冷浩 劉士洋 李宗意 張一安 張佳瑞

摘要：【目的】為探索隧道排水系統(tǒng)在地下水滲流作用下排水管道內(nèi)結(jié)晶堵塞分布規(guī)律，提出峨漢高速隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶規(guī)律室內(nèi)模擬試驗(yàn)?！痉椒ā恳劳卸霛h高速廖山隧道工程，建立1∶5隧道排水系統(tǒng)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)取樣地下水分析結(jié)果配置相同離子成分的試驗(yàn)溶液開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)。【結(jié)果】結(jié)晶堆垛方式主要是大量堆垛，屬于同分異構(gòu)晶體類型，主要成分為方解石型碳酸鈣；隨著水流量增加，結(jié)晶量提高，結(jié)晶速率越快，其中橫向排水出口的266.8 mL/s水流量工況下的累積結(jié)晶總量最高；緩和的排水管坡度有利于隧道排水管道內(nèi)結(jié)晶物的生成；排水管接頭處結(jié)晶總量（30%）>橫向排水出口（27%）>橫向排水管（19%）>縱向排水管（15.2%）>環(huán)向排水管（8.3%），隧道排水系統(tǒng)中結(jié)晶堵塞的關(guān)鍵位置是排水系統(tǒng)接口處和橫向排水管出口處?！窘Y(jié)論】研究有效分析出了排水管道內(nèi)結(jié)晶堵塞分布規(guī)律，對(duì)保障隧道排水系統(tǒng)通暢有效運(yùn)行具有重要意義。

關(guān)鍵詞：隧道工程；排水系統(tǒng)；結(jié)晶堵管；模擬試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

本文引用格式：冷浩，劉士洋，李宗意，等. 峨漢高速隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶規(guī)律室內(nèi)模擬試驗(yàn)[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2024，41（1）：46-53.

Research of Indoor Simulation Test on Crystallization Law of Drainage System in Emeishan-Hanyuan High-Speed Tunnel

Leng Hao1， Liu Shiyang2*， Li Zongyi2， Zhang Yi'an2， Zhang Jiarui1

（1. Sichuan Lehan Expressway Co.，Ltd.， Leshan 614000， China;

2. College of Civil Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China）

Abstract： 【Objective】 In order to explore the distribution law of crystallization blockage in tunnel drainage system under the action of groundwater seepage， a laboratory simulation test of crystallization law of Emeishan-Hanyuan high-speed tunnel drainage system was put forward. 【Methods】 Based on the Liaoshan tunnel project of Emeishan-Hanyuan High-speed， a 1∶5 indoor simulation test of tunnel drainage system was established， and a test solution with the same ionic composition was configured according to the analysis results of in-situ groundwater sampling. 【Result】 The crystal stacking mode is mainly a large amount of stacking， which belongs to the isomeric crystal type， and the main component is calcite type calcium carbonate; With the increase of water flow， the crystallization amount increases， and the crystallization rate is faster， among which， the cumulative total crystallization under the condition of 266.8 mL/s water flow at the lateral drainage outlet is the highest; The moderate slope of the drainage pipe is conducive to the formation of crystals in the tunnel drainage pipe; The total amount of crystallization at the drainage pipe joint （30%） > horizontal drainage outlet （27%） > horizontal drainage pipe （19%） > vertical drainage pipe （15.2%） > circumdirectional drainage pipe （8.3%）. The key positions of crystallization blockage in the tunnel drainage system are the drainage system interface and horizontal drainage pipe outlet. 【Conclusion】 The distribution law of crystal blockage in drainage pipe is effectively analyzed， which is of great significance for ensuring smooth and effective operation of tunnel drainage system.

Key words：? tunnel engineering; drainage system; crystallization law; simulation test

Citation format：LENG H， LIU S Y， LI Z Y， et al. Research of indoor simulation test on crystallization law of drainage system in Emeishan-Hanyuan high-speed tunnel[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2024， 41（1）： 46-53.

【研究意義】我國(guó)巖溶地層分布廣泛，約占國(guó)土面積的三分之一。巖溶地下水從圍巖進(jìn)入隧道排水系統(tǒng)，環(huán)境條件變化巨大，地下水容易在隧道排水系統(tǒng)中發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成CaCO3、MgCO3等堵塞物。

【研究進(jìn)展】針對(duì)隧道排水系統(tǒng)內(nèi)結(jié)晶形成的原因及機(jī)理，國(guó)內(nèi)外專家已經(jīng)開(kāi)展了部分研究。謝小龍等[1]分析了深層隧道排水系統(tǒng)在武漢污水傳輸工程中的應(yīng)用；聶崇欣等[2]通過(guò)研究隧道排水系統(tǒng)中產(chǎn)生結(jié)晶體物質(zhì)成分和成晶機(jī)理，提出有效的隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶處置方案；程詠春等[3]開(kāi)展了與現(xiàn)場(chǎng)1：1等比例的排水系統(tǒng)堵管室內(nèi)試驗(yàn)，探討了仿真現(xiàn)場(chǎng)水動(dòng)力、水化學(xué)和干濕循環(huán)條件下管道結(jié)晶沉淀量的變化規(guī)律；詹樹(shù)高等[4]通過(guò)試驗(yàn)研究了超聲波結(jié)合有機(jī)酸處置排水系統(tǒng)結(jié)晶的效果；蔣雅君等[5]對(duì)排水管道結(jié)晶清洗效果的關(guān)鍵因素進(jìn)行了探討，選用一種復(fù)合型環(huán)保清洗劑，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行3種不同的結(jié)晶溶解試驗(yàn)。錢(qián)振宇等[6]借助模型試驗(yàn)對(duì)隧道結(jié)晶淤堵過(guò)程及變化規(guī)律進(jìn)行探究，得出CaCO3結(jié)晶體純度高且水流速低時(shí)，結(jié)晶沉淀物有充分時(shí)間停留在排水管壁且易粘附在管壁內(nèi)表面，結(jié)晶體更加容易堆積并堵塞。黃驟屹等[7]在DBL理論的基礎(chǔ)上結(jié)合水動(dòng)力學(xué)，分別討論了層流、紊流兩種流態(tài)下的流速分布并推導(dǎo)出結(jié)晶沉淀速率函數(shù)表達(dá)式。盧冠楠等[8]探討了可能的阻垢工程措施。Zhang等[9]基于室內(nèi)正交試驗(yàn)研究了交變電場(chǎng)對(duì)隧道排水管結(jié)晶的影響。通過(guò)上述分析可以看出，隧道排水系統(tǒng)相關(guān)研究主要集中在優(yōu)化設(shè)計(jì)、堵塞的短期治理、結(jié)晶堵塞的成因及影響因素，但對(duì)結(jié)晶規(guī)律的研究較為缺乏[10]，并且分析不夠全面，分析的工況較少，未同時(shí)分析水流量、坡度等，也未給出結(jié)晶規(guī)律的詳細(xì)原因。

【創(chuàng)新特色】為解決上述方法中出現(xiàn)的問(wèn)題，本文依托峨漢高速廖山隧道，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試分析，結(jié)合施工圖紙，建立等比例縮小的室內(nèi)隧道實(shí)驗(yàn)排水系統(tǒng)，模擬排水系統(tǒng)內(nèi)結(jié)晶的生成過(guò)程，針對(duì)得到的結(jié)晶規(guī)律進(jìn)行解釋?！娟P(guān)鍵問(wèn)題】以前的研究未充分考慮水流量、坡度等因素對(duì)隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶的影響，從而導(dǎo)致排水系統(tǒng)堵塞未得到有效解決。針對(duì)該問(wèn)題，進(jìn)行峨漢高速隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶規(guī)律室內(nèi)模擬試驗(yàn)，以期在一定程度上解決上述問(wèn)題。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1.1 試驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)所需的主要材料及其規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)所需的主要儀器及其規(guī)格參數(shù)如表2。

1.1.2 試驗(yàn)裝置

峨漢高速公路隧道全長(zhǎng)122.882 km，選擇其排水系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究對(duì)象如圖1所示。該排水系統(tǒng)在隧道變輕及拱墻背后設(shè)置環(huán)向排水管，將背墻水引排至邊墻縱向排水管內(nèi)，環(huán)向排水管采用FH50軟式透水管，縱向間距10 m，有集中股水流處根據(jù)水流量大小采用透水管直接引排至中央排水溝內(nèi)，集中股水引排按每100 m環(huán)向FH50和FH100軟式透水管各1道計(jì)量，兩側(cè)邊墻底背面各設(shè)置一道縱向排水管，將環(huán)向排水管中的地下水集中匯流，引排至隧道低橫向排水管，采用HDPE DN/ID100打孔雙壁波紋管，外裹無(wú)紡布，其縱坡與路線縱坡一致，隧道路面面層下設(shè)置橫向排水管，將邊墻縱向排水管匯集的地下水引排至隧道中央縱向排水溝，橫向排水管采用HDPE DN/ID100打孔雙壁波紋管，外裹無(wú)紡布，管間距10 m，并且隧道中線路面下60 cm設(shè)置縱向矩形排水溝（寬×高=50 cm×60 cm），將匯集的地下水引排至洞外，每隔300 m設(shè)置一個(gè)檢查井，排水下游洞內(nèi)距洞口10 m處和排水上游洞內(nèi)距洞口50 m處設(shè)置檢查井，縱向、橫向、環(huán)向排水管之間均采用三通或四通連接。

本次室內(nèi)試驗(yàn)以上述排水系統(tǒng)為研究對(duì)象，構(gòu)建1∶5比例的自制循環(huán)系統(tǒng)，主要由鋼支架、塑料水箱、水循環(huán)裝置組成。其中水循環(huán)裝置由變頻水泵、HDPE波紋管、PVC水管、PVC轉(zhuǎn)接頭組成[11]。試驗(yàn)采用的試驗(yàn)鋼架，總長(zhǎng)2 m，寬1.5 m，高2 m。鋼架上部分主要模擬隧道輪廓線，為半徑為1 m的圓形鋼架，分為4條，間隔0.5 m設(shè)置一條，依附于鋼架設(shè)置環(huán)向排水管、橫向排水管和縱向排水管。環(huán)向排水管、縱向排水管與橫向排水管以四通接頭相連接。鋼架下部為高1 m的支座，留出足夠的空間安放循環(huán)裝置。

1.1.3 試驗(yàn)溶液配置

地下水中主要存在的陽(yáng)離子是Ca2+、Mg2+，主要的陰離子是SO42-、OH-、CO32-、HCO3-。但是不同標(biāo)段的水樣成分及其含量并不相同，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中應(yīng)將各主要元素成分都考慮在內(nèi)，故此次試驗(yàn)試驗(yàn)用液主要采用的化學(xué)溶質(zhì)為無(wú)水氯化鈣、碳酸氫鈉分析純、無(wú)水硫酸鎂分析純[12]。

考慮到配置試驗(yàn)溶液的用水量較大，忽略地下水中其他雜質(zhì)成分的影響，采用純凈水作為溶劑配制溶液。在實(shí)驗(yàn)裝置清洗后在兩個(gè)儲(chǔ)水箱中各注入40 L水，同時(shí)為使試驗(yàn)溶液達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，按照CaCl2，NaHCO3，MgSO4為1∶1∶1的比例配制成過(guò)飽和溶液，其中溶質(zhì)的溶解順序依次為：CaCl2，MgSO4，NaHCO3。試驗(yàn)溶液的配置過(guò)程如下：

1） 將塑料水箱清洗干凈，避免其他雜質(zhì)對(duì)試驗(yàn)用液的影響；

2） 加注純凈水；

3） 按照1∶1∶1的比例依次溶解各項(xiàng)溶質(zhì)，溶解過(guò)程中不斷攪拌，保證溶解過(guò)程的均勻性。

1.2 試驗(yàn)方案

從現(xiàn)場(chǎng)不同標(biāo)段取得滲流水樣和結(jié)晶樣本，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)滲流水樣進(jìn)行水分分析，根據(jù)其主要離子成分配置室內(nèi)試驗(yàn)用水，對(duì)結(jié)晶樣本進(jìn)行SEM微觀電鏡掃描，分析晶體類型和堆垛方式[13]。試驗(yàn)排水系統(tǒng)依據(jù)實(shí)際施工的1∶5比例等比例縮小，水流量設(shè)定為266.8，200.1，133.4，66.7 mL/s流量4種，隧道橫向排水管坡度值取0%和3%兩種情況，隧道縱向排水管的坡度值取3%。試驗(yàn)工況見(jiàn)表3。

1） 取10 d為一個(gè)周期，每組工況試驗(yàn)6個(gè)周期。

2） 每周期結(jié)束將各管段拆解測(cè)量結(jié)晶量，計(jì)算各管段每延米的結(jié)晶程度，分段測(cè)量排水系統(tǒng)各部分的結(jié)晶情況，通過(guò)對(duì)比得出隧道排水系統(tǒng)內(nèi)易結(jié)晶的關(guān)鍵位置。

隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，結(jié)晶沉淀物會(huì)出現(xiàn)在環(huán)向排水管、橫向排水管、縱向排水管、排水管接頭甚至部分出現(xiàn)在水箱中，結(jié)晶沉淀物的出現(xiàn)消耗了試驗(yàn)用液中的各種離子，為了保持溶液的過(guò)飽和性，每?jī)商煜騼?chǔ)水箱中添加一定的溶質(zhì)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 結(jié)晶的成分確定

滲流水樣水分檢測(cè)結(jié)果如表4所示。結(jié)晶樣本SEM微觀電鏡掃描結(jié)果如圖2所示。從SEM微觀電鏡掃描圖片可以看出，其堆垛方式主要是大量堆垛，晶體的結(jié)構(gòu)類型主要為不規(guī)則形和正方形，屬于方解石類典型的同分異構(gòu)晶體類型[14]。綜合滲流水樣分析出結(jié)晶樣本的主要成分為方解石型碳酸鈣。

2.2 水流量對(duì)不同位置結(jié)晶速率的影響

試驗(yàn)過(guò)程中，每個(gè)周期對(duì)排水系統(tǒng)各部分進(jìn)行分段干重稱量，相鄰兩個(gè)周期之間的差值即為一個(gè)周期內(nèi)結(jié)晶的增長(zhǎng)量，并根據(jù)測(cè)量管段實(shí)際長(zhǎng)度換算成對(duì)應(yīng)部分每延米結(jié)晶量，部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)圖3。從圖3可以得出以下結(jié)論。

1） 在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的初期階段由于流量的不同導(dǎo)致各工況下的結(jié)晶量有所差異，表現(xiàn)出的規(guī)律有隨著流量的增加，結(jié)晶量也有所提高。其中，接頭的266.8 mL/s水流量工況下的累積結(jié)晶總量最高，達(dá)到了99.55 g，而其他位置的不同水流量工況下的最高累積結(jié)晶總量分別為27.52，50.20，62.90，90.05 g。對(duì)比分析可知，266.8 mL/s水流量的累積結(jié)晶總量高出9.5 g。由此可知，接頭位置的266.8 mL/s水流量的結(jié)晶速率最高，表明水流量越高，結(jié)晶速率越快。分析其原因，一方面是流量的增加給了過(guò)飽和溶液在排水系統(tǒng)內(nèi)更多結(jié)晶析出的機(jī)會(huì)；另一方面流量的增加也加大了溶液與排水管壁的接觸面積，提高了結(jié)晶附著在排水管壁的可能，為更多的結(jié)晶生成提供了有利條件。

2） 隨著時(shí)間的推移，各工況的結(jié)晶量差距逐漸增大，其中接頭位置的累積結(jié)晶總量隨著流量的增加變化最大，并且工況1的累積量增加最多。一方面這是因?yàn)樵诔跗诰Ш撕臀⒔Y(jié)晶的形成量上本就存在差異，后期隨著晶核等的生長(zhǎng)發(fā)育，使得原本的結(jié)晶量差距更為明顯，另一方面也是由于流量的不同，不同位置的接觸面積增加，導(dǎo)致結(jié)晶速率有所差異，流量越大結(jié)晶速率越快。

3） 結(jié)晶量的增長(zhǎng)在實(shí)驗(yàn)時(shí)間范圍內(nèi)增速較為穩(wěn)定。這是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中及時(shí)補(bǔ)足了由于結(jié)晶形成而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)液中各項(xiàng)離子的消耗，將溶液保持在過(guò)飽和狀態(tài)，因此試驗(yàn)過(guò)程中可以保證結(jié)晶較為穩(wěn)定地析出。

2.3 不同方向的排水管坡度對(duì)結(jié)晶速率的影響

實(shí)驗(yàn)的橫向排水管坡度設(shè)置為兩種，分別是0和3%，分別對(duì)應(yīng)圖中帶方形的曲線和帶圓形的曲線，部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。從圖4可以得出以下結(jié)論。

1） 通過(guò)對(duì)橫向排水管內(nèi)和橫向排水管出口部分的結(jié)晶量的研究可以發(fā)現(xiàn)，橫向排水管坡度的變化對(duì)這兩處的結(jié)晶規(guī)律產(chǎn)生了影響，坡度的增加使得結(jié)晶量減少，其中，水流量為266.8 mL/s的橫向排水管在達(dá)到60 d時(shí)，0坡度和3%坡度的每延米結(jié)晶累積量分別為65.4 g和62.6 g，坡度增加后，結(jié)晶累積量降低了2.8 g，而水流量為266.8 mL/s的橫向排水出口在達(dá)到60 d時(shí)，0坡度和3%坡度的每延米結(jié)晶累積量分別為86.9 g和84.3 g，坡度增加后，結(jié)晶累積量降低了2.6 g。這是因?yàn)闄M向排水管坡度的變化并不能改變?cè)诹鹘?jīng)橫向排水管之前的水力條件，而只是影響了橫向排水管段以及之后的水力條件，因此坡度的改變對(duì)于后者的結(jié)晶規(guī)律具有更明顯的影響。

2） 試驗(yàn)結(jié)果可知，坡度影響的是結(jié)晶速率，隨著時(shí)間的推移可以明顯觀察出，0坡度的管道結(jié)晶速率明顯慢于3%坡度的管道結(jié)晶速率，但是坡度的改變對(duì)于初期結(jié)晶的影響不是很明顯，其影響效果低于水流量的影響，水流量的影響使結(jié)晶累積量變化達(dá)到了10 g以上，而坡度使結(jié)晶量變化在2 g左右。同時(shí)，在初期階段，結(jié)合上述水流量試驗(yàn)分析結(jié)果，水流量是影響結(jié)晶的關(guān)鍵因素，不同坡度對(duì)于初期結(jié)晶的影響不是很顯著，然而，在結(jié)晶發(fā)生的后期階段，坡度對(duì)結(jié)晶的影響變得更加明顯。這是因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，坡度改變流體水力條件的效果逐漸顯現(xiàn)，較小的坡度利于結(jié)晶附著在管壁上，從而加速了結(jié)晶的累積，促進(jìn)結(jié)晶的產(chǎn)生。相反，較大的坡度使得水流對(duì)管壁的沖刷作用增大，抑制了管壁結(jié)晶的生長(zhǎng)速度，從而影響了結(jié)晶量的產(chǎn)生。

2.3 隧道排水系統(tǒng)不同位置的堵塞情況

隧道排水系統(tǒng)各部分每延米結(jié)晶量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。從圖5結(jié)果可以得出以下結(jié)論。

1） 從試驗(yàn)中隧道排水系統(tǒng)不同部分每延米的結(jié)晶總量可以看出，隧道各個(gè)部分的結(jié)晶概率有高有低，環(huán)向排水管的結(jié)晶率占8.3%，縱向排水管的結(jié)晶率占15.2%，橫向排水管的結(jié)晶率占19%，接頭處的結(jié)晶率占30%，橫向排水管出口的結(jié)晶率占27%。這是由于隧道排水系統(tǒng)各個(gè)部分所處的水力條件和環(huán)境不同，因此對(duì)結(jié)晶概率的影響程度也不盡相同，其中水力條件的影響主要是排水管坡度影響了流速?gòu)亩绊懡Y(jié)晶速率，這是因?yàn)椴煌恢脤?duì)水流的阻力和接觸面積不同，環(huán)境的影響主要是隧道排水系統(tǒng)部分與環(huán)境接觸，使得外界環(huán)境的溫度、濕度、濃度等因素影響了部分排水管內(nèi)結(jié)晶的析出。

2） 在各種工況下按照每延米結(jié)晶總量從大到小依次排序?yàn)椋航宇^處結(jié)晶總量（30%）>橫向排水出口處結(jié)晶總量（27%）>橫向排水管結(jié)晶總量（19%）>縱向排水管結(jié)晶總量（15.2%）>環(huán)向排水管結(jié)晶總量（8.3%）。分析原因：環(huán)向排水管內(nèi)結(jié)晶總量較少的原因是環(huán)向排水管的坡度較大，流速較快，水力條件不利于結(jié)晶的形成；縱向排水管的結(jié)晶總量較環(huán)向排水管多，這是由于縱向排水管坡度較小水流速度較慢有利于結(jié)晶形成，但是較橫向排水管的結(jié)晶量又較少，這是因?yàn)闄M向排水管與外加環(huán)境直接接觸，溶液所處環(huán)境發(fā)生變化導(dǎo)致在橫向排水管內(nèi)更易析出結(jié)晶；在接頭處結(jié)晶總量最大這是因?yàn)榻宇^處流速降低且來(lái)自環(huán)向排水管與縱向排水管的水流交匯，水力條件復(fù)雜容易形成溶液的滯留，加上與外界環(huán)境有接觸因此在接頭處的結(jié)晶量較大；橫向排水管出口處結(jié)晶量略低于接頭處結(jié)晶量，在出口處溶液暴露在外界環(huán)境中，由于外界環(huán)境的影響最容易析出結(jié)晶，但是溶液在徑流過(guò)程中不斷析出結(jié)晶而導(dǎo)致溶液中各離子發(fā)生消耗，因此結(jié)晶量有所降低。

3 結(jié)論

1） 隨著隧道排水系統(tǒng)內(nèi)水流量的增大結(jié)晶量也會(huì)增大；

2） 橫向排水管坡度的增大會(huì)減少橫向排水管內(nèi)結(jié)晶量，但對(duì)隧道排水系統(tǒng)的其他部分不產(chǎn)生影響；

3） 隧道排水系統(tǒng)不同部位根據(jù)每延米的結(jié)晶量可以確定出易產(chǎn)生結(jié)晶的位置是排水系統(tǒng)接口處和橫向排水管出口處。

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第一作者：冷浩（1981—），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榈叵鹿こ膛c巖土工程。E-mail：lenghao345@163.com。

通信作者：劉士洋（1989—），男，博士，講師，研究方向?yàn)樗淼兰暗叵鹿こ獭-mail：zxcvbnm@126.com。