巖溶隧道排水管結晶堵塞除垢試驗及數值模擬研究

陳 武 曾鵬飛 何禮航 楊蘊 毛成君 吳詠敬 董 平， 吳劍鋒 吳吉春

(1.中交路橋建設有限公司，北京 101107；2.河海大學地球科學與工程學院，南京 211100；3.南京大學地球科學與工程學院，南京 210046；4.南京水聯天下海水淡化技術研究院，南京 210046)

引言

鐵路隧道穿越巖溶較為發育的地區，其排水系統中普遍存在可溶碳酸鹽的結晶沉淀現象，而發生在排水管道的結晶會導致隧道排水不暢，使得隧道襯砌背后的孔隙水壓力升高，進而引發一系列隧道水害問題[1]。排水管結晶堵塞已經成為隧道建設中亟待解決的問題，迫切需要開展針對性的除垢技術研究。

排水系統結晶堵塞的機理極為復雜，影響因素眾多，故對排水系統除垢的研究也就顯得極為復雜[2-9]。常規的巖溶區隧道排水系統阻垢技術包括物理阻垢(如電磁法、超聲波法、高壓水沖法)、化學阻垢(如酸溶法)、生物阻垢(如管壁植絨技術)，以及通過優化工程設計進行阻垢[10-14]，其中水沖法由于成本低且對環境污染相對小而備受關注。目前，排水管結晶堵塞除垢方面的研究較少，已有的除垢研究多為試驗性質的室內研究[15-21]，有關排水管除垢定量化的數值模擬研究相對較少。根據結晶學理論研究，可溶鹽的結晶過程可以概化為沉積及剝蝕兩個過程，其中對剝蝕過程的研究是除垢研究的基礎[22-24]。以現場調查的隧道排水管結晶堵塞現象為原型，開展排水管堵塞室內除垢試驗，將剝蝕過程的理論研究成果應用于除垢模擬過程，建立考慮水動力沖刷過程的變邊界管道水動力除垢數值模型，基于試驗數據驗證模型的可靠性，以定量分析水動力沖刷除垢的過程，以期為實際隧道排水系統除垢的精準控制提供技術支撐。

1 隧道排水管結晶堵塞現場概況

依托于貴州某在建鐵路隧道項目，該隧道區位于石阡縣青陽鄉境內，屬構造剝蝕低山地貌區，隧道進出口為河(谷)斜坡地形，海拔高程為695.0～905.0 m，相對高差約210 m。隧道區斷層構造發育，巖體極破碎，巖層以單斜地層為主，覆蓋層主要為殘坡積粉質黏土及碎石，下伏基巖為寒武系下統牛蹄塘—明心寺—金頂山組砂質頁巖、炭質頁巖及杷榔組頁巖、灰巖夾炭質頁巖。隧道區地表水主要為溝谷內季節性流水，主要受大氣降雨控制及影響。隧道區地下水主要為巖溶裂隙水，主要來源為地表水及大氣降雨補給。

該隧道出現結晶體的部位主要位于地下水較豐富地段，距出口284～339 m，橫向排水管及兩側水溝中也存在結晶體沉淀。滲入排水管道的地下水類型為HCO3-Ca·Mg型，主要陽離子為Ca2+、Mg2+等，主要陰離子為CO32-、HCO3-、SO42-等，結晶物組分主要為CaCO3和SiO2。

2 排水系統堵塞室內除垢試驗

2.1 試驗設計

(1)實驗裝置

現場隧道排水系統的裝置較為復雜，由多種不同的排水管相互連接所構成，包括環襯砌的環形排水管、沿隧道方向縱深的縱向排水管、連接在縱向排水管上的橫向排水管，以及橫向排水管的排水最終去處排水側溝。為了使室內試驗便于操作，根據現場調研結果，對結垢部位較為嚴重的縱橫管進行等比例復刻，同時選擇結晶堵塞實驗中生成結晶物較為充分的管道部分。試驗裝置見圖2，縱管長3 m，橫管長0.2 m，每隔1 m設置1根橫管，縱管及橫管管徑均為0.1 m。

圖1 工程現場排水橫管結晶堵塞情況

圖2 排水管結晶堵塞室內試驗裝置

(2)水動力及水化學條件

裝置配備的供水泵為25 m3/h(6.94 L/s)，根據室內實際水動力條件，縱管比例為50∶1，橫管比例為5∶1，最大水動力沖刷流量可達0.4 L/s。所配置溶液的溶質比為CaCl2∶Na2CO3∶NaHCO3=2 kg∶1 kg∶1 kg，將其混入 430 L的集水箱中，完成溶液的制備。

(3)對照組設置

隧道排水管除垢系統采用了以RO反滲透膜[25-28]系統為核心的膜處理技術，一方面經RO處理后，水中的鈣鎂離子幾乎可以完全去除，使得沖刷后的管道殘留水失去結垢的物質核心，起到防垢的作用；另一方面，經RO處理后的水偏酸性，可以更加有效地溶解已形成的CaCO3等懸濁液，達到除垢的目的。為了更加直觀地反映該系統的有效程度，室內試驗設置對照組，對照組采用自來水作為原水進行沖刷，試驗組采用經RO系統處理后的水作為原水進行沖刷。

(4)數據記錄

隧道排水管除垢系統設計采用按次沖刷的工作機制，室內模擬試驗參照現場，也采用按次沖刷的形式，按照一定周期(5 min)，采用間接稱重法對排水管內CaCO3結晶體質量進行稱重，測定排水管內結晶體的質量變化。

2.2 試驗結果分析

室內試驗監測結果見表1、表2。

表1 排水管除垢室內試驗(自來水沖刷) g

表2 排水管除垢室內試驗(RO水沖刷) g

圖3和圖4分別為兩組沖刷實驗管內剩余結晶沉淀質量變化曲線及沉淀質量變化曲線。由圖3可知，自來水和RO水沖刷后，管內剩余沉淀質量均逐漸減少。由圖4可知，整個沖刷過程中初期沖刷速率較大，隨著沖刷的不斷進行，沖刷速率逐漸減小，至沖刷后期，水流的沖刷速率逐漸降低至一個極小值(近乎為0)且維持穩定。對比圖3(a)與圖3(b)、圖4(a)與圖4(b)，經RO反滲透模處理過后的水流沖刷效率更高，分析其原因，經RO水處理后，水中的鈣鎂離子幾乎完全去除，使得沖刷后的管道殘留水失去結垢的物質核心，沖刷過程中二次產生的CaCO3晶體較少；另一方面，經RO處理后的水偏酸性，對已產生的CaCO3晶體有一定的溶解作用，從而加速除垢過程。

圖3 剩余沉淀質量

圖4 沉淀質量變化量

3 巖溶管道除垢數值模擬

構建變邊界管道水動力除垢數值模型，定量化研究隧道排水系統結晶后水動力沖刷除垢的過程。采用水平集的數值模擬技術，對排水管道內的沖刷過程進行模擬?；谛Ｕ臄抵的Ｐ脱芯繘_刷過程中管內沉淀量的變化趨勢，根據模擬結果確定合適的沖刷液種類以及沖刷時長，從而達到在除垢效果符合工程要求的前提下降低除垢成本。

3.1 模型概述

(1)概念模型

根據現場實際巖溶隧洞排水管道進行概化，本次選擇光滑直管作為除垢研究的對象，幾何模型見圖5，其中管道長度為3 000 mm，直徑為20 mm。管道入口設定為給定流速邊界，出口設定為自由流出邊界(相對壓力為0)，管壁設定為無滑移邊界。其余模型參數設定見表3。

圖5 隧道排水管模型結構示意

表3 模型參數

(2)數學模型及數值方法

管道結晶除垢模擬僅考慮流場作用下的管道內沉淀量的變化，由于CaCO3沉積層的存在，管道內的流速會發生不均勻變化，水流整體呈現紊流或湍流狀態，采用標準的k-ε湍流模型對流場進行計算。

在水動力場作用下，由于流體剪切力，已附著在管壁上的沉積物會被剝蝕，并隨水流運移，根據Bohnet等提出的污垢剝蝕模型。數學模型及控制方程見圖6[30]。

圖6 基于水平集方法的模型計算流程

水平集方法是通過界面追蹤和動網格技術來描述結晶沉淀過程中管道界面動態變化建模的數值方法。水平集方法可以在笛卡爾坐標系中通過動態曲線曲面數值計算來追蹤物體的拓撲結構改變?；谒郊椒ǖ墓艿澜Y晶數值模型的計算流程見圖6?；谝陨夏M技術，利用COMSOL軟件建立考慮水動力沖刷過程的變邊界管道水動力除垢數值模型。

3.2 分析與討論

(1) 模型驗證

將模型結果與室內實驗結果數據進行歸一化處理，剝蝕速率模擬值和觀測值擬合結果見圖7。模擬結果與試驗測試結果整體趨勢相同，整體擬合精度達89%。局部在初期模擬值相對偏小，而后期模擬值略偏大，反映了初期剝蝕效率大，1 300～1 500 s逐漸減小至一極小的穩定值的規律，最終穩定期的剝蝕速率數量級為10-6，可近乎視為0，此時水流對管內污垢的沖洗效果已經可以忽略不計。究其原因，應是初期管道內CaCO3沉積層過厚，新附著在最外層的CaCO3還未完全固結，在水流沖刷作用下極易被剝蝕，隨著外層較新的CaCO3逐漸被剝蝕，內部固結程度更高的CaCO3裸漏出來，沖刷剝蝕速率開始逐漸減小，直至剝蝕率達到極限，此時裸露出來的CaCO3因其固結程度極高而很難被剝蝕，剝蝕速率達到極小值且趨于穩定。

圖7 數值模型擬合結果

(2)模擬結果

在的水流沖刷作用下，排水管內壁上附著的CaCO3沉淀逐漸被剝蝕，60～3 000 s內模擬沖刷結果見圖8，在50 min的沖刷過程中，附著在管道內壁上的沉淀層逐漸變薄，至3 000 s時，管道內壁上的CaCO3沉積層已剝蝕大半(有效剝蝕面積達到61%)，且管道出口沉積層越厚的部位剝蝕速率越大。同時由于出口處流速大于入口處，故出口處的剝蝕速率較大(見圖9)。

圖8 0～3000s內模擬沖刷結果

圖9 沿管道方向的速度分布

(3)流速對剝蝕速率的影響

結晶學理論研究表明，CaCO3的結晶過程中流體的流速對剝蝕速率有較大的影響。以下基于已經過驗證的變邊界管道水動力除垢數學模型，探討流速對剝蝕速率的影響(見圖10)。隨著流速從0.2 m/s增大至1 m/s，剝蝕速率不斷增大，1 m/s時的剝蝕速率已經達到0.2 m/s時的近10倍。此外，流速對剝蝕速率的影響主要體現在除垢過程的初期，初期隨流速的增大剝蝕速率的增幅很大，1 000 s以后，流速對剝蝕速率的影響已經較為微弱。因此，實際除垢過程中應盡可能增大沖刷液的流速，且僅需在沖刷的初期增大流速，以達到除垢成本與除垢效果的最優解。

圖10 不同流速下的剝蝕速率

此外，根據模擬結果可知，水流沖刷的除垢方式存在一定的局限性，初期效果較好，至后期便幾乎沒有效果，故需要對除垢方法加以改進，或者結合其他的物理、化學及生物方法進行聯合除垢，以達到更好的除垢效果。

4 結論

巖溶地區隧道排水管的結晶堵塞極大程度上威脅著隧道的施工及運營安全，在已有結晶堵塞機理研究的基礎上，開展基于水動力沖刷的排水管除垢室內實驗研究，研發相應的數值模擬技術，系統開展隧道排水管防除垢技術研究。結論如下。

(1)相較于自來水，選用RO反滲透膜處理后的水進行除垢效果更好。RO反滲透膜幾乎可以完全去除鈣鎂離子，從而沖刷過程中CaCO3晶體二次沉淀量大幅較少；另一方面，經RO水處理后的水偏酸性，對已產生的CaCO3晶體有一定的溶解作用，從而加速除垢過程。

(2)數值模擬結果顯示，沖刷除垢的過程中，初期剝蝕速率最大，隨著時間的推移，剝蝕速率逐漸減小且趨于穩定，原因是外部結垢層固結程度小于內部結垢層，內部結垢層難以在水動力條件下被沖刷，需聯合物理、化學或生物阻垢技術進行更為有效的治理。