鐵路排水系統(tǒng)結晶水化學成因及土工影響

賈 能，錢 會，柴少波，高志華，劉 欽，張旭東

(1.長安大學 建筑工程學院, 西安 710061；2.長安大學 水利與環(huán)境學院, 西安 710061；3.法國國營鐵路公司 基礎建設部，巴黎 93200)

鐵路系統(tǒng)是工業(yè)化的產(chǎn)物，世界高速鐵路發(fā)展40年以來，行車安全對高速鐵路的基礎建設要求越來越高，尤其是鐵路沿線排水系統(tǒng)的有效排水對鐵路路基基床的穩(wěn)定性及隧道襯砌結構的安全性有著積極和重要影響[1-2]。鐵路建設發(fā)展較早的法國迄今約有34 000 km運營線路，其中隧道631 km，高鐵線路2 600 km(含54 km隧道)[3-5]。在目前已運營20多年的高速鐵路沿線排水管道中，有近1/3的管線發(fā)現(xiàn)有結晶堵塞問題，每年水力機械清洗管道的費用高達 840 000歐[5](數(shù)據(jù)來源于Paris到Le Mans/Tours線的內(nèi)部調(diào)研的原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計)，并且隨著鐵路使用年限的延長，未來約有潛在的550 km管線會陸續(xù)出現(xiàn)結晶堵塞問題[5]。我國目前部分高鐵沿線的排水管道也已經(jīng)使用十幾年了，并且在石灰?guī)r地區(qū)、巖溶地區(qū)和地下鹵水區(qū)[6-9]，同樣發(fā)現(xiàn)大量隧道排水盲管的結晶堵塞導致隧道滲水問題[6-17]。

我國目前已知的隧道滲水誘因70%來自于排水管道中碳酸鈣礦物結晶引起的管道堵塞[6-7]。目前關于隧道排水管內(nèi)結晶沉淀導致的堵塞問題多集中于利用高壓水力沖洗和酸液淋洗[11-12]。針對隧道排水系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)境下管道結晶堵塞機制的研究較少，對地下水位[13]、堿性環(huán)境[14]等單個影響因素未能形成系統(tǒng)的理論研究。因此，也未能在源頭上提出有效的防治措施，僅有少部分關于通過改換排水管材及增設管材內(nèi)壁涂料或除垢裝置來減少碳酸鈣結晶沉淀的研究[10,15]，超聲波[16]、電磁波[17]等熱點除垢技術還停留在工程試驗階段，未能在鐵路排水管線上進行推廣。

關于鐵路排水系統(tǒng)的結晶問題，法國于2000年左右率先開始了對其運行20年的高鐵線路排水管線現(xiàn)存失效問題的普查及新建線路排水管線一系列規(guī)范的編撰[18-21],對現(xiàn)有路基排水系統(tǒng)的一系列設計規(guī)范[18-21]提出了統(tǒng)一標準。最新研究結果指出[1-2,4-5]，高速鐵路沿線及隧道內(nèi)部既有排水管線的失效多由于管內(nèi)碳酸鈣結晶引起，并且初步分析了自然地質(zhì)條件下排水管線失效的機制及部分影響因素。

此外，鐵路隧道排水系統(tǒng)結晶問題在其他國家也有部分相關研究[22]，例如，德國的Girmscheid團隊[23-24]在2003—2005年開展的關于隧道結晶管道的水力清洗設備和聚天冬氨酸阻垢劑的應用的相關研究；澳大利亞Dietzel等[25-27]在2008年至2013年間進行了利用同位素檢測手段分析隧道排水系統(tǒng)結晶的機制，溫度、堿度、pH以及沉淀速率等影響因素的相關研究；Eichinger等[22]在前人研究基礎上進一步提出設計計算模型來預估結晶過程的相關研究成果；英國Laver等[28]在2013年發(fā)表了隧道支護水泥灰漿老化導致地下水滲透結晶的相關研究；韓國Yee等[29-31]在2012—2015發(fā)表了關于不同排水管材和水磁化處理對隧道排水系統(tǒng)結晶的抑制作用的相關研究；Kim等[32]在2020年發(fā)表了碳酸鈣結晶使隧道排水系統(tǒng)中的土工布劣化失效的相關研究結果。

綜上所述，國內(nèi)外目前關于鐵路排水系統(tǒng)結晶問題多集中在隧道排水系統(tǒng)的結晶理論和通堵技術的研究，鐵路沿線排水管線的結晶問題較少報道[1]，未來沿線排水系統(tǒng)的結晶問題隨使用年限的延長會進一步惡化，并且潛在的體量遠大于隧道，因此，目前急需系統(tǒng)的成因研究及規(guī)范的編撰。鑒于此，本文基于法國高速鐵路Chauconin路段沿線滲溝的結晶問題的研究，分析討論鐵路排水系統(tǒng)結晶水化學成因及結晶過程中的土工影響因子，旨在對我國及其他國家的類似工程問題做出一定的防治指導和參考。

1 目標場地結晶問題調(diào)研

Chauconin鐵路段位于Paris 至Strasbourg的6號高速鐵路線上(LN6)，距離巴黎東北方向40 km處，全長2 350 m。其中鐵路線穿過1 500 m 的路塹段和850 m的路堤段，場地土層為淤泥土和石灰土，地下水位(P1—P5)與鐵路線位置，見圖1。

圖1 場地土層地質(zhì)條件示意

鐵路沿線滲溝埋于行車線和停車調(diào)度平臺之間，用來收集行車線和平臺周圍的地表徑流和地下滲流，滲溝布置結構見圖2。

圖2 滲溝布置

針對該鐵路段不同滲溝段的結晶問題，開展場地水文地質(zhì)資料、排水系統(tǒng)設計及內(nèi)部結晶狀況的調(diào)研。

1.1 場地水文地質(zhì)環(huán)境

場地處于年平均降雨量500～700 mm的區(qū)間段[33]，相當于我國黃河下游、渭河、海河流域以及東北大興安嶺以東大部分地區(qū)的年降雨量。對場地內(nèi)降雨-流量進行了為期兩年的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)夏季多以暴雨為主，春、秋、冬季則多以細雨為主。由圖1中2003年鐵路建設前的地質(zhì)勘探資料，結合2013年設立的地下水位監(jiān)測儀的測量數(shù)據(jù)，可知場地調(diào)研段，里程 17 450～19 875 m間的各土層高程及地下水位相對位置，以便對結晶滲溝段的整體地質(zhì)環(huán)境的全面了解。由圖1可知，該段地下水位較高，常年在地下3～5 m，位于淤泥土和石灰土界面處。

鐵路線現(xiàn)場穿過表層淤泥土(1～4 m厚)、下層石灰土 (平均層厚30 m)和1%～2% CaO處理的填土。為監(jiān)測場地地下水位、水質(zhì)的變化以及其對結晶滲溝水量、水質(zhì)的影響，場地P1—P5點設置了5個不同深度的地下水位監(jiān)測儀，除P4探測淤泥土層的含水層外，其余4個探測點深度都在石灰土層。其中P1、P2設在軌道2、6之間的路基填土層，分別靠近檢查井S3、S6；P1、P3、P4都設在路塹段的邊坡頂處的自然土體中。

1.2 場地現(xiàn)有地基排水設計和沿線排水系統(tǒng)

場地行車線沿線全程布置了滲溝，見圖2(a)，進水口在地表以下1.5 m，見圖2(b)。其中U型槽滲溝和HPED管型滲溝1位于坡腳和行車線之間，負責收集排放邊坡和行車線(軌道2)附近的地表徑流、邊坡滲流、有砟軌道地基各土層滲流。HPED管型滲溝2位于無砟軌道行車線軌道2和有砟軌道停車線(軌道6)之間，收集排放軌道表面徑流和兩邊軌道地基各土層地下水滲流。

有砟軌道基床表層由20 cm厚的碎石墊層和45 cm厚的石灰石換填層組成；基床底層由1 m 厚的1%～2% CaO(質(zhì)量百分比)加固的現(xiàn)場土層組成。無砟軌道除水泥灰漿墊層(最小28 cm厚)外，其余各層與有砟軌道相同。兩類軌道地基各層均以傾度4%向滲溝方向排水。

行車線沿線自然地勢的排水系統(tǒng)主要由明溝組成，見圖3。沿線滲溝明溝的設計雨水重現(xiàn)期T=50 a。

圖3 鐵路沿線排水設計原理

(1)利用法國規(guī)范SNCF-IN0259《公路排水系統(tǒng)設施》中的系數(shù)公式[34]進行水文計算，即

(1)

式中：Q(T)為設計重現(xiàn)期T下的徑流計算流量，m3/s;C(T)為設計重現(xiàn)期T下的徑流系數(shù)；i(T)為設計重現(xiàn)期T下的小時降雨強度，mm/h；ABVN為由高程所繪得的匯水面積，m2。

當C(10)> 0.8，C(T)= 0.8; 當C(10)< 0.8，C(T)計算公式為

(2)

式中：P(T)為重現(xiàn)期T的降雨量，mm；P(0)為匯水面初始持水性，其計算式為

(3)

i(T)計算公式為

(4)

式中：a,b由查表[35]得到；tc(T)為設計重現(xiàn)期T下的匯水時間，min,其計算式為

(5)

(2)根據(jù)所測實際水深、管徑和管道坡度，利用曼寧公式估算實際流速V，計算雷諾數(shù)Re，確定管道結晶水利條件。

(6)

式中：V為管道流速，m/s;k為轉換系數(shù)，可查表得到；n為糙率，查表[36]；Rh為水力半徑(過水斷面面積與濕周的比值)，m；S為管道坡度。

1.3 場地水質(zhì)與結晶情況

該場地水包括大氣降水和地下水兩部分。其中大氣降水包括直接落入滲溝部分(Q1)、場地地表徑流部分(Q2)和表層土滲流部分(Q3)。另外，地下水為石灰土含水層(Q4)。由地質(zhì)資料和基床各層土土質(zhì)資料可知，各滲溝段的水質(zhì)應該是鈣(Ca)過量的硬水，由Q1～Q4按不同比例混合而成，結晶擬為CaCO3(方解石)。文獻[37]中指出：水體中CaCO3結晶沉淀生成的水化學成因擬為CaCO3-H2O-CO2三相平衡體系的破壞, 反應原理見式(7)～ 式(8)。之后的研究進一步表明[38]：結晶從水中長大析出的過程見式(9)，CO2從水中逃逸的過程見式(10)，并且不同過程的反應速率不同。

(7)

(8)

(9)

(10)

整個沉淀結晶過程式(7)～ 式(10)的影響因素根據(jù)反應物的來源、反應條件(由鐵路特殊場地環(huán)境變量決定)分為兩類，其中：

反應物Ca2+的來源是周圍鈣質(zhì)土和水泥基類土工材料的降雨淋濾和石灰土層的地下水的補給；反應物HCO3-有三類來源，周圍石灰質(zhì)土的的降雨淋濾、地下水的補給、大氣CO2在水中的溶解和分解。

場地反應條件，如，酸堿度(pH)，溫度(T)、二氧化碳分壓(pCO2)、反應物濃度([C])等的改變，直接影響反應的方向的改變，或結晶或溶解，由結晶的飽和度Ω表征。Ω>1 過飽和態(tài)；Ω=1，平衡態(tài)；0<Ω<1 溶解態(tài)。其中，Ω由反應物實際溫度下的離子活度積與25 ℃時的反應物標準濃度積常數(shù)Ks′的比值所得，公式為

(11)

式中：Ks′為10-8.34mol2/kg2; Ca2+、CO32-為反應物離子活度，公式為

(i)=γi×[i]

(12)

式中：i為反應物離子i; (i)為反應物活動濃度，mmol/l；γi為反應物活度系數(shù)；[i]為反應物的濃度，mmol/l。

(13)

式中：A為Debye-Hückel常數(shù)，取0.5;Zi為反應物離子的化合價態(tài)；I為反應物離子強度，mmol/l。

(14)

式中：ci為離子i的濃度，mmol/l。

2 研究思路及測量手段

由鐵路排水系統(tǒng)場地調(diào)研數(shù)據(jù)和碳酸鈣結晶三相平衡體系理論的現(xiàn)有研究可知，目前鐵路排水系統(tǒng)的結晶問題的防治思路總體取決于對以下問題的研究結果：①反應物鈣源、碳源在已知場地條件下的來源及量化分析；②已知場地條件下的結晶反應條件及其量化分析；③已知場地條件下的結晶的過程及主控因子的分析；④已知場地條件下結晶量的預測。

對于問題①的研究，擬通過對場地天然土體和土工材料鉆孔取樣進行分析。首先，通過XRD(型號Bruke-AXS D8 Advance XRD)確定各土層及材料的礦物組分。其次，結合鹽酸溶解法、pH (型號WTW multi 350 i)、電導率(C25)等一系列化學測量手段確定石灰土的含量及排水系統(tǒng)周圍環(huán)境的化學參數(shù)底值。最后以此判斷現(xiàn)場滿足條件的碳酸鈣三相平衡體系中的系列反應路徑，建立Phreeqc水質(zhì)計算模型(USGC美國地質(zhì)勘探局開發(fā)的程序平臺)，對比各取樣點地下水的實測水質(zhì)數(shù)據(jù)，校驗模型計算結果，分析場地水質(zhì)的鈣源，碳反應源路徑及各路徑貢獻比。

對于問題②的研究，首先，擬通過現(xiàn)場實測降雨強度(型號SDEC watchdog 120)、管道直徑、傾度、水深等數(shù)據(jù)，計算管道流量Q，流速V、雷諾數(shù)Re等參數(shù)確定場地結晶的水力條件值。其次，由于鈣源的溶解比碳源溶解的25 ℃標準動力學參數(shù)要大(Ks=10-8.34>K2=10-10.33)，擬通過測量場地的環(huán)境pCO2底值(型號Li-cor Li-820 CO2analyseur和AquaMS sonde CO2)，計算確定控制結晶的pCO2值。其中，Re、K2計算公式分別為

(15)

(16)

式中：ρ為水的密度，kg/cm3；V為水的流速，m/s；L為管道特征長度，圓形截面選取當量直徑的值，m；μ為水的黏性系數(shù)，kg/m·s。

對于問題③和④的研究，首先，擬通過檢查井對管道內(nèi)部結晶狀況進行統(tǒng)一排查，確定易結晶處，分析結水化學成因。其次，擬通過IC離子色譜儀(型號Metrohm 761 Compact IC)對場地水Q1—Q4的水質(zhì)進行測量，分析確認各主離子的濃度、變化范圍，以及各場地水Q1—Q4的貢獻比。再次，利用PWP計算模型[39]預測結晶生成速率及生成量，與實測數(shù)據(jù)對比校準計算。最后，確定計算過程中各反應條件的影響范圍，并確定主要影響因子。

3 試驗及監(jiān)測結果分析

3.1 結晶位置與組分分析

由圖2可知，上游埋設預制混凝土U型槽類的滲溝，其后接明溝排入蓄水池1；下游埋設高密度聚乙烯(High Density Polyethylene Pipe)雙壁波紋管(HPED管)類的滲溝，其后接混凝土盲管排入蓄水池2。上游U型槽段滲溝內(nèi)，目前未見結晶物。下游的HPED管類滲溝分兩段埋設，上游段長700 m，下游段長800 m。管內(nèi)具體的結晶狀況，如管底、頂部2 mm寬進水縫及檢查井內(nèi)結晶狀況等，通過檢查井內(nèi)高程、水深、結晶厚度的測量，以及上下游管道頂部進水口和底部的結晶狀況的照片對比，管道內(nèi)部結晶狀況按檢查井編號整理，結果見表1。

表1 場地HPED管型滲溝水力清洗過程各檢查井段結晶結果

續(xù)表1 場地HPED管型滲溝水力清洗過程各檢查井段結晶結果

由表1可知：(1)檢查井S3—S4段、S6—S7段由于管道傾度突然變小而導致壅水，水深漲幅達上游2～3倍；檢查井S9—S10出口段由于管道傾度突然變大而導致跌水，水深跌幅達上游15倍；(2)在S3—S4、S6—S7壅水段，同期結晶厚度變大，達上游2～11倍；在S9—S10跌水段，起始跌水點的結晶深度達跌水末點的4倍；(3)對比檢查井S1—S9處上下游管道結晶照片發(fā)現(xiàn)，上游進水口及管壁結晶較多，而下游管道底部階梯狀的結晶較多，并且在檢查井下游底部變截面處(檢查井水泥底過度到HPED管壁處)產(chǎn)生大量階梯狀結晶；(4)總結滲溝進水口的冷水型“鈣華”的形態(tài)有滴水“鐘乳石”、流水“壁?！薄⒄舭l(fā)“結垢”三類模式。由以上初步觀察結果可知，管道傾度的改變、管壁材質(zhì)的改變、進水口的滴水、蒸發(fā)等均可以加速結晶的局部生成。其中，結合XRD礦物組分分析得知，考慮分析儀5%的精度影響，管道內(nèi)的結晶一致為方解石(CaCO3含量超過95%)純礦物組分結晶。但方解石具體的生成機制的量化分析還要借助Phreeqc水質(zhì)熱力學平衡模擬計算，進一步分析pCO2分壓變化。

3.2 場地水質(zhì)分析

2013—2016年間定期每季度對場地內(nèi)U型槽類滲溝、明溝、HPED管類滲溝(段1、段2)內(nèi)部的殘余水和P1、P2、P5三個鉆孔點的地下水進行取樣監(jiān)測。分析水中八大主離子(Na+-K+-Ca2+-Mg2+- Cl--NO3--HCO3--SO42-)的含量、pH，電導率等參數(shù)。主離子含量分析結果利用Piper三線水化學相圖，見圖4。

由圖4可知，2013—2016年間場地內(nèi)各類水水質(zhì)類型基本保持一致，各化學相穩(wěn)定。測試段HPED2管中兩大主離子鈣離子和硫酸根離子濃度平均值分別在5.5、6.0 mmol/l。上游段的P5鉆孔點的地下水與其周圍的排水設施，如U型槽類滲溝、明溝、HPED管類滲溝段1內(nèi)的殘余水水質(zhì)類型一致，屬于HCO3-Ca-Mg主化學相型，見圖4(a)，碳酸硬度超過50%，地下水化學性質(zhì)以堿土金屬和弱酸為主。下游段的P1、P2鉆孔點的地下水與其附近的HPED管類滲溝段1內(nèi)的殘余水水質(zhì)類型一致，屬于SO4-HCO3-Ca-Mg主化學相型，見圖4(b)。

考慮總體含量測量10%的誤差(圖中圓圈涵蓋范圍)，P1, P2鉆孔點地下水的HCO3-含量遠少于P5鉆孔點地下水的HCO3-含量，水化學性質(zhì)以堿金屬和硫酸為主。其中，由地質(zhì)資料知(圖1)，上游段P5鉆孔點的地下水水層伏于石灰土與上層淤泥土交接層，該層為礦物粘土和石灰土交替的變質(zhì)土層，裂隙發(fā)育，含水性極強。下游段路基填土層的P1, P2鉆孔點的地下水層處于基床底的石灰土層，年均水位變化1～2 m, 在11月—次年4月漲水期，水位處于基床層，該段HPED管收集來自路基土層的滲流。

各類場地水的溫度、pH、電導率值測量結果和方解石飽和度Ω計算結果見表2。

圖4 三線水化學相的主離子類型分析結果

表2 各類場地水2013—2016年化學表征值測量結果

由表2可知，上游段P5點的地下水的三類化學表征值溫度、pH和電導率在不同年份季度的測量值變化幅度最大不超過20%，認為該點常年對上游段的U型槽滲溝、明溝、HPED管滲溝段1三類排水設施內(nèi)部的殘余水的水質(zhì)影響比值為一穩(wěn)定值。

其中U型槽滲溝和明溝水的pH和電導率值變化幅度與最大測量值范圍均與P5點地下水變化相似，分別為3.7%對5.3%，4.9%對5.3%，11.0%對11.9%，13.2%對11.9%，差值均未超過5%的測量誤差引起的差值變化。因此認為該兩類排水設施中的殘余水來源主要為P5點的地下水，這一結論與Piper三線水化學相圖的分析結論一致。

而HPED管滲溝段1的殘余水電導率變化幅度和最小測量值范圍均不同于P5點地下水的變化，且溫度變化范圍大于后者，認為該排水設施內(nèi)的殘余水除常年受P5點地下水的影響外，還應受另一較P5點地下水含鹽量小(電導率小)的地表水源的稀釋影響。結合場地水文地質(zhì)資料(圖1)分析可知，該含鹽量小的稀釋水源應該是穿過濾水石的大氣降水滲流部分。

同樣的，下游段HPED管滲溝段2的殘余水電導率測量值范圍小于P1、P2點地下水的范圍，而pH測量范圍大于P1、P2點地下水，除去P1、P2點地下水，HPED管滲溝段2的殘余水還應受另一含鹽量小，pH大的地表水源的稀釋堿化影響。

對比上下游段方解石飽和度Ω計算結果可知，上游地下水(P5鉆孔點)及其周圍排水設施內(nèi)的殘余水都屬于方解石過飽和水(Ω>1)，有結晶趨勢。但是，上游只有HPED管中發(fā)現(xiàn)大量方解石結晶，而U型槽和明溝并未發(fā)現(xiàn)明顯的結晶情況。更有甚者，下游段地下水(P1, P2鉆孔點)屬于方解石非飽和水(Ω<1)，有溶解趨勢。但同樣在下游的HPED管中發(fā)現(xiàn)大量方解石結晶。由以上分析結果推斷，同一地質(zhì)條件下，HPED管的土工設計或水力設計有利于各類場地地下水在其內(nèi)部的方解石結晶。

3.3 場地地質(zhì)環(huán)境分析

由XRD礦物組分分析可知，碎石墊層填換層礦物組分為方解石、石膏、石英、高嶺土、伊利石；石灰固化層礦物組分為方解石、石英、蒙脫石；淤泥土層礦物組分為方解石、石英、蒙脫石、高嶺土、伊利石；石灰土層礦物組分為方解石、白云石、石英、蒙脫石、伊利石；濾水石礦物組分為方解石和石英。

場地HPED管類滲溝周圍土層及土工材料的物理化學指標測量結果見表3。

表3 場地HPED管類滲溝周圍土層及土工材料物理化學指標測量結果

由表3可知，場地內(nèi)有潛在鈣源。首先，場地內(nèi)有兩類礦物鈣源：一類為含有方解石、白云石的碳酸鹽類的各類土和濾水石；另一類是含有石膏的硫酸鹽類的基床土和水泥基類的土工材料，如無砟軌道下的水泥灰漿墊層和固定HPED管的水泥枕。并且碎石墊層和石灰石換填層采用了同種建筑碎石，是場地內(nèi)除水泥材料外唯一的石膏來源。結合鹽酸溶鹽法可知，碳酸鹽類的鈣源主要來自碎石墊層、換填層、石灰土層和濾水石。

其次，對比各土層及濾水石的細粒含量發(fā)現(xiàn)，石灰固化層、淤泥土層和石灰土層的土顆粒多可以隨滲流穿過土工布有效孔徑(100 μm)進入HPED管。但是，結合對比他們的濾清液的電導率值分析，由于過水同一時間，濾清液電導率值越大，可溶鹽溶解在過水中的量越多。由此可知，雖然石灰固化層、淤泥土層和石灰土層的細粒含量遠遠多于碎石墊層和換填層，但其可溶鈣鹽的含量(濾清液電導率值)遠低于后兩者而未能成為場地水主要鈣源。

3.4 場地水循環(huán)分析

對比分析表3中各場地土層和濾水石的物性指標，含水率和滲透系數(shù)的實驗室測量值可知：①隨著土層深度的增加，含水率逐漸變大。其中換填層開始各土層天然含水率已接近其塑限含水率值。②石灰土層的滲透系數(shù)接近細砂的滲透系數(shù)值，遠大于上層基床土各層的滲透系數(shù)。③濾水石的滲透系數(shù)最大，可達0.1～1.0 mm/s的下滲速度。

由以上觀察結果分析可知，大氣降水在場地內(nèi)會形成地表徑流和快速-慢速兩類不同路徑的滲流?？焖贊B流經(jīng)由濾水石匯入HPED管，慢速滲流經(jīng)由基床表層匯入HPED管。同樣穿過1.5 m厚土層，前者需要25～250 min，后者需要8.45～84.50 d?？紤]鐵路路基設計徑流系數(shù)為0.85[20]，場地內(nèi)無植物蒸騰作用，因此認為匯水面積內(nèi)最大有15%的大氣降水會參與快速-慢速滲流。利用面積比法計算，其中有1.4%的大氣降水通過濾水石形成快速滲流匯入HPED管，13.6%的大氣降水通過基床表層土形成慢速滲流匯入HPED管。

4 數(shù)值分析及討論

4.1 Phreeqc演算結晶水化學過程及各層土質(zhì)影響

根據(jù)場地水文資料，HPED管類滲溝段2 周圍地面坡度在0.004～0.007 m/m；徑流系數(shù)在0.60～0.85，其中0.6為未壓實自然土體徑流系數(shù)，0.85為鐵路路基表層壓實土徑流系數(shù)；匯水速度估算在0.1～0.2 m/s。由圖2結構尺寸，HPED管左側無砟軌道距滲溝的橫向匯水距離為2 m，縱向(沿行車線)匯水距離為800 m，估算橫向匯水時間為0.34 s，遠遠快于縱向匯水時間的133 min。同樣的HPED管右側有砟軌道地表徑流橫向匯水遠大于縱向匯水。

因此，結合各土層滲透系數(shù)(表3)，HPED管內(nèi)殘余水的水力路徑繪制見圖5(a)：路徑一(1—2—3—5)，降雨(1)經(jīng)過水泥墊層(2)形成徑流匯入濾水石(3)最終進入HPED管(5)；路徑二(1—3—5)，降雨經(jīng)過濾水石直接進入排水管；路徑三(1—4—3—5)，降雨經(jīng)過基床表層(4)形成徑流和滲流匯入濾水石，并最終由HPED管排放。其中路徑一和路徑三的徑流橫向匯水時間約為0.34 s，可以統(tǒng)一簡化至路徑二濾水石的快速滲流過程中。因此，HPED管周圍場地水主要水力路徑為1—2—3—5的快速滲流(即全部徑流匯經(jīng)濾水石)和1—4—3—5的慢速滲流(即基床表層滲流匯經(jīng)濾水石)。

根據(jù)以上水力路徑，利用測量的路徑中各點pH、溫度T、電導率C25和鈣離子濃度[Ca]，結合Phreeqc熱力學反應平衡計算出路徑中主要點的二氧化碳分壓和方解石飽和度Ω，分別將結果繪制在圖5中。

圖5 HPED管內(nèi)結晶水化學演化路徑

由圖5可知，快速滲流路徑中，水泥墊層的徑流在初期匯水和長時間積水平衡(Ω=1)兩個狀態(tài)下，pH可由11變至13，電導率由224 μs/cm變至1 000μs/cm，可提供0.5～3.4 mmol/l的鈣離子來源。之后經(jīng)由濾水石(pH 7.9～8.2)，由環(huán)境pH的改變驅(qū)動，重新達到水化學平衡(Ω=1)，該過程可提供0.4～0.6 mmol/l的鈣離子來源。慢速滲流路徑中，基床表層滲流積水，由于石膏組分的存在，未達到水化學平衡(Ω在0.1～0.5之間)，可溶解帶來11.3～15.8 mmol/l的鈣離子。

后期進入HPED關中，由于液相環(huán)境二氧化碳分壓的改變(22 909～880 ppm)，驅(qū)動基床滲流水中的二氧化碳逸出，并與管中較低的氣相二氧化碳分壓達到新的平衡，在此過程中，二氧化碳的逸出導致反應向方解石(CaCO3↓)沉淀方向移動。利用Phreeqc，結合經(jīng)典的Plummer的PWP的碳酸鈣動力方程[40]，計算得方解石年平均生成速度為2×10-8mmol/cm2/s。在HPED管的年平均水深為4 cm的條件下，管底方解石的Phreeqc計算年生成量在156 kg，與實際測量的133 kg相比偏大17%。該偏差由采用年平均生成速度的計算值引起，實際測量每月生成速度與當月累計滲流量相關，繼而與當月降雨量相關[3]。該偏差值17%在管道清洗的工程指導中是可接受的，滿足總體引起工程維修費小于20%的附加額的要求。

4.2 結晶過程滲溝排水設計影響

結合公式(1)和公式(6)，計算分析U型槽類滲溝、HPED管類滲溝段1和段2 的設計流量Q10、年均流量Q下的流速V和雷諾數(shù)Re，結果對比見表4。

表4 設計和年均流量下的滲溝流速及雷諾數(shù)

由表4可知，同樣滲溝寬度深度尺寸下，U型槽類滲溝的設計排水量Q10和年均排水量Q都大于HPED管類滲溝。三段滲溝無論是在設計流量下還是年均流量下，都屬于非滿管流(水深<40 cm)，具有二氧化碳水氣自由面。理論已知溶質(zhì)的擴散速率會隨Re的增大而變大[41]，管中水流均處于湍流狀態(tài)(Re>4 000)，相當于機械水力攪動，水力條件利于氣液兩相二氧化碳的快速交換。

此外，還已知湍流條件下，Re越大，水中微晶的聚集速度越大[41]。然而，槽內(nèi)殘余水的懸浮物微粒含量僅有0.6 mg/l。并且在年均流量下，U型槽段的流速為HPED管的2～3倍，具有較大的攜沙能力和沖蝕作用(V>1 m/s)。雖然有利于方解石微晶凝聚，但不利于其在槽底沉淀。該段槽底少量的沉淀物的XRD組分分析為自然土體中的黏土顆粒和二氧化硅顆粒組分而非方解石的分析結果也證實了這一不利于方解石沉淀的理論分析。而屬于同一Re范圍的HPED管中，殘余水流速較小(<0.66 m/s)，未達到機械沖刷流速，湍流條件下水中凝聚的方解石微晶也可以沉淀在管底。管底沉淀物的XRD組分分析為方解石的分析結果證實了這一水力理論分析。因此，在同屬湍流條件下，較小的流速有利于方解石的沉淀。

為進一步分析結晶HPED管流速的物理影響參數(shù)，利用三元氣泡分析圖，結合曼寧公式，分析定流量下水深H、Stickler 糙率K、管道傾度P對流速V的影響，結果見圖6。

由圖6(a)可知，定流量、水深下，糙率和傾度對管道流速的影響：隨著糙率的減小，管道流速輕微增大，漲幅不超過3%；同樣的，隨著管道傾度的增大，管道流速輕微增大，不超過3%。由圖6(b)可知，定流量、糙率下，水深和傾度對流速的影響：隨著傾度的增大，水深的減小，流速大幅增大，超過3倍漲幅。分析傾度的增幅和水深變化幅度分別與流速漲幅的比值，11.8 對0.2可知，水深的變化對流速變化的影響大于傾度變化對流速的影響。

對比分析圖6水深、傾度對流速影響和表1結晶、水深、傾度實測變化結果可知，表1中結晶變化率較大的S2、S3、S6、S8四個檢查井中水深變化率也較大，而傾度變化率沒有表現(xiàn)出明顯的一致性，見表5。因此，在實際管道中，水深變化大處，流速變化較大，結晶沉淀較多，而傾度和糙率對管道結晶影響較小。

表5 各檢查井結晶與水深和傾度的變化率比較結果

5 結論與展望

本文就鐵路沿線不同排水滲溝，明溝的結晶問題進行水化學成因研究和土工因子分析，得出以下結論：

(1)在同一地質(zhì)條件下，HPED管類滲溝比U型槽滲溝和明溝有利于管中方解石的沉淀。

(2)分析HPED管周圍土工影響發(fā)現(xiàn)，路基表層的填土含有石膏和石灰石組分，超過85%，并且由于實際滲透系數(shù)較設計值高而成為管中殘余水的主要鈣源和碳源。

(3)對比HPED管和U型槽的水力條件，發(fā)現(xiàn)兩者處于同一湍流范圍，但U型槽的流速遠大于HPED管，屬于沖刷狀態(tài)，方解石難于沉淀。

(4)比較HPED管結晶率較高的檢查井的水深和傾度變化率得知，水深變化率與結晶變化率表現(xiàn)出了一致性；而傾度變化率雖然對結晶變化率有影響，但規(guī)律不明顯。這與通過公式(6)和圖6分析得出的理論分析一致：結晶主要受水深變化影響，而傾度和糙率對其的影響較小，不超過3%。

由以上結論可知，實際管道結晶問題的防治需要注意路基土層礦物組分、排水管類型、水深(流速)的設計值三類問題的細化研究。建議在新修建的地下水位較高的鐵路沿線，優(yōu)先鋪設U型槽類滲溝，逐步代替HPED管類滲溝。

以上研究利用Phreeqc水-土-氣三相熱力學平衡模型，結合水力設計的理論計算，耦合分析鐵路工況下結晶的物理化學過程，確定土工材料和管道設計方面的主要影響參數(shù)，從而優(yōu)化鐵路路基填土層及其排水的相關參數(shù)設計，達到減小排水管使用期間的結晶堵塞的風險的研究目的。

此外，由于我國區(qū)域廣闊，地質(zhì)環(huán)境和水文及土壤環(huán)境均較法國復雜，且規(guī)范中建議的滲溝形式以及設計，埋設等都與法國現(xiàn)行的滲溝雖有一定的相似性卻也存在差異，例如，我國目前沒有U型截面的預制混凝土滲溝，只有矩形和梯形截面，青藏線鋪設的管式滲溝多用PVC管而不是HPED管等。因此，在我國鐵路縱向排水管線的結晶防治的具體問題中本文研究結果雖具有一定的指導意義，但面對不同工況案列時，仍需要對以下四部分內(nèi)容進行進一步的探討研究，但其研究方法始終具有指導意義：

(1)水文地質(zhì)影響：比如降雨類型(強度、時長等)及地質(zhì)條件(土壤類型、場地水循環(huán)條件等)對滲管類型的選取指導標準。

(2)滲溝本身的影響：類型、截面積、材質(zhì)、幾何尺寸、檢查井布置等對水力條件的影響，有利或不利于內(nèi)部結晶等的設計指導參數(shù)。

(3)規(guī)范中水力設計參數(shù)不同導致的影響：降雨重現(xiàn)期T、流量計算公式中徑流系數(shù)等的不同的建議值的影響。