董震，羅勝軍，徐尚友，楊勇，張?jiān)瓢?/p>

（云南交投集團(tuán)公路建設(shè)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(tǒng)在運(yùn)營期間出現(xiàn)最多的問題，因此也會(huì)引發(fā)一些運(yùn)營事故。尤其是在巖溶地區(qū)，隧道排水系統(tǒng)更容易發(fā)生結(jié)晶堵塞，從而會(huì)出現(xiàn)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(shí)也會(huì)增大運(yùn)營期間的維修費(fèi)用。巖溶地區(qū)在我國占有較大的面積，根據(jù)巖溶地層計(jì)算，巖溶地區(qū)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(qū)的巖溶最為發(fā)育。在以后隧道的建設(shè)和運(yùn)營過程中也會(huì)遇到排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞的問題，需要對該問題提高關(guān)注，并進(jìn)行探索。

盧冠楠、王鵬、楊蘊(yùn)等對巖溶區(qū)隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞的機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)排水管道內(nèi)的結(jié)晶會(huì)受溫度、離子強(qiáng)度、pH等因素的影響。周偉、王永東、李元飛等通過設(shè)計(jì)相關(guān)的模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)管道內(nèi)壁的摩擦系數(shù)和液面高度增大時(shí)，結(jié)晶速率會(huì)隨之減小。翟明通過模型試驗(yàn)研究了流速、管徑及CO2接觸面對結(jié)晶的影響，其試驗(yàn)結(jié)果表明，流速越快，管徑越小，管道的內(nèi)壁越光滑，結(jié)晶的速率就會(huì)越慢。

因此，本文通過對巖溶區(qū)隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶問題展開研究，通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)對排水系統(tǒng)在不同排水坡度和水流量下的結(jié)晶規(guī)律進(jìn)行研究，進(jìn)而得出排水坡度及水流量對結(jié)晶的影響規(guī)律，希望對我國以后建設(shè)的巖溶隧道提供一些參考。

2 隧道排水管的結(jié)晶規(guī)律實(shí)驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)工況

為了探究巖溶區(qū)隧道排水管內(nèi)結(jié)晶堵塞受地下水的影響情況，從而對隧道排水管內(nèi)的結(jié)晶規(guī)律進(jìn)行分析總結(jié)，因此設(shè)計(jì)相關(guān)的模型試驗(yàn)，并觀察試驗(yàn)過程中排水管的堵塞情況。

在試驗(yàn)過程中，通過控制縱向排水管坡度和水流量，進(jìn)而觀察結(jié)晶物質(zhì)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(xiàn)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(shí)驗(yàn)工況共分為5種，即工況Ⅰ至工況Ⅴ的水流量分別設(shè)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(shè)為5種情況，即1%、2%、3%、4%、5%。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)

為了分析巖溶區(qū)隧道排水系統(tǒng)的結(jié)晶堵塞情況，該試驗(yàn)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(nèi)結(jié)晶沉淀的規(guī)律。

為了更好地研究巖溶區(qū)隧道排水系統(tǒng)的結(jié)晶沉淀規(guī)律，該試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套模擬隧道排水管道工作的試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置由多個(gè)構(gòu)件組成，試驗(yàn)中的基本構(gòu)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(jì)等部分組成，具體參數(shù)見表1。

表1 各構(gòu)件參數(shù)表

2.3 試驗(yàn)過程

在做試驗(yàn)前，需要先測試整個(gè)的試驗(yàn)系統(tǒng)的密封性，查看試驗(yàn)裝置是否存在漏水的地方，待試驗(yàn)裝置無誤后進(jìn)行試驗(yàn)，以確保試驗(yàn)的準(zhǔn)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(jìn)入到排水管內(nèi)，并用流量計(jì)對進(jìn)入到排水管內(nèi)的水流量進(jìn)行量測，之后通過調(diào)節(jié)大閥門，使得工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的水流量與所設(shè)定的水流量接近，然后調(diào)節(jié)小閥門，使得排水管內(nèi)的水流量與所設(shè)定的流量值一致，最后水流到集水箱內(nèi)。為了使水得到充分的利用，用水泵將集水箱內(nèi)的水通過回水管運(yùn)送到排水箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)過程中，每15天對排水管進(jìn)行一次稱量，從而得出每隔15天管道內(nèi)結(jié)晶物的質(zhì)量。工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的排水管質(zhì)量變化見表2～6。

表3 水流量為300ml/s試管內(nèi)結(jié)晶物質(zhì)量（單位：g）

表4 水流量為400ml/s試管內(nèi)結(jié)晶物質(zhì)量（單位：g）

表5 水流量為500ml/s試管內(nèi)結(jié)晶物質(zhì)量（單位：g）

表6 水流量為600ml/s試管內(nèi)結(jié)晶物質(zhì)量（單位：g）

進(jìn)一步得到不同時(shí)間、不同縱向坡度以及不同水流量下的結(jié)晶物質(zhì)量變化三維圖，分別如圖1～5所示。

圖1 水流量為200ml/s時(shí)結(jié)晶物的質(zhì)量

圖2 水流量為300ml/s時(shí)結(jié)晶物的質(zhì)量

圖3 水流量為400ml/s時(shí)結(jié)晶物的質(zhì)量

圖4 水流量為500ml/s時(shí)結(jié)晶物的質(zhì)量

圖5 水流量為600ml/s時(shí)結(jié)晶物的質(zhì)量

通過對以上5種工況實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出結(jié)晶物質(zhì)量與排水管縱向坡度和水流量之間的關(guān)系。采用最小二乘法對以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并通過origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，最終得出排水管內(nèi)結(jié)晶物質(zhì)量的擬合函數(shù)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(shù)表達(dá)式為：

其中，M為結(jié)晶物質(zhì)量（g）；I為排水管縱向坡度（%）；T為結(jié)晶沉淀的時(shí)間（d）；Q為排水管內(nèi)水流量（ml/s）。

通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著時(shí)間的增長，排水管內(nèi)沉淀結(jié)晶物的質(zhì)量是持續(xù)增大的。不難發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶物的質(zhì)量在不同排水管坡度下的增加速度是不同的，當(dāng)縱向排水管的坡度越小時(shí)，排水管內(nèi)結(jié)晶物的質(zhì)量增加的越快，反之，則越慢。在排水管坡度一定時(shí)，不難發(fā)現(xiàn)，排水管內(nèi)結(jié)晶物的質(zhì)量受水流量影響也是比較顯著的，流量越大，排水管內(nèi)結(jié)晶物的質(zhì)量增加的越快，說明水動(dòng)力因素對隧道排水管內(nèi)結(jié)晶物的生成影響較大。

4 結(jié)語

（1）基于5種工況下排水管不同縱向坡度的結(jié)晶物規(guī)律實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)水流量一定時(shí)，隨著縱向排水坡度的增大，排水管及彎頭內(nèi)的結(jié)晶物質(zhì)量的沉淀速率減小，說明排水系統(tǒng)的排水坡度對結(jié)晶物的生成有比較大的影響。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，影響巖溶區(qū)隧道排水管道生成結(jié)晶物的因素并不完全是排水坡度，管道內(nèi)的水流量也是影響因素之一，當(dāng)流量越大時(shí)，排水管內(nèi)的結(jié)晶物沉淀速率越快，因此，水流量對結(jié)晶物的生成有較大的影響。