在该空间得到, 因此, 距离未知交点的方法求得相对卫星的三维坐标 (x, Y, Z) , 如图1示出, 其中, (X1, Y1, Z1) , (X2, Y2, Z2) , (X3, Y3, Z3) , (X4, Y4, Z4) 为在在直角坐标系中的时间的4颗卫星的坐标。
2 GPS在矿山控制地形中的优越性
在矿山的开发中, 地形的控制测量是一个十分重要的基本内容。在地形控制测量中, 应用GPS进行测量能避免传统的测量中对控制地形测量所带来的一系列的影响。比如在传统测量中由于季节的变化, 地形的影响都会给地形测量带来影响。而传统测量还存在着一些缺点, 诸如点和点之间需要通视、内作业和外作业的工作量大的缺点。在进行GPS测量中能有效的避免这些缺点, 在测量中GPS能进行精确度高的测量, 在进行测量中, 对GPS进行矿山控制地形的测量中, 使用起来更加方便, 而且GPS还具有测量的时间短和无需通视等优点逐渐应用到大地控制、铁路、和军事等多方面的控制中。在进行GPS的技术应用中, 也逐渐使用煤矿进行GPS的定位控制。在一系列的GPS的控制中, GPS通过实践取得的良好的成果, 对于传统的测量来比, 其精确度高、用时时间短、操作简便等具有绝对的优势。此项技术也可以广泛应用到煤矿和技术测绘等领域中。在应用矿山的控制地形的测绘中, 由于其场所空间位置的变动性, 在建立矿山地形的监测专业化的GPS中, GPS都取得了很好的实验效果。GPS在以后的矿山控制地形中会发挥越来越大的优越性。
3 实例分析
3.1 工程项目概况
在这项工程中勘探区域的范围是约10平方公里。测量中的大多数地区是山区, 搬运仪器很难进行行走, 测量的幅度是地面高程40米, 高度差为248米。控制
测量系统必须首先建立首级控制网。考虑到地形的相对复杂, 测量的时间比较紧, 地形起伏导致通视的难度和试验区便携式仪器行走困难等因素的影响, 所以决定地形控制措施使用GPS来进行实现。
3.2 在测量中对GPS测量中的技术设计
3.2.1 设计的依据
在进行测量中, 根据国家质量技术监督局发布的标准规范进行GPS测量的设计工作, 根据GPS50026-93“工程测量规范”, GB/T18314-2001“全球固定定位系统 (GPS) 测量规范”设计这款GPS测量技术。
3.2.2 设计的依据和网状
控制网共有28个百分点 (图2) , 其中的联测已知平地面控制点3 (1, 2, 3) , 高程控制点13 (CP01, CP02, CP09, CP10, CP14, CP15, CP18, CP20, CP21, CP22, CP23, CP24, CP25, CP26, CP27, CP28) , GPS拟合高程点15 (CP02, CP03, CP04, CP05, CP06, CP07, CP08, CP09, CP11, CP12, CP13, CP16, CP17, CP19, CP23, CP24) 。用3台GPS接收器进行观测, 网形布局设置成边与边的连接形式。
3.2.3 对精度的设计及观测计划
结合该测量项目的需求和测区地形的实际情况, 测量区首级控制网选择E级GPS网。。要求标准的GPS接收器的标称的精度误差为a≤20毫米, 误差系数为b≤10*10-6比例平均边长不到1公里, , 点允许误差可达±9毫米, 最弱边的相对误差要低于1/20000。
要根据GPS的几何图形强度和天气情况及工程需要等进行选择, 选择最佳的测量, 要求测量的卫星不少于4可, 要分布的均匀且GPS的卫星PDOP值要小于6, 并进行绘制编排作业调度表。
3.3 GPS的外业实施
在进行GPS的测量中, 进行选点埋石, 在进行GPS的选点时通常比较容易和方便, 在进行GPS选点时, 由于站点的要求不一定都要进行通视, 图形结构之间也相对比较灵活。在进行GPS测量时要考虑到GPS的特殊性, 同时考虑到后续的测量, 在进行选点测量时要考虑以下几个方面: (1) 在最佳的视线之间选择部位, 这样方便考虑到后续测量, 给未来的准备作好相应的工作; (2) 各地点高15°角以上不要存有障碍物, 在15度角以上存有障碍物会给测量造成一定的影响, 会直接阻挡或吸收接收的信号, 从而导致没有信号接收或接收信号的减弱; (3) 点位的选取要尽量避免高压电线, 高功率射频发射源的附近, 以便容易收到信号的不同程度的干扰, 从而避免电磁干扰信号; (4) 点位应选择在交通便利, 视野开阔的地段进行, 在交通便利的地段进行取点有易于保存, 使扩张观察和对未来的项目进行扩展提供一定的便利; (5) 选点结束后, 要对选点的位置做好标记, 并进行现场浇筑混凝土桩作为标石, 并对其并认真的进行记录。同时在测量的外业实施中要注意测量的观测方法和后续数据的处理。
4 总结
近年来, 我国的GPS测量技术快速发展。在GPS的发展中, 尤其是对矿区地形控制测量中的GPS的应用起到了相对满意的效果。在进行矿区地形控制测量中, GPS以其独有的优势得到了广泛的应用, 应用GPS技术能有效的解决原有的测量中存在的弊端。具有定位精度高、观测时间短等一系列的优点。在以后的应用中, GPS会在矿山地形控制中发挥更大的优越性。
参考文献
[1]GPS定位技术在矿区控制测量中的应用[J].全球定位系统, 2014, 79 (3) :74-78.
[2]陈振波, 刘健.全球定位系统在地形控制测量相关技术中的使用[J].城市建设, 2011 (3) :368.
山地复杂地形三维地震勘探方法 篇3
而山区地震勘探由于受到各种条件的制约, 二维地震勘探近几年才在山区普遍开展。山区由于地形复杂, 交通困难、浅层地震地质条件较差等因素的影响, 要解决山区三维地震勘探, 首先要解决的是三维观测系统的设计、地震波的激发及接收系统设备轻便化的问题, 其次要研究山区地震波的波场及其传播的规律。
1999年以来, 黑龙江省煤田地质物测队在鸡西矿务局正阳煤矿和二道河子煤矿开展了两个区块的山区三维地震勘探, 开山区地震勘探之先河, 勘探面积约为3km2, 取得了良好的地质效果。2001年以来, 我队在山西各大矿务局开展了众多的山区三维地震勘探工作, 对山区三维地震的野外数据采集, 资料的处理和解释积累了丰富的经验。
1 施工方法的研究
1.1 地球物理特征
1.1.1 地质条件。
由于勘探区属于典型的侵蚀作用形成的山区, 因此地形极为复杂, 沟谷发育, 且多为沟深坎陡, 区内的相对高差较大, 且常见施工无法通过的密集林带。
1.1.2 地震地质条件。
表层多为黄土、风化岩和乱石、流沙、砾石等山洪冲积和坡积物、除少部分沟谷处地震激发层位含水外, 大多地段地震激发层位不含水。沟谷处多以山洪冲积的流沙、砾石和乱石为主, 山坡多以黄土覆盖, 从下至上黄土覆盖层厚度激剧变薄, 山岗上多以风化岩覆盖, 或风化岩与基岩相间分布, 基岩裸露区风化十分严重, 坡积地段随处可见, 坡积物成分复杂, 结构松散。这些均给地震波的激发带来了很大的困难。
1.1.3 地震地质条件。
由于正阳煤矿和二道河子煤矿属于鸡西煤田火成岩不发育的地区, 煤系地层沉积较稳定, 煤层发育, 煤层和围岩之间的物性差异十分明显, 目的煤层的反射波在全区内可以连续追踪。而山西属石炭、二叠海相地层, 沉积环境稳定。因此, 深层地震地质条件属良好。
1.2 方法。
针对山区地形复杂, 浅层地震地质条件差的特点, 在成孔时采取了多种手段, 不同的地段采取了不同的成孔方法。在山脚和沟谷地段、流沙;砾石层覆盖地段, 采用车载钻机用螺旋钻钻进, 下药叉下药的方法进行施工;在山坡黄土直接覆盖在基岩上的地段, 采用空压机进行成孔;在基岩直接出露地表的地段, 采用凿岩机、手搬钻机等工具, 通过大量的成孔方法的对比试验工作, 取得了一套较为完善的山区成孔方法, 解决了山区地震波激发的难题。
1.3 系统的设计及采集参数的选定
1.3.1 观测系统设计。
山区地形较为复杂, 且常见野外施工无法通过的密集林带。因此, 在野外观测系统的设计过程中, 在个别地段采用特殊的方式进行野外施工, 如双“L”型观测系统、蛛网状观测系统、咖C爆炸观测系统等。在特殊观测系统设计时, 是通过激发区映像, 根据反射的一致性, 以人机交互的方式进行设计, 这样可以实时清晰地看到炮点和检波点, 并可以根据其对反射区的影响随时修改炮点和检波点, 以便确定炮点、检波点和反射点的合理分布。
1.3.2 采集参数的选定。
三维采集参数的选择, 主要涉及到道距的选择、炮点距的选择、最小炮检距的选择、最大炮检距的选择、最大非纵距的选择和空间采样间隔的选择等。其中道距和炮距的选择和二维数据采集相同, 当排列一定时, 炮距的选择和叠加次数有关。而三维地震勘探对叠加次数的要求并不高, 主要视区内多次波和噪音的发育情况及所采用的压制方式来确定。最小炮检距的选择和二维地震勘探类似, 既要考虑近炮点道所受干扰程度, 又要考虑到最浅目的层的埋深。最大炮检距的选择与共面元内弥散半径、反射系数、动校正拉伸、速度等分析精度等有关;最大非纵距的选择与测区的地层倾角, 地层速度、目的层埋深等多个参数有关, 其关系为:Ymax= (2ToAΔT) 1/2V/sinf
式中Ymax——最大非纵距;
f——地层倾角;
V——平均速度
TF——双程旅行时间。
空间采样间隔的选择, 既要使其不产生空间假频, 又要满足探测精度。因此, 根据测区的已知地质资料和波场调查所得结论, 本区采用了如下采集参数 (以山西阳泉煤矿三维地震为例) :
道距/m 10
线距/m 40
叠加次数 18
纵向最大炮检距/m 614
纵向最小炮检距/m 60.83
横向最大炮检距/m 310
横向最小炮检距/m 10
CDP网络/mxm 5×10
观测系统采用了便捷的12线6炮制束状测系统和特观相结合的方式进行施工。
1.3.3 检波器及组合形式的选择。
通过对自然频率为40Hz、60Hz、100Hz和加速度检波器的对比试验, 最后选择了6个自然频率方60Hz的检波器。由于属山区勘探, 地形变化较大;地表物质不均匀, 采用纵向、横向或面积组合都不适宜, 特别是受地形影响, 无法将检波器组合图形放在最佳耦合, 并且检波器的埋置必须保证在实测的检波点上, 这样确保了野外地震采集的质量。
2 施工方法
由于山区地形复杂、基岩出露, 山区地震勘探存在诸如无法成孔, 或炮孔浅, 干扰波大等诸多因素的影响, 针对这一情况采取了如下方法来克制这些困难, 以确保野外资料的采集质量。
2.1 采用规则观测系统和特殊观测系统相结合, 尽量满足叠加次数, 保证共反射点在全区内的均匀分布。
2.2在基岩埋藏较浅地段, 采用空压机成孔, 尽量保证在岩石中激发;在基岩出露地段, 用凿岩机成孔;在孔浅处采用组合井进行施工, 避免了大药量引发干扰大的影响。
2.3 针对山区面波干扰大的情况, 在理论允许的情况下, 尽量选择最大的最小炮检距, 以控制面波干扰。
2.4由于山区施工产生的飞石, 岩石碎片对设备和人员的威胁较大, 因此我们在尽量选择最大的最小炮检距之外, 采用了端点下倾发炮的方式进行施工, 来避免飞石和岩石碎片对设备和人员的伤害。
结束语
由于山区地形变化较大, 低速带变化剧烈, 无法查清;且井深变化较大。因此在资料处理时, 特别注重了井深校正和地形校正工作, 并利用初至折射静校正手段, 很好地解决了低降速带对地震资料的影响。在正阳煤矿, 二道河子煤矿和山西个大煤矿均取得了良好的处理效果, 查明了勘探区内5m以上的断层, 并对2~5m的断点进行了定性的分析, 查明了直径大于20m的陷落柱, 为矿区矿井工作面的布置和安全生产提供了翔实可靠的地质资料, 取得了良好的社会效益。同时也为复杂山区运用三维地震勘探技术提供了宝贵的经验。
参考文献
[1]张爱敏.采区高分辨率三维地震勘探[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1997.[1]张爱敏.采区高分辨率三维地震勘探[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1997.
[2]郝均.三维地震勘探技术[M].北京:石油工业出版社, 1992.[2]郝均.三维地震勘探技术[M].北京:石油工业出版社, 1992.
复杂地形地下商场疏散楼梯设计 篇4
一般商业疏散楼梯的计算按照中华人民共和国国家标准GB 50016-2006建筑设计防火规范 (下面简称《建规》) 第5.3.17条规定:
商店的疏散人数应按每层营业厅建筑面积乘以面积折算值和疏散人数换算系数计算。地上商店的面积折算值宜为50%~70%, 地下商店的面积折算值不应小于70%。
但是对于复杂地形的地下大面积商场来说, 如果按照通常做法则因为疏散楼梯太多而无法进行合理设计而使营业面积最大化。通过下面一个工程实例来探讨一下怎样在满足规范要求的前提下简化疏散楼梯的设计。在商场竖向交通的设计中, 地下商场按照规范计算出的必要疏散宽度一般都非常大。但是对于高差复杂的地下商场来说, 是要合并疏散宽度, 还是要分解计算宽度, 怎样利用高差, 将复杂地形状况加以分析, 变不利为有利, 对地形分层分区的安全出口进行更加合理的设计, 是值得思量的问题和难点。
下面通过一个工程实例来和大家探讨一下。
现要在一个18层的高层住宅下方建一个约9 000 m2的超市及其配套用房, 包括库房、办公等, 其在总图中所处的位置竖向标高比较复杂。地下超市所处的位置在两条城市主干道的交叉口上, 小区地面与相邻城市主干道的高差在4.3 m~7.8 m之间, 为了合理解决高差, 使城市主干道与超市有效联系, 退后城市主干道道路红线交叉口约40 m。因此而形成的弧形广场有两个作用, 一是有效解决商业建筑疏散场地的问题, 二是通过此广场解决与周边道路的高差关系及与超市的有效连接。总平面图及现状标高见图1。
为使高差关系更加直观, 剖面示意图见图2。
我们先通过总图分析一下工程概况:
首先要确定超市的定位到底属于地下1层还是地下2层, 关于这个问题我是这样理解的:超市对于小区内部地面来说为地下2层, 但超市1层朝向城市主干道有部分营业面裸露在地面以上, 因此在计算疏散宽度的时候可以有一些实际性的思考。包括疏散楼梯的定位是做封闭楼梯间还是防烟楼梯间都要有针对性的考虑, 不能因为在地面以下, 所有楼梯间笼统全部设计为防烟楼梯间, 可以将直通向室外安全地带的楼梯设计为封闭楼梯间, 这样既增加了营业面积, 又减少了因为楼梯间标准提高而增加的甲方投资成本。
下面开始进行复杂地形地下商场的疏散楼梯设计:
第一步:按照《建规》5.3.17中提到的规定进行疏散宽度的概算:
1) 地下1层疏散楼梯设计 (见图3) 。
地下1层超市部分面积约3 200 m2。
因为地下1层有一部分是朝向城市主干道的, 因此下面的概算分几种情况:
按照-1层计算:疏散宽度=3 200×0.7×0.85×0.75=14.28 m;
按照1层计算:疏散宽度=3 200×0.5×0.85×0.65=8.8 m。
我们可以再深入的考虑一下, 地下1层裸露在城市主干道的疏散门完全符合安全出口的规定, 大空间商场的疏散距离最远为30 m。因此, 我们将地下1层靠近安全出口的30 m范围的面积抛掉, 进行新的近似计算, 剩余面积约2 100 m2。
余约疏散宽度=2 100×0.7×0.85×0.75=9.4 m。
经过以上分析计算, 我们认为疏散楼梯的宽度按照接近于11 m进行设计比较合理。不能一味生搬硬套按照规范规定而不把开向临街面的疏散门作为一个很重要的安全出口。这是一个很重要的信息及思考, 合理利用可以减少将近4 m的疏散宽度, 对于一个商场的合理性来说是很重要的。
经过以上分析, 最终结合平面布置等综合信息确定总疏散宽度为:
3.6 (楼梯) +3.6 (楼梯) +3.6 (楼梯) +1.5 (楼梯) +4.8 (安全出口疏散门) =17.1 m。
除去安全出口疏散门的宽度, 楼梯设计宽度约需12.3 m, 满足规范要求。
2) 地下2层疏散楼梯设计 (见图4) 。
地下2层超市部分面积约3 100 m2。
按照《建规》5.3.17中提到的规定进行疏散宽度的概算:
-2层疏散宽度=3 100×0.7×0.8×1=17.36 m。
经过计算以后发现需要的疏散宽度很大, 为了增大有效营业面积, -1层~-2层的疏散楼梯设置不能太多。现已经设计的-1层通向-2层的3部重要楼梯的疏散总宽度为:3.6+3.6+3.6=10.8 m, 使用这3部楼梯以外还需要的疏散宽度为17.36 m-10.8 m=6.56 m。如果使用1.5 m的那部现有小楼梯, 仍需要解决5.2 m的疏散楼梯宽度, 又占用很多位置, 且考虑到-1层不需要多余的楼梯设计。因此为了解决大宽度的疏散问题, 从-2层加设一部直跑楼梯直通室外, 占用整垮7.9 m。则可以取消-2层~-1层的1.5 m的小楼梯。
经过以上分析, 最终结合平面布置等综合信息确定总疏散宽度为:
3.6 (楼梯) +3.6 (楼梯) +3.6 (楼梯) +7.9 (直跑楼梯, 仅-2层~-1层设) =18.7 m。
满足规范要求。
第二步:疏散距离核对。
疏散楼梯宽度概算以后, 进行楼梯具体位置的布置。
影响布置的因素主要有两点:
1) 疏散距离 (大空间商业最远30 m的规定) 。
2) 楼梯出小区地面以后是否对小区主干道有影响, 楼梯布置应当结合总图道路系统及景观设计进行配合设计。
这一步比较简单, 只要将楼梯满足30 m疏散距离的前提下布置在合适的位置再进行总图平面校对即可, 反复几次便可成功。因需要的楼梯较多, 因此30 m的疏散距离要求很容易满足。
第三步:疏散楼梯宽度的核算校对 (详细设计) 。
这一步对于商业建筑的交通设计是否成功也至关重要。这一步要解决的问题就是将布置在平面上的各部楼梯与合理划分的相应防火分区进行核实校对, 分析分布在各防火分区内部的疏散楼梯是否满足本防火分区疏散宽度设计。
1) 地下1层共设置3个防火分区 (见图5) 。
防火分区2:所需疏散宽度=1 980×0.7×0.85×0.75=8.8 m。
现设计楼梯疏散宽度3.6×3=10.8 m, 复核满足规范要求。
防火分区3:所需疏散宽度=1 086×0.7×0.85×0.75=4.8 m。
现设计疏散宽度分为两部分:
楼梯:1.5 m。
室外疏散门:4.8 m (算一个安全出口) , 复核满足规范要求。
防火分区1:本防火分区为库房区, 库房没有疏散宽度要求, 仅有疏散距离要求。因此可通过走道连接并共用超市部分的楼梯解决疏散距离问题及出入口问题。此防火分区的另外一个出入口直通临街道路。复核满足要求。
2) 地下2层共设置3个防火分区 (见图6) 。
防火分区2:所需疏散宽度=1 600×0.7×0.8×1=8.96 m。
现设计疏散楼梯宽度3.6+3.6+1.8=9.0 m, 复核满足规范要求。
防火分区3:所需疏散宽度=1 293.11×0.7×0.8×1=7.24 m。
现设计疏散楼梯宽度7.9+1.8=9.7 m, 复核满足规范要求。
防火分区1:本防火分区为库房区, 同地下1层库区要求一致。通过走道连接并共用超市部分的两部楼梯解决疏散距离问题及出入口问题, 复核满足要求。
到此为止竖向交通设计即疏散楼梯设计基本完成。值得提醒的是在此项设计中因为疏散宽度要求比较大, 为使楼梯更加集中, 合理有效, 将主要疏散楼梯设计为剪刀楼梯。有效减少了交通面积, 增大了营业面积, 同时出地面楼梯数量大大减少, 并在布置的过程中注意对称美观, 美化了小区环境 (出小区地面疏散楼梯位置如图7所示共有四处) 。
通过此设计将一个复杂地形的竖向交通———疏散楼梯设计的较为合理。通过此工程实例告诉我们在今后的设计中不能生搬硬套规范, 而要深刻理解规范并加以利用, 使我们的建筑设计更加合理。
摘要：针对地下商场疏散楼梯设计的重要性, 结合某工程实例, 对复杂地形地下商场的疏散楼梯设计进行了探讨, 并根据相关规范, 对疏散楼梯的设计尺寸加以校核, 以确保疏散楼梯设计更加合理。
复杂地形条件下桥梁现浇的施工 篇5
关键词：复杂地形,桥梁现浇,施工,分析
桥梁工程的搭建需要各种施工手段的工艺创新, 因此复杂的地形条件下桥梁施工才是保障现代化经济建设和城市文明发展的最需要关键施工技术点, 以下我们就以为何重视复杂地形条件下的桥梁现浇施工的意义和施工技术手段, 进行全面的分析, 从而确定能够促进桥梁工程建设的最有效手段, 不断增进桥梁建设的工程数量和工程质量, 来保证我国的现代化经济建设。
1 分析复杂地形条件下桥梁现浇施工技术的重要性
1.1 是对城市现代化建设的基本保障
在现代化城市的建设中高速公路、城市高架桥、城市立交桥的建设不同程度的丰富了城市的进一步发展和建设, 而且城市的现代化建设就是需要更多的经济交流和交通路况的建设, 高架桥的建设带动了桥梁工程事业的发展, 而且桥梁工程的建设才导致城市四通八达的交通规划模式, 所以桥梁建设施工所面临的复杂地形就是最关键的制约自身发展的问题, 而且复杂的地理条件需要桥梁施工之前的科学设计和实地的探查, 才能够保证桥梁的建设是有效的, 城市现代化的建设在桥梁事业的增多下交通便捷, 从而将城市现代化的建设不断推向更加科学和完善的阶段。
城市的现代化建设就是为了城市居民的生活交通状况便利, 也是经济发展和经济交流关键, 桥梁工程建设的质量能够总体的提高城市居民的生活水平, 而且城市的桥梁建设是整个地区经济发展的核心, 城市的发展才能拉动周边乡镇的经济发展建设, 城市的桥梁工程建设能够促进城市内外的经济联系, 所以在复杂地形下桥梁的建设直接能够保障城市的发展向着高速和全面进取, 因此分析复杂地形下的桥梁现浇施工技术是城市现代化建设的基本保障。
1.2 促使现代桥梁工程建设的施工手段和工程质量总体提升
现代化的桥梁工程建设就是要在复杂地形下找准技术施工点, 才能够保障工程建设施工是合理的科学的, 而且我国的特殊地理环境对桥梁施工建设的质量提出严峻考验, 桥梁施工建设也有不同的应对施工方案, 例如:人工挖孔桩施工工艺、T型钢构现浇支架设计等, 总体上就是在技术工艺创新上, 把桥梁工程建设质量给予全面的保障, 而且在曾有的建设工艺上, 进行不断地创新和研究, 将桥梁工程的建设和施工方式不断的进行新的研发和利用, 丰富我国的桥梁工程建筑事业, 在施工技艺和施工手段上, 全面取得科学的发展理念, 而且现代桥梁工程的建设就是为了在不断加快经济建设发展中, 不断地使自己跟上时代建设发展的要求, 使自己的发展和变革不落伍。
现代桥梁的建设要考虑的是承重力和压强, 长时间对桥梁工程路面的碾压, 所产生的不两个后果, 桥梁工程建设就是要向坚固耐用看齐, 桥梁地基一般都采用钢筋槽笼和混凝土的浇筑方式, 因为浇筑具有固定性, 在桥梁的施工建设中最重要的就是地基的稳定建设。现代桥梁工程建设的要求在把外观简约大方美观化后, 能把现代桥梁工程的施工工艺不断地完善, 从而给自己更多的进步空间, 促使现代桥梁工程建设的施工手段和工程质量总体上提升。
2 复杂地形条件下桥梁现浇施工技术的实施方法
2.1 做好实地观察
我国复杂地形主要是指地质构造的不均匀、地层内部结构不稳定, 而且复杂的地形成因主要由山河交错、地表下土质层的松软程度、地下水、河流的冲刷作用等, 实地观察就是排除内部地质构造之后, 将地面的现实情况全面总结和分析, 因为现代文明的发展再加上人们的环保意识也开始增强, 所面临的复杂地形条件还有自然风景区的开发和保护、城市景观、城市分割线、人口分布、教育、科学、文化卫生事业所存在的环境情况的分析, 都给桥梁建设的施工带来必要的实地观察需要, 而且实地观察能够全面的掌握桥梁施工建设中的内外部情况, 将进一步的实施桥梁的现浇施工注意事项和选择地点给予科学的指示。
2.2 分析好工程建设的施工步骤
桥梁的现浇技术工艺是保障桥梁地基稳定的基本构造, 而且桥梁的工程建设就是把距离联系拉近所以首先要确定好两个桥梁工程支架之间的距离, 从而在桥梁地基的现浇工作具有科学的落实点, 将两个接头之间的承重力扩大, 将实际距离和承受最大重力科学分析, 将现注施工的基本稳定性确立, 桥面的施工厚度和宽度, 都由桥梁的现注施工决定, 例如:1桥为高架桥, 打通城市的交通连接, 则先把桥梁的现浇工艺一定要运用到位, 才能将桥梁工程的承重力、箱梁施工质量、中间厚度、底板厚度等全面的在工程建设中都能够保证质量达标, 因为现注桥梁施工的灵活性很大。
其次, 还有现浇技术可以采用多种现注支架组合, 例如:用于在桥梁顶部的满堂支架、能够运用在河流剑桥当中的贝雷梁衔架、以及易建易搭易拆的钢管立柱支架, 复杂地形下的桥梁工程建设其施工技艺就是以现注的施工手段来判定自己的施工质量的, 而且现浇施工需要支架的配合, 桥梁施工平台完成后需要用专业的冲钻钻孔, 将钢筋笼量身定做, 才能将混凝土浇筑进槽笼内, 而且浇筑后的槽笼牢固。
第三, 地面部分采用明挖基础支撑的方法, 采用夯锤对堆土压实, 扩大基础地面, 同时加厚混凝土的高度, 使地基的承载力变大, 增强稳定性, 而且现浇过程中可以根据桥梁的建设需求不断的改进, 在主节点处固定大小横杆, 剪力撑, 斜撑等使用直角扣件、旋转扣件的中心点的距离适中从而保证桥梁现注工程施工的有效性和科学性。
3 结论
至关交通经济发展的桥梁工程现注施工就需要各方面技术的全力配合, 而且复杂的地质条件就要求了桥梁现浇的施工工艺要不断的改进, 才能适应现代化社会经济建设的发展。
参考文献
[1]王中.复杂地形条件下桥梁现浇施工浅谈[J].城市建筑, 2014 (4) .
复杂地形矿区 篇6
关键词：断裂构造,复杂程度,定量评价,分形,信息维
0 引言
矿井构造复杂程度评价始于80年代, 主要采用常规的数理统计方法, 如构造破坏指标、构造指数法等[1,2]。由于矿井构造的非线性, 模糊综合评判法、人工神经网络技术等评价方法也越来越广泛地应用于矿井构造定量评价中[3,4,5,6,7]。以往的研究中, 评价断裂构造复杂程度的常用指标有断层长度、断层密度、断层强度等等, 然而这些指标在多数情况下往往不能全面、准确地反映断裂构造的实际情况。分形几何学是一门以不规则几何形态为研究对象的几何学, 自相似性是分形的灵魂[8,9], 目前已广泛应用于地质学各个领域, 诸如地质构造、岩石断裂、地下水渗流等方面。大量研究表明, 断层、节理和显微断裂在几何学、动力学和运动学特征上具有统计意义上的自相似性[10,11,12]。断层系的分维值, 不仅与断层的长度有关, 还有断层的条数、展布及组合特征密切相关[13], 它可以较好地反映断裂构造的复杂程度, 可作为定量评价矿井构造复杂程度的一种有效的、较为准确的指标。
1 分形评价原理
分维是表征分形的一个重要参数。根据计算维数的定义, 可分为相似维、容量维、信息维和关联维等。分形几何在构造复杂性的应用研究中, 以容量维和信息维较为实用。
容量维 (Dk) :设F是平面空间上的一个有界点集, 包含在一个矩形之中, 将这个矩形划分成若干个边长为ε的小方格, 于是必有某些小方格内包含F中的点, 记包含有F的小方格数目为N (ε) , 则容量维Dk的表达式为:
信息维 (DI) :信息维是容量维的推广, 容量维只考虑了包含F的小方格数目N (ε) 与小方格边长ε的关系, 而未考虑研究对象本身的特征。对于非确定性的研究对象, 需引入信息维的概念:
式中, Pi表示F落在第i个小方格中的概率。
如果F中的点落在所有方格中的概率相等, 则Pi=1/N (ε) , I (ε) =ln N (ε) , 此时信息维与容量维相等, 即DI=Dk。网格覆盖法均可用于断裂网格容量维、信息维的量算, 二者不同之处在于信息维需计算每一个含有断层迹线的网格中断层的信息熵。
2 矿区断裂构造复杂程度评价
2.1 评价过程
古交矿区位于山西西山煤田的西北隅, 含煤地层为二叠系山西组和石炭系太原组, 区内的褶皱构造较为简单, 断裂构造则极为发育, 主要发育NE、NEE向展布的压扭性高角度大-中型正断层, 其发育具有明显的分区性、分带性特征。根据井巷开采揭露, 在已开采地段, 小断层极为发育, 而在未开采或未揭露地段, 尚存在着一定数量的未知断层。为了更深刻地揭示区内断裂构造发育情况, 对未知地段进行构造预测, 本次采用了分形评价方法对研究区内断裂构造的复杂程度进行了定量评价。
由于断层系容量维的计算只考虑了网格中含有断层的方格数N (ε) 与方格边长ε的关系, 而未考虑反映断层复杂程度的其他因素, 如断层的落差、延展长度等。
根据以往的研究, 断层系的信息维比容量维更能反映断层的发育规律, 故本次研究采用信息维方法对断裂发育复杂程度进行评价, 以落在小方格中断层的条数ni来计算概率Pi所示。
实际计算过程中, 以研究区8煤采掘工程平面图上的断层资料为基础, 将研究区划分成75个单元, 然后将各单元依次按2 500 m×2 500 m、1 250 m×1 250 m、625 m×625 m、312.5 m×312.5 m划分成若干个小网格, 如图1所示, 统计每一个单元的断层信息熵, 最后根据关系, 进行双对数线性回归, 得到最佳拟合直线的斜率, 即断层系的分维值。
2.2 评价结果
通过回归分析发现, 各单元断层系I (ε) =lnε关系拟合较好, 相关系数较大, 拟合直线的斜率即为该单元的断层信息维, 如图2所示, 它反映了其所在单元断裂构造的复杂程度。根据各单元中心点坐标和断层分维值, 采用克里格法进行内插加密, 绘制出的断层分维值 (信息维) 平面分布图如图3所示。
从图3可看出, 古交矿区断层分维值整体相对较高, 构造较复杂。区内断裂构造具明显的分区性, 大断裂带附近及小断层发育密集地带, 分维值较高, 构造复杂;而断裂发育稀疏地带, 分维值相对较低, 构造较简单。
根据分维值平面分布特征可将矿区断裂构造复杂程度划分如下: (1) 构造复杂区:分维>1.5, 主要分布于西曲矿北部的红崖子断裂带、屯兰矿中部的古交断裂带、东曲矿中部的随老母断裂带以及马兰矿南部的原相北断层附近地段, 这些地段断层发育, 构造复杂, 分维值一般为1.5~1.9;而镇城底矿北部、屯兰、马兰矿西北部地段, 由于开采过程中揭露的小断层较多, 分维值也较大; (2) 构造中等复杂区:1.0≤分维≤1.5, 主要分布于西曲矿东部、东曲矿除中部随老母断裂带附近地段的其他地段、屯兰矿南部、马兰矿西南部及中~东部局部地段, 这些地段断层分维值略低, 构造复杂程度属中等复杂; (3) 构造简单区:分维<1.0, 区内断层分维值小于1的分布范围较小, 主要分布于西曲矿东南部、东曲矿南部、马兰矿西南部地段。这些地段断层发育稀疏, 构造较为简单, 故其分维值也较低。
综上可知, 古交矿区断层系分维值普遍较高, 大多介于1.0~1.5之间, 断裂构造较复杂。在所有评价单元中, 分维值>1.5的单元占36%, 1.0≤分维值≤1.5的单元占42%, 分维值<1.0的单元占22%, 如图4所示。
由于区内断裂构造的发育具明显的不均匀性, 在较为复杂的总体背景上仍存在着局部相对较简单的区域, 断裂构造发育较稀疏, 分维值一般小于1, 如矿区南部 (单元55、56、57、77) 构造相对较为简单;而矿区北部 (如单元04、05、09) 、西北部 (如单元14、15、22) 以及西部 (如单元29、39、49) 构造较为复杂, 这些地段大多位于大断裂带附近或小断层发育密集区域, 分维值较高。
由此可见, 断层迹线信息维的规律性较强, 分维评价结果与实际生产揭露情况相符, 评价结果可靠。这说明断层信息维很好地反映了矿区断裂构造的复杂程度, 可作为定量评价矿井构造复杂程度的依据。
3 结论
(1) 基于断层迹线信息维对古交矿区断裂构造复杂程度进行综合评价, 结果表明, 矿区断层分维值整体较高, 构造较为复杂。区内断裂构造具明显的分区性, 矿区北部、西北部以及西部断裂构造相对复杂, 尤其是大断裂带附近或小断层发育密集区域, 分维值高;矿区南部断裂构造简单, 分维值一般小于1。分维评价结果与实际生产揭露一致, 评价结果可靠。
复杂地形地貌下的单频网组网技术 篇7
关键词：中国移动多媒体广播,地面数字电视广播,单频网
0 引言
单频网(Single Frequency Network,SFN)模式[1]已在地面无线数字电视广播的覆盖建网中广泛采用,若干个位于不同地点的发射台在同一时间使用同一频率发射同样的无线信号,以实现对一定服务区域的可靠覆盖。与多频网相比,单频网建网的优点有:1)节省频谱资源,使得频率利用率大幅提高;2)提高功率效率,降低能耗;3)降低了发射点电磁污染和干扰;4)多个发射台同时工作带来的分集效果,提高了信号的稳健性及抗干扰性,改善了原有覆盖边缘的峭壁效应,使得接收的可靠性增强,获得更好的覆盖效率;5)在覆盖区内接收同一信号不需切换频道,有利于移动接收;6)可以根据需要方便灵活地改变覆盖区域的分布。
自2002年起,德国、西班牙、瑞典、新加坡等国家和地区开始采用单频网组建无线数字广播电视覆盖网。我国地面数字电视广播国家标准[2]和移动多媒体广播CMMB行业标准的颁布,使得我国的无线数字电视广播从试点进入了实质性建设推广阶段。截至目前,全国超过100个城市已经搭建了CMMB或DTMB单频网。未来几年内,我国所有地级以上城市都将建立起稳定可靠、优质高效的无线数字广播单频网。笔者详细介绍了单频网尤其是复杂地形地貌下单频网的规划、设计、实施和网络优化方法,并结合笔者几年来的单频网建设实践,提出了一些建议。
1 单频网的建设步骤
无线数字广播单频网的设计和组建是一个复杂的系统工程,涉及到频率规划、站点选择、方案设计、覆盖试算、项目实施、覆盖测试、优化调整等方面[3,4,5,6,7,8]。
1.1 网络规划
单频网的建设,必须有一个统一的规划,以确保各个发射点能够最大程度地发挥作用,减少重复建设和各单频网站点间的互相影响,一般情况下,站间距离应满足单频网保护间隔的要求。另外,随着网络的不断建设,覆盖区域将不断扩大,临近城市的情况也要考虑。单频网的规划应具有前瞻性,网络应采取有利于后期扩展的开放式结构。一般而言,单频网规划包括频率规划和站点规划。
1.1.1 频率规划
频率规划是网络规划的重要组成部分,频率规划的好坏对单频网覆盖有着至关重要的影响。因此在对一个区域进行单频网设计前,需要根据当地现有频率使用情况,综合应用GIS系统、人口模型、电波传播预测、规划参数、多信号合成等,对频率资源进行合理的调整规划,为单频网的建设提供一个较好的发射频率。自由空间传输链路损耗的计算公式为
式中:Lf为自由空间传输损耗,单位为d B;d为路径长度,单位采用㎞;f为发射频率,单位采用GHz。可知,若发射功率和传输距离等条件保持不变,仅改变发射频率,则频率每升高1倍,传输损耗就增加6.02 d B。另外随着发射频率越高,电磁波的穿透特性越弱,水、湿地、树林等对电磁波的吸收越大,多普勒频移现象越明显,移动接收特性越差。因此,发射频率相对低一些对传输覆盖更为有利。目前,在UHF频段的低端,电磁干扰严重,一般选在550~700 MHz较为适宜。特别在水多、湿地、树林多的南方城市,工作频率设置在低端更为适宜。
1.1.2 站点规划
基于相同的发射功率和天线高度,单频网组网理论中提出了两种基础网络拓扑模型:等角六边形和等边三角形(如图1a,1b所示)。六边形组网模式一般用于大面积的单频网设计,而三角形组网模式用于小面积的单频网设计。当单频网覆盖范围需要扩大时,可以通过模型的拼接,构成一个类似蜂窝的扩展的单频网。在实际单频网搭建中,由于地形地貌、站点资源等客观因素的影响,不可能找到完全符合理论模型的发射站点,这就需要根据实际情况对参考模型进行灵活调整。一般情况下,构建的单频网拓扑往往会是非等边三角形(如图1c所示),可在此基础上根据覆盖需要增加发射站点。
在单频网站点规划时,要认真研究当地的地理环境,巧妙利用地形地貌安排合适的单频网点,可以极大地改善单频网的覆盖效果并降低网络建设成本。如图2a中给出的覆盖区地理条件,可以有图2b,2c,2d所示3种单频网建设方案:图2b中的建设方案会产生大量的多径,容易导致干扰;图2c中的方案利用山体遮挡建设了4个发射点,有效减少了多径的产生;图2d中的单频网方案既利用了山体遮挡减少了多径干扰,又能以最少的发射点完成覆盖,显然是最优方案。
1.2 方案制定
单频网一般是在前期工程基础之上建立的,在明确了单频网建设目标之后,必须对现有网络有充分的了解。首先需对现有网络的覆盖范围和效果进行测试,得出有效的网络覆盖范围。根据测试结果,确定单频网发射点的大概分布范围,然后分别进行发射点的现场勘查、物业协调,确定建设条件,制定出详细的工程实施技术方案。
1.2.1 单频网发射点勘察和选址
数字广播单频网构建的决策重点和难点问题,是如何使单频网以最合理、最科学的布局,实现目标地区的有效覆盖。由此可见,单频网站点的选址至关重要,它直接决定了单频网的整体布局和覆盖效果。单频网站点的选址,既要满足现有的覆盖需求,又要具有一定的可扩展性。发射点的选址一般遵循以下原则:1)尽量利用现有发射台站或广电系统内建筑物和设施,以减少物业协调、纠纷、投资等;2)理论上,相邻发射点之间的距离不应大于保护间隔的要求(见表1);3)具备安装发射机和前端设备的空间和条件,具备发射天线的安装位置并满足发射天线的安装要求(发射点高度适合,周围没有影响电磁波传输的障碍物,发射天线与发射机之间的距离越短越好,有主馈电缆的安装路由);4)能够方便地从主站获得信号源;5)机房的电力、通风、接地、防雷和安全保障设施满足安全播出的要求,或能够通过技术改造比较容易达到要求。
1.2.2 各单频网点信号传输链路的选择
由于单频网对时间、频率和比特同步有严格要求[9],各发射点间的节目传输路由选择就显得尤为重要。目前码流的传输分配网络主要包括:光纤传送网络和数字微波传送网络。其中光纤网络主要有:光纤独占方式和光纤共享方式(SDH);数字微波网络主要包括:DS3数字微波和SDH数字微波。在地面无线数字电视广播系统单频网的建设中,除主站点因为复用器与调制器之间的复用流传输距离近可以采用同轴电缆传输外,其他单频网站点必须结合台站的具体情况,充分考虑建设及运营维护成本等因素,因地制宜,选择合适的光纤传送网络或数字微波传送网络。
1.2.3 网络试算及覆盖分析
网络试算和覆盖分析是单频网建设中的一项重要工作,它为网络的建设和优化提供了理论依据。在一个单频网方案确定前,必须结合当地的地形地貌,并根据发射站点间的距离、工作模式、发射参数、接收参数和门限等对单频网进行网络试算和覆盖分析。网络试算和覆盖分析一般有两种方式:一种是根据当地的地形地貌特点选择相应的经验模型公式对单频网信号进行定性分析,可以初步判断出信号的覆盖情况和同步干扰情况,例如在大中城市和人口密集区环境中,比较常用的有Okumura-hata传输模型的经验公式:
式中:f为工作频率,单位取MHz;h1为基站天线高度(单位为m);h2为移动台天线高度(单位为m);d为到基站的距离(单位为km);ah2为移动台天线高度增益因子;sa为市区建筑物密度修正因子。根据经验值,对于中等城市sa≈0 dB。
在进行大中城市和人口密集区环境下单频网的网络试算和覆盖分析时,可通过上述经验公式的计算结果并结合各发射点的的EIRP(等效全向发射电平,单位d B)和同频干扰保护率等对覆盖区的覆盖电平和信号同步干扰进行定性分析。
另外一种覆盖分析方式是通过网络覆盖规划分析软件来完成,其主要依据是国际电信联盟颁布的《ITU-R BT.1368-5建议书》和《ITU-R P.1546-1建议书》。在同频干扰分析方面,可从覆盖场强和时延两个不同的角度来说明同频干扰分析结果。
在采用规划软件分析试算前,应该先根据当地的环境和地形地貌选择合适的传播预测模型,目前U波段常用的传播预测模型主要有ITU-R P.370,ITU-R P.1546,ITU-R P.526和Okumura-Hata等。其主要特点及适用范围如表2所示。
1.2.4 技术方案的制定
根据现场勘察情况和网络试算及覆盖干扰分析结果,按照技术方案相关要求,制定出实施技术方案,方案应包括覆盖区域的综述(包括区域环境、地形地貌、人口状况等)、现有网络情况、方案制定依据、发射点具体情况和技术数据(包括发射点高度、位置、机房环境、天馈线及电力条件、基础设施等)、网络试算及覆盖分析结果、工程实施内容(节目源引接方案、发射机和天馈线及附属设备的安装调试方案、电力通风及其他基础设施改造方案等)、网络建成后应达到的目标、工程进度安排及设备清单等,形成一个完整的技术方案后,召集专家会议进行方案论证,确定方案的科学性、合理性和可实施性。
1.3 设备安装调试及覆盖测试
单频网的工程实施应该严格按照技术方案进行,若实施中需对技术方案进行变更,需重新对涉及的内容进行认证复核。在工程实施前,应该对包括各设备厂家在内的相关工程技术人员进行安全教育培训。安装调试人员应该严格遵守各项操作规程,保证人身和设备安全。在利用原有发射台站建立单频网的站点,在施工时还应该注意不影响现有播出设备的播出安全。
尽管在前期对单频网进行了网络规划和覆盖分析,然而影响射频传播的因素太多,不可能将所有因素都考虑进去。因此,在单频网建成后,需要采用专业的路测仪器对目标覆盖范围内的接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator,RSSI)、信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)、调制误差比(Modulation Error Rote,MER)、调制精度-误差矢量幅度(EVM)、低密度校验码(LDPC)误块率以及同步情况等进行测量。对测试结果进行分析,确定单频网的覆盖效果,如果实测结果跟理论规划和试算结果差距较大,需要分析原因,进行设备的调整和优化。通过测试,还可确定单频网的干扰区和覆盖盲区,为下一步的网络优化调整提供依据。
1.4 网络优化调整
网络优化调整是单频网建设的最后一步。它和覆盖测试交替持续进行。单频网的优化调整的一个重要原则就是减轻单频网发射点在交叠覆盖区形成的多径干扰,具体而言就是尽可能减小长时延、强多径信道存在的区域。对干扰区,可以通过调整发射机的时延、功率或发射天线的场形等消除干扰区,如果无法消除应尽量减小干扰区并调整干扰区使之落在用户人群较少的区域。对于信号覆盖盲区,可以通过增加小功率补点来消除。对于一些重要楼宇、车站、地铁、候机楼、商场、隧道等室外无线信号无法到达的场所,可以通过直放站、移频转发、同频转发或泄漏电缆等方式进行覆盖,从而达到信号的良好覆盖。因为无线数字广播系统单频网的调整会引起某些覆盖区域性能不稳,所以网络调整和优化需重复进行。同时要考虑诸多外部条件的影响及制约,在建设中,应根据实际情况,结合网络的覆盖测试反复对比、调整、优化,使单频网的总体状态达到最佳。
2 案例分析
下面以长株潭CMMB单频网[10,11,12]的规划设计和建设优化为例,对复杂地形地貌下的单频网建设进行一个简要的介绍和分析。
长沙、株洲、湘潭3市(以下简称:长株潭)是湖南的政治经济文化中心,3市人口约1 600万,约占湖南省总人口的1/4,GDP占湖南省1/3以上。地形地貌以平原、岗地和丘陵为主,是典型的中南部城市群落,城市间距离较近,并有多条高速、国道、省道相连,交通便利。长株潭单频网的设计目标是要建设一个同时覆盖1个大型省会城市和2个中型的地级市以及3地城市之间主要交通路网的区域性大单频网。从相关地理概况可知,长株潭CMMB单频网覆盖范围涵盖了城市、山地、林区、丘陵、平原等5种比较典型的环境,地形地貌非常复杂,因此其规划、设计、建设情况也非常复杂。
2.1 长株潭单频网的基本情况
根据前述单频网频率和站点规划的原则,长株潭单频网频率采用DS-29频道,利用7个发射站点实现对长株潭的CMMB单频网覆盖,其中4个站点位于长沙市区,1个位于株洲市区、1个位于湘潭市区,还有1个站点位于长株潭中间的跳马山上。7个单频网发射站点均选址在广电系统的发射台站,最大限度地利用了现有的台站资源设施,也更加有利于以后的运行维护(如图3所示)。
在本单频网中,前端设备设在省广电中心的30层机房内,中央和地方的音视频节目和数据业务通过复用器形成复用流后传输分配到各单频网发射站点,广电中心发射点由于跟前端设备放置在同一机房,因此采用同轴电缆方式,岳麓山、省电视台、省电台以及跳马山发射点由于有现成的光缆可用,采用光纤传输方式。株洲和湘潭跟省广电中心机房有省广电SDH的光缆干线网相通,码流信号采用ASI/4E1网络适配器在SDH传输平台上传输(如图4所示)。
根据各单频网发射点的具体参数,采用法国ATDI公司的ICS Telecom NG 8.0覆盖规划分析软件对该单频网的覆盖以及同频干扰进行分析。分析选取Okumura-Hata传播模型,分析结果如图5、图6所示。
从同频干扰的试算结果中可以看到,该单频网只是在岳麓山发射点的西南角、跳马山发射点附近的东北角和湘潭发射点的覆盖区的西部边缘地区出现了少量的干扰区。
2.2 长株潭单频网分析
CMMB的循环前缀为51.2μs,CMMB单频网的保护间隔为15.36 km(即51.2μs×3×108m/s=15.36 km)。在单频网中,只要到达接收机的各个信号间的时延差不超过系统所采用的保护间隔,则接收机就有可能正常接收,否则超出保护间隔的信号就成为干扰。从图3可以看出,长株潭CMMB单频网中,除长沙市区4个站点之间的距离没有超过CMMB的理论保护间隔外,其他各点的站间距离均超过了15.36 km的理论保护间隔,在信号的交叠区域会出现大面积的干扰(如图7中灰色椭圆形区域)。
对最终网络的实际测试结果表明,该单频网的有效覆盖区内基本上不存在干扰,接收机可以稳定接收,其原因主要有:
1)利用自然地貌:选取单频网站点时巧妙利用了当地的地形地貌,几个超保护间隔站点之间的地形地貌主要以山岗、丘陵和林区为主,由于山岗、丘陵和林区对信号的阻挡和衰减,使得主站信号和邻站的多径干扰信号的电平差超过了信号的同频干扰保护率(一般选为8 d B),因此在该同步干扰区域中信号能够实现稳定接收。
2)改变天线倾角:在单频网的建设过程中,分别对各发射站点的天线进行了适当的下倾,进一步提升了主站的近场覆盖电平而降低了同步干扰区内临站信号的覆盖电平。具体数据如下:岳麓山发射天线进行了1.5°的电气下倾和2.5°的机械下倾;对株洲站发射天线进行了1.5°的电气下倾和2°的机械下倾,广电中心等其他各站的发射天线只进行了1.5°的电气下倾。实践表明,这对改善干扰有明显的效果。
3)调整天线场形:对湖南省广电中心原来使用的8缝缝隙天线改为四层四面正装四偶极子面包板天线,改变天线场形后,增大了其西、南、北方向的功率电平和覆盖半径(7 km增大为8 km以上),减弱了其东方向的覆盖半径(10 km减弱为8 km左右)。实践表明,通过利用地形的遮挡和天线场形的改变,对长株潭CMMB单频网的覆盖质量产生了较大的提升,尤其是在信号的同步干扰区内起到的作用更加明显。
2.3 单频网建设中的其他问题
在单频网的建设中,接地和防雷是一个非常重要又容易疏忽的工作。在室内环境下搭建并调试好的整套系统,拿到实际工作环境中就容易出问题,其原因主要有:实际运行环境中电磁环境往往比较恶劣,再加上设备不间断播出,不良的接地处理会使设备产生大量静电,引入干扰和系统噪声。对设备的正常工作产生影响,使发射机、激励器、卫星接收机等产生自动保护或死机,严重时还可能损毁设备和造成人身安全伤害。因此在工程施工和设备安装调试时一定要认真按照设计规范要求做好设备接地处理,对设在接地条件较差的城市楼宇中的机房,应该对各个设备做等电位连接处理。防雷也同样重要,为防止直击雷或雷电电磁脉冲对建筑物本身或其内部设备造成损害,在工程实施之前,一定要按照相关的防雷规范和标准做好防雷设施,特别是在南方多雷的高山发射台更应该严格把关。在长株潭CMMB单频网建设中,由于跳马山发射点是新架设的铁塔和天线,当时为了赶工期没有及时做防雷设施,加上跳马山海拔较高,当地雷雨天气又多,导致跳马山发射点的卫星接收机、GPS接收机以及光端机等多次被雷击烧坏。直到架设避雷针等防雷设施后,该情况才没再出现。
在单频网建设中,第二个需要注意的问题是GPS接收机的安装问题。GPS接收机为单频网的同步提供时间和频率基准,为实现系统的精确同步,通常要求GPS精确度达到1E-11,稳定度达到24 h内保持1E-11以上的量级。在GPS接收机及其天线的选择和安装上应注意:
1)GPS接收机应选择带自动切换功能的接收机,一旦GPS接收机不能同步接收到天上GPS卫星信号,可自动切换到内部振荡器。由于GPS接收机在断电后重新启动时,搜索卫星、同步锁定一般需1 h以上,因此GPS接收机的电源应该和发射机、复用器等其他设备电源分开安装,单独供电。这样在发射机发生故障或需要日常维护检修时可以单独断电处理,故障处理或检修完毕后能够快速恢复播出。另外为防止短时突发停电的影响,建议在GPS接收机前加1个小功率的不间断电源(UPS)。
2)GPS天线的安装也是十分重要。GPS天线四周应该有良好的净空环境,安装时应尽可能远离各种发射天线、高压线及强电场、磁场等干扰源。另外,GPS天线电缆长度是根据天线增益严格设计的,不得剪断、延长、缩短或加装接头,否则将严重影响接收效果甚至收不到信号。电缆线长度多出时不要盘起,应拉直,以免产生电磁场引致信号衰减。
3)在对单频网信号覆盖的路测中,如果发现信号的覆盖区域跟规划和试算的相差太大,应该首先怀疑发射天线的安装是否有问题,比如天线的安装方向是否跟设计一致,天线的俯仰角是否合适等。在长期的工程实践中这类问题多数是由于天线厂家的安装工人没有根据设计图纸和规划认真测算天线的安装方位,天线安装不安装设计要求,只凭主管经验或者发射台实际结构安装,导致天线的主向偏离需求位置的情况。
4)补点器是完善覆盖的另外一个重要手段。在长株潭CMMB单频网建设中,对长沙市望城县的覆盖时,在望城县电信大楼的顶上用天线接收省广电中心上变频后传输的CMMB信号,经过下变频到DS-29频道后由一个100 W的直放站对县城进行全向覆盖,实测效果良好。
3 结论
数字广播单频网的建设是一个复杂的系统工程。由于无线传输信道条件恶劣,易对传输信号造成干扰,加上山体、林区、建筑物对信号的遮挡和衰减,各种射频信号在开路环境传播过程中存在着很大的随机性。尤其是在复杂地形地貌下,多径信号、多普勒频移及同、邻频干扰等等都会给频率规划、单频网设计和建设、覆盖范围分析等环节带来诸多问题。但是如果能在单频网规划建设中合理进行频道指配并巧妙利用地形地貌特点选择发射点位置,并适当调整各种技术参数(如改变发射天线的高度、俯仰角或场形图,调整发射点发射功率以及信号的相对延时等措施),不仅可以优化和提高网络覆盖的性能,甚至在单频网站间距离超过理论保护间隔时依旧可以实现良好覆盖,这对于无线数字广播单频网尤其是一些区域性城市群的单频网覆盖有着重要的借鉴意义。
参考文献
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