不同流速對隧道排水管結(jié)晶規(guī)律室內(nèi)試驗(yàn)研究

熊 帥

(內(nèi)江師范學(xué)院 人工智能學(xué)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(dāng)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(yùn)營，而從雅安到林芝段估計(jì)新建隧道總長約953 m，橋隧比高達(dá)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(jì)、施工、運(yùn)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(dāng)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(jì)60年代以前表現(xiàn)得尤為嚴(yán)重。近年來一些新建的隧道，也存在較嚴(yán)重的滲透漏水[7,8]。由于隧道排水不當(dāng)輕則引發(fā)營運(yùn)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(yùn)營，這些問題嚴(yán)重阻礙了隧道事業(yè)的進(jìn)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(jì)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(xiàng)目對西南片區(qū)隧道現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)了導(dǎo)致隧道排水管堵塞的物理、化學(xué)、人為的內(nèi)外在因素，并通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)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]。空氣中存在大量的CO2，和

MgCO3+Ca2+→CaCO3+Mg2+

得出沉淀物CaCO3、CaSO4、MgCO3、MgSO4等在化學(xué)鍵的作用下附著在管壁內(nèi)側(cè)不能及時(shí)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(jì)時(shí)，通常根據(jù)隧道斷面情況、行車輛大小、排水量大小等進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，如果調(diào)查人員在勘察設(shè)計(jì)階段存在疏漏，排水管管徑設(shè)計(jì)偏小，那么在雨季時(shí)，周圍的泥沙、生物殘骸等不能及時(shí)排出管道，引起管內(nèi)堵塞，破壞管壁；若排水管管徑設(shè)計(jì)偏大，相應(yīng)的過水?dāng)嗝婷娣e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(shí)際施工過程中，也存在施工人員操作不當(dāng)導(dǎo)致管壁埋設(shè)的設(shè)計(jì)坡度與實(shí)際坡度差別較大，根本原因是操作人員未依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙、標(biāo)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?jiān)鼱€葉沒有得到及時(shí)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(xué)、人為三類因素外，還包括氣溫高低、當(dāng)?shù)貧鈮骸⑷芤核釅A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(yán)重的地區(qū)導(dǎo)致大量涌水已經(jīng)發(fā)生交通事故，嚴(yán)重威脅到人們的行車安全和生命財(cái)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(yàn)方法對不同流速因素影響管道堵塞規(guī)律進(jìn)行研究。

3 試驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jì)控制不同實(shí)驗(yàn)的流速，使溶液經(jīng)過不同時(shí)間段的實(shí)驗(yàn)管道，通過不同時(shí)間段對實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置平面

3.1 實(shí)驗(yàn)溶液配制

采用化學(xué)試劑NaHCO3和CaCl2按2∶1的比例，加入水配備，在配備溶液時(shí)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇及其他因素的控制

實(shí)驗(yàn)一共使用50根實(shí)驗(yàn)管段，統(tǒng)一選取PVC管徑為32 mm的管道，實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)室溫度通過空調(diào)控制在25 ℃。

3.3 實(shí)驗(yàn)具體布置

第一批將25 根實(shí)驗(yàn)管段同時(shí)安裝在溶液箱的接口上，分別對每根管段進(jìn)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(shí)驗(yàn)每隔10 d進(jìn)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(shí)第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)束，50 d為一個周期，同一組的管道結(jié)晶量進(jìn)行對比和觀察，然后兩組取平均值，減小誤差，最后得出實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行分析。

3.4 實(shí)驗(yàn)及計(jì)算步驟

(1)截取25 根長度為20 cm的管段，實(shí)驗(yàn)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(rèn)真做好記錄。

(3)將調(diào)試好正常運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)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(shí)記錄每個數(shù)據(jù)。

(5)50 d之后，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，清理容器和其他儀器，做好保養(yǎng)工作，以備下組實(shí)驗(yàn)使用。

(6)計(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如實(shí)的記錄在表格內(nèi)。

4 結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 不同流速組結(jié)晶量 g

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出如下曲線(圖4、圖5)。

圖4 不同流速實(shí)驗(yàn)管道結(jié)晶質(zhì)量與時(shí)間關(guān)系

圖5 不同流速實(shí)驗(yàn)管道結(jié)晶增量與時(shí)間關(guān)系

表1結(jié)晶量是根據(jù)實(shí)驗(yàn)管道前后質(zhì)量之差計(jì)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(shí)間的關(guān)系。圖4反映了流速較慢的實(shí)驗(yàn)管道即未充滿水的管道比全被溶液充滿的實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)，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(dāng)流速為34.5 cm/s時(shí)，結(jié)晶量最大值與最小值之差為0.39 g；當(dāng)流速為44.5 cm/s時(shí)，結(jié)晶量最大值與最小值之差為0.44 g；當(dāng)流速為63.5 cm/s時(shí)，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(shí)間的推移在后期均達(dá)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(qiáng)，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(fù)增長的現(xiàn)象，是在流速為26.5 cm/s時(shí)，負(fù)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(shí)驗(yàn)結(jié)晶量數(shù)量級1 的基礎(chǔ)上，其增量其實(shí)較小；其次，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(shí)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(yùn)營周期，運(yùn)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(yàn)?zāi)Ｐ停芯苛魉賹艿澜Y(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(biāo)的不同，得到以下結(jié)論。

在未滿管或水流速度較慢時(shí)，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(shí)，結(jié)晶量最大值是最小值的1.83 倍；流速為26.5 cm/s時(shí)，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(dāng)流速為34.5 cm/s時(shí)，此時(shí)最大值是最小值的1.8 倍；當(dāng)流速為44.5 cm/s時(shí)，結(jié)晶量最大值是最小值的2.83 倍；當(dāng)流速為63.5 cm/s時(shí)，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(shí)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(jìn)行換算，進(jìn)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(yàn)宏觀層面進(jìn)行模擬，建議在后期研究水流速度與管壁結(jié)晶規(guī)律時(shí)加入一定的微觀動力學(xué)模擬，將兩者進(jìn)行對比，能從更加深層次了解反應(yīng)堵塞機(jī)理。