寒區(qū)隧道排水溝出口防凍設(shè)計(jì)研究

宋 捷，孫 迪，林立彬，廉海潯

(1.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166； 2.同濟(jì)大學(xué) 上海市 200082)

1 研究背景

我國寒區(qū)分布廣泛，面積多達(dá)417.4萬平方公里，約占陸地面積的43.5%[1]，主要分布在緯度較高的東北地區(qū)和海拔較高的西部地區(qū)。凍害是影響寒區(qū)隧道安全運(yùn)行的主要問題，如隧道漏水、襯砌表面掛冰、路面結(jié)冰和襯砌變形、開裂、剝落等[2]。目前寒區(qū)隧道多采用掩埋式出口，這種出口型式水流速度緩慢，凍結(jié)幾率增大；而且一旦出現(xiàn)出口處結(jié)冰，則隨著出口外結(jié)冰層的升高，排水溝出口的排水功能逐漸下降甚至完全喪失。

從隧址區(qū)氣象環(huán)境測試入手，考慮不同的流速、流量，經(jīng)理論分析得出掩埋式保溫出口凍害形成機(jī)理和端墻式防凍出口的防凍機(jī)理，并通過數(shù)值模擬的方法設(shè)計(jì)出更加切合實(shí)際防凍需求的排水溝出口型式，改善和提高冬季排水溝出口的排水功能。

2 隧址區(qū)氣象環(huán)境測試

2.1 氣象站布置

在測試隧道洞口處地勢較高、人為影響小且能代表隧道洞外氣象特征的位置安放設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，氣象環(huán)境采集與傳輸系統(tǒng)布置于隧道管理用房附近。

采用一臺PC-3型移動式自動氣象站采集、傳輸氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，分別測量了風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、雨量等常規(guī)氣象要素。

監(jiān)測測點(diǎn)處每小時采集一次溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、降雨量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)自動記錄并存儲，冬季根據(jù)需要適當(dāng)加密數(shù)據(jù)采集量，監(jiān)測到的溫度數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 隧道洞口氣溫測試成果

對本遼遼高速香爐山隧道進(jìn)行氣溫監(jiān)測。從監(jiān)測結(jié)果看，監(jiān)測時段內(nèi)隧道洞口區(qū)域最高氣溫出現(xiàn)在2015年7月9日，為34.2℃，最低氣溫出現(xiàn)在2014年12月8日，為-20.2℃。

2.2 排水溝出口段氣溫(水溫)測試

在排水溝出口和隧道洞口、洞內(nèi)50m、洞內(nèi)100m處分別設(shè)置一個溫度傳感器測試氣溫(水溫)，每小時采集一次溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)自動記錄并存儲。測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 隧道排水溝氣溫(水溫)測試成果

圖2中測點(diǎn)4是排水溝出口處數(shù)據(jù)。從監(jiān)測結(jié)果看，監(jiān)測時段內(nèi)排水溝出口處最高氣溫(水溫)出現(xiàn)在2015年9月9日，為18.7℃，最低氣溫(水溫)出現(xiàn)在2014年12月18日，為-13.0℃。隧道洞口處、洞內(nèi)50m、洞內(nèi)100m三個測點(diǎn)的排水溝內(nèi)最低氣溫(水溫)分別是-4.7℃、-0.7℃和-0.6℃，最低氣溫出現(xiàn)的時間分別是2014年1月30日、2015年2月7日和2015年2月7日。

3 排水溝出口型式及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 排水溝出口的一般型式

公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則規(guī)定，寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)的隧道深埋水溝、洞外暗溝均應(yīng)設(shè)置保溫出水口。出水口處地形較陡且地質(zhì)條件較好時，可采用端墻式；地形平坦時，應(yīng)采用圓端掩埋保溫包頭式[3]。

掩埋式排水溝出口外一般設(shè)置碎石透水層，其上采用煤渣覆蓋，最外層采用干砌版石防護(hù)。碎石透水層及其外部底部縱坡一般為3%～5%。具體構(gòu)造詳見圖3。

圖3 掩埋式排水溝出口設(shè)計(jì)方案

端墻式排水溝出口段一般采用10%以上大縱坡，出口處設(shè)置端部擋墻，管口設(shè)置向下的彎頭，使水跌落至高差不小于2m的出口外溝渠中，出口外溝渠亦盡可能采用較大縱坡，一般應(yīng)大于5%。具體構(gòu)造詳見圖4。

圖4 端墻式排水溝出口設(shè)計(jì)方案

3.2 基于隧址環(huán)境和出水量選擇出口類型

掩埋式排水溝與端墻式排水溝在寒冷地區(qū)的防凍方面有明顯的差異。除了隧址區(qū)地理?xiàng)l件外，還需要綜合考慮隧址區(qū)氣象溫度、地下水溫度和隧道排水溝的流速、流量的影響。數(shù)值模擬仿真技術(shù)是研究分析排水溝出口型式的有效方法，為正確選擇合適的排水溝出口類型提供了理論指導(dǎo)。

(1)掩埋式出口設(shè)計(jì)要點(diǎn)

排水溝從路基中心轉(zhuǎn)向公路的角度應(yīng)適當(dāng)減小，以此減小水流的動能損失，更有利于出口處防凍。排水溝出口段坡度不宜小于10%，越大越好。排水溝出口外碎石透水層底部及其外側(cè)漫排水坡坡度均宜加大至10%。碎石透水層體積根據(jù)氣象溫度和流速流量設(shè)置，氣象溫度低、流速流量小時宜適當(dāng)做大，反之可適當(dāng)做小。

(2)端墻式出口設(shè)計(jì)要點(diǎn)

從過渡井至排水溝出口處坡度不宜小于10%，越大越好。排水溝出口與出口外溝渠高差不宜小于2m，否則冬季清理積冰的頻次會增加。為了減小出口內(nèi)外空氣對流，必要時可在排水溝出口外增設(shè)防風(fēng)門，防凍效果會更好，如圖5。

圖5 端墻式排水溝出口防風(fēng)門設(shè)計(jì)圖

4 隧道排水溝出口瞬態(tài)模擬分析

4.1 基本假設(shè)

隧道排水溝與圍巖之間主要通過導(dǎo)熱和對流傳熱方式進(jìn)行熱量傳遞，輻射傳熱只占很小一部分，故不考慮輻射傳熱對排水溝溫度場的影響，并作以下假設(shè)：

(1)透水層為多孔介質(zhì)，并設(shè)置孔隙率為1[4]。

(2)所涉及到的材料熱導(dǎo)率是各向同性。

(3)排水溝進(jìn)口水與空氣的橫截面積比例為1∶4。

(4)混凝土等物性參數(shù)為常數(shù)。

4.2 模型建立

數(shù)值分析采用CFD Fluent軟件。根據(jù)掩埋式排水溝出口設(shè)計(jì)方案和端墻式排水溝出口設(shè)計(jì)方案，選取16.8m出口段適當(dāng)簡化，建立三維模型，計(jì)算模型如圖6所示。調(diào)整參數(shù)劃分網(wǎng)格如圖7所示。

圖6 計(jì)算模型

圖7 網(wǎng)格模型

4.3 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

為計(jì)算隧道排水溝出口溫度場，需對計(jì)算初始參數(shù)及邊界條件進(jìn)行規(guī)定。

空氣的初始溫度參考隧址區(qū)氣象溫度最低值，取268K，襯砌的溫度為278K。

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型，開啟能量方程和兩相流模塊，主相為空氣，第二相為水，空氣的初始速度為0.1m/s，排水溝的水流速度為0.01m/s，水溫為275K，排水溝進(jìn)口通入水與空氣的兩相流混合流體，且體積分?jǐn)?shù)之比為1∶4。

計(jì)算總時間為30d，初始時間步長10s，計(jì)算穩(wěn)定后延長至1h?；炷梁涂諝獾臒崃W(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

取掩埋式及端墻式排水溝縱向溫度分布剖面圖如圖8、圖9，可對比觀測到排水溝內(nèi)水流溫度隨時間變化情況。

圖8 掩埋式排水溝剖面溫度云圖

圖9 端墻式排水溝剖面溫度云圖

分析上述云圖可知，掩埋式排水溝水流溫度隨時間降到零度以下，由于未考慮相變引起的流道、透水層堵塞及水流自身體積變化等情況，因此水流流速未發(fā)生變化；端墻式排水溝在模擬過程中溫度始終保持零度以上。

取排水溝出口截面均值為溫度監(jiān)控點(diǎn)，得到其隨時間變化曲線，如圖10、圖11。

圖10 掩埋式排水溝考察點(diǎn)溫度曲線

圖11 端墻式排水溝考察點(diǎn)溫度曲線

從圖10、圖11可知，掩埋式排水溝出口溫度考察點(diǎn)在第15d時從275K將至273K，此時可認(rèn)為排水溝出口水流凍結(jié)，此后溫度數(shù)據(jù)無參考意義。端墻式排水溝出口溫度考察點(diǎn)在30d內(nèi)溫度約為275.35K，均高于273K，可認(rèn)為排水溝出口水流未凍結(jié)。

由以上仿真結(jié)果可知，在隧址區(qū)氣象條件下，端墻式排水溝出口水流未發(fā)生凍結(jié)，而掩埋式排水溝出口水流發(fā)生凍結(jié)。其主要原因是：掩埋式排水溝發(fā)生水流凍結(jié)的原因是排水溝外面的透水層—多孔介質(zhì)在外界環(huán)境作用下溫度低，而且水流經(jīng)過透水層流速下降，并與透水層充分換熱，造成水流溫度降到零度以下，從而結(jié)冰堵塞透水層，后續(xù)水流無法及時從排水溝排除，引發(fā)排水溝結(jié)冰。而端墻式排水溝出口水流未凍結(jié)原因如下：

(1)由于水流直接與空氣接觸，并始終保持流動狀態(tài)，降低了水流凍結(jié)速度。

(2)因?yàn)榭諝鈱?dǎo)熱系數(shù)低，水流溫度變化不大就從排水溝中流出。

(3)由于端墻附近設(shè)置有擋風(fēng)墻等結(jié)構(gòu)，降低了空氣與水流之間的對流傳熱系數(shù)。

(4)因?yàn)榕潘艹隹趽?jù)地面高度較高，不存在地面凍結(jié)形成冰柱堵塞排水口的可能性。

以上原因造成了端墻式排水溝水流比掩埋式排水溝更不易凍結(jié)，工程實(shí)踐上也驗(yàn)證了這一分析結(jié)果。說明端墻式排水溝出口設(shè)計(jì)方案更適合遼寧省寒區(qū)氣象條件。

5 結(jié)論

通過分析比較兩種排水溝出口型式在寒冷地區(qū)的防凍效果，得出以下結(jié)論：

(1)在寒冷地區(qū)，端墻式隧道排水溝防凍出口比掩埋式保溫出口具有更好的防凍效果，為開展排水溝檢查和養(yǎng)護(hù)提供了便利條件。

(2)掩埋式出水口隨著運(yùn)營時間的增長，碎石透水層被堵塞，造成排水系統(tǒng)功能衰減，導(dǎo)致隧道內(nèi)部冬季路面出現(xiàn)冰害。

(3)排水溝出口的保溫設(shè)計(jì)要結(jié)合現(xiàn)場區(qū)域環(huán)境條件和理論分析計(jì)算確定，出口段埋置深度和縱坡是實(shí)現(xiàn)保溫目的的重要參數(shù)，需要在工程實(shí)踐不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，彎頭和其它防風(fēng)措施對于減小內(nèi)外空氣對流也有良好效果，這些設(shè)計(jì)要點(diǎn)應(yīng)該在設(shè)計(jì)中給予充分的重視。