巖溶區(qū)隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶規(guī)律的試驗研究

董震，羅勝軍，徐尚友，楊勇，張云安

（云南交投集團公路建設(shè)有限公司，云南 昆明 650100）

1 前言

近年來，堵塞成為隧道排水系統(tǒng)在運營期間出現(xiàn)最多的問題，因此也會引發(fā)一些運營事故。尤其是在巖溶地區(qū)，隧道排水系統(tǒng)更容易發(fā)生結(jié)晶堵塞，從而會出現(xiàn)隧道初砌掉塊、漏水加劇等病害，并對隧道的安全造成威脅，同時也會增大運營期間的維修費用。巖溶地區(qū)在我國占有較大的面積，根據(jù)巖溶地層計算，巖溶地區(qū)的面積大約為我國國土面積的1/3，其中以四川、貴州、云南、湖南、廣東等地區(qū)的巖溶最為發(fā)育。在以后隧道的建設(shè)和運營過程中也會遇到排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞的問題，需要對該問題提高關(guān)注，并進行探索。

盧冠楠、王鵬、楊蘊等對巖溶區(qū)隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞的機理進行了研究，發(fā)現(xiàn)排水管道內(nèi)的結(jié)晶會受溫度、離子強度、pH等因素的影響。周偉、王永東、李元飛等通過設(shè)計相關(guān)的模型試驗，發(fā)現(xiàn)當管道內(nèi)壁的摩擦系數(shù)和液面高度增大時，結(jié)晶速率會隨之減小。翟明通過模型試驗研究了流速、管徑及CO2接觸面對結(jié)晶的影響，其試驗結(jié)果表明，流速越快，管徑越小，管道的內(nèi)壁越光滑，結(jié)晶的速率就會越慢。

因此，本文通過對巖溶區(qū)隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶問題展開研究，通過相關(guān)的實驗對排水系統(tǒng)在不同排水坡度和水流量下的結(jié)晶規(guī)律進行研究，進而得出排水坡度及水流量對結(jié)晶的影響規(guī)律，希望對我國以后建設(shè)的巖溶隧道提供一些參考。

2 隧道排水管的結(jié)晶規(guī)律實驗

2.1 試驗工況

為了探究巖溶區(qū)隧道排水管內(nèi)結(jié)晶堵塞受地下水的影響情況，從而對隧道排水管內(nèi)的結(jié)晶規(guī)律進行分析總結(jié)，因此設(shè)計相關(guān)的模型試驗，并觀察試驗過程中排水管的堵塞情況。

在試驗過程中，通過控制縱向排水管坡度和水流量，進而觀察結(jié)晶物質(zhì)量在坡度和水流量作用下的情況。橫向排水管的坡度定為2%，水溶液中的離子濃度與某工程現(xiàn)場一致。通過采用單一變量控制法，來判斷各控制因素的具體作用，故實驗工況共分為5種，即工況Ⅰ至工況Ⅴ的水流量分別設(shè)置為200ml/s、300ml/s、400ml/s、500ml/s、600ml/s，每種工況下縱向排水管的坡度設(shè)為5種情況，即1%、2%、3%、4%、5%。

2.2 試驗?zāi)Ｐ蛥?shù)

為了分析巖溶區(qū)隧道排水系統(tǒng)的結(jié)晶堵塞情況，該試驗在水頭壓力一定的情況下，通過控制水流量和縱向排水管的坡度，研究排水管內(nèi)結(jié)晶沉淀的規(guī)律。

為了更好地研究巖溶區(qū)隧道排水系統(tǒng)的結(jié)晶沉淀規(guī)律，該試驗設(shè)計了一套模擬隧道排水管道工作的試驗裝置。試驗裝置由多個構(gòu)件組成，試驗中的基本構(gòu)件主要有水箱（排水箱及集水箱）、球形閥門、波紋管、水泵、支架、流量計等部分組成，具體參數(shù)見表1。

表1 各構(gòu)件參數(shù)表

2.3 試驗過程

在做試驗前，需要先測試整個的試驗系統(tǒng)的密封性，查看試驗裝置是否存在漏水的地方，待試驗裝置無誤后進行試驗，以確保試驗的準確性。

首先，將連接管之間的大閥門打開，使水從排水箱流出，通過相連的管道進入到排水管內(nèi)，并用流量計對進入到排水管內(nèi)的水流量進行量測，之后通過調(diào)節(jié)大閥門，使得工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的水流量與所設(shè)定的水流量接近，然后調(diào)節(jié)小閥門，使得排水管內(nèi)的水流量與所設(shè)定的流量值一致，最后水流到集水箱內(nèi)。為了使水得到充分的利用，用水泵將集水箱內(nèi)的水通過回水管運送到排水箱內(nèi)，實現(xiàn)水的循環(huán)利用。

3 實驗結(jié)果分析

在試驗過程中，每15天對排水管進行一次稱量，從而得出每隔15天管道內(nèi)結(jié)晶物的質(zhì)量。工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的排水管質(zhì)量變化見表2～6。

表3 水流量為300ml/s試管內(nèi)結(jié)晶物質(zhì)量（單位：g）

表4 水流量為400ml/s試管內(nèi)結(jié)晶物質(zhì)量（單位：g）

表5 水流量為500ml/s試管內(nèi)結(jié)晶物質(zhì)量（單位：g）

表6 水流量為600ml/s試管內(nèi)結(jié)晶物質(zhì)量（單位：g）

進一步得到不同時間、不同縱向坡度以及不同水流量下的結(jié)晶物質(zhì)量變化三維圖，分別如圖1～5所示。

圖1 水流量為200ml/s時結(jié)晶物的質(zhì)量

圖2 水流量為300ml/s時結(jié)晶物的質(zhì)量

圖3 水流量為400ml/s時結(jié)晶物的質(zhì)量

圖4 水流量為500ml/s時結(jié)晶物的質(zhì)量

圖5 水流量為600ml/s時結(jié)晶物的質(zhì)量

通過對以上5種工況實驗數(shù)據(jù)的分析，得出結(jié)晶物質(zhì)量與排水管縱向坡度和水流量之間的關(guān)系。采用最小二乘法對以上實驗數(shù)據(jù)進行分析，并通過origin軟件對數(shù)據(jù)進行擬合，最終得出排水管內(nèi)結(jié)晶物質(zhì)量的擬合函數(shù)公式，該擬合公式的修正后的擬合度為0.98，擬合效果較好。擬合函數(shù)表達式為：

其中，M為結(jié)晶物質(zhì)量（g）；I為排水管縱向坡度（%）；T為結(jié)晶沉淀的時間（d）；Q為排水管內(nèi)水流量（ml/s）。

通過以上實驗數(shù)據(jù)可知，隨著時間的增長，排水管內(nèi)沉淀結(jié)晶物的質(zhì)量是持續(xù)增大的。不難發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶物的質(zhì)量在不同排水管坡度下的增加速度是不同的，當縱向排水管的坡度越小時，排水管內(nèi)結(jié)晶物的質(zhì)量增加的越快，反之，則越慢。在排水管坡度一定時，不難發(fā)現(xiàn)，排水管內(nèi)結(jié)晶物的質(zhì)量受水流量影響也是比較顯著的，流量越大，排水管內(nèi)結(jié)晶物的質(zhì)量增加的越快，說明水動力因素對隧道排水管內(nèi)結(jié)晶物的生成影響較大。

4 結(jié)語

（1）基于5種工況下排水管不同縱向坡度的結(jié)晶物規(guī)律實驗可知，當水流量一定時，隨著縱向排水坡度的增大，排水管及彎頭內(nèi)的結(jié)晶物質(zhì)量的沉淀速率減小，說明排水系統(tǒng)的排水坡度對結(jié)晶物的生成有比較大的影響。

（2）實驗結(jié)果表明，影響巖溶區(qū)隧道排水管道生成結(jié)晶物的因素并不完全是排水坡度，管道內(nèi)的水流量也是影響因素之一，當流量越大時，排水管內(nèi)的結(jié)晶物沉淀速率越快，因此，水流量對結(jié)晶物的生成有較大的影響。