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(shè)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(lián)天下海水淡化技術(shù)研究院，南京 210046)

引言

鐵路隧道穿越巖溶較為發(fā)育的地區(qū)，其排水系統(tǒng)中普遍存在可溶碳酸鹽的結(jié)晶沉淀現(xiàn)象，而發(fā)生在排水管道的結(jié)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(fā)一系列隧道水害問題[1]。排水管結(jié)晶堵塞已經(jīng)成為隧道建設(shè)中亟待解決的問題，迫切需要開展針對性的除垢技術(shù)研究。

排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞的機理極為復(fù)雜，影響因素眾多，故對排水系統(tǒng)除垢的研究也就顯得極為復(fù)雜[2-9]。常規(guī)的巖溶區(qū)隧道排水系統(tǒng)阻垢技術(shù)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(shù))，以及通過優(yōu)化工程設(shè)計進行阻垢[10-14]，其中水沖法由于成本低且對環(huán)境污染相對小而備受關(guān)注。目前，排水管結(jié)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(zhì)的室內(nèi)研究[15-21]，有關(guān)排水管除垢定量化的數(shù)值模擬研究相對較少。根據(jù)結(jié)晶學理論研究，可溶鹽的結(jié)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(chǔ)[22-24]。以現(xiàn)場調(diào)查的隧道排水管結(jié)晶堵塞現(xiàn)象為原型，開展排水管堵塞室內(nèi)除垢試驗，將剝蝕過程的理論研究成果應(yīng)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(shù)值模型，基于試驗數(shù)據(jù)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(tǒng)除垢的精準控制提供技術(shù)支撐。

1 隧道排水管結(jié)晶堵塞現(xiàn)場概況

依托于貴州某在建鐵路隧道項目，該隧道區(qū)位于石阡縣青陽鄉(xiāng)境內(nèi)，屬構(gòu)造剝蝕低山地貌區(qū)，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(qū)斷層構(gòu)造發(fā)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(zhì)黏土及碎石，下伏基巖為寒武系下統(tǒng)牛蹄塘—明心寺—金頂山組砂質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖及杷榔組頁巖、灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖。隧道區(qū)地表水主要為溝谷內(nèi)季節(jié)性流水，主要受大氣降雨控制及影響。隧道區(qū)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(xiàn)結(jié)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(cè)水溝中也存在結(jié)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(jié)晶物組分主要為CaCO3和SiO2。

2 排水系統(tǒng)堵塞室內(nèi)除垢試驗

2.1 試驗設(shè)計

(1)實驗裝置

現(xiàn)場隧道排水系統(tǒng)的裝置較為復(fù)雜，由多種不同的排水管相互連接所構(gòu)成，包括環(huán)襯砌的環(huán)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(cè)溝。為了使室內(nèi)試驗便于操作，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，對結(jié)垢部位較為嚴重的縱橫管進行等比例復(fù)刻，同時選擇結(jié)晶堵塞實驗中生成結(jié)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(shè)置1根橫管，縱管及橫管管徑均為0.1 m。

圖1 工程現(xiàn)場排水橫管結(jié)晶堵塞情況

圖2 排水管結(jié)晶堵塞室內(nèi)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(jù)室內(nèi)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(zhì)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(shè)置

隧道排水管除垢系統(tǒng)采用了以RO反滲透膜[25-28]系統(tǒng)為核心的膜處理技術(shù)，一方面經(jīng)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(jié)垢的物質(zhì)核心，起到防垢的作用；另一方面，經(jīng)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(tǒng)的有效程度，室內(nèi)試驗設(shè)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(jīng)RO系統(tǒng)處理后的水作為原水進行沖刷。

(4)數(shù)據(jù)記錄

隧道排水管除垢系統(tǒng)設(shè)計采用按次沖刷的工作機制，室內(nèi)模擬試驗參照現(xiàn)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(nèi)CaCO3結(jié)晶體質(zhì)量進行稱重，測定排水管內(nèi)結(jié)晶體的質(zhì)量變化。

2.2 試驗結(jié)果分析

室內(nèi)試驗監(jiān)測結(jié)果見表1、表2。

表1 排水管除垢室內(nèi)試驗(自來水沖刷) g

表2 排水管除垢室內(nèi)試驗(RO水沖刷) g

圖3和圖4分別為兩組沖刷實驗管內(nèi)剩余結(jié)晶沉淀質(zhì)量變化曲線及沉淀質(zhì)量變化曲線。由圖3可知，自來水和RO水沖刷后，管內(nèi)剩余沉淀質(zhì)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(wěn)定。對比圖3(a)與圖3(b)、圖4(a)與圖4(b)，經(jīng)RO反滲透模處理過后的水流沖刷效率更高，分析其原因，經(jīng)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(jié)垢的物質(zhì)核心，沖刷過程中二次產(chǎn)生的CaCO3晶體較少；另一方面，經(jīng)RO處理后的水偏酸性，對已產(chǎn)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(zhì)量

圖4 沉淀質(zhì)量變化量

3 巖溶管道除垢數(shù)值模擬

構(gòu)建變邊界管道水動力除垢數(shù)值模型，定量化研究隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶后水動力沖刷除垢的過程。采用水平集的數(shù)值模擬技術(shù)，對排水管道內(nèi)的沖刷過程進行模擬?；谛Ｕ臄?shù)值模型研究沖刷過程中管內(nèi)沉淀量的變化趨勢，根據(jù)模擬結(jié)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(jù)現(xiàn)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(shè)定為給定流速邊界，出口設(shè)定為自由流出邊界(相對壓力為0)，管壁設(shè)定為無滑移邊界。其余模型參數(shù)設(shè)定見表3。

圖5 隧道排水管模型結(jié)構(gòu)示意

表3 模型參數(shù)

(2)數(shù)學模型及數(shù)值方法

管道結(jié)晶除垢模擬僅考慮流場作用下的管道內(nèi)沉淀量的變化，由于CaCO3沉積層的存在，管道內(nèi)的流速會發(fā)生不均勻變化，水流整體呈現(xiàn)紊流或湍流狀態(tài)，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(jù)Bohnet等提出的污垢剝蝕模型。數(shù)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(wǎng)格技術(shù)來描述結(jié)晶沉淀過程中管道界面動態(tài)變化建模的數(shù)值方法。水平集方法可以在笛卡爾坐標系中通過動態(tài)曲線曲面數(shù)值計算來追蹤物體的拓撲結(jié)構(gòu)改變?；谒郊椒ǖ墓艿澜Y(jié)晶數(shù)值模型的計算流程見圖6?；谝陨夏M技術(shù)，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(shù)值模型。

3.2 分析與討論

(1) 模型驗證

將模型結(jié)果與室內(nèi)實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行歸一化處理，剝蝕速率模擬值和觀測值擬合結(jié)果見圖7。模擬結(jié)果與試驗測試結(jié)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(wěn)定值的規(guī)律，最終穩(wěn)定期的剝蝕速率數(shù)量級為10-6，可近乎視為0，此時水流對管內(nèi)污垢的沖洗效果已經(jīng)可以忽略不計。究其原因，應(yīng)是初期管道內(nèi)CaCO3沉積層過厚，新附著在最外層的CaCO3還未完全固結(jié)，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(nèi)部固結(jié)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(jié)程度極高而很難被剝蝕，剝蝕速率達到極小值且趨于穩(wěn)定。

圖7 數(shù)值模型擬合結(jié)果

(2)模擬結(jié)果

在的水流沖刷作用下，排水管內(nèi)壁上附著的CaCO3沉淀逐漸被剝蝕，60～3 000 s內(nèi)模擬沖刷結(jié)果見圖8，在50 min的沖刷過程中，附著在管道內(nèi)壁上的沉淀層逐漸變薄，至3 000 s時，管道內(nèi)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(nèi)模擬沖刷結(jié)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(jié)晶學理論研究表明，CaCO3的結(jié)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(jīng)過驗證的變邊界管道水動力除垢數(shù)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(jīng)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(xiàn)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(jīng)較為微弱。因此，實際除垢過程中應(yīng)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(yōu)解。

圖10 不同流速下的剝蝕速率

此外，根據(jù)模擬結(jié)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(jié)合其他的物理、化學及生物方法進行聯(lián)合除垢，以達到更好的除垢效果。

4 結(jié)論

巖溶地區(qū)隧道排水管的結(jié)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(jié)晶堵塞機理研究的基礎(chǔ)上，開展基于水動力沖刷的排水管除垢室內(nèi)實驗研究，研發(fā)相應(yīng)的數(shù)值模擬技術(shù)，系統(tǒng)開展隧道排水管防除垢技術(shù)研究。結(jié)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(jīng)RO水處理后的水偏酸性，對已產(chǎn)生的CaCO3晶體有一定的溶解作用，從而加速除垢過程。

(2)數(shù)值模擬結(jié)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(wěn)定，原因是外部結(jié)垢層固結(jié)程度小于內(nèi)部結(jié)垢層，內(nèi)部結(jié)垢層難以在水動力條件下被沖刷，需聯(lián)合物理、化學或生物阻垢技術(shù)進行更為有效的治理。