巖溶區隧道排水系統結晶規律的試驗研究

董震，羅勝軍，徐尚友，楊勇，張云安

（云南交投集團公路建設有限公司，云南 昆明 650100）

1 前言

近年來，堵塞成為隧道排水系統在運營期間出現最多的問題，因此也會引發一些運營事故。尤其是在巖溶地區，隧道排水系統更容易發生結晶堵塞，從而會出現隧道初砌掉塊、漏水加劇等病害，并對隧道的安全造成威脅，同時也會增大運營期間的維修費用。巖溶地區在我國占有較大的面積，根據巖溶地層計算，巖溶地區的面積大約為我國國土面積的1/3，其中以四川、貴州、云南、湖南、廣東等地區的巖溶最為發育。在以后隧道的建設和運營過程中也會遇到排水系統結晶堵塞的問題，需要對該問題提高關注，并進行探索。

盧冠楠、王鵬、楊蘊等對巖溶區隧道排水系統結晶堵塞的機理進行了研究，發現排水管道內的結晶會受溫度、離子強度、pH等因素的影響。周偉、王永東、李元飛等通過設計相關的模型試驗，發現當管道內壁的摩擦系數和液面高度增大時，結晶速率會隨之減小。翟明通過模型試驗研究了流速、管徑及CO2接觸面對結晶的影響，其試驗結果表明，流速越快，管徑越小，管道的內壁越光滑，結晶的速率就會越慢。

因此，本文通過對巖溶區隧道排水系統結晶問題展開研究，通過相關的實驗對排水系統在不同排水坡度和水流量下的結晶規律進行研究，進而得出排水坡度及水流量對結晶的影響規律，希望對我國以后建設的巖溶隧道提供一些參考。

2 隧道排水管的結晶規律實驗

2.1 試驗工況

為了探究巖溶區隧道排水管內結晶堵塞受地下水的影響情況，從而對隧道排水管內的結晶規律進行分析總結，因此設計相關的模型試驗，并觀察試驗過程中排水管的堵塞情況。

在試驗過程中，通過控制縱向排水管坡度和水流量，進而觀察結晶物質量在坡度和水流量作用下的情況。橫向排水管的坡度定為2%，水溶液中的離子濃度與某工程現場一致。通過采用單一變量控制法，來判斷各控制因素的具體作用，故實驗工況共分為5種，即工況Ⅰ至工況Ⅴ的水流量分別設置為200ml/s、300ml/s、400ml/s、500ml/s、600ml/s，每種工況下縱向排水管的坡度設為5種情況，即1%、2%、3%、4%、5%。

2.2 試驗模型參數

為了分析巖溶區隧道排水系統的結晶堵塞情況，該試驗在水頭壓力一定的情況下，通過控制水流量和縱向排水管的坡度，研究排水管內結晶沉淀的規律。

為了更好地研究巖溶區隧道排水系統的結晶沉淀規律，該試驗設計了一套模擬隧道排水管道工作的試驗裝置。試驗裝置由多個構件組成，試驗中的基本構件主要有水箱（排水箱及集水箱）、球形閥門、波紋管、水泵、支架、流量計等部分組成，具體參數見表1。

表1 各構件參數表

2.3 試驗過程

在做試驗前，需要先測試整個的試驗系統的密封性，查看試驗裝置是否存在漏水的地方，待試驗裝置無誤后進行試驗，以確保試驗的準確性。

首先，將連接管之間的大閥門打開，使水從排水箱流出，通過相連的管道進入到排水管內，并用流量計對進入到排水管內的水流量進行量測，之后通過調節大閥門，使得工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的水流量與所設定的水流量接近，然后調節小閥門，使得排水管內的水流量與所設定的流量值一致，最后水流到集水箱內。為了使水得到充分的利用，用水泵將集水箱內的水通過回水管運送到排水箱內，實現水的循環利用。

3 實驗結果分析

在試驗過程中，每15天對排水管進行一次稱量，從而得出每隔15天管道內結晶物的質量。工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的排水管質量變化見表2～6。

表3 水流量為300ml/s試管內結晶物質量（單位：g）

表4 水流量為400ml/s試管內結晶物質量（單位：g）

表5 水流量為500ml/s試管內結晶物質量（單位：g）

表6 水流量為600ml/s試管內結晶物質量（單位：g）

進一步得到不同時間、不同縱向坡度以及不同水流量下的結晶物質量變化三維圖，分別如圖1～5所示。

圖1 水流量為200ml/s時結晶物的質量

圖2 水流量為300ml/s時結晶物的質量

圖3 水流量為400ml/s時結晶物的質量

圖4 水流量為500ml/s時結晶物的質量

圖5 水流量為600ml/s時結晶物的質量

通過對以上5種工況實驗數據的分析，得出結晶物質量與排水管縱向坡度和水流量之間的關系。采用最小二乘法對以上實驗數據進行分析，并通過origin軟件對數據進行擬合，最終得出排水管內結晶物質量的擬合函數公式，該擬合公式的修正后的擬合度為0.98，擬合效果較好。擬合函數表達式為：

其中，M為結晶物質量（g）；I為排水管縱向坡度（%）；T為結晶沉淀的時間（d）；Q為排水管內水流量（ml/s）。

通過以上實驗數據可知，隨著時間的增長，排水管內沉淀結晶物的質量是持續增大的。不難發現，結晶物的質量在不同排水管坡度下的增加速度是不同的，當縱向排水管的坡度越小時，排水管內結晶物的質量增加的越快，反之，則越慢。在排水管坡度一定時，不難發現，排水管內結晶物的質量受水流量影響也是比較顯著的，流量越大，排水管內結晶物的質量增加的越快，說明水動力因素對隧道排水管內結晶物的生成影響較大。

4 結語

（1）基于5種工況下排水管不同縱向坡度的結晶物規律實驗可知，當水流量一定時，隨著縱向排水坡度的增大，排水管及彎頭內的結晶物質量的沉淀速率減小，說明排水系統的排水坡度對結晶物的生成有比較大的影響。

（2）實驗結果表明，影響巖溶區隧道排水管道生成結晶物的因素并不完全是排水坡度，管道內的水流量也是影響因素之一，當流量越大時，排水管內的結晶物沉淀速率越快，因此，水流量對結晶物的生成有較大的影響。