巖溶區隧道排水管結晶規律模型試驗

徐 筱，張 胤，李 杰，李 磊，許崇幫

(1. 交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；2. 貴州高速公路集團有限公司，貴州 貴陽 550025；3. 中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

我國西南地區諸多隧道都出現了巖溶地下水結晶產生的排水管堵塞問題，對隧道防排水系統造成破壞，導致隧道出現滲漏水病害，對隧道施工、運營期行車安全造成嚴重影響。巖溶地下水流經排水管道中會結晶生成CaCO3，BaSO4等結晶物造成管道堵塞，同時地下水中的泥砂、圍巖碎片及顆粒物也會加劇隧道排水系統的堵塞程度。

巖溶區地下水具有很強的搬運能力，搬運物主要為重碳酸鹽，也存在氯化物以及氧化物等[1]。向坤[2]，Zhang[3]，翟明[4]，Xin[5-6]，Jung[7]，周卓[8]，向立輝[9]，廖權明[10]等研究了隧道排水管結晶物的生成規律，分析了可行的解決方案。楊獻章等[11]得出現有山嶺隧道拱腳縱向排水管和中央排水管不足以滿足實際要求，蔣雅君等[12]分析了巖溶區隧道排水管堵塞原因主要為化學沉積、機械沉積，劉士洋等[13-15]得到植絨排水管有利于減少結晶物的生成，同時在試驗中發現環境溫度、濕度對結晶量也有一定影響。總的來說，目前對于巖溶區隧道排水管結晶堵塞方面的研究較少，對排水管結晶堵塞的機理認識尚不完全，對管道結晶堵塞的防治也沒有比較系統的體系。現有的防治措施也只能起到短期作用，無法長期有效。

本研究依托貴州境內桐梓隧道，通過現場取樣分析、模型試驗以及理論分析等方式對隧道排水管結晶堵塞展開研究，給出了不同流率、不同排水坡度及不同接觸角管材條件下隧道排水管結晶堵塞的規律，建立了排水管結晶物質量預測公式，為巖溶區隧道排水系統結晶堵塞問題的解決提供支撐。

1 隧道現場水質分析

表1 隧道地下水腐蝕性分析(水溫16 ℃)Tab.1 Analysis of tunnel groundwater corrosivity (16 ℃ water temperature)

2 模型試驗

2.1 試驗方案

本模型試驗考慮的影響因素有排水坡度、流率、管材(不同接觸角)3個因素，采用單因素法，試驗控制因素見表2。

表2 試驗控制因素Tab.2 Test controlling factors

結合隧道實際情況，試驗共分2組進行，第1組主要考慮流率、排水坡度對排水管結晶堵塞的影響，第2組主要考慮材料接觸角對結晶的影響，具體工況見表3。

表3 試驗工況Tab.3 Test condition

2.2 試驗裝置及試驗溶液

試驗設備及材料主要有集水箱、供水箱、動力水泵、HDPE雙壁波紋管、U-PVC球形水閥、高精度電子天平以及pH計等，試驗試劑有無水硫酸鈉、碳酸氫鈉、無水氯化鈣以及六水合氯化鎂，試驗溶劑采用蒸餾水。

整個裝置主要由3個部分組成：供水系統、回水系統以及目標管道系統，試驗裝置設計如圖1所示。

圖1 試驗裝置設計圖Fig.1 Design of test device

試驗溶液的配制是整個模型試驗至關重要的環節，配制的溶液所含離子要與隧道現場地下水所含主要離子一致，最大程度模擬出現場結晶現象，從而找出管道中結晶的規律。模擬的隧址區地下水離子成分如表1所示，采用無水氯化鈣、碳酸氫鈉、六水合氯化鎂及硫酸鈉4種溶液，確保溶質在水箱中完全溶解而且分散均勻。4種溶液加入的順序為CaCl2→MgCl2→NaHCO3→Na2SO4，加入1種溶液后間隔15 min再加入另1種溶液，配制完成供水箱、2個集水箱相應的溶液。

2.3 試驗過程

在試驗開始前，進行了1組預試驗，驗證了試驗裝置可初步進行隧道排水管結晶規律模擬。

試驗分2組進行，第1組試驗共計60 d，第2組試驗共計30 d。試驗過程中每5/10 d測量1次集水箱/供水箱的pH，確保試驗在堿性條件下。

試驗步驟如下：

(1)測定目標測試管的初始質量；

(2)分別按第1 / 2組試驗工況，設定排水坡度；

(3)打開流率控制閥調整至目標流率；

(4)開始試驗，每10/5 d測試溶液的pH，每10/5 d測試目標試驗管的質量。

隨著試驗的進行，裝置中的溶液不斷在排水管、球形閥門、集水箱以及供水箱內結晶析出，溶質勢必不斷減少。為了盡量保證試驗的準確性，試驗每進行20 d更換1次溶液來確保溶液中各離子的濃度。

3 結果分析

3.1 飽和指數L.I.計算分析

用pH計定期對模型試驗的供水箱、集水箱以及排水管中的pH值進行測量，同時計算CaCO3飽和指數L.I.，計算結果如圖2所示。

圖2 試驗過程中CaCO3飽和指數Fig.2 CaCO3 saturation index in test process

所計算出的飽和指數L.I.均大于0，由此可以推測集水箱、供水箱以及排水管中的水溶液處于過飽和狀態，均有結晶傾向，這也是所有排水管道內的結晶不斷增加的原因。在第1組、第2組試驗中，計算得到的管道內飽和指數L.I.普遍大于供水箱、集水箱中計算得到的L.I.值。由此可以說明水溶液在排水管內的結晶傾向更加明顯，究其原因，在試驗過程中供水箱處于封閉狀態，供水箱內的水溶液在流經管道時必然伴隨著CO2的逸出，在管道中流動也同時加劇了CO2的逸出，促進了結晶物的生成，因此在管道中CaCO3結晶程度較為嚴重。

3.2 不同流率下排水管內結晶規律分析

不同流率的3個管道結晶情況不同，流率為180 mL/s的排水管道結晶現象最為明顯。同時觀察到結晶物在管壁內多結成塊狀，雖不如現場塊狀結晶物那么明顯，但與現場觀察到的結晶物呈塊狀現象是一致的。

圖3分別給出了不同流率下排水管內結晶物累計質量、質量單次增量隨時間變化的折線圖。3個試驗管道內的累計結晶質量、單次質量增量均隨時間正增長，增長趨勢大致相同。流率為180 mL/s的管道累計質量、單次質量增量變化最大，流率為100 mL/s 的管道變化最小。同時可以看出，結晶物的生長速率均是隨時間而加快，符合晶體生長的規律。

圖3 不同流率下管道結晶物累計質量/質量單次增量與時間的關系(坡度2%)Fig.3 Crystal cumulative amount and single amount increment in pipe varying with time at different flow rates (2% drainage slope)

管道內結晶10，20，30，40，50，60 d時，3個試驗管道內的結晶物質量與流率的關系如圖4所示。結晶天數相同時，管道內的結晶物質量均隨流率的增大而增加，且變化趨勢一致。在10 d,20 d時，圖中曲線變化平緩，不同于其他曲線，這可能是管道在結晶初期，不同流率的管道結晶物質量均較小，所以變化趨勢不明顯。

圖4 管道內結晶物質量與流率的關系(坡度2%)Fig.4 Relationship between crystal amount and flow rates in pipe (2% drainage slope)

流率從100 mL/s增加到140 mL/s，歷經30，40，50，60 d時的結晶物質量分別增大了28.32%,34.46%，25.25%，19.20%；流率從140 ml/s增加到180 mL/s，相應天數時的結晶物質量分別增加了13.71%，8.88%，6.57%，7.34%。因此流率同樣增加40 mL/s，但兩個階段結晶物質量的增長率不同，有變緩趨勢。

3.3 不同排水坡度下排水管內結晶規律分析

3個試驗管道的結晶程度不同，排水坡度為4%的管道結晶最為明顯。

圖5分別為不同排水坡度下管道內結晶累計質量、結晶單次增量隨時間的變化關系圖。據圖5，3種排水坡度管道的累計結晶物質量隨時間均為正增長，且4%的管道增長最大，6%的管道次之，8%的管道最小，增長趨勢大致相同。據圖5，3個試驗管道內結晶物質量的單次增量也是不斷增加的，增長速率均隨時間增大，4%的管道結晶速率最快，排水坡度為8%的管道結晶速率最小。這可用晶體生長理論來解釋，已生成的結晶物為后續結晶提供了來源，由此導致結晶呈非線性增長，增長速率逐漸增大。

圖5 不同排水坡度下管道結晶物質量與時間的關系(140 ml/s)Fig.5 Crystal amount in pipe varying with time under different drainage slopes(140 ml/s)

管道內結晶在10，20，30，40，50，60 d時，3個試驗管道內的結晶物質量與排水坡度的關系如圖6所示。結晶天數相同時，管道內結晶物質量與排水坡度均呈負相關，且變化趨勢大體一致。而在10,20 d時，變化趨勢不明顯，這可能是結晶初期3個管道結晶物均較少的緣故。

圖6 管道內結晶物質量與排水坡度的關系Fig.6 Crystal amount in pipe varying with drainage slope

排水坡度從4%增加到6%，歷經30，40，50，60 d時的結晶物質量分別減少了16.86%，11.43%，8.66%，7.39%；排水坡度從6%增加到8%，相應天數時的結晶物質量分別減少了16.13%，26.91%，19.09%，13.92%。由此可以看出，排水坡度同樣增加2%，結晶物質量的減小程度不同，減小速率增大。

3.4 不同材料(接觸角)排水管內結晶規律分析

對于不同材料(接觸角)排水管的結晶規律，試驗分別采用管道材料為PVC(聚氯乙烯)、HDPE(高密度聚乙烯)以及PPR(無規共聚聚丙烯)的3種管道。查閱相關文獻[16-17]得到相應條件下各管材的接觸角如表4所示。

表4 礦化水條件下管材接觸角Tab.4 Contact angles of pipe under mineralized water condition

試驗過程中，3個試驗管道的排水坡度均設置為2%，流率均為100 mL/s。由于試驗時間只有30 d，3個管道的結晶現象均不是很明顯，但可以發現3個管道的結晶程度有差別。

圖7分別為不同材料(接觸角)排水管結晶物累計質量、質量單次增量隨時間變化的關系圖，3個管道累計結晶質量、單次質量增量均隨時間增長。 PVC管(81.84°)以及HDPE管(88.80°)在結晶初期的結晶速率明顯大于PPR管道(92°)。累計質量變化、單次質量增量變化均為PVC管變化最大， PPR管變化最小。

圖7 不同管材接觸角管道結晶物質量與時間的關系Fig.7 Crystal amount in pipe varying with time at different pipe contact angles

3種管道雖然結晶物質量一直在增加，但30 d內3者的累計結晶物質量仍然較小，單次增量變化也較小。這說明總體上3者在開始階段結晶物增長均較為平緩，結晶速率較慢。原因可能是前文中分析的管道中結晶處于初期，故而結晶較慢。

管道內結晶5，10，15，20，25，30 d時，3個試驗管道內的結晶物質量與流率的關系如圖8所示。結晶天數相同時，管道內的結晶物質量均為PVC管(81.84°)最大，HDPE管(88.80°)次之，PPR管(92°)最小。同時可以發現，隨著結晶天數的增加，不同管道內結晶物質量的變化差異越來越大。相對于HDPE管道，PVC管在5，10，15，20，25，30 d的結晶物質量分別增大15.00%，11.90%，10.45%，13.54%，18.90%，25.64%；相對于PPR管道，HDPE管在相應天數的結晶物質量分別增大100%，82.61%，71.79%，68.42%，58.75%，43.12%。

圖8 管道內結晶物質量與接觸角的關系Fig.8 Relationship between crystal amount in pipe and contact angle

因此，管道的接觸角與結晶物質量呈負增長關系，接觸角越大，結晶速率越小，結晶物質量越小。

3.5 結晶物質量公式的修正

基于試驗結果，對溶解-沉積理論的結晶物質量預測公式進行修正，考慮不同固體表面接觸角的影響，將排水管中結晶物質量的預測公式表示為

R′=f(θ)·S·[K1-K2·A1·A2·Ks·10pH·10-12]，

(1)

f(θ)=4.08×107·θ-3.64，

(2)

m=Mr·R′·c·t，

(3)

表5 不同接觸角的材料系數Tab.5 Material coefficients of different contact angles

預測值與試驗值的相關性如圖9所示，可以看出預測值與試驗值在2 g之前的數據偏差較大。究其原因，第1組試驗只進行了2個月而第2組試驗進行了1個月，2組試驗在擬合預測值與試驗值關系時的擬合系數有所偏差(第1組擬合系數較大)，在最后確定有關接觸角的材料系數時選擇了較大的擬合系數，因此第1個月結晶物質量預測值要大于試驗值，預測值與試驗值2 g之前(即試驗第1個月)的試驗值數據偏差較大。但總體上，修正后的公式得到的預測值分布在Y=1.02X兩側，同時相關系數R2達到0.90。

圖9 預測值與試驗值對比Fig.9 Comparison between predicted values and experimental values

4 結論

(1)采用飽和指數法計算了隧道排水管內地下水的飽和指數L.I.，得到該指數大于0，得到了隧道排水管內地下水具有結晶趨勢。

(2)基于供水系統、回水系統以及目標管道系統，設計組裝了隧道排水管結晶規律模型試驗裝置，模擬了現場結晶現象。

(3)得到了不同流率、不同排水坡度以及不同接觸角管材下排水管內結晶增長的規律。在一定條件下，流率越大，排水坡度越小，相同時間內結晶速率越快，結晶物質量越大。對于不同接觸角的PVC，PPR和HDPE管道，在一定條件下，管材的接觸角越大，結晶速率越小，結晶物質量越小。

(4)基于室內模型試驗的結果，引入考慮材料接觸角的材料系數f(θ)，對Picknett方解石沉積理論進行了修正，提出了適用于隧道排水管結晶物質量預測的公式。