铁路排水系统结晶水化学成因及土工影响

贾 能，钱 会，柴少波，高志华，刘 钦，张旭东

(1.长安大学 建筑工程学院, 西安 710061；2.长安大学 水利与环境学院, 西安 710061；3.法国国营铁路公司 基础建设部，巴黎 93200)

铁路系统是工业化的产物，世界高速铁路发展40年以来，行车安全对高速铁路的基础建设要求越来越高，尤其是铁路沿线排水系统的有效排水对铁路路基基床的稳定性及隧道衬砌结构的安全性有着积极和重要影响[1-2]。铁路建设发展较早的法国迄今约有34 000 km运营线路，其中隧道631 km，高铁线路2 600 km(含54 km隧道)[3-5]。在目前已运营20多年的高速铁路沿线排水管道中，有近1/3的管线发现有结晶堵塞问题，每年水力机械清洗管道的费用高达 840 000欧[5](数据来源于Paris到Le Mans/Tours线的内部调研的原始数据统计)，并且随着铁路使用年限的延长，未来约有潜在的550 km管线会陆续出现结晶堵塞问题[5]。我国目前部分高铁沿线的排水管道也已经使用十几年了，并且在石灰岩地区、岩溶地区和地下卤水区[6-9]，同样发现大量隧道排水盲管的结晶堵塞导致隧道渗水问题[6-17]。

我国目前已知的隧道渗水诱因70%来自于排水管道中碳酸钙矿物结晶引起的管道堵塞[6-7]。目前关于隧道排水管内结晶沉淀导致的堵塞问题多集中于利用高压水力冲洗和酸液淋洗[11-12]。针对隧道排水系统内外环境下管道结晶堵塞机制的研究较少，对地下水位[13]、碱性环境[14]等单个影响因素未能形成系统的理论研究。因此，也未能在源头上提出有效的防治措施，仅有少部分关于通过改换排水管材及增设管材内壁涂料或除垢装置来减少碳酸钙结晶沉淀的研究[10,15]，超声波[16]、电磁波[17]等热点除垢技术还停留在工程试验阶段，未能在铁路排水管线上进行推广。

关于铁路排水系统的结晶问题，法国于2000年左右率先开始了对其运行20年的高铁线路排水管线现存失效问题的普查及新建线路排水管线一系列规范的编撰[18-21],对现有路基排水系统的一系列设计规范[18-21]提出了统一标准。最新研究结果指出[1-2,4-5]，高速铁路沿线及隧道内部既有排水管线的失效多由于管内碳酸钙结晶引起，并且初步分析了自然地质条件下排水管线失效的机制及部分影响因素。

此外，铁路隧道排水系统结晶问题在其他国家也有部分相关研究[22]，例如，德国的Girmscheid团队[23-24]在2003—2005年开展的关于隧道结晶管道的水力清洗设备和聚天冬氨酸阻垢剂的应用的相关研究；澳大利亚Dietzel等[25-27]在2008年至2013年间进行了利用同位素检测手段分析隧道排水系统结晶的机制，温度、碱度、pH以及沉淀速率等影响因素的相关研究；Eichinger等[22]在前人研究基础上进一步提出设计计算模型来预估结晶过程的相关研究成果；英国Laver等[28]在2013年发表了隧道支护水泥灰浆老化导致地下水渗透结晶的相关研究；韩国Yee等[29-31]在2012—2015发表了关于不同排水管材和水磁化处理对隧道排水系统结晶的抑制作用的相关研究；Kim等[32]在2020年发表了碳酸钙结晶使隧道排水系统中的土工布劣化失效的相关研究结果。

综上所述，国内外目前关于铁路排水系统结晶问题多集中在隧道排水系统的结晶理论和通堵技术的研究，铁路沿线排水管线的结晶问题较少报道[1]，未来沿线排水系统的结晶问题随使用年限的延长会进一步恶化，并且潜在的体量远大于隧道，因此，目前急需系统的成因研究及规范的编撰。鉴于此，本文基于法国高速铁路Chauconin路段沿线渗沟的结晶问题的研究，分析讨论铁路排水系统结晶水化学成因及结晶过程中的土工影响因子，旨在对我国及其他国家的类似工程问题做出一定的防治指导和参考。

1 目标场地结晶问题调研

Chauconin铁路段位于Paris 至Strasbourg的6号高速铁路线上(LN6)，距离巴黎东北方向40 km处，全长2 350 m。其中铁路线穿过1 500 m 的路堑段和850 m的路堤段，场地土层为淤泥土和石灰土，地下水位(P1—P5)与铁路线位置，见图1。

图1 场地土层地质条件示意

铁路沿线渗沟埋于行车线和停车调度平台之间，用来收集行车线和平台周围的地表径流和地下渗流，渗沟布置结构见图2。

图2 渗沟布置

针对该铁路段不同渗沟段的结晶问题，开展场地水文地质资料、排水系统设计及内部结晶状况的调研。

1.1 场地水文地质环境

场地处于年平均降雨量500～700 mm的区间段[33]，相当于我国黄河下游、渭河、海河流域以及东北大兴安岭以东大部分地区的年降雨量。对场地内降雨-流量进行了为期两年的监测，发现夏季多以暴雨为主，春、秋、冬季则多以细雨为主。由图1中2003年铁路建设前的地质勘探资料，结合2013年设立的地下水位监测仪的测量数据，可知场地调研段，里程 17 450～19 875 m间的各土层高程及地下水位相对位置，以便对结晶渗沟段的整体地质环境的全面了解。由图1可知，该段地下水位较高，常年在地下3～5 m，位于淤泥土和石灰土界面处。

铁路线现场穿过表层淤泥土(1～4 m厚)、下层石灰土 (平均层厚30 m)和1%～2% CaO处理的填土。为监测场地地下水位、水质的变化以及其对结晶渗沟水量、水质的影响，场地P1—P5点设置了5个不同深度的地下水位监测仪，除P4探测淤泥土层的含水层外，其余4个探测点深度都在石灰土层。其中P1、P2设在轨道2、6之间的路基填土层，分别靠近检查井S3、S6；P1、P3、P4都设在路堑段的边坡顶处的自然土体中。

1.2 场地现有地基排水设计和沿线排水系统

场地行车线沿线全程布置了渗沟，见图2(a)，进水口在地表以下1.5 m，见图2(b)。其中U型槽渗沟和HPED管型渗沟1位于坡脚和行车线之间，负责收集排放边坡和行车线(轨道2)附近的地表径流、边坡渗流、有砟轨道地基各土层渗流。HPED管型渗沟2位于无砟轨道行车线轨道2和有砟轨道停车线(轨道6)之间，收集排放轨道表面径流和两边轨道地基各土层地下水渗流。

有砟轨道基床表层由20 cm厚的碎石垫层和45 cm厚的石灰石换填层组成；基床底层由1 m 厚的1%～2% CaO(质量百分比)加固的现场土层组成。无砟轨道除水泥灰浆垫层(最小28 cm厚)外，其余各层与有砟轨道相同。两类轨道地基各层均以倾度4%向渗沟方向排水。

行车线沿线自然地势的排水系统主要由明沟组成，见图3。沿线渗沟明沟的设计雨水重现期T=50 a。

图3 铁路沿线排水设计原理

(1)利用法国规范SNCF-IN0259《公路排水系统设施》中的系数公式[34]进行水文计算，即

(1)

式中：Q(T)为设计重现期T下的径流计算流量，m3/s;C(T)为设计重现期T下的径流系数；i(T)为设计重现期T下的小时降雨强度，mm/h；ABVN为由高程所绘得的汇水面积，m2。

当C(10)> 0.8，C(T)= 0.8; 当C(10)< 0.8，C(T)计算公式为

(2)

式中：P(T)为重现期T的降雨量，mm；P(0)为汇水面初始持水性，其计算式为

(3)

i(T)计算公式为

(4)

式中：a,b由查表[35]得到；tc(T)为设计重现期T下的汇水时间，min,其计算式为

(5)

(2)根据所测实际水深、管径和管道坡度，利用曼宁公式估算实际流速V，计算雷诺数Re，确定管道结晶水利条件。

(6)

式中：V为管道流速，m/s;k为转换系数，可查表得到；n为糙率，查表[36]；Rh为水力半径(过水断面面积与湿周的比值)，m；S为管道坡度。

1.3 场地水质与结晶情况

该场地水包括大气降水和地下水两部分。其中大气降水包括直接落入渗沟部分(Q1)、场地地表径流部分(Q2)和表层土渗流部分(Q3)。另外，地下水为石灰土含水层(Q4)。由地质资料和基床各层土土质资料可知，各渗沟段的水质应该是钙(Ca)过量的硬水，由Q1～Q4按不同比例混合而成，结晶拟为CaCO3(方解石)。文献[37]中指出：水体中CaCO3结晶沉淀生成的水化学成因拟为CaCO3-H2O-CO2三相平衡体系的破坏, 反应原理见式(7)～ 式(8)。之后的研究进一步表明[38]：结晶从水中长大析出的过程见式(9)，CO2从水中逃逸的过程见式(10)，并且不同过程的反应速率不同。

(7)

(8)

(9)

(10)

整个沉淀结晶过程式(7)～ 式(10)的影响因素根据反应物的来源、反应条件(由铁路特殊场地环境变量决定)分为两类，其中：

反应物Ca2+的来源是周围钙质土和水泥基类土工材料的降雨淋滤和石灰土层的地下水的补给；反应物HCO3-有三类来源，周围石灰质土的的降雨淋滤、地下水的补给、大气CO2在水中的溶解和分解。

场地反应条件，如，酸碱度(pH)，温度(T)、二氧化碳分压(pCO2)、反应物浓度([C])等的改变，直接影响反应的方向的改变，或结晶或溶解，由结晶的饱和度Ω表征。Ω>1 过饱和态；Ω=1，平衡态；0<Ω<1 溶解态。其中，Ω由反应物实际温度下的离子活度积与25 ℃时的反应物标准浓度积常数Ks′的比值所得，公式为

(11)

式中：Ks′为10-8.34mol2/kg2; Ca2+、CO32-为反应物离子活度，公式为

(i)=γi×[i]

(12)

式中：i为反应物离子i; (i)为反应物活动浓度，mmol/l；γi为反应物活度系数；[i]为反应物的浓度，mmol/l。

(13)

式中：A为Debye-Hückel常数，取0.5;Zi为反应物离子的化合价态；I为反应物离子强度，mmol/l。

(14)

式中：ci为离子i的浓度，mmol/l。

2 研究思路及测量手段

由铁路排水系统场地调研数据和碳酸钙结晶三相平衡体系理论的现有研究可知，目前铁路排水系统的结晶问题的防治思路总体取决于对以下问题的研究结果：①反应物钙源、碳源在已知场地条件下的来源及量化分析；②已知场地条件下的结晶反应条件及其量化分析；③已知场地条件下的结晶的过程及主控因子的分析；④已知场地条件下结晶量的预测。

对于问题①的研究，拟通过对场地天然土体和土工材料钻孔取样进行分析。首先，通过XRD(型号Bruke-AXS D8 Advance XRD)确定各土层及材料的矿物组分。其次，结合盐酸溶解法、pH (型号WTW multi 350 i)、电导率(C25)等一系列化学测量手段确定石灰土的含量及排水系统周围环境的化学参数底值。最后以此判断现场满足条件的碳酸钙三相平衡体系中的系列反应路径，建立Phreeqc水质计算模型(USGC美国地质勘探局开发的程序平台)，对比各取样点地下水的实测水质数据，校验模型计算结果，分析场地水质的钙源，碳反应源路径及各路径贡献比。

对于问题②的研究，首先，拟通过现场实测降雨强度(型号SDEC watchdog 120)、管道直径、倾度、水深等数据，计算管道流量Q，流速V、雷诺数Re等参数确定场地结晶的水力条件值。其次，由于钙源的溶解比碳源溶解的25 ℃标准动力学参数要大(Ks=10-8.34>K2=10-10.33)，拟通过测量场地的环境pCO2底值(型号Li-cor Li-820 CO2analyseur和AquaMS sonde CO2)，计算确定控制结晶的pCO2值。其中，Re、K2计算公式分别为

(15)

(16)

式中：ρ为水的密度，kg/cm3；V为水的流速，m/s；L为管道特征长度，圆形截面选取当量直径的值，m；μ为水的黏性系数，kg/m·s。

对于问题③和④的研究，首先，拟通过检查井对管道内部结晶状况进行统一排查，确定易结晶处，分析结水化学成因。其次，拟通过IC离子色谱仪(型号Metrohm 761 Compact IC)对场地水Q1—Q4的水质进行测量，分析确认各主离子的浓度、变化范围，以及各场地水Q1—Q4的贡献比。再次，利用PWP计算模型[39]预测结晶生成速率及生成量，与实测数据对比校准计算。最后，确定计算过程中各反应条件的影响范围，并确定主要影响因子。

3 试验及监测结果分析

3.1 结晶位置与组分分析

由图2可知，上游埋设预制混凝土U型槽类的渗沟，其后接明沟排入蓄水池1；下游埋设高密度聚乙烯(High Density Polyethylene Pipe)双壁波纹管(HPED管)类的渗沟，其后接混凝土盲管排入蓄水池2。上游U型槽段渗沟内，目前未见结晶物。下游的HPED管类渗沟分两段埋设，上游段长700 m，下游段长800 m。管内具体的结晶状况，如管底、顶部2 mm宽进水缝及检查井内结晶状况等，通过检查井内高程、水深、结晶厚度的测量，以及上下游管道顶部进水口和底部的结晶状况的照片对比，管道内部结晶状况按检查井编号整理，结果见表1。

表1 场地HPED管型渗沟水力清洗过程各检查井段结晶结果

续表1 场地HPED管型渗沟水力清洗过程各检查井段结晶结果

由表1可知：(1)检查井S3—S4段、S6—S7段由于管道倾度突然变小而导致壅水，水深涨幅达上游2～3倍；检查井S9—S10出口段由于管道倾度突然变大而导致跌水，水深跌幅达上游15倍；(2)在S3—S4、S6—S7壅水段，同期结晶厚度变大，达上游2～11倍；在S9—S10跌水段，起始跌水点的结晶深度达跌水末点的4倍；(3)对比检查井S1—S9处上下游管道结晶照片发现，上游进水口及管壁结晶较多，而下游管道底部阶梯状的结晶较多，并且在检查井下游底部变截面处(检查井水泥底过度到HPED管壁处)产生大量阶梯状结晶；(4)总结渗沟进水口的冷水型“钙华”的形态有滴水“钟乳石”、流水“壁幔”、蒸发“结垢”三类模式。由以上初步观察结果可知，管道倾度的改变、管壁材质的改变、进水口的滴水、蒸发等均可以加速结晶的局部生成。其中，结合XRD矿物组分分析得知，考虑分析仪5%的精度影响，管道内的结晶一致为方解石(CaCO3含量超过95%)纯矿物组分结晶。但方解石具体的生成机制的量化分析还要借助Phreeqc水质热力学平衡模拟计算，进一步分析pCO2分压变化。

3.2 场地水质分析

2013—2016年间定期每季度对场地内U型槽类渗沟、明沟、HPED管类渗沟(段1、段2)内部的残余水和P1、P2、P5三个钻孔点的地下水进行取样监测。分析水中八大主离子(Na+-K+-Ca2+-Mg2+- Cl--NO3--HCO3--SO42-)的含量、pH，电导率等参数。主离子含量分析结果利用Piper三线水化学相图，见图4。

由图4可知，2013—2016年间场地内各类水水质类型基本保持一致，各化学相稳定。测试段HPED2管中两大主离子钙离子和硫酸根离子浓度平均值分别在5.5、6.0 mmol/l。上游段的P5钻孔点的地下水与其周围的排水设施，如U型槽类渗沟、明沟、HPED管类渗沟段1内的残余水水质类型一致，属于HCO3-Ca-Mg主化学相型，见图4(a)，碳酸硬度超过50%，地下水化学性质以碱土金属和弱酸为主。下游段的P1、P2钻孔点的地下水与其附近的HPED管类渗沟段1内的残余水水质类型一致，属于SO4-HCO3-Ca-Mg主化学相型，见图4(b)。

考虑总体含量测量10%的误差(图中圆圈涵盖范围)，P1, P2钻孔点地下水的HCO3-含量远少于P5钻孔点地下水的HCO3-含量，水化学性质以碱金属和硫酸为主。其中，由地质资料知(图1)，上游段P5钻孔点的地下水水层伏于石灰土与上层淤泥土交接层，该层为矿物粘土和石灰土交替的变质土层，裂隙发育，含水性极强。下游段路基填土层的P1, P2钻孔点的地下水层处于基床底的石灰土层，年均水位变化1～2 m, 在11月—次年4月涨水期，水位处于基床层，该段HPED管收集来自路基土层的渗流。

各类场地水的温度、pH、电导率值测量结果和方解石饱和度Ω计算结果见表2。

图4 三线水化学相的主离子类型分析结果

表2 各类场地水2013—2016年化学表征值测量结果

由表2可知，上游段P5点的地下水的三类化学表征值温度、pH和电导率在不同年份季度的测量值变化幅度最大不超过20%，认为该点常年对上游段的U型槽渗沟、明沟、HPED管渗沟段1三类排水设施内部的残余水的水质影响比值为一稳定值。

其中U型槽渗沟和明沟水的pH和电导率值变化幅度与最大测量值范围均与P5点地下水变化相似，分别为3.7%对5.3%，4.9%对5.3%，11.0%对11.9%，13.2%对11.9%，差值均未超过5%的测量误差引起的差值变化。因此认为该两类排水设施中的残余水来源主要为P5点的地下水，这一结论与Piper三线水化学相图的分析结论一致。

而HPED管渗沟段1的残余水电导率变化幅度和最小测量值范围均不同于P5点地下水的变化，且温度变化范围大于后者，认为该排水设施内的残余水除常年受P5点地下水的影响外，还应受另一较P5点地下水含盐量小(电导率小)的地表水源的稀释影响。结合场地水文地质资料(图1)分析可知，该含盐量小的稀释水源应该是穿过滤水石的大气降水渗流部分。

同样的，下游段HPED管渗沟段2的残余水电导率测量值范围小于P1、P2点地下水的范围，而pH测量范围大于P1、P2点地下水，除去P1、P2点地下水，HPED管渗沟段2的残余水还应受另一含盐量小，pH大的地表水源的稀释碱化影响。

对比上下游段方解石饱和度Ω计算结果可知，上游地下水(P5钻孔点)及其周围排水设施内的残余水都属于方解石过饱和水(Ω>1)，有结晶趋势。但是，上游只有HPED管中发现大量方解石结晶，而U型槽和明沟并未发现明显的结晶情况。更有甚者，下游段地下水(P1, P2钻孔点)属于方解石非饱和水(Ω<1)，有溶解趋势。但同样在下游的HPED管中发现大量方解石结晶。由以上分析结果推断，同一地质条件下，HPED管的土工设计或水力设计有利于各类场地地下水在其内部的方解石结晶。

3.3 场地地质环境分析

由XRD矿物组分分析可知，碎石垫层填换层矿物组分为方解石、石膏、石英、高岭土、伊利石；石灰固化层矿物组分为方解石、石英、蒙脱石；淤泥土层矿物组分为方解石、石英、蒙脱石、高岭土、伊利石；石灰土层矿物组分为方解石、白云石、石英、蒙脱石、伊利石；滤水石矿物组分为方解石和石英。

场地HPED管类渗沟周围土层及土工材料的物理化学指标测量结果见表3。

表3 场地HPED管类渗沟周围土层及土工材料物理化学指标测量结果

由表3可知，场地内有潜在钙源。首先，场地内有两类矿物钙源：一类为含有方解石、白云石的碳酸盐类的各类土和滤水石；另一类是含有石膏的硫酸盐类的基床土和水泥基类的土工材料，如无砟轨道下的水泥灰浆垫层和固定HPED管的水泥枕。并且碎石垫层和石灰石换填层采用了同种建筑碎石，是场地内除水泥材料外唯一的石膏来源。结合盐酸溶盐法可知，碳酸盐类的钙源主要来自碎石垫层、换填层、石灰土层和滤水石。

其次，对比各土层及滤水石的细粒含量发现，石灰固化层、淤泥土层和石灰土层的土颗粒多可以随渗流穿过土工布有效孔径(100 μm)进入HPED管。但是，结合对比他们的滤清液的电导率值分析，由于过水同一时间，滤清液电导率值越大，可溶盐溶解在过水中的量越多。由此可知，虽然石灰固化层、淤泥土层和石灰土层的细粒含量远远多于碎石垫层和换填层，但其可溶钙盐的含量(滤清液电导率值)远低于后两者而未能成为场地水主要钙源。

3.4 场地水循环分析

对比分析表3中各场地土层和滤水石的物性指标，含水率和渗透系数的实验室测量值可知：①随着土层深度的增加，含水率逐渐变大。其中换填层开始各土层天然含水率已接近其塑限含水率值。②石灰土层的渗透系数接近细砂的渗透系数值，远大于上层基床土各层的渗透系数。③滤水石的渗透系数最大，可达0.1～1.0 mm/s的下渗速度。

由以上观察结果分析可知，大气降水在场地内会形成地表径流和快速-慢速两类不同路径的渗流。快速渗流经由滤水石汇入HPED管，慢速渗流经由基床表层汇入HPED管。同样穿过1.5 m厚土层，前者需要25～250 min，后者需要8.45～84.50 d。考虑铁路路基设计径流系数为0.85[20]，场地内无植物蒸腾作用，因此认为汇水面积内最大有15%的大气降水会参与快速-慢速渗流。利用面积比法计算，其中有1.4%的大气降水通过滤水石形成快速渗流汇入HPED管，13.6%的大气降水通过基床表层土形成慢速渗流汇入HPED管。

4 数值分析及讨论

4.1 Phreeqc演算结晶水化学过程及各层土质影响

根据场地水文资料，HPED管类渗沟段2 周围地面坡度在0.004～0.007 m/m；径流系数在0.60～0.85，其中0.6为未压实自然土体径流系数，0.85为铁路路基表层压实土径流系数；汇水速度估算在0.1～0.2 m/s。由图2结构尺寸，HPED管左侧无砟轨道距渗沟的横向汇水距离为2 m，纵向(沿行车线)汇水距离为800 m，估算横向汇水时间为0.34 s，远远快于纵向汇水时间的133 min。同样的HPED管右侧有砟轨道地表径流横向汇水远大于纵向汇水。

因此，结合各土层渗透系数(表3)，HPED管内残余水的水力路径绘制见图5(a)：路径一(1—2—3—5)，降雨(1)经过水泥垫层(2)形成径流汇入滤水石(3)最终进入HPED管(5)；路径二(1—3—5)，降雨经过滤水石直接进入排水管；路径三(1—4—3—5)，降雨经过基床表层(4)形成径流和渗流汇入滤水石，并最终由HPED管排放。其中路径一和路径三的径流横向汇水时间约为0.34 s，可以统一简化至路径二滤水石的快速渗流过程中。因此，HPED管周围场地水主要水力路径为1—2—3—5的快速渗流(即全部径流汇经滤水石)和1—4—3—5的慢速渗流(即基床表层渗流汇经滤水石)。

根据以上水力路径，利用测量的路径中各点pH、温度T、电导率C25和钙离子浓度[Ca]，结合Phreeqc热力学反应平衡计算出路径中主要点的二氧化碳分压和方解石饱和度Ω，分别将结果绘制在图5中。

图5 HPED管内结晶水化学演化路径

由图5可知，快速渗流路径中，水泥垫层的径流在初期汇水和长时间积水平衡(Ω=1)两个状态下，pH可由11变至13，电导率由224 μs/cm变至1 000μs/cm，可提供0.5～3.4 mmol/l的钙离子来源。之后经由滤水石(pH 7.9～8.2)，由环境pH的改变驱动，重新达到水化学平衡(Ω=1)，该过程可提供0.4～0.6 mmol/l的钙离子来源。慢速渗流路径中，基床表层渗流积水，由于石膏组分的存在，未达到水化学平衡(Ω在0.1～0.5之间)，可溶解带来11.3～15.8 mmol/l的钙离子。

后期进入HPED关中，由于液相环境二氧化碳分压的改变(22 909～880 ppm)，驱动基床渗流水中的二氧化碳逸出，并与管中较低的气相二氧化碳分压达到新的平衡，在此过程中，二氧化碳的逸出导致反应向方解石(CaCO3↓)沉淀方向移动。利用Phreeqc，结合经典的Plummer的PWP的碳酸钙动力方程[40]，计算得方解石年平均生成速度为2×10-8mmol/cm2/s。在HPED管的年平均水深为4 cm的条件下，管底方解石的Phreeqc计算年生成量在156 kg，与实际测量的133 kg相比偏大17%。该偏差由采用年平均生成速度的计算值引起，实际测量每月生成速度与当月累计渗流量相关，继而与当月降雨量相关[3]。该偏差值17%在管道清洗的工程指导中是可接受的，满足总体引起工程维修费小于20%的附加额的要求。

4.2 结晶过程渗沟排水设计影响

结合公式(1)和公式(6)，计算分析U型槽类渗沟、HPED管类渗沟段1和段2 的设计流量Q10、年均流量Q下的流速V和雷诺数Re，结果对比见表4。

表4 设计和年均流量下的渗沟流速及雷诺数

由表4可知，同样渗沟宽度深度尺寸下，U型槽类渗沟的设计排水量Q10和年均排水量Q都大于HPED管类渗沟。三段渗沟无论是在设计流量下还是年均流量下，都属于非满管流(水深<40 cm)，具有二氧化碳水气自由面。理论已知溶质的扩散速率会随Re的增大而变大[41]，管中水流均处于湍流状态(Re>4 000)，相当于机械水力搅动，水力条件利于气液两相二氧化碳的快速交换。

此外，还已知湍流条件下，Re越大，水中微晶的聚集速度越大[41]。然而，槽内残余水的悬浮物微粒含量仅有0.6 mg/l。并且在年均流量下，U型槽段的流速为HPED管的2～3倍，具有较大的携沙能力和冲蚀作用(V>1 m/s)。虽然有利于方解石微晶凝聚，但不利于其在槽底沉淀。该段槽底少量的沉淀物的XRD组分分析为自然土体中的黏土颗粒和二氧化硅颗粒组分而非方解石的分析结果也证实了这一不利于方解石沉淀的理论分析。而属于同一Re范围的HPED管中，残余水流速较小(<0.66 m/s)，未达到机械冲刷流速，湍流条件下水中凝聚的方解石微晶也可以沉淀在管底。管底沉淀物的XRD组分分析为方解石的分析结果证实了这一水力理论分析。因此，在同属湍流条件下，较小的流速有利于方解石的沉淀。

为进一步分析结晶HPED管流速的物理影响参数，利用三元气泡分析图，结合曼宁公式，分析定流量下水深H、Stickler 糙率K、管道倾度P对流速V的影响，结果见图6。

由图6(a)可知，定流量、水深下，糙率和倾度对管道流速的影响：随着糙率的减小，管道流速轻微增大，涨幅不超过3%；同样的，随着管道倾度的增大，管道流速轻微增大，不超过3%。由图6(b)可知，定流量、糙率下，水深和倾度对流速的影响：随着倾度的增大，水深的减小，流速大幅增大，超过3倍涨幅。分析倾度的增幅和水深变化幅度分别与流速涨幅的比值，11.8 对0.2可知，水深的变化对流速变化的影响大于倾度变化对流速的影响。

对比分析图6水深、倾度对流速影响和表1结晶、水深、倾度实测变化结果可知，表1中结晶变化率较大的S2、S3、S6、S8四个检查井中水深变化率也较大，而倾度变化率没有表现出明显的一致性，见表5。因此，在实际管道中，水深变化大处，流速变化较大，结晶沉淀较多，而倾度和糙率对管道结晶影响较小。

表5 各检查井结晶与水深和倾度的变化率比较结果

5 结论与展望

本文就铁路沿线不同排水渗沟，明沟的结晶问题进行水化学成因研究和土工因子分析，得出以下结论：

(1)在同一地质条件下，HPED管类渗沟比U型槽渗沟和明沟有利于管中方解石的沉淀。

(2)分析HPED管周围土工影响发现，路基表层的填土含有石膏和石灰石组分，超过85%，并且由于实际渗透系数较设计值高而成为管中残余水的主要钙源和碳源。

(3)对比HPED管和U型槽的水力条件，发现两者处于同一湍流范围，但U型槽的流速远大于HPED管，属于冲刷状态，方解石难于沉淀。

(4)比较HPED管结晶率较高的检查井的水深和倾度变化率得知，水深变化率与结晶变化率表现出了一致性；而倾度变化率虽然对结晶变化率有影响，但规律不明显。这与通过公式(6)和图6分析得出的理论分析一致：结晶主要受水深变化影响，而倾度和糙率对其的影响较小，不超过3%。

由以上结论可知，实际管道结晶问题的防治需要注意路基土层矿物组分、排水管类型、水深(流速)的设计值三类问题的细化研究。建议在新修建的地下水位较高的铁路沿线，优先铺设U型槽类渗沟，逐步代替HPED管类渗沟。

以上研究利用Phreeqc水-土-气三相热力学平衡模型，结合水力设计的理论计算，耦合分析铁路工况下结晶的物理化学过程，确定土工材料和管道设计方面的主要影响参数，从而优化铁路路基填土层及其排水的相关参数设计，达到减小排水管使用期间的结晶堵塞的风险的研究目的。

此外，由于我国区域广阔，地质环境和水文及土壤环境均较法国复杂，且规范中建议的渗沟形式以及设计，埋设等都与法国现行的渗沟虽有一定的相似性却也存在差异，例如，我国目前没有U型截面的预制混凝土渗沟，只有矩形和梯形截面，青藏线铺设的管式渗沟多用PVC管而不是HPED管等。因此，在我国铁路纵向排水管线的结晶防治的具体问题中本文研究结果虽具有一定的指导意义，但面对不同工况案列时，仍需要对以下四部分内容进行进一步的探讨研究，但其研究方法始终具有指导意义：

(1)水文地质影响：比如降雨类型(强度、时长等)及地质条件(土壤类型、场地水循环条件等)对渗管类型的选取指导标准。

(2)渗沟本身的影响：类型、截面积、材质、几何尺寸、检查井布置等对水力条件的影响，有利或不利于内部结晶等的设计指导参数。

(3)规范中水力设计参数不同导致的影响：降雨重现期T、流量计算公式中径流系数等的不同的建议值的影响。