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        巖溶區(qū)隧道排水管結(jié)晶規(guī)律模型試驗

        2022-03-21 09:57:06許崇幫
        公路交通科技 2022年2期
        關(guān)鍵詞:質(zhì)量

        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,同時在試驗中發(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

        2.1 試驗方案

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

        表2 試驗控制因素Tab.2 Test controlling factors

        結(jié)合隧道實際情況,試驗共分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 試驗工況Tab.3 Test condition

        2.2 試驗裝置及試驗溶液

        試驗設(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計等,試驗試劑有無水硫酸鈉、碳酸氫鈉、無水氯化鈣以及六水合氯化鎂,試驗溶劑采用蒸餾水。

        整個裝置主要由3個部分組成:供水系統(tǒng)、回水系統(tǒng)以及目標(biāo)管道系統(tǒng),試驗裝置設(shè)計如圖1所示。

        圖1 試驗裝置設(shè)計圖Fig.1 Design of test device

        試驗溶液的配制是整個模型試驗至關(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種溶液加入的順序為CaCl2→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個集水箱相應(yīng)的溶液。

        2.3 試驗過程

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

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

        試驗步驟如下:

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

        隨著試驗的進(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。為了盡量保證試驗的準(zhǔn)確性,試驗每進(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.計算分析

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

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

        所計算出的飽和指數(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組試驗中,計算得到的管道內(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)管道時必然伴隨著CO2的逸出,在管道中流動也同時加劇了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)晶物累計質(zhì)量、質(zhì)量單次增量隨時間變化的折線圖。3個試驗管道內(nèi)的累計結(jié)晶質(zhì)量、單次質(zhì)量增量均隨時間正增長,增長趨勢大致相同。流率為180 mL/s的管道累計質(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。同時可以看出,結(jié)晶物的生長速率均是隨時間而加快,符合晶體生長的規(guī)律。

        圖3 不同流率下管道結(jié)晶物累計質(zhì)量/質(zhì)量單次增量與時間的關(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,3個試驗管道內(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,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,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個試驗管道的結(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)晶累計質(zhì)量、結(jié)晶單次增量隨時間的變化關(guān)系圖。據(jù)圖5,3種排水坡度管道的累計結(jié)晶物質(zhì)量隨時間均為正增長,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個試驗管道內(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,3個試驗管道內(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,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,變化趨勢不明顯,這可能是結(jié)晶初期3個管道結(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

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

        圖7分別為不同材料(接觸角)排水管結(jié)晶物累計質(zhì)量、質(zhì)量單次增量隨時間變化的關(guān)系圖,3個管道累計結(jié)晶質(zhì)量、單次質(zhì)量增量均隨時間增長。 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,3個試驗管道內(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,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)測值與試驗值的相關(guān)性如圖9所示,可以看出預(yù)測值與試驗值在2 g之前的數(shù)據(jù)偏差較大。究其原因,第1組試驗只進(jìn)行了2個月而第2組試驗進(jìn)行了1個月,2組試驗在擬合預(yù)測值與試驗值關(guān)系時的擬合系數(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)時選擇了較大的擬合系數(shù),因此第1個月結(jié)晶物質(zhì)量預(yù)測值要大于試驗值,預(yù)測值與試驗值2 g之前(即試驗第1個月)的試驗值數(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),同時相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.90。

        圖9 預(yù)測值與試驗值對比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)計組裝了隧道排水管結(jié)晶規(guī)律模型試驗裝置,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。

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