巖溶區(qū)隧道排水管結(jié)晶規(guī)律模型試驗(yàn)

徐 筱，張 胤，李 杰，李 磊，許崇幫

(1. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；2. 貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550025；3. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

我國西南地區(qū)諸多隧道都出現(xiàn)了巖溶地下水結(jié)晶產(chǎn)生的排水管堵塞問題，對隧道防排水系統(tǒng)造成破壞，導(dǎo)致隧道出現(xiàn)滲漏水病害，對隧道施工、運(yùn)營期行車安全造成嚴(yán)重影響。巖溶地下水流經(jīng)排水管道中會結(jié)晶生成CaCO3，BaSO4等結(jié)晶物造成管道堵塞，同時(shí)地下水中的泥砂、圍巖碎片及顆粒物也會加劇隧道排水系統(tǒng)的堵塞程度。

巖溶區(qū)地下水具有很強(qiáng)的搬運(yùn)能力，搬運(yùn)物主要為重碳酸鹽，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]，向立輝[9]，廖權(quán)明[10]等研究了隧道排水管結(jié)晶物的生成規(guī)律，分析了可行的解決方案。楊獻(xiàn)章等[11]得出現(xiàn)有山嶺隧道拱腳縱向排水管和中央排水管不足以滿足實(shí)際要求，蔣雅君等[12]分析了巖溶區(qū)隧道排水管堵塞原因主要為化學(xué)沉積、機(jī)械沉積，劉士洋等[13-15]得到植絨排水管有利于減少結(jié)晶物的生成，同時(shí)在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度、濕度對結(jié)晶量也有一定影響?？偟膩碚f，目前對于巖溶區(qū)隧道排水管結(jié)晶堵塞方面的研究較少，對排水管結(jié)晶堵塞的機(jī)理認(rèn)識尚不完全，對管道結(jié)晶堵塞的防治也沒有比較系統(tǒng)的體系?，F(xiàn)有的防治措施也只能起到短期作用，無法長期有效。

本研究依托貴州境內(nèi)桐梓隧道，通過現(xiàn)場取樣分析、模型試驗(yàn)以及理論分析等方式對隧道排水管結(jié)晶堵塞展開研究，給出了不同流率、不同排水坡度及不同接觸角管材條件下隧道排水管結(jié)晶堵塞的規(guī)律，建立了排水管結(jié)晶物質(zhì)量預(yù)測公式，為巖溶區(qū)隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞問題的解決提供支撐。

1 隧道現(xiàn)場水質(zhì)分析

表1 隧道地下水腐蝕性分析(水溫16 ℃)Tab.1 Analysis of tunnel groundwater corrosivity (16 ℃ water temperature)

2 模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

本模型試驗(yàn)考慮的影響因素有排水坡度、流率、管材(不同接觸角)3個(gè)因素，采用單因素法，試驗(yàn)控制因素見表2。

表2 試驗(yàn)控制因素Tab.2 Test controlling factors

結(jié)合隧道實(shí)際情況，試驗(yàn)共分2組進(jìn)行，第1組主要考慮流率、排水坡度對排水管結(jié)晶堵塞的影響，第2組主要考慮材料接觸角對結(jié)晶的影響，具體工況見表3。

表3 試驗(yàn)工況Tab.3 Test condition

2.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)溶液

試驗(yàn)設(shè)備及材料主要有集水箱、供水箱、動力水泵、HDPE雙壁波紋管、U-PVC球形水閥、高精度電子天平以及pH計(jì)等，試驗(yàn)試劑有無水硫酸鈉、碳酸氫鈉、無水氯化鈣以及六水合氯化鎂，試驗(yàn)溶劑采用蒸餾水。

整個(gè)裝置主要由3個(gè)部分組成：供水系統(tǒng)、回水系統(tǒng)以及目標(biāo)管道系統(tǒng)，試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design of test device

試驗(yàn)溶液的配制是整個(gè)模型試驗(yàn)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，配制的溶液所含離子要與隧道現(xiàn)場地下水所含主要離子一致，最大程度模擬出現(xiàn)場結(jié)晶現(xiàn)象，從而找出管道中結(jié)晶的規(guī)律。模擬的隧址區(qū)地下水離子成分如表1所示，采用無水氯化鈣、碳酸氫鈉、六水合氯化鎂及硫酸鈉4種溶液，確保溶質(zhì)在水箱中完全溶解而且分散均勻。4種溶液加入的順序?yàn)镃aCl2→MgCl2→NaHCO3→Na2SO4，加入1種溶液后間隔15 min再加入另1種溶液，配制完成供水箱、2個(gè)集水箱相應(yīng)的溶液。

2.3 試驗(yàn)過程

在試驗(yàn)開始前，進(jìn)行了1組預(yù)試驗(yàn)，驗(yàn)證了試驗(yàn)裝置可初步進(jìn)行隧道排水管結(jié)晶規(guī)律模擬。

試驗(yàn)分2組進(jìn)行，第1組試驗(yàn)共計(jì)60 d，第2組試驗(yàn)共計(jì)30 d。試驗(yàn)過程中每5/10 d測量1次集水箱/供水箱的pH，確保試驗(yàn)在堿性條件下。

試驗(yàn)步驟如下：

(1)測定目標(biāo)測試管的初始質(zhì)量；

(2)分別按第1 / 2組試驗(yàn)工況，設(shè)定排水坡度；

(3)打開流率控制閥調(diào)整至目標(biāo)流率；

(4)開始試驗(yàn)，每10/5 d測試溶液的pH，每10/5 d測試目標(biāo)試驗(yàn)管的質(zhì)量。

隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，裝置中的溶液不斷在排水管、球形閥門、集水箱以及供水箱內(nèi)結(jié)晶析出，溶質(zhì)勢必不斷減少。為了盡量保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)每進(jìn)行20 d更換1次溶液來確保溶液中各離子的濃度。

3 結(jié)果分析

3.1 飽和指數(shù)L.I.計(jì)算分析

用pH計(jì)定期對模型試驗(yàn)的供水箱、集水箱以及排水管中的pH值進(jìn)行測量，同時(shí)計(jì)算CaCO3飽和指數(shù)L.I.，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)過程中CaCO3飽和指數(shù)Fig.2 CaCO3 saturation index in test process

所計(jì)算出的飽和指數(shù)L.I.均大于0，由此可以推測集水箱、供水箱以及排水管中的水溶液處于過飽和狀態(tài)，均有結(jié)晶傾向，這也是所有排水管道內(nèi)的結(jié)晶不斷增加的原因。在第1組、第2組試驗(yàn)中，計(jì)算得到的管道內(nèi)飽和指數(shù)L.I.普遍大于供水箱、集水箱中計(jì)算得到的L.I.值。由此可以說明水溶液在排水管內(nèi)的結(jié)晶傾向更加明顯，究其原因，在試驗(yàn)過程中供水箱處于封閉狀態(tài)，供水箱內(nèi)的水溶液在流經(jīng)管道時(shí)必然伴隨著CO2的逸出，在管道中流動也同時(shí)加劇了CO2的逸出，促進(jìn)了結(jié)晶物的生成，因此在管道中CaCO3結(jié)晶程度較為嚴(yán)重。

3.2 不同流率下排水管內(nèi)結(jié)晶規(guī)律分析

不同流率的3個(gè)管道結(jié)晶情況不同，流率為180 mL/s的排水管道結(jié)晶現(xiàn)象最為明顯。同時(shí)觀察到結(jié)晶物在管壁內(nèi)多結(jié)成塊狀，雖不如現(xiàn)場塊狀結(jié)晶物那么明顯，但與現(xiàn)場觀察到的結(jié)晶物呈塊狀現(xiàn)象是一致的。

圖3分別給出了不同流率下排水管內(nèi)結(jié)晶物累計(jì)質(zhì)量、質(zhì)量單次增量隨時(shí)間變化的折線圖。3個(gè)試驗(yàn)管道內(nèi)的累計(jì)結(jié)晶質(zhì)量、單次質(zhì)量增量均隨時(shí)間正增長，增長趨勢大致相同。流率為180 mL/s的管道累計(jì)質(zhì)量、單次質(zhì)量增量變化最大，流率為100 mL/s 的管道變化最小。同時(shí)可以看出，結(jié)晶物的生長速率均是隨時(shí)間而加快，符合晶體生長的規(guī)律。

圖3 不同流率下管道結(jié)晶物累計(jì)質(zhì)量/質(zhì)量單次增量與時(shí)間的關(guān)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)

管道內(nèi)結(jié)晶10，20，30，40，50，60 d時(shí)，3個(gè)試驗(yàn)管道內(nèi)的結(jié)晶物質(zhì)量與流率的關(guān)系如圖4所示。結(jié)晶天數(shù)相同時(shí)，管道內(nèi)的結(jié)晶物質(zhì)量均隨流率的增大而增加，且變化趨勢一致。在10 d,20 d時(shí)，圖中曲線變化平緩，不同于其他曲線，這可能是管道在結(jié)晶初期，不同流率的管道結(jié)晶物質(zhì)量均較小，所以變化趨勢不明顯。

圖4 管道內(nèi)結(jié)晶物質(zhì)量與流率的關(guān)系(坡度2%)Fig.4 Relationship between crystal amount and flow rates in pipe (2% drainage slope)

流率從100 mL/s增加到140 mL/s，歷經(jīng)30，40，50，60 d時(shí)的結(jié)晶物質(zhì)量分別增大了28.32%,34.46%，25.25%，19.20%；流率從140 ml/s增加到180 mL/s，相應(yīng)天數(shù)時(shí)的結(jié)晶物質(zhì)量分別增加了13.71%，8.88%，6.57%，7.34%。因此流率同樣增加40 mL/s，但兩個(gè)階段結(jié)晶物質(zhì)量的增長率不同，有變緩趨勢。

3.3 不同排水坡度下排水管內(nèi)結(jié)晶規(guī)律分析

3個(gè)試驗(yàn)管道的結(jié)晶程度不同，排水坡度為4%的管道結(jié)晶最為明顯。

圖5分別為不同排水坡度下管道內(nèi)結(jié)晶累計(jì)質(zhì)量、結(jié)晶單次增量隨時(shí)間的變化關(guān)系圖。據(jù)圖5，3種排水坡度管道的累計(jì)結(jié)晶物質(zhì)量隨時(shí)間均為正增長，且4%的管道增長最大，6%的管道次之，8%的管道最小，增長趨勢大致相同。據(jù)圖5，3個(gè)試驗(yàn)管道內(nèi)結(jié)晶物質(zhì)量的單次增量也是不斷增加的，增長速率均隨時(shí)間增大，4%的管道結(jié)晶速率最快，排水坡度為8%的管道結(jié)晶速率最小。這可用晶體生長理論來解釋，已生成的結(jié)晶物為后續(xù)結(jié)晶提供了來源，由此導(dǎo)致結(jié)晶呈非線性增長，增長速率逐漸增大。

圖5 不同排水坡度下管道結(jié)晶物質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系(140 ml/s)Fig.5 Crystal amount in pipe varying with time under different drainage slopes(140 ml/s)

管道內(nèi)結(jié)晶在10，20，30，40，50，60 d時(shí)，3個(gè)試驗(yàn)管道內(nèi)的結(jié)晶物質(zhì)量與排水坡度的關(guān)系如圖6所示。結(jié)晶天數(shù)相同時(shí)，管道內(nèi)結(jié)晶物質(zhì)量與排水坡度均呈負(fù)相關(guān)，且變化趨勢大體一致。而在10,20 d時(shí)，變化趨勢不明顯，這可能是結(jié)晶初期3個(gè)管道結(jié)晶物均較少的緣故。

圖6 管道內(nèi)結(jié)晶物質(zhì)量與排水坡度的關(guān)系Fig.6 Crystal amount in pipe varying with drainage slope

排水坡度從4%增加到6%，歷經(jīng)30，40，50，60 d時(shí)的結(jié)晶物質(zhì)量分別減少了16.86%，11.43%，8.66%，7.39%；排水坡度從6%增加到8%，相應(yīng)天數(shù)時(shí)的結(jié)晶物質(zhì)量分別減少了16.13%，26.91%，19.09%，13.92%。由此可以看出，排水坡度同樣增加2%，結(jié)晶物質(zhì)量的減小程度不同，減小速率增大。

3.4 不同材料(接觸角)排水管內(nèi)結(jié)晶規(guī)律分析

對于不同材料(接觸角)排水管的結(jié)晶規(guī)律，試驗(yàn)分別采用管道材料為PVC(聚氯乙烯)、HDPE(高密度聚乙烯)以及PPR(無規(guī)共聚聚丙烯)的3種管道。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[16-17]得到相應(yīng)條件下各管材的接觸角如表4所示。

表4 礦化水條件下管材接觸角Tab.4 Contact angles of pipe under mineralized water condition

試驗(yàn)過程中，3個(gè)試驗(yàn)管道的排水坡度均設(shè)置為2%，流率均為100 mL/s。由于試驗(yàn)時(shí)間只有30 d，3個(gè)管道的結(jié)晶現(xiàn)象均不是很明顯，但可以發(fā)現(xiàn)3個(gè)管道的結(jié)晶程度有差別。

圖7分別為不同材料(接觸角)排水管結(jié)晶物累計(jì)質(zhì)量、質(zhì)量單次增量隨時(shí)間變化的關(guān)系圖，3個(gè)管道累計(jì)結(jié)晶質(zhì)量、單次質(zhì)量增量均隨時(shí)間增長。 PVC管(81.84°)以及HDPE管(88.80°)在結(jié)晶初期的結(jié)晶速率明顯大于PPR管道(92°)。累計(jì)質(zhì)量變化、單次質(zhì)量增量變化均為PVC管變化最大， PPR管變化最小。

圖7 不同管材接觸角管道結(jié)晶物質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系Fig.7 Crystal amount in pipe varying with time at different pipe contact angles

3種管道雖然結(jié)晶物質(zhì)量一直在增加，但30 d內(nèi)3者的累計(jì)結(jié)晶物質(zhì)量仍然較小，單次增量變化也較小。這說明總體上3者在開始階段結(jié)晶物增長均較為平緩，結(jié)晶速率較慢。原因可能是前文中分析的管道中結(jié)晶處于初期，故而結(jié)晶較慢。

管道內(nèi)結(jié)晶5，10，15，20，25，30 d時(shí)，3個(gè)試驗(yàn)管道內(nèi)的結(jié)晶物質(zhì)量與流率的關(guān)系如圖8所示。結(jié)晶天數(shù)相同時(shí)，管道內(nèi)的結(jié)晶物質(zhì)量均為PVC管(81.84°)最大，HDPE管(88.80°)次之，PPR管(92°)最小。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨著結(jié)晶天數(shù)的增加，不同管道內(nèi)結(jié)晶物質(zhì)量的變化差異越來越大。相對于HDPE管道，PVC管在5，10，15，20，25，30 d的結(jié)晶物質(zhì)量分別增大15.00%，11.90%，10.45%，13.54%，18.90%，25.64%；相對于PPR管道，HDPE管在相應(yīng)天數(shù)的結(jié)晶物質(zhì)量分別增大100%，82.61%，71.79%，68.42%，58.75%，43.12%。

圖8 管道內(nèi)結(jié)晶物質(zhì)量與接觸角的關(guān)系Fig.8 Relationship between crystal amount in pipe and contact angle

因此，管道的接觸角與結(jié)晶物質(zhì)量呈負(fù)增長關(guān)系，接觸角越大，結(jié)晶速率越小，結(jié)晶物質(zhì)量越小。

3.5 結(jié)晶物質(zhì)量公式的修正

基于試驗(yàn)結(jié)果，對溶解-沉積理論的結(jié)晶物質(zhì)量預(yù)測公式進(jìn)行修正，考慮不同固體表面接觸角的影響，將排水管中結(jié)晶物質(zhì)量的預(yù)測公式表示為

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 不同接觸角的材料系數(shù)Tab.5 Material coefficients of different contact angles

預(yù)測值與試驗(yàn)值的相關(guān)性如圖9所示，可以看出預(yù)測值與試驗(yàn)值在2 g之前的數(shù)據(jù)偏差較大。究其原因，第1組試驗(yàn)只進(jìn)行了2個(gè)月而第2組試驗(yàn)進(jìn)行了1個(gè)月，2組試驗(yàn)在擬合預(yù)測值與試驗(yàn)值關(guān)系時(shí)的擬合系數(shù)有所偏差(第1組擬合系數(shù)較大)，在最后確定有關(guān)接觸角的材料系數(shù)時(shí)選擇了較大的擬合系數(shù)，因此第1個(gè)月結(jié)晶物質(zhì)量預(yù)測值要大于試驗(yàn)值，預(yù)測值與試驗(yàn)值2 g之前(即試驗(yàn)第1個(gè)月)的試驗(yàn)值數(shù)據(jù)偏差較大。但總體上，修正后的公式得到的預(yù)測值分布在Y=1.02X兩側(cè)，同時(shí)相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.90。

圖9 預(yù)測值與試驗(yàn)值對比Fig.9 Comparison between predicted values and experimental values

4 結(jié)論

(1)采用飽和指數(shù)法計(jì)算了隧道排水管內(nèi)地下水的飽和指數(shù)L.I.，得到該指數(shù)大于0，得到了隧道排水管內(nèi)地下水具有結(jié)晶趨勢。

(2)基于供水系統(tǒng)、回水系統(tǒng)以及目標(biāo)管道系統(tǒng)，設(shè)計(jì)組裝了隧道排水管結(jié)晶規(guī)律模型試驗(yàn)裝置，模擬了現(xiàn)場結(jié)晶現(xiàn)象。

(3)得到了不同流率、不同排水坡度以及不同接觸角管材下排水管內(nèi)結(jié)晶增長的規(guī)律。在一定條件下，流率越大，排水坡度越小，相同時(shí)間內(nèi)結(jié)晶速率越快，結(jié)晶物質(zhì)量越大。對于不同接觸角的PVC，PPR和HDPE管道，在一定條件下，管材的接觸角越大，結(jié)晶速率越小，結(jié)晶物質(zhì)量越小。

(4)基于室內(nèi)模型試驗(yàn)的結(jié)果，引入考慮材料接觸角的材料系數(shù)f(θ)，對Picknett方解石沉積理論進(jìn)行了修正，提出了適用于隧道排水管結(jié)晶物質(zhì)量預(yù)測的公式。