岩溶区隧道排水管结晶规律模型试验

徐 筱，张 胤，李 杰，李 磊，许崇帮

(1. 交通运输部公路科学研究院，北京 100088；2. 贵州高速公路集团有限公司，贵州 贵阳 550025；3. 中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

我国西南地区诸多隧道都出现了岩溶地下水结晶产生的排水管堵塞问题，对隧道防排水系统造成破坏，导致隧道出现渗漏水病害，对隧道施工、运营期行车安全造成严重影响。岩溶地下水流经排水管道中会结晶生成CaCO3，BaSO4等结晶物造成管道堵塞，同时地下水中的泥砂、围岩碎片及颗粒物也会加剧隧道排水系统的堵塞程度。

岩溶区地下水具有很强的搬运能力，搬运物主要为重碳酸盐，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]，向立辉[9]，廖权明[10]等研究了隧道排水管结晶物的生成规律，分析了可行的解决方案。杨献章等[11]得出现有山岭隧道拱脚纵向排水管和中央排水管不足以满足实际要求，蒋雅君等[12]分析了岩溶区隧道排水管堵塞原因主要为化学沉积、机械沉积，刘士洋等[13-15]得到植绒排水管有利于减少结晶物的生成，同时在试验中发现环境温度、湿度对结晶量也有一定影响。总的来说，目前对于岩溶区隧道排水管结晶堵塞方面的研究较少，对排水管结晶堵塞的机理认识尚不完全，对管道结晶堵塞的防治也没有比较系统的体系。现有的防治措施也只能起到短期作用，无法长期有效。

本研究依托贵州境内桐梓隧道，通过现场取样分析、模型试验以及理论分析等方式对隧道排水管结晶堵塞展开研究，给出了不同流率、不同排水坡度及不同接触角管材条件下隧道排水管结晶堵塞的规律，建立了排水管结晶物质量预测公式，为岩溶区隧道排水系统结晶堵塞问题的解决提供支撑。

1 隧道现场水质分析

表1 隧道地下水腐蚀性分析(水温16 ℃)Tab.1 Analysis of tunnel groundwater corrosivity (16 ℃ water temperature)

2 模型试验

2.1 试验方案

本模型试验考虑的影响因素有排水坡度、流率、管材(不同接触角)3个因素，采用单因素法，试验控制因素见表2。

表2 试验控制因素Tab.2 Test controlling factors

结合隧道实际情况，试验共分2组进行，第1组主要考虑流率、排水坡度对排水管结晶堵塞的影响，第2组主要考虑材料接触角对结晶的影响，具体工况见表3。

表3 试验工况Tab.3 Test condition

2.2 试验装置及试验溶液

试验设备及材料主要有集水箱、供水箱、动力水泵、HDPE双壁波纹管、U-PVC球形水阀、高精度电子天平以及pH计等，试验试剂有无水硫酸钠、碳酸氢钠、无水氯化钙以及六水合氯化镁，试验溶剂采用蒸馏水。

整个装置主要由3个部分组成：供水系统、回水系统以及目标管道系统，试验装置设计如图1所示。

图1 试验装置设计图Fig.1 Design of test device

试验溶液的配制是整个模型试验至关重要的环节，配制的溶液所含离子要与隧道现场地下水所含主要离子一致，最大程度模拟出现场结晶现象，从而找出管道中结晶的规律。模拟的隧址区地下水离子成分如表1所示，采用无水氯化钙、碳酸氢钠、六水合氯化镁及硫酸钠4种溶液，确保溶质在水箱中完全溶解而且分散均匀。4种溶液加入的顺序为CaCl2→MgCl2→NaHCO3→Na2SO4，加入1种溶液后间隔15 min再加入另1种溶液，配制完成供水箱、2个集水箱相应的溶液。

2.3 试验过程

在试验开始前，进行了1组预试验，验证了试验装置可初步进行隧道排水管结晶规律模拟。

试验分2组进行，第1组试验共计60 d，第2组试验共计30 d。试验过程中每5/10 d测量1次集水箱/供水箱的pH，确保试验在碱性条件下。

试验步骤如下：

(1)测定目标测试管的初始质量；

(2)分别按第1 / 2组试验工况，设定排水坡度；

(3)打开流率控制阀调整至目标流率；

(4)开始试验，每10/5 d测试溶液的pH，每10/5 d测试目标试验管的质量。

随着试验的进行，装置中的溶液不断在排水管、球形阀门、集水箱以及供水箱内结晶析出，溶质势必不断减少。为了尽量保证试验的准确性，试验每进行20 d更换1次溶液来确保溶液中各离子的浓度。

3 结果分析

3.1 饱和指数L.I.计算分析

用pH计定期对模型试验的供水箱、集水箱以及排水管中的pH值进行测量，同时计算CaCO3饱和指数L.I.，计算结果如图2所示。

图2 试验过程中CaCO3饱和指数Fig.2 CaCO3 saturation index in test process

所计算出的饱和指数L.I.均大于0，由此可以推测集水箱、供水箱以及排水管中的水溶液处于过饱和状态，均有结晶倾向，这也是所有排水管道内的结晶不断增加的原因。在第1组、第2组试验中，计算得到的管道内饱和指数L.I.普遍大于供水箱、集水箱中计算得到的L.I.值。由此可以说明水溶液在排水管内的结晶倾向更加明显，究其原因，在试验过程中供水箱处于封闭状态，供水箱内的水溶液在流经管道时必然伴随着CO2的逸出，在管道中流动也同时加剧了CO2的逸出，促进了结晶物的生成，因此在管道中CaCO3结晶程度较为严重。

3.2 不同流率下排水管内结晶规律分析

不同流率的3个管道结晶情况不同，流率为180 mL/s的排水管道结晶现象最为明显。同时观察到结晶物在管壁内多结成块状，虽不如现场块状结晶物那么明显，但与现场观察到的结晶物呈块状现象是一致的。

图3分别给出了不同流率下排水管内结晶物累计质量、质量单次增量随时间变化的折线图。3个试验管道内的累计结晶质量、单次质量增量均随时间正增长，增长趋势大致相同。流率为180 mL/s的管道累计质量、单次质量增量变化最大，流率为100 mL/s 的管道变化最小。同时可以看出，结晶物的生长速率均是随时间而加快，符合晶体生长的规律。

图3 不同流率下管道结晶物累计质量/质量单次增量与时间的关系(坡度2%)Fig.3 Crystal cumulative amount and single amount increment in pipe varying with time at different flow rates (2% drainage slope)

管道内结晶10，20，30，40，50，60 d时，3个试验管道内的结晶物质量与流率的关系如图4所示。结晶天数相同时，管道内的结晶物质量均随流率的增大而增加，且变化趋势一致。在10 d,20 d时，图中曲线变化平缓，不同于其他曲线，这可能是管道在结晶初期，不同流率的管道结晶物质量均较小，所以变化趋势不明显。

图4 管道内结晶物质量与流率的关系(坡度2%)Fig.4 Relationship between crystal amount and flow rates in pipe (2% drainage slope)

流率从100 mL/s增加到140 mL/s，历经30，40，50，60 d时的结晶物质量分别增大了28.32%,34.46%，25.25%，19.20%；流率从140 ml/s增加到180 mL/s，相应天数时的结晶物质量分别增加了13.71%，8.88%，6.57%，7.34%。因此流率同样增加40 mL/s，但两个阶段结晶物质量的增长率不同，有变缓趋势。

3.3 不同排水坡度下排水管内结晶规律分析

3个试验管道的结晶程度不同，排水坡度为4%的管道结晶最为明显。

图5分别为不同排水坡度下管道内结晶累计质量、结晶单次增量随时间的变化关系图。据图5，3种排水坡度管道的累计结晶物质量随时间均为正增长，且4%的管道增长最大，6%的管道次之，8%的管道最小，增长趋势大致相同。据图5，3个试验管道内结晶物质量的单次增量也是不断增加的，增长速率均随时间增大，4%的管道结晶速率最快，排水坡度为8%的管道结晶速率最小。这可用晶体生长理论来解释，已生成的结晶物为后续结晶提供了来源，由此导致结晶呈非线性增长，增长速率逐渐增大。

图5 不同排水坡度下管道结晶物质量与时间的关系(140 ml/s)Fig.5 Crystal amount in pipe varying with time under different drainage slopes(140 ml/s)

管道内结晶在10，20，30，40，50，60 d时，3个试验管道内的结晶物质量与排水坡度的关系如图6所示。结晶天数相同时，管道内结晶物质量与排水坡度均呈负相关，且变化趋势大体一致。而在10,20 d时，变化趋势不明显，这可能是结晶初期3个管道结晶物均较少的缘故。

图6 管道内结晶物质量与排水坡度的关系Fig.6 Crystal amount in pipe varying with drainage slope

排水坡度从4%增加到6%，历经30，40，50，60 d时的结晶物质量分别减少了16.86%，11.43%，8.66%，7.39%；排水坡度从6%增加到8%，相应天数时的结晶物质量分别减少了16.13%，26.91%，19.09%，13.92%。由此可以看出，排水坡度同样增加2%，结晶物质量的减小程度不同，减小速率增大。

3.4 不同材料(接触角)排水管内结晶规律分析

对于不同材料(接触角)排水管的结晶规律，试验分别采用管道材料为PVC(聚氯乙烯)、HDPE(高密度聚乙烯)以及PPR(无规共聚聚丙烯)的3种管道。查阅相关文献[16-17]得到相应条件下各管材的接触角如表4所示。

表4 矿化水条件下管材接触角Tab.4 Contact angles of pipe under mineralized water condition

试验过程中，3个试验管道的排水坡度均设置为2%，流率均为100 mL/s。由于试验时间只有30 d，3个管道的结晶现象均不是很明显，但可以发现3个管道的结晶程度有差别。

图7分别为不同材料(接触角)排水管结晶物累计质量、质量单次增量随时间变化的关系图，3个管道累计结晶质量、单次质量增量均随时间增长。 PVC管(81.84°)以及HDPE管(88.80°)在结晶初期的结晶速率明显大于PPR管道(92°)。累计质量变化、单次质量增量变化均为PVC管变化最大， PPR管变化最小。

图7 不同管材接触角管道结晶物质量与时间的关系Fig.7 Crystal amount in pipe varying with time at different pipe contact angles

3种管道虽然结晶物质量一直在增加，但30 d内3者的累计结晶物质量仍然较小，单次增量变化也较小。这说明总体上3者在开始阶段结晶物增长均较为平缓，结晶速率较慢。原因可能是前文中分析的管道中结晶处于初期，故而结晶较慢。

管道内结晶5，10，15，20，25，30 d时，3个试验管道内的结晶物质量与流率的关系如图8所示。结晶天数相同时，管道内的结晶物质量均为PVC管(81.84°)最大，HDPE管(88.80°)次之，PPR管(92°)最小。同时可以发现，随着结晶天数的增加，不同管道内结晶物质量的变化差异越来越大。相对于HDPE管道，PVC管在5，10，15，20，25，30 d的结晶物质量分别增大15.00%，11.90%，10.45%，13.54%，18.90%，25.64%；相对于PPR管道，HDPE管在相应天数的结晶物质量分别增大100%，82.61%，71.79%，68.42%，58.75%，43.12%。

图8 管道内结晶物质量与接触角的关系Fig.8 Relationship between crystal amount in pipe and contact angle

因此，管道的接触角与结晶物质量呈负增长关系，接触角越大，结晶速率越小，结晶物质量越小。

3.5 结晶物质量公式的修正

基于试验结果，对溶解-沉积理论的结晶物质量预测公式进行修正，考虑不同固体表面接触角的影响，将排水管中结晶物质量的预测公式表示为

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 不同接触角的材料系数Tab.5 Material coefficients of different contact angles

预测值与试验值的相关性如图9所示，可以看出预测值与试验值在2 g之前的数据偏差较大。究其原因，第1组试验只进行了2个月而第2组试验进行了1个月，2组试验在拟合预测值与试验值关系时的拟合系数有所偏差(第1组拟合系数较大)，在最后确定有关接触角的材料系数时选择了较大的拟合系数，因此第1个月结晶物质量预测值要大于试验值，预测值与试验值2 g之前(即试验第1个月)的试验值数据偏差较大。但总体上，修正后的公式得到的预测值分布在Y=1.02X两侧，同时相关系数R2达到0.90。

图9 预测值与试验值对比Fig.9 Comparison between predicted values and experimental values

4 结论

(1)采用饱和指数法计算了隧道排水管内地下水的饱和指数L.I.，得到该指数大于0，得到了隧道排水管内地下水具有结晶趋势。

(2)基于供水系统、回水系统以及目标管道系统，设计组装了隧道排水管结晶规律模型试验装置，模拟了现场结晶现象。

(3)得到了不同流率、不同排水坡度以及不同接触角管材下排水管内结晶增长的规律。在一定条件下，流率越大，排水坡度越小，相同时间内结晶速率越快，结晶物质量越大。对于不同接触角的PVC，PPR和HDPE管道，在一定条件下，管材的接触角越大，结晶速率越小，结晶物质量越小。

(4)基于室内模型试验的结果，引入考虑材料接触角的材料系数f(θ)，对Picknett方解石沉积理论进行了修正，提出了适用于隧道排水管结晶物质量预测的公式。