岩溶区隧道排水系统结晶规律的试验研究

董震，罗胜军，徐尚友，杨勇，张云安

（云南交投集团公路建设有限公司，云南 昆明 650100）

1 前言

近年来，堵塞成为隧道排水系统在运营期间出现最多的问题，因此也会引发一些运营事故。尤其是在岩溶地区，隧道排水系统更容易发生结晶堵塞，从而会出现隧道初砌掉块、漏水加剧等病害，并对隧道的安全造成威胁，同时也会增大运营期间的维修费用。岩溶地区在我国占有较大的面积，根据岩溶地层计算，岩溶地区的面积大约为我国国土面积的1/3，其中以四川、贵州、云南、湖南、广东等地区的岩溶最为发育。在以后隧道的建设和运营过程中也会遇到排水系统结晶堵塞的问题，需要对该问题提高关注，并进行探索。

卢冠楠、王鹏、杨蕴等对岩溶区隧道排水系统结晶堵塞的机理进行了研究，发现排水管道内的结晶会受温度、离子强度、pH等因素的影响。周伟、王永东、李元飞等通过设计相关的模型试验，发现当管道内壁的摩擦系数和液面高度增大时，结晶速率会随之减小。翟明通过模型试验研究了流速、管径及CO2接触面对结晶的影响，其试验结果表明，流速越快，管径越小，管道的内壁越光滑，结晶的速率就会越慢。

因此，本文通过对岩溶区隧道排水系统结晶问题展开研究，通过相关的实验对排水系统在不同排水坡度和水流量下的结晶规律进行研究，进而得出排水坡度及水流量对结晶的影响规律，希望对我国以后建设的岩溶隧道提供一些参考。

2 隧道排水管的结晶规律实验

2.1 试验工况

为了探究岩溶区隧道排水管内结晶堵塞受地下水的影响情况，从而对隧道排水管内的结晶规律进行分析总结，因此设计相关的模型试验，并观察试验过程中排水管的堵塞情况。

在试验过程中，通过控制纵向排水管坡度和水流量，进而观察结晶物质量在坡度和水流量作用下的情况。横向排水管的坡度定为2%，水溶液中的离子浓度与某工程现场一致。通过采用单一变量控制法，来判断各控制因素的具体作用，故实验工况共分为5种，即工况Ⅰ至工况Ⅴ的水流量分别设置为200ml/s、300ml/s、400ml/s、500ml/s、600ml/s，每种工况下纵向排水管的坡度设为5种情况，即1%、2%、3%、4%、5%。

2.2 试验模型参数

为了分析岩溶区隧道排水系统的结晶堵塞情况，该试验在水头压力一定的情况下，通过控制水流量和纵向排水管的坡度，研究排水管内结晶沉淀的规律。

为了更好地研究岩溶区隧道排水系统的结晶沉淀规律，该试验设计了一套模拟隧道排水管道工作的试验装置。试验装置由多个构件组成，试验中的基本构件主要有水箱（排水箱及集水箱）、球形阀门、波纹管、水泵、支架、流量计等部分组成，具体参数见表1。

表1 各构件参数表

2.3 试验过程

在做试验前，需要先测试整个的试验系统的密封性，查看试验装置是否存在漏水的地方，待试验装置无误后进行试验，以确保试验的准确性。

首先，将连接管之间的大阀门打开，使水从排水箱流出，通过相连的管道进入到排水管内，并用流量计对进入到排水管内的水流量进行量测，之后通过调节大阀门，使得工况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的水流量与所设定的水流量接近，然后调节小阀门，使得排水管内的水流量与所设定的流量值一致，最后水流到集水箱内。为了使水得到充分的利用，用水泵将集水箱内的水通过回水管运送到排水箱内，实现水的循环利用。

3 实验结果分析

在试验过程中，每15天对排水管进行一次称量，从而得出每隔15天管道内结晶物的质量。工况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的排水管质量变化见表2～6。

表3 水流量为300ml/s试管内结晶物质量（单位：g）

表4 水流量为400ml/s试管内结晶物质量（单位：g）

表5 水流量为500ml/s试管内结晶物质量（单位：g）

表6 水流量为600ml/s试管内结晶物质量（单位：g）

进一步得到不同时间、不同纵向坡度以及不同水流量下的结晶物质量变化三维图，分别如图1～5所示。

图1 水流量为200ml/s时结晶物的质量

图2 水流量为300ml/s时结晶物的质量

图3 水流量为400ml/s时结晶物的质量

图4 水流量为500ml/s时结晶物的质量

图5 水流量为600ml/s时结晶物的质量

通过对以上5种工况实验数据的分析，得出结晶物质量与排水管纵向坡度和水流量之间的关系。采用最小二乘法对以上实验数据进行分析，并通过origin软件对数据进行拟合，最终得出排水管内结晶物质量的拟合函数公式，该拟合公式的修正后的拟合度为0.98，拟合效果较好。拟合函数表达式为：

其中，M为结晶物质量（g）；I为排水管纵向坡度（%）；T为结晶沉淀的时间（d）；Q为排水管内水流量（ml/s）。

通过以上实验数据可知，随着时间的增长，排水管内沉淀结晶物的质量是持续增大的。不难发现，结晶物的质量在不同排水管坡度下的增加速度是不同的，当纵向排水管的坡度越小时，排水管内结晶物的质量增加的越快，反之，则越慢。在排水管坡度一定时，不难发现，排水管内结晶物的质量受水流量影响也是比较显著的，流量越大，排水管内结晶物的质量增加的越快，说明水动力因素对隧道排水管内结晶物的生成影响较大。

4 结语

（1）基于5种工况下排水管不同纵向坡度的结晶物规律实验可知，当水流量一定时，随着纵向排水坡度的增大，排水管及弯头内的结晶物质量的沉淀速率减小，说明排水系统的排水坡度对结晶物的生成有比较大的影响。

（2）实验结果表明，影响岩溶区隧道排水管道生成结晶物的因素并不完全是排水坡度，管道内的水流量也是影响因素之一，当流量越大时，排水管内的结晶物沉淀速率越快，因此，水流量对结晶物的生成有较大的影响。