巖溶隧道排水管結(jié)晶堵塞除垢試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究

陳 武 曾鵬飛 何禮航 楊蘊(yùn) 毛成君 吳詠敬 董 平， 吳劍鋒 吳吉春

(1.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101107；2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100；3.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210046；4.南京水聯(lián)天下海水淡化技術(shù)研究院，南京 210046)

引言

鐵路隧道穿越巖溶較為發(fā)育的地區(qū)，其排水系統(tǒng)中普遍存在可溶碳酸鹽的結(jié)晶沉淀現(xiàn)象，而發(fā)生在排水管道的結(jié)晶會(huì)導(dǎo)致隧道排水不暢，使得隧道襯砌背后的孔隙水壓力升高，進(jìn)而引發(fā)一系列隧道水害問(wèn)題[1]。排水管結(jié)晶堵塞已經(jīng)成為隧道建設(shè)中亟待解決的問(wèn)題，迫切需要開展針對(duì)性的除垢技術(shù)研究。

排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞的機(jī)理極為復(fù)雜，影響因素眾多，故對(duì)排水系統(tǒng)除垢的研究也就顯得極為復(fù)雜[2-9]。常規(guī)的巖溶區(qū)隧道排水系統(tǒng)阻垢技術(shù)包括物理阻垢(如電磁法、超聲波法、高壓水沖法)、化學(xué)阻垢(如酸溶法)、生物阻垢(如管壁植絨技術(shù))，以及通過(guò)優(yōu)化工程設(shè)計(jì)進(jìn)行阻垢[10-14]，其中水沖法由于成本低且對(duì)環(huán)境污染相對(duì)小而備受關(guān)注。目前，排水管結(jié)晶堵塞除垢方面的研究較少，已有的除垢研究多為試驗(yàn)性質(zhì)的室內(nèi)研究[15-21]，有關(guān)排水管除垢定量化的數(shù)值模擬研究相對(duì)較少。根據(jù)結(jié)晶學(xué)理論研究，可溶鹽的結(jié)晶過(guò)程可以概化為沉積及剝蝕兩個(gè)過(guò)程，其中對(duì)剝蝕過(guò)程的研究是除垢研究的基礎(chǔ)[22-24]。以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的隧道排水管結(jié)晶堵塞現(xiàn)象為原型，開展排水管堵塞室內(nèi)除垢試驗(yàn)，將剝蝕過(guò)程的理論研究成果應(yīng)用于除垢模擬過(guò)程，建立考慮水動(dòng)力沖刷過(guò)程的變邊界管道水動(dòng)力除垢數(shù)值模型，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的可靠性，以定量分析水動(dòng)力沖刷除垢的過(guò)程，以期為實(shí)際隧道排水系統(tǒng)除垢的精準(zhǔn)控制提供技術(shù)支撐。

1 隧道排水管結(jié)晶堵塞現(xiàn)場(chǎng)概況

依托于貴州某在建鐵路隧道項(xiàng)目，該隧道區(qū)位于石阡縣青陽(yáng)鄉(xiāng)境內(nèi)，屬構(gòu)造剝蝕低山地貌區(qū)，隧道進(jìn)出口為河(谷)斜坡地形，海拔高程為695.0～905.0 m，相對(duì)高差約210 m。隧道區(qū)斷層構(gòu)造發(fā)育，巖體極破碎，巖層以單斜地層為主，覆蓋層主要為殘坡積粉質(zhì)黏土及碎石，下伏基巖為寒武系下統(tǒng)牛蹄塘—明心寺—金頂山組砂質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖及杷榔組頁(yè)巖、灰?guī)r夾炭質(zhì)頁(yè)巖。隧道區(qū)地表水主要為溝谷內(nèi)季節(jié)性流水，主要受大氣降雨控制及影響。隧道區(qū)地下水主要為巖溶裂隙水，主要來(lái)源為地表水及大氣降雨補(bǔ)給。

該隧道出現(xiàn)結(jié)晶體的部位主要位于地下水較豐富地段，距出口284～339 m，橫向排水管及兩側(cè)水溝中也存在結(jié)晶體沉淀。滲入排水管道的地下水類型為HCO3-Ca·Mg型，主要陽(yáng)離子為Ca2+、Mg2+等，主要陰離子為CO32-、HCO3-、SO42-等，結(jié)晶物組分主要為CaCO3和SiO2。

2 排水系統(tǒng)堵塞室內(nèi)除垢試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)實(shí)驗(yàn)裝置

現(xiàn)場(chǎng)隧道排水系統(tǒng)的裝置較為復(fù)雜，由多種不同的排水管相互連接所構(gòu)成，包括環(huán)襯砌的環(huán)形排水管、沿隧道方向縱深的縱向排水管、連接在縱向排水管上的橫向排水管，以及橫向排水管的排水最終去處排水側(cè)溝。為了使室內(nèi)試驗(yàn)便于操作，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，對(duì)結(jié)垢部位較為嚴(yán)重的縱橫管進(jìn)行等比例復(fù)刻，同時(shí)選擇結(jié)晶堵塞實(shí)驗(yàn)中生成結(jié)晶物較為充分的管道部分。試驗(yàn)裝置見圖2，縱管長(zhǎng)3 m，橫管長(zhǎng)0.2 m，每隔1 m設(shè)置1根橫管，縱管及橫管管徑均為0.1 m。

圖1 工程現(xiàn)場(chǎng)排水橫管結(jié)晶堵塞情況

圖2 排水管結(jié)晶堵塞室內(nèi)試驗(yàn)裝置

(2)水動(dòng)力及水化學(xué)條件

裝置配備的供水泵為25 m3/h(6.94 L/s)，根據(jù)室內(nèi)實(shí)際水動(dòng)力條件，縱管比例為50∶1，橫管比例為5∶1，最大水動(dòng)力沖刷流量可達(dá)0.4 L/s。所配置溶液的溶質(zhì)比為CaCl2∶Na2CO3∶NaHCO3=2 kg∶1 kg∶1 kg，將其混入 430 L的集水箱中，完成溶液的制備。

(3)對(duì)照組設(shè)置

隧道排水管除垢系統(tǒng)采用了以RO反滲透膜[25-28]系統(tǒng)為核心的膜處理技術(shù)，一方面經(jīng)RO處理后，水中的鈣鎂離子幾乎可以完全去除，使得沖刷后的管道殘留水失去結(jié)垢的物質(zhì)核心，起到防垢的作用；另一方面，經(jīng)RO處理后的水偏酸性，可以更加有效地溶解已形成的CaCO3等懸濁液，達(dá)到除垢的目的。為了更加直觀地反映該系統(tǒng)的有效程度，室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)置對(duì)照組，對(duì)照組采用自來(lái)水作為原水進(jìn)行沖刷，試驗(yàn)組采用經(jīng)RO系統(tǒng)處理后的水作為原水進(jìn)行沖刷。

(4)數(shù)據(jù)記錄

隧道排水管除垢系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用按次沖刷的工作機(jī)制，室內(nèi)模擬試驗(yàn)參照現(xiàn)場(chǎng)，也采用按次沖刷的形式，按照一定周期(5 min)，采用間接稱重法對(duì)排水管內(nèi)CaCO3結(jié)晶體質(zhì)量進(jìn)行稱重，測(cè)定排水管內(nèi)結(jié)晶體的質(zhì)量變化。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

室內(nèi)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1、表2。

表1 排水管除垢室內(nèi)試驗(yàn)(自來(lái)水沖刷) g

表2 排水管除垢室內(nèi)試驗(yàn)(RO水沖刷) g

圖3和圖4分別為兩組沖刷實(shí)驗(yàn)管內(nèi)剩余結(jié)晶沉淀質(zhì)量變化曲線及沉淀質(zhì)量變化曲線。由圖3可知，自來(lái)水和RO水沖刷后，管內(nèi)剩余沉淀質(zhì)量均逐漸減少。由圖4可知，整個(gè)沖刷過(guò)程中初期沖刷速率較大，隨著沖刷的不斷進(jìn)行，沖刷速率逐漸減小，至沖刷后期，水流的沖刷速率逐漸降低至一個(gè)極小值(近乎為0)且維持穩(wěn)定。對(duì)比圖3(a)與圖3(b)、圖4(a)與圖4(b)，經(jīng)RO反滲透模處理過(guò)后的水流沖刷效率更高，分析其原因，經(jīng)RO水處理后，水中的鈣鎂離子幾乎完全去除，使得沖刷后的管道殘留水失去結(jié)垢的物質(zhì)核心，沖刷過(guò)程中二次產(chǎn)生的CaCO3晶體較少；另一方面，經(jīng)RO處理后的水偏酸性，對(duì)已產(chǎn)生的CaCO3晶體有一定的溶解作用，從而加速除垢過(guò)程。

圖3 剩余沉淀質(zhì)量

圖4 沉淀質(zhì)量變化量

3 巖溶管道除垢數(shù)值模擬

構(gòu)建變邊界管道水動(dòng)力除垢數(shù)值模型，定量化研究隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶后水動(dòng)力沖刷除垢的過(guò)程。采用水平集的數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)排水管道內(nèi)的沖刷過(guò)程進(jìn)行模擬。基于校正的數(shù)值模型研究沖刷過(guò)程中管內(nèi)沉淀量的變化趨勢(shì)，根據(jù)模擬結(jié)果確定合適的沖刷液種類以及沖刷時(shí)長(zhǎng)，從而達(dá)到在除垢效果符合工程要求的前提下降低除垢成本。

3.1 模型概述

(1)概念模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際巖溶隧洞排水管道進(jìn)行概化，本次選擇光滑直管作為除垢研究的對(duì)象，幾何模型見圖5，其中管道長(zhǎng)度為3 000 mm，直徑為20 mm。管道入口設(shè)定為給定流速邊界，出口設(shè)定為自由流出邊界(相對(duì)壓力為0)，管壁設(shè)定為無(wú)滑移邊界。其余模型參數(shù)設(shè)定見表3。

圖5 隧道排水管模型結(jié)構(gòu)示意

表3 模型參數(shù)

(2)數(shù)學(xué)模型及數(shù)值方法

管道結(jié)晶除垢模擬僅考慮流場(chǎng)作用下的管道內(nèi)沉淀量的變化，由于CaCO3沉積層的存在，管道內(nèi)的流速會(huì)發(fā)生不均勻變化，水流整體呈現(xiàn)紊流或湍流狀態(tài)，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。

在水動(dòng)力場(chǎng)作用下，由于流體剪切力，已附著在管壁上的沉積物會(huì)被剝蝕，并隨水流運(yùn)移，根據(jù)Bohnet等提出的污垢剝蝕模型。數(shù)學(xué)模型及控制方程見圖6[30]。

圖6 基于水平集方法的模型計(jì)算流程

水平集方法是通過(guò)界面追蹤和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)來(lái)描述結(jié)晶沉淀過(guò)程中管道界面動(dòng)態(tài)變化建模的數(shù)值方法。水平集方法可以在笛卡爾坐標(biāo)系中通過(guò)動(dòng)態(tài)曲線曲面數(shù)值計(jì)算來(lái)追蹤物體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變。基于水平集方法的管道結(jié)晶數(shù)值模型的計(jì)算流程見圖6。基于以上模擬技術(shù)，利用COMSOL軟件建立考慮水動(dòng)力沖刷過(guò)程的變邊界管道水動(dòng)力除垢數(shù)值模型。

3.2 分析與討論

(1) 模型驗(yàn)證

將模型結(jié)果與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，剝蝕速率模擬值和觀測(cè)值擬合結(jié)果見圖7。模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果整體趨勢(shì)相同，整體擬合精度達(dá)89%。局部在初期模擬值相對(duì)偏小，而后期模擬值略偏大，反映了初期剝蝕效率大，1 300～1 500 s逐漸減小至一極小的穩(wěn)定值的規(guī)律，最終穩(wěn)定期的剝蝕速率數(shù)量級(jí)為10-6，可近乎視為0，此時(shí)水流對(duì)管內(nèi)污垢的沖洗效果已經(jīng)可以忽略不計(jì)。究其原因，應(yīng)是初期管道內(nèi)CaCO3沉積層過(guò)厚，新附著在最外層的CaCO3還未完全固結(jié)，在水流沖刷作用下極易被剝蝕，隨著外層較新的CaCO3逐漸被剝蝕，內(nèi)部固結(jié)程度更高的CaCO3裸漏出來(lái)，沖刷剝蝕速率開始逐漸減小，直至剝蝕率達(dá)到極限，此時(shí)裸露出來(lái)的CaCO3因其固結(jié)程度極高而很難被剝蝕，剝蝕速率達(dá)到極小值且趨于穩(wěn)定。

圖7 數(shù)值模型擬合結(jié)果

(2)模擬結(jié)果

在的水流沖刷作用下，排水管內(nèi)壁上附著的CaCO3沉淀逐漸被剝蝕，60～3 000 s內(nèi)模擬沖刷結(jié)果見圖8，在50 min的沖刷過(guò)程中，附著在管道內(nèi)壁上的沉淀層逐漸變薄，至3 000 s時(shí)，管道內(nèi)壁上的CaCO3沉積層已剝蝕大半(有效剝蝕面積達(dá)到61%)，且管道出口沉積層越厚的部位剝蝕速率越大。同時(shí)由于出口處流速大于入口處，故出口處的剝蝕速率較大(見圖9)。

圖8 0～3000s內(nèi)模擬沖刷結(jié)果

圖9 沿管道方向的速度分布

(3)流速對(duì)剝蝕速率的影響

結(jié)晶學(xué)理論研究表明，CaCO3的結(jié)晶過(guò)程中流體的流速對(duì)剝蝕速率有較大的影響。以下基于已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的變邊界管道水動(dòng)力除垢數(shù)學(xué)模型，探討流速對(duì)剝蝕速率的影響(見圖10)。隨著流速?gòu)?.2 m/s增大至1 m/s，剝蝕速率不斷增大，1 m/s時(shí)的剝蝕速率已經(jīng)達(dá)到0.2 m/s時(shí)的近10倍。此外，流速對(duì)剝蝕速率的影響主要體現(xiàn)在除垢過(guò)程的初期，初期隨流速的增大剝蝕速率的增幅很大，1 000 s以后，流速對(duì)剝蝕速率的影響已經(jīng)較為微弱。因此，實(shí)際除垢過(guò)程中應(yīng)盡可能增大沖刷液的流速，且僅需在沖刷的初期增大流速，以達(dá)到除垢成本與除垢效果的最優(yōu)解。

圖10 不同流速下的剝蝕速率

此外，根據(jù)模擬結(jié)果可知，水流沖刷的除垢方式存在一定的局限性，初期效果較好，至后期便幾乎沒有效果，故需要對(duì)除垢方法加以改進(jìn)，或者結(jié)合其他的物理、化學(xué)及生物方法進(jìn)行聯(lián)合除垢，以達(dá)到更好的除垢效果。

4 結(jié)論

巖溶地區(qū)隧道排水管的結(jié)晶堵塞極大程度上威脅著隧道的施工及運(yùn)營(yíng)安全，在已有結(jié)晶堵塞機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，開展基于水動(dòng)力沖刷的排水管除垢室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，研發(fā)相應(yīng)的數(shù)值模擬技術(shù)，系統(tǒng)開展隧道排水管防除垢技術(shù)研究。結(jié)論如下。

(1)相較于自來(lái)水，選用RO反滲透膜處理后的水進(jìn)行除垢效果更好。RO反滲透膜幾乎可以完全去除鈣鎂離子，從而沖刷過(guò)程中CaCO3晶體二次沉淀量大幅較少；另一方面，經(jīng)RO水處理后的水偏酸性，對(duì)已產(chǎn)生的CaCO3晶體有一定的溶解作用，從而加速除垢過(guò)程。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，沖刷除垢的過(guò)程中，初期剝蝕速率最大，隨著時(shí)間的推移，剝蝕速率逐漸減小且趨于穩(wěn)定，原因是外部結(jié)垢層固結(jié)程度小于內(nèi)部結(jié)垢層，內(nèi)部結(jié)垢層難以在水動(dòng)力條件下被沖刷，需聯(lián)合物理、化學(xué)或生物阻垢技術(shù)進(jìn)行更為有效的治理。