寒區隧道排水溝出口防凍設計研究

宋 捷，孫 迪，林立彬，廉海潯

(1.遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166； 2.同濟大學 上海市 200082)

1 研究背景

我國寒區分布廣泛，面積多達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和海拔較高的西部地區。凍害是影響寒區隧道安全運行的主要問題，如隧道漏水、襯砌表面掛冰、路面結冰和襯砌變形、開裂、剝落等[2]。目前寒區隧道多采用掩埋式出口，這種出口型式水流速度緩慢，凍結幾率增大；而且一旦出現出口處結冰，則隨著出口外結冰層的升高，排水溝出口的排水功能逐漸下降甚至完全喪失。

從隧址區氣象環境測試入手，考慮不同的流速、流量，經理論分析得出掩埋式保溫出口凍害形成機理和端墻式防凍出口的防凍機理，并通過數值模擬的方法設計出更加切合實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 隧址區氣象環境測試

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備進行監測，氣象環境采集與傳輸系統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、傳輸氣象環境數據，分別測量了風向、風速、溫度、濕度、氣壓、雨量等常規氣象要素。

監測測點處每小時采集一次溫度、濕度、風向、風速、氣壓、降雨量數據，數據自動記錄并存儲，冬季根據需要適當加密數據采集量，監測到的溫度數據如圖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行氣溫監測。從監測結果看，監測時段內隧道洞口區域最高氣溫出現在2015年7月9日，為34.2℃，最低氣溫出現在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50m、洞內100m處分別設置一個溫度傳感器測試氣溫(水溫)，每小時采集一次溫度數據，數據自動記錄并存儲。測試結果如圖2所示。

圖2 隧道排水溝氣溫(水溫)測試成果

圖2中測點4是排水溝出口處數據。從監測結果看，監測時段內排水溝出口處最高氣溫(水溫)出現在2015年9月9日，為18.7℃，最低氣溫(水溫)出現在2014年12月18日，為-13.0℃。隧道洞口處、洞內50m、洞內100m三個測點的排水溝內最低氣溫(水溫)分別是-4.7℃、-0.7℃和-0.6℃，最低氣溫出現的時間分別是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計要點

3.1 排水溝出口的一般型式

公路隧道設計細則規定，寒冷和嚴寒地區的隧道深埋水溝、洞外暗溝均應設置保溫出水口。出水口處地形較陡且地質條件較好時，可采用端墻式；地形平坦時，應采用圓端掩埋保溫包頭式[3]。

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

圖3 掩埋式排水溝出口設計方案

端墻式排水溝出口段一般采用10%以上大縱坡，出口處設置端部擋墻，管口設置向下的彎頭，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，一般應大于5%。具體構造詳見圖4。

圖4 端墻式排水溝出口設計方案

3.2 基于隧址環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的防凍方面有明顯的差異。除了隧址區地理條件外，還需要綜合考慮隧址區氣象溫度、地下水溫度和隧道排水溝的流速、流量的影響。數值模擬仿真技術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。

(1)掩埋式出口設計要點

排水溝從路基中心轉向公路的角度應適當減小，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漫排水坡坡度均宜加大至10%。碎石透水層體積根據氣象溫度和流速流量設置，氣象溫度低、流速流量小時宜適當做大，反之可適當做小。

(2)端墻式出口設計要點

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。為了減小出口內外空氣對流，必要時可在排水溝出口外增設防風門，防凍效果會更好，如圖5。

圖5 端墻式排水溝出口防風門設計圖

4 隧道排水溝出口瞬態模擬分析

4.1 基本假設

隧道排水溝與圍巖之間主要通過導熱和對流傳熱方式進行熱量傳遞，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：

(1)透水層為多孔介質，并設置孔隙率為1[4]。

(2)所涉及到的材料熱導率是各向同性。

(3)排水溝進口水與空氣的橫截面積比例為1∶4。

(4)混凝土等物性參數為常數。

4.2 模型建立

數值分析采用CFD Fluent軟件。根據掩埋式排水溝出口設計方案和端墻式排水溝出口設計方案，選取16.8m出口段適當簡化，建立三維模型，計算模型如圖6所示。調整參數劃分網格如圖7所示。

圖6 計算模型

圖7 網格模型

4.3 計算參數設置

為計算隧道排水溝出口溫度場，需對計算初始參數及邊界條件進行規定。

空氣的初始溫度參考隧址區氣象溫度最低值，取268K，襯砌的溫度為278K。

采用標準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，排水溝進口通入水與空氣的兩相流混合流體，且體積分數之比為1∶4。

計算總時間為30d，初始時間步長10s，計算穩定后延長至1h。混凝土和空氣的熱力學參數如表1所示。

表1 計算參數

4.4 計算結果分析

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控點，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溫度曲線

圖11 端墻式排水溝考察點溫度曲線

從圖10、圖11可知，掩埋式排水溝出口溫度考察點在第15d時從275K將至273K，此時可認為排水溝出口水流凍結，此后溫度數據無參考意義。端墻式排水溝出口溫度考察點在30d內溫度約為275.35K，均高于273K，可認為排水溝出口水流未凍結。

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

(1)由于水流直接與空氣接觸，并始終保持流動狀態，降低了水流凍結速度。

(2)因為空氣導熱系數低，水流溫度變化不大就從排水溝中流出。

(3)由于端墻附近設置有擋風墻等結構，降低了空氣與水流之間的對流傳熱系數。

(4)因為排水管出口據地面高度較高，不存在地面凍結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，工程實踐上也驗證了這一分析結果。說明端墻式排水溝出口設計方案更適合遼寧省寒區氣象條件。

5 結論

通過分析比較兩種排水溝出口型式在寒冷地區的防凍效果，得出以下結論：

(1)在寒冷地區，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護提供了便利條件。

(2)掩埋式出水口隨著運營時間的增長，碎石透水層被堵塞，造成排水系統功能衰減，導致隧道內部冬季路面出現冰害。

(3)排水溝出口的保溫設計要結合現場區域環境條件和理論分析計算確定，出口段埋置深度和縱坡是實現保溫目的的重要參數，需要在工程實踐不斷總結經驗，彎頭和其它防風措施對于減小內外空氣對流也有良好效果，這些設計要點應該在設計中給予充分的重視。