不同流速對隧道排水管結(jié)晶規(guī)律室內(nèi)試驗研究

熊 帥

(內(nèi)江師范學院 人工智能學院，四川 內(nèi)江 641100)

1 引言

隨著我國地下軌道交通、高鐵事業(yè)的深入發(fā)展，地下空間漸漸被大量開發(fā)。當前我國的隧道數(shù)量已居世界第一，成為了隧道大國[1]。川藏鐵路東起四川省成都市，終于西藏自治區(qū)拉薩市，途經(jīng)雅安、康定、昌都、林芝、山南等地。其中，成都到雅安段于2018 年開通運營，而從雅安到林芝段估計新建隧道總長約953 m，橋隧比高達93%，由此可見其隧道、高海拔隧道、隧道群以及特長隧道占比之大，工程勘察、設(shè)計、施工、運維面臨巨大挑戰(zhàn)[2,3]。

隧道，尤其是一些高等級公路隧道[4,5]，要求洞內(nèi)環(huán)境干燥無水，對防排水技術(shù)要求很高。早期所修隧道因排水不當引發(fā)的隧道結(jié)構(gòu)[6]問題層出不窮，歸根到底大多未做防水措施，在20世紀60年代以前表現(xiàn)得尤為嚴重。近年來一些新建的隧道，也存在較嚴重的滲透漏水[7,8]。由于隧道排水不當輕則引發(fā)營運期間的涌突水等，重則引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)變化，威脅隧道正常運營，這些問題嚴重阻礙了隧道事業(yè)的進一步發(fā)展，成為公路工程中的十大通病之一。因此解決隧道滲水所引發(fā)的隧道漏水、涌水[9,10]等一系列問題已經(jīng)成為工程設(shè)計與工程施工中的一個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

因此，本文依托科研項目對西南片區(qū)隧道現(xiàn)場進行調(diào)研，總結(jié)了導(dǎo)致隧道排水管堵塞的物理、化學、人為的內(nèi)外在因素，并通過室內(nèi)實驗裝置研究了5種不同流速對排水管堵塞的規(guī)律(圖1)。

圖1 現(xiàn)場排水管堵塞物

2 隧道排水管堵塞因素

(1)物理因素[11～14]?？諝庵写嬖诖罅康腃O2，和

MgCO3+Ca2+→CaCO3+Mg2+

得出沉淀物CaCO3、CaSO4、MgCO3、MgSO4等在化學鍵的作用下附著在管壁內(nèi)側(cè)不能及時在水流作用下排出，最終導(dǎo)致排水系統(tǒng)堵塞[16]。

(3)人為因素。管道設(shè)計時，通常根據(jù)隧道斷面情況、行車輛大小、排水量大小等進行設(shè)計。因此，如果調(diào)查人員在勘察設(shè)計階段存在疏漏，排水管管徑設(shè)計偏小，那么在雨季時，周圍的泥沙、生物殘骸等不能及時排出管道，引起管內(nèi)堵塞，破壞管壁；若排水管管徑設(shè)計偏大，相應(yīng)的過水斷面面積加大，水流速度會降低，微溶于水的鈣化物、鎂化物會沉淀附著在管壁內(nèi)側(cè)，不易排出管壁，形成晶核，如此惡性循環(huán)，導(dǎo)致排水系統(tǒng)失效。在實際施工過程中，也存在施工人員操作不當導(dǎo)致管壁埋設(shè)的設(shè)計坡度與實際坡度差別較大，根本原因是操作人員未依據(jù)設(shè)計圖紙、標高的測定、施工中人為誤差等。且管道安裝施工完成后由于管壁內(nèi)側(cè)有一些泥沙殘渣爛葉沒有得到及時疏通等因素也會造成隧道排水管排水不暢，引發(fā)堵管的情況。

隧道排水管堵塞原因還有很多，除了上述的物理、化學、人為三類因素外，還包括氣溫高低、當?shù)貧鈮?、溶液酸堿度等因素。隧道排水系統(tǒng)是隧道建筑結(jié)構(gòu)的重要組成部分，一旦發(fā)生破壞，會造成隧道結(jié)構(gòu)的損害，二襯開裂威脅行車安全。因城市地下空間隧道滲水導(dǎo)致的隧道結(jié)構(gòu)病害問題，后期工程維修需要大量的資金，甚至有的維修資金超過了建造投資；一些漏水嚴重的地區(qū)導(dǎo)致大量涌水已經(jīng)發(fā)生交通事故，嚴重威脅到人們的行車安全和生命財產(chǎn)，因此可見隧道排水的重要性。通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，受不同地勢的影響，各排水管道水流速度不盡相同，排水管道堵塞受不同水流速度的沖擊程度也不一致，后文將采用室內(nèi)模型試驗方法對不同流速因素影響管道堵塞規(guī)律進行研究。

3 試驗裝置

實驗采用兩個循環(huán)水箱的模型尺寸均由60 cm×30 cm×30 cm(長×寬×高)水箱進行聯(lián)通形成一個單缸循環(huán)系統(tǒng)，利用水泵將循環(huán)液體抽入不同實驗要求的管徑中，排水管道的內(nèi)徑為32 mm的PVC管，通過流量計控制不同實驗的流速，使溶液經(jīng)過不同時間段的實驗管道，通過不同時間段對實驗管段的烘干稱重判斷結(jié)晶的速度和質(zhì)量關(guān)系(圖2、圖3)。

圖2 水缸立面

圖3 實驗裝置平面

3.1 實驗溶液配制

采用化學試劑NaHCO3和CaCl2按2∶1的比例，加入水配備，在配備溶液時由于CaCl2溶于水會放熱，故應(yīng)先加入，再加入NaHCO3，邊加邊攪拌，讓其充分反應(yīng)，保證比表面積接觸充分，靜置24 h后，取上層澄清溶液進行實驗。

3.2 實驗參數(shù)選擇及其他因素的控制

實驗一共使用50根實驗管段，統(tǒng)一選取PVC管徑為32 mm的管道，實驗管段的長度設(shè)為20 cm，分為5 組。每組在不同流速作用下進行實驗研究，最后對每組結(jié)晶量取平均值，然后對5 種不同流速作用下結(jié)晶規(guī)律進行對比。實驗室溫度通過空調(diào)控制在25 ℃。

3.3 實驗具體布置

第一批將25 根實驗管段同時安裝在溶液箱的接口上，分別對每根管段進行編號，使5 組管段的水平高度統(tǒng)一，確保每根管段的初始流速相同的。實驗每隔10 d進行稱重一次，第一次稱重取下第10 d稱重管段，第二次稱重取下第20 d稱重管段，……，依此類推，最后一次取下第50 d稱重管段，此時第一組實驗結(jié)束，50 d為一個周期，同一組的管道結(jié)晶量進行對比和觀察，然后兩組取平均值，減小誤差，最后得出實驗值進行分析。

3.4 實驗及計算步驟

(1)截取25 根長度為20 cm的管段，實驗管段直徑統(tǒng)一為32 mm，25 根為一組，分為兩組。給每組的每根管子編號且稱重，精確到0.001 g，并認真做好記錄。

(3)將調(diào)試好正常運行的實驗儀器于常溫下，打開管道的閥門，開始循環(huán)。

(4)每隔10 d測一次管道干重，將測得的數(shù)據(jù)減去原始管道的重量，就得出不同管子結(jié)晶的重量，如實記錄每個數(shù)據(jù)。

(5)50 d之后，實驗結(jié)束，清理容器和其他儀器，做好保養(yǎng)工作，以備下組實驗使用。

(6)計算得出兩組管段的不同數(shù)據(jù)，取平均值，得出管徑為32 mm的管子內(nèi)部的結(jié)晶量，把實驗數(shù)據(jù)如實的記錄在表格內(nèi)。

4 結(jié)果及分析

試驗結(jié)果如表1。

表1 不同流速組結(jié)晶量 g

根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)，得出如下曲線(圖4、圖5)。

圖4 不同流速實驗管道結(jié)晶質(zhì)量與時間關(guān)系

圖5 不同流速實驗管道結(jié)晶增量與時間關(guān)系

表1結(jié)晶量是根據(jù)實驗管道前后質(zhì)量之差計算得出，結(jié)晶增加量是根據(jù)相鄰兩管道之差算得出，分別反映了結(jié)晶量和結(jié)晶增量與時間的關(guān)系。圖4反映了流速較慢的實驗管道即未充滿水的管道比全被溶液充滿的實驗管(流速快的)道結(jié)晶速率要快、多。其中，在管道未充滿情況下：流速為22 cm/s時，結(jié)晶量最大值與最小值之差為0.55 g；流速為26.5 cm/s時，結(jié)晶量最大值與最小值之差為0.23 g。在完全充滿管道的情況下：當流速為34.5 cm/s時，結(jié)晶量最大值與最小值之差為0.39 g；當流速為44.5 cm/s時，結(jié)晶量最大值與最小值之差為0.44 g；當流速為63.5 cm/s時，結(jié)晶量最大值與最小值之差為0.44 g。其次受流速的影響，各個不同流速的管段結(jié)晶量均先呈現(xiàn)上升的趨勢，隨著時間的推移在后期均達到飽和狀態(tài)，保持平穩(wěn)，結(jié)晶速率減緩、減慢，管道初期在與碳酸鈣晶體之間的相互作用力較強，大量附著在管壁上慢慢導(dǎo)致溶液中的雜質(zhì)堆積，后期不再是以碳酸鈣晶體與管壁之間相互作用力為主導(dǎo)，其作用漸漸減弱，并且后期管壁的沉積物被水流沖擊磨圓，所以質(zhì)量變化很小。從圖5 中可以看出，5 種流速中只有一組出現(xiàn)了負增長的現(xiàn)象，是在流速為26.5 cm/s時，負增長值大小為0.03 g，數(shù)量級為0.01 g，相比在流速為26.5 cm/s，實驗結(jié)晶量數(shù)量級1 的基礎(chǔ)上，其增量其實較?。黄浯?，在流速較快的管道處，結(jié)晶變化幅值波動比較大。

5 結(jié)論與展望

在對以重慶為代表的的中梁山隧道和以貴州為代表的大山隧道實地勘察調(diào)研的基礎(chǔ)上，綜合考慮了緯度、經(jīng)度，隧道建設(shè)地勢，隧道運營周期，運營過程中隧道內(nèi)的排水管道內(nèi)水流速度的變化等，建立室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ?，研究流速對管道結(jié)晶規(guī)律的影響。通過對比不同流速下，結(jié)晶量及結(jié)晶增量兩個指標的不同，得到以下結(jié)論。

在未滿管或水流速度較慢時，由于溶液中雜質(zhì)的沉積和晶體結(jié)晶物與管壁的相互作用，其結(jié)晶量和結(jié)晶速率較大。其次在各不同流速之間，結(jié)晶量的增長率都有先高后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢；管道未充滿情況下：流速為22 cm/s時，結(jié)晶量最大值是最小值的1.83 倍；流速為26.5 cm/s時，結(jié)晶量最大值是最小值的1.32 倍。在完全充滿管道的情況下：當流速為34.5 cm/s時，此時最大值是最小值的1.8 倍；當流速為44.5 cm/s時，結(jié)晶量最大值是最小值的2.83 倍；當流速為63.5 cm/s時，結(jié)晶量最大值是最小值的2.69 倍。

本文研究了流速對管壁結(jié)晶的影響規(guī)律，坡度因素實質(zhì)上也可歸結(jié)到這一研究中，根據(jù)重力勢能的理論換算公式，如果存在一定的坡度為α，則有P=mghsinα，可以和動能進行換算，進而在對流速的研究顯得十分重要。

本文的不足之處在于周期較短，不能完全模擬大自然四季交替變化對隧道管道堵塞的變化規(guī)律，另外本文主要是從室內(nèi)試驗宏觀層面進行模擬，建議在后期研究水流速度與管壁結(jié)晶規(guī)律時加入一定的微觀動力學模擬，將兩者進行對比，能從更加深層次了解反應(yīng)堵塞機理。