寒区公路隧道排水沟形式对排水性能的影响

摘要：寒区隧道排水系统不畅时易导致隧道冻害，威胁隧道的安全运营。依托G0615线久治至马尔康高速公路海子山1号隧道，建立高海拔寒区隧道不同排水形式下的瞬态热传导模型，对比了双侧保温水沟、中心保温水沟、中心深埋水沟和防寒泄水洞的排水效果。研究结果表明：寒区隧道不同排水沟形式对低温的适应能力不同。在抗冻能力上：双侧保温水沟<中心保温水沟<中心深埋水沟<防寒泄水洞，同时给出了不同排水沟形式的适宜温度范围。寒区隧道的排水设施应根据隧址区气候条件、地下水发育程度等因素慎重选择，确保隧道排水通畅。研究结果可为高海拔寒区隧道排水设计提供参考。

关键词：寒区隧道； 排水沟； 围岩温度场； 热传导

中图分类号：U453.6文献标志码：A

0引言

随着我国交通运输事业的高速发展，越来越多的隧道工程修建于高海拔寒区［1］。高海拔地区一般是指海拔高度在3 000 m以上的地区，气候环境上普遍具有低气温的特点［2］。工程实践表明，寒区隧道排水系统不畅时，常常出现冻害，威胁隧道的安全运营［3］。目前我国寒区公路隧道主要采用双侧保温水沟、中心保温水沟、中心深埋水沟和防寒泄水洞等排水沟形式［4-5］。为了保证寒区隧道在最冷月仍能排水通畅，在寒区隧道的保温排水设计中需要考虑不同排水沟形式的影响。

近年来众多学者开展了大量的研究工作，取得了系列研究成果。刘鹤［6］研究了季冻性寒区隧道波纹钢排水沟的适应性，通过数值计算分析了波纹钢排水沟防冻害性能。马志富等［7-9］提出了不同分区的寒区隧道保温排水措施建议长度。宋捷等［10］针对隧址区气象环境、流速流量和保温措施等影响因素，研究了掩埋式排水沟及端墙式排水沟出口的防冻措施有效性。刘路路等［11］分析了寒区隧道工程发生渗漏水的原因。

本文为进一步研究寒区隧道不同排水沟的适用性，依托G0615线久治至马尔康高速公路海子山1号隧道，模拟不同排水沟形式（双侧保温水沟、中心保温水沟、中心深埋水沟、防寒泄水洞）下围岩温度场变化和排水性能差异，为高海拔寒区隧道排水设计提供参考。

1工程概况

海子山1号隧道属于久马高速公路，位于四川省阿坝藏族羌族自治州阿坝县查理乡境内，隧道左线起讫桩号（ZK102+900～ZK106+032），右线起讫桩号（K102+855～K106+000），线路平均海拔3 600 m。隧址区属于高原低高山-丘原地貌的过渡带，进口段地形切割较大，地形较陡，中部到出口段地形平缓，山顶多呈“馒头状”；围岩主要为变质石英砂岩、砂质板岩和板岩。隧道穿越挤压性断层破碎带及向斜核部富水区域。隧道进口端围岩级别主要以V级围岩为主，左线长5 316 m，其中V级围岩占隧道总长的66.9%，IV级围岩占隧道总长的33.1%；右线长5 319 m，其中V级围岩占隧道总长的65.8%，IV级围岩占隧道总长的34.2%。支护结构尺寸见图1。

场地平均海拔在3 600 m以上，属高原寒温带半湿润季风气候，冬季寒冷，据阿坝局提供的气象资料显示，测区极端最低温达-29.3 ℃，1月温度最低，月平均温度为-6.8 ℃，测得最大冻土深度为0.89 m（1982年），但根据JTG 3363-2019《公路桥涵地基与基础设计规范》附录H中国季节性冻土标准冻深线图，冻土标准冻结深度为1.0 m。为保证寒区隧道排水沟冬季排水通畅，需要对隧道各类型排水沟的有效性进行分析。

2寒区隧道排水沟数值模型

2.1空气与围岩热交换

对流换热系数h表征流体与固体表面接触发生的对流换热作用，这个过程既包含辐射传热也包含对流传热。对流换热系数从宏观上描述了流体与固体表面之间换热能力的强弱。牛顿换热公式见式（1）。

q=h（Tw－TSymboleB@）（1）

式中：q為单位时间内单位面积固体表面与流体交换的热量，（W/m2）；Tw为固体初始温度；T∞为流体初始温度。

对流换热系数的影响因素有很多，壁面函数法提供了一种求解流换热系数的便捷方法，具体表达式为式（2）。

h=ρcpC1/4μk1/2wT+（2）

式中：T+为无因次温度；cp为定压比热。

T+=Pry+（y+

式中：y+=dρC1/4μk1/2μ；y+1=10Pr1/3；y+2=103/2β－1/2；β=Prt/κ。

参考已有研究资料和规范，本文总换热系数h取12W/（m2·℃）。

2.2数值模型建立

根据设计文件，海子山1号隧道洞口保温设防段设置大尺寸深埋中央排水管（埋于仰拱下方），保证管内水面低于最大冻深线，深埋水沟设置于洞口段350 m范围，小于1 km隧道全长设置，管内水通过保温出水口排泄至洞外冲沟内或路基中央水沟。深埋水沟出洞位置设置保温出水口，以防止中央水沟在洞口由于温度低而冻结从而堵塞排水通道。当无法设置深埋水沟时，采用浅埋保温中央水沟。中央水沟设置两层盖板，在盖板之间设蛭石混凝土，防止地表温度传至水沟。

为了探究不同形式排水沟对围岩温度场的影响，为海子山1号隧道工程排水系统优化提供指导，本节分别建立了四种排水沟模型，见图2。

双侧保温水沟埋深较浅，位于隧道两侧，四周设置5 cm聚酚醛树脂保温板。中心保温水沟位于仰拱填充层中，内部设双层5 cm聚酚醛树脂保温板保温。数值模型中中心保温水沟位于仰拱上20 cm处。中心深埋水沟是利用隧道围岩地温来防止排水沟内水被冻结的。根据海子山1号隧道地质勘察资料，冻土标准设计冻结深度为1.0 m。数值模型中中心深埋水沟埋置深度取0.5 m。防寒泄水洞是在隧道主洞下方修建一个带孔小隧道。参考现有的寒区隧道（G317鹧鸪山隧道、鹊儿山隧道等），数值模型中将防寒泄水洞尺寸为2.0 m×2.0 m置于路面以下5 m处。

将隧道衬砌环向传热转化为平面热传导问题，建立数值仿真模型。模型四周边界距离隧道中心50 m。二衬外部设置5 cm厚保温层，保温材料以聚酚醛树脂为主要成分，敷设方式为贴壁式，敷设范围为边墙及以上。

2.3材料参数及边界条件

数值模型中，隧道围岩温度取8 ℃，地温梯度取2 ℃/100 m，模型上边界为7.0 ℃，模型下边界为9.0 ℃，模型左右边界设置为绝热边界。隧道内防寒保温层外边界与隧道内空气接触。防寒隔热层表面温度为隧道内环境温度-8 ℃，连续将隧道暴露在此环境下90 d。数值分析中以0 ℃为冻结参考温度。材料热力学参数见表1。

3结果分析

不同排水沟模型围岩温度场分别见图3～图6。由图3可知，当最冷月平均气温为-5 ℃时，双侧保温排水沟最高温度位于沟底为2.71 ℃，最低温度位于沟顶为-1.11 ℃，隧道仰拱较大区域为正温，表明此时采用双侧保温水沟可以保证排水的有效性。当最冷月平均气温为-10 ℃时，排水沟最高温度位于沟底为0.64 ℃，最低温度位于沟顶为-4.08 ℃，保温水沟左侧和底面一大部分区域处于正温。在这种情况下，若排水沟水量较多，水位较高时，沟内水面可能会发生冻结，但排水沟的功能仍然能够发挥。工程上可以考虑增厚双侧保温水沟的保温层，也可保证排水沟的正常使用。因此，当最冷月平均气温为-10 ℃时，采用双侧保温水沟可以保证排水的有效性。

当最冷月平均气温为-15 ℃时，排水沟最高温度位于沟底为-1.99 ℃，最低温度位于沟顶为-8.15 ℃，保温水沟全部位于负温度区域内。表明此时采用双侧保温水沟已经无法保证排水的有效性。当最冷月平均气温低于-15 ℃以后，排水沟将全部处于负温。尤其当最冷月平均气温为-20 ℃时，保温水沟全部边界温度都低于-4.29 ℃，水沟内的水会发生冻结，排水沟完全失去功能。所以当最冷月平均气温低于-15 ℃时，不推荐寒区隧道采用双侧保温水沟排水。

由图4可知，当最冷月平均气温为-10 ℃时，排水沟最高温度位于沟底为5.34 ℃，最低温度位于沟顶为-2.63 ℃，整个排水沟边界基本为正温，隧道仰拱较大区域为正温，表明此时采用中心保温水沟可以保证排水的有效性。当最冷月平均气温为-15 ℃时，排水沟最高温度位于沟底为0.99 ℃，最低温度位于沟顶为-8.13 ℃，保温水沟两侧和底面较大区域为正温，只有上边界小部分区域温度低于0 ℃。在这种情况下，若排水沟水量较多，水位较高时，沟内水面可能会发生冻结，但排水沟的功能仍然能够发挥。工程上可以考虑增厚双侧保温水沟的保温层，也可保证排水沟的正常使用。因此，当最冷月平均气温为-15 ℃时，采用中心保温水沟可以保证排水的有效性。

当最冷月平均气温为-20 ℃时，排水沟最高温度位于沟底为-0.73 ℃，最低温度位于沟顶为-11.65 ℃，考虑到通常地下水中含有一定量的盐离子，导致实际中水沟内水的冻结温度往往低于0 ℃，表明此时采用中心保温水沟可以保证排水的有效性。当最冷月平均气温为-25 ℃时，排水沟底部最高温度为-2.26 ℃，整个排水沟边界都处于负温，此时地下水会发生冻结造成排水不畅。表明最冷月平均气温为-25 ℃及低于-25 ℃条件下中心保温水沟无法保证排水的有效性。

由图5可知，当最冷月平均气温为-15 ℃时，排水沟最高温度为4.82 ℃，最低温度为2.71 ℃，整个排水沟边界均为正温，隧道仰拱较大区域为正温，表明此时采用中心深埋水沟可以保证排水的有效性。当最冷月平均气温为-20 ℃时，排水沟顶部温度为1.54 ℃，底部温度为4.01 ℃，整个排水沟边界均为正温，隧道仰拱较大区域为正温，表明此时采用中心深埋水沟可以保证排水的有效性。

当最冷月平均气温为-25 ℃时，排水沟最高温度为1.29 ℃，排水沟最低温度为-0.59 ℃。考虑到通常地下水中含有一定量的盐离子，导致实际中水沟内水的冻结温度往往低于0 ℃，表明此时采用中心保温水沟可以保证排水的有效性。当外界最冷月平均气温为-30 ℃时，整个排水沟边界温度均低于0 ℃。整个排水沟边界都处于负温，此时地下水会发生冻结造成排水不畅。表明最冷月平均气温为-25 ℃及低于-25 ℃条件下中心保温水沟无法保证排水的有效性。

由图6可知，当防寒泄水洞的有效深度为5 m时，当寒区隧道最冷月平均气温分别为-20 ℃、-25 ℃、30 ℃、-35 ℃、-40 ℃时，防寒泄水洞边界温度都处于正温度区域。由于防寒泄水洞相对于中心深埋水沟的埋深更深，其周边温度受围岩地温的影响大于隧道环境温度的影响，所以在极寒的气温情况下，也能起到较好的排水效果。

将双侧保温水沟、中心保温水沟、中心深埋水沟和防寒泄水洞的作用效果进行对比，得出寒区隧道不同排水沟适用性。双侧保温水沟适宜在最冷月气温-15～-5 ℃时采用；中心保温水沟适宜在最冷月气温-20～-10 ℃时采用；中心深埋水沟适宜在最冷月气温-25～-15 ℃时采用；防寒泄水洞适宜在最冷月气温低于-25 ℃时采用。

4结论

本文建立了G0615线久治至马尔康高速公路海子山1号隧道的瞬态热传导模型，分析了衬砌保温层的效果，对比了双侧保温水沟、中心保温水沟、中心深埋水沟和防寒泄水洞的排水效果。得出主要结论：

（1）寒区隧道不同排水沟形式对低温的适应能力不同。在抗冻能力上：双侧保温水沟小于中心保温水沟小于中心深埋水沟小于防寒泄水洞。双侧保温水沟适宜在最冷月气温-15～-5 ℃时采用；中心保温水沟适宜在最冷月气温-20～-10 ℃时采用；中心深埋水沟适宜在最冷月气温-25～-15 ℃时采用；防寒泄水洞适宜在最冷月气温低于-25 ℃时采用。

（2）寒区隧道的排水设施应根据隧址区气候条件、地下水发育程度等因素慎重选择，确保隧道排水通畅。

参考文献

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［作者簡介］谭书平（1974—），男，本科，高级工程师，从事高速公路路基路面、桥梁、隧道工程施工与管理工作。