峨漢高速隧道排水系統結晶規律室內模擬試驗

冷浩 劉士洋 李宗意 張一安 張佳瑞

摘要：【目的】為探索隧道排水系統在地下水滲流作用下排水管道內結晶堵塞分布規律，提出峨漢高速隧道排水系統結晶規律室內模擬試驗?！痉椒ā恳劳卸霛h高速廖山隧道工程，建立1∶5隧道排水系統室內模擬試驗，同時結合現場取樣地下水分析結果配置相同離子成分的試驗溶液開展室內試驗?！窘Y果】結晶堆垛方式主要是大量堆垛，屬于同分異構晶體類型，主要成分為方解石型碳酸鈣；隨著水流量增加，結晶量提高，結晶速率越快，其中橫向排水出口的266.8 mL/s水流量工況下的累積結晶總量最高；緩和的排水管坡度有利于隧道排水管道內結晶物的生成；排水管接頭處結晶總量（30%）>橫向排水出口（27%）>橫向排水管（19%）>縱向排水管（15.2%）>環向排水管（8.3%），隧道排水系統中結晶堵塞的關鍵位置是排水系統接口處和橫向排水管出口處?！窘Y論】研究有效分析出了排水管道內結晶堵塞分布規律，對保障隧道排水系統通暢有效運行具有重要意義。

關鍵詞：隧道工程；排水系統；結晶堵管；模擬試驗

中圖分類號：U45 文獻標志碼：A

本文引用格式：冷浩，劉士洋，李宗意，等. 峨漢高速隧道排水系統結晶規律室內模擬試驗[J]. 華東交通大學學報，2024，41（1）：46-53.

Research of Indoor Simulation Test on Crystallization Law of Drainage System in Emeishan-Hanyuan High-Speed Tunnel

Leng Hao1， Liu Shiyang2*， Li Zongyi2， Zhang Yi'an2， Zhang Jiarui1

（1. Sichuan Lehan Expressway Co.，Ltd.， Leshan 614000， China;

2. College of Civil Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China）

Abstract： 【Objective】 In order to explore the distribution law of crystallization blockage in tunnel drainage system under the action of groundwater seepage， a laboratory simulation test of crystallization law of Emeishan-Hanyuan high-speed tunnel drainage system was put forward. 【Methods】 Based on the Liaoshan tunnel project of Emeishan-Hanyuan High-speed， a 1∶5 indoor simulation test of tunnel drainage system was established， and a test solution with the same ionic composition was configured according to the analysis results of in-situ groundwater sampling. 【Result】 The crystal stacking mode is mainly a large amount of stacking， which belongs to the isomeric crystal type， and the main component is calcite type calcium carbonate; With the increase of water flow， the crystallization amount increases， and the crystallization rate is faster， among which， the cumulative total crystallization under the condition of 266.8 mL/s water flow at the lateral drainage outlet is the highest; The moderate slope of the drainage pipe is conducive to the formation of crystals in the tunnel drainage pipe; The total amount of crystallization at the drainage pipe joint （30%） > horizontal drainage outlet （27%） > horizontal drainage pipe （19%） > vertical drainage pipe （15.2%） > circumdirectional drainage pipe （8.3%）. The key positions of crystallization blockage in the tunnel drainage system are the drainage system interface and horizontal drainage pipe outlet. 【Conclusion】 The distribution law of crystal blockage in drainage pipe is effectively analyzed， which is of great significance for ensuring smooth and effective operation of tunnel drainage system.

Key words：? tunnel engineering; drainage system; crystallization law; simulation test

Citation format：LENG H， LIU S Y， LI Z Y， et al. Research of indoor simulation test on crystallization law of drainage system in Emeishan-Hanyuan high-speed tunnel[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2024， 41（1）： 46-53.

【研究意義】我國巖溶地層分布廣泛，約占國土面積的三分之一。巖溶地下水從圍巖進入隧道排水系統，環境條件變化巨大，地下水容易在隧道排水系統中發生復雜的化學反應，形成CaCO3、MgCO3等堵塞物。

【研究進展】針對隧道排水系統內結晶形成的原因及機理，國內外專家已經開展了部分研究。謝小龍等[1]分析了深層隧道排水系統在武漢污水傳輸工程中的應用；聶崇欣等[2]通過研究隧道排水系統中產生結晶體物質成分和成晶機理，提出有效的隧道排水系統結晶處置方案；程詠春等[3]開展了與現場1：1等比例的排水系統堵管室內試驗，探討了仿真現場水動力、水化學和干濕循環條件下管道結晶沉淀量的變化規律；詹樹高等[4]通過試驗研究了超聲波結合有機酸處置排水系統結晶的效果；蔣雅君等[5]對排水管道結晶清洗效果的關鍵因素進行了探討，選用一種復合型環保清洗劑，在實驗室環境下進行3種不同的結晶溶解試驗。錢振宇等[6]借助模型試驗對隧道結晶淤堵過程及變化規律進行探究，得出CaCO3結晶體純度高且水流速低時，結晶沉淀物有充分時間停留在排水管壁且易粘附在管壁內表面，結晶體更加容易堆積并堵塞。黃驟屹等[7]在DBL理論的基礎上結合水動力學，分別討論了層流、紊流兩種流態下的流速分布并推導出結晶沉淀速率函數表達式。盧冠楠等[8]探討了可能的阻垢工程措施。Zhang等[9]基于室內正交試驗研究了交變電場對隧道排水管結晶的影響。通過上述分析可以看出，隧道排水系統相關研究主要集中在優化設計、堵塞的短期治理、結晶堵塞的成因及影響因素，但對結晶規律的研究較為缺乏[10]，并且分析不夠全面，分析的工況較少，未同時分析水流量、坡度等，也未給出結晶規律的詳細原因。

【創新特色】為解決上述方法中出現的問題，本文依托峨漢高速廖山隧道，通過現場取樣測試分析，結合施工圖紙，建立等比例縮小的室內隧道實驗排水系統，模擬排水系統內結晶的生成過程，針對得到的結晶規律進行解釋?！娟P鍵問題】以前的研究未充分考慮水流量、坡度等因素對隧道排水系統結晶的影響，從而導致排水系統堵塞未得到有效解決。針對該問題，進行峨漢高速隧道排水系統結晶規律室內模擬試驗，以期在一定程度上解決上述問題。

1 試驗設計

1.1 試驗準備

1.1.1 試驗材料與儀器

實驗所需的主要材料及其規格參數見表1。實驗所需的主要儀器及其規格參數如表2。

1.1.2 試驗裝置

峨漢高速公路隧道全長122.882 km，選擇其排水系統為研究對象，研究對象如圖1所示。該排水系統在隧道變輕及拱墻背后設置環向排水管，將背墻水引排至邊墻縱向排水管內，環向排水管采用FH50軟式透水管，縱向間距10 m，有集中股水流處根據水流量大小采用透水管直接引排至中央排水溝內，集中股水引排按每100 m環向FH50和FH100軟式透水管各1道計量，兩側邊墻底背面各設置一道縱向排水管，將環向排水管中的地下水集中匯流，引排至隧道低橫向排水管，采用HDPE DN/ID100打孔雙壁波紋管，外裹無紡布，其縱坡與路線縱坡一致，隧道路面面層下設置橫向排水管，將邊墻縱向排水管匯集的地下水引排至隧道中央縱向排水溝，橫向排水管采用HDPE DN/ID100打孔雙壁波紋管，外裹無紡布，管間距10 m，并且隧道中線路面下60 cm設置縱向矩形排水溝（寬×高=50 cm×60 cm），將匯集的地下水引排至洞外，每隔300 m設置一個檢查井，排水下游洞內距洞口10 m處和排水上游洞內距洞口50 m處設置檢查井，縱向、橫向、環向排水管之間均采用三通或四通連接。

本次室內試驗以上述排水系統為研究對象，構建1∶5比例的自制循環系統，主要由鋼支架、塑料水箱、水循環裝置組成。其中水循環裝置由變頻水泵、HDPE波紋管、PVC水管、PVC轉接頭組成[11]。試驗采用的試驗鋼架，總長2 m，寬1.5 m，高2 m。鋼架上部分主要模擬隧道輪廓線，為半徑為1 m的圓形鋼架，分為4條，間隔0.5 m設置一條，依附于鋼架設置環向排水管、橫向排水管和縱向排水管。環向排水管、縱向排水管與橫向排水管以四通接頭相連接。鋼架下部為高1 m的支座，留出足夠的空間安放循環裝置。

1.1.3 試驗溶液配置

地下水中主要存在的陽離子是Ca2+、Mg2+，主要的陰離子是SO42-、OH-、CO32-、HCO3-。但是不同標段的水樣成分及其含量并不相同，在實際實驗中應將各主要元素成分都考慮在內，故此次試驗試驗用液主要采用的化學溶質為無水氯化鈣、碳酸氫鈉分析純、無水硫酸鎂分析純[12]。

考慮到配置試驗溶液的用水量較大，忽略地下水中其他雜質成分的影響，采用純凈水作為溶劑配制溶液。在實驗裝置清洗后在兩個儲水箱中各注入40 L水，同時為使試驗溶液達到過飽和狀態，按照CaCl2，NaHCO3，MgSO4為1∶1∶1的比例配制成過飽和溶液，其中溶質的溶解順序依次為：CaCl2，MgSO4，NaHCO3。試驗溶液的配置過程如下：

1） 將塑料水箱清洗干凈，避免其他雜質對試驗用液的影響；

2） 加注純凈水；

3） 按照1∶1∶1的比例依次溶解各項溶質，溶解過程中不斷攪拌，保證溶解過程的均勻性。

1.2 試驗方案

從現場不同標段取得滲流水樣和結晶樣本，對現場滲流水樣進行水分分析，根據其主要離子成分配置室內試驗用水，對結晶樣本進行SEM微觀電鏡掃描，分析晶體類型和堆垛方式[13]。試驗排水系統依據實際施工的1∶5比例等比例縮小，水流量設定為266.8，200.1，133.4，66.7 mL/s流量4種，隧道橫向排水管坡度值取0%和3%兩種情況，隧道縱向排水管的坡度值取3%。試驗工況見表3。

1） 取10 d為一個周期，每組工況試驗6個周期。

2） 每周期結束將各管段拆解測量結晶量，計算各管段每延米的結晶程度，分段測量排水系統各部分的結晶情況，通過對比得出隧道排水系統內易結晶的關鍵位置。

隨著試驗的進行，結晶沉淀物會出現在環向排水管、橫向排水管、縱向排水管、排水管接頭甚至部分出現在水箱中，結晶沉淀物的出現消耗了試驗用液中的各種離子，為了保持溶液的過飽和性，每兩天向儲水箱中添加一定的溶質。

2 試驗結果分析

2.1 結晶的成分確定

滲流水樣水分檢測結果如表4所示。結晶樣本SEM微觀電鏡掃描結果如圖2所示。從SEM微觀電鏡掃描圖片可以看出，其堆垛方式主要是大量堆垛，晶體的結構類型主要為不規則形和正方形，屬于方解石類典型的同分異構晶體類型[14]。綜合滲流水樣分析出結晶樣本的主要成分為方解石型碳酸鈣。

2.2 水流量對不同位置結晶速率的影響

試驗過程中，每個周期對排水系統各部分進行分段干重稱量，相鄰兩個周期之間的差值即為一個周期內結晶的增長量，并根據測量管段實際長度換算成對應部分每延米結晶量，部分數據見圖3。從圖3可以得出以下結論。

1） 在實驗進行的初期階段由于流量的不同導致各工況下的結晶量有所差異，表現出的規律有隨著流量的增加，結晶量也有所提高。其中，接頭的266.8 mL/s水流量工況下的累積結晶總量最高，達到了99.55 g，而其他位置的不同水流量工況下的最高累積結晶總量分別為27.52，50.20，62.90，90.05 g。對比分析可知，266.8 mL/s水流量的累積結晶總量高出9.5 g。由此可知，接頭位置的266.8 mL/s水流量的結晶速率最高，表明水流量越高，結晶速率越快。分析其原因，一方面是流量的增加給了過飽和溶液在排水系統內更多結晶析出的機會；另一方面流量的增加也加大了溶液與排水管壁的接觸面積，提高了結晶附著在排水管壁的可能，為更多的結晶生成提供了有利條件。

2） 隨著時間的推移，各工況的結晶量差距逐漸增大，其中接頭位置的累積結晶總量隨著流量的增加變化最大，并且工況1的累積量增加最多。一方面這是因為在初期晶核和微結晶的形成量上本就存在差異，后期隨著晶核等的生長發育，使得原本的結晶量差距更為明顯，另一方面也是由于流量的不同，不同位置的接觸面積增加，導致結晶速率有所差異，流量越大結晶速率越快。

3） 結晶量的增長在實驗時間范圍內增速較為穩定。這是由于實驗過程中及時補足了由于結晶形成而導致的實驗液中各項離子的消耗，將溶液保持在過飽和狀態，因此試驗過程中可以保證結晶較為穩定地析出。

2.3 不同方向的排水管坡度對結晶速率的影響

實驗的橫向排水管坡度設置為兩種，分別是0和3%，分別對應圖中帶方形的曲線和帶圓形的曲線，部分試驗數據見圖4。從圖4可以得出以下結論。

1） 通過對橫向排水管內和橫向排水管出口部分的結晶量的研究可以發現，橫向排水管坡度的變化對這兩處的結晶規律產生了影響，坡度的增加使得結晶量減少，其中，水流量為266.8 mL/s的橫向排水管在達到60 d時，0坡度和3%坡度的每延米結晶累積量分別為65.4 g和62.6 g，坡度增加后，結晶累積量降低了2.8 g，而水流量為266.8 mL/s的橫向排水出口在達到60 d時，0坡度和3%坡度的每延米結晶累積量分別為86.9 g和84.3 g，坡度增加后，結晶累積量降低了2.6 g。這是因為橫向排水管坡度的變化并不能改變在流經橫向排水管之前的水力條件，而只是影響了橫向排水管段以及之后的水力條件，因此坡度的改變對于后者的結晶規律具有更明顯的影響。

2） 試驗結果可知，坡度影響的是結晶速率，隨著時間的推移可以明顯觀察出，0坡度的管道結晶速率明顯慢于3%坡度的管道結晶速率，但是坡度的改變對于初期結晶的影響不是很明顯，其影響效果低于水流量的影響，水流量的影響使結晶累積量變化達到了10 g以上，而坡度使結晶量變化在2 g左右。同時，在初期階段，結合上述水流量試驗分析結果，水流量是影響結晶的關鍵因素，不同坡度對于初期結晶的影響不是很顯著，然而，在結晶發生的后期階段，坡度對結晶的影響變得更加明顯。這是因為隨著時間的推移，坡度改變流體水力條件的效果逐漸顯現，較小的坡度利于結晶附著在管壁上，從而加速了結晶的累積，促進結晶的產生。相反，較大的坡度使得水流對管壁的沖刷作用增大，抑制了管壁結晶的生長速度，從而影響了結晶量的產生。

2.3 隧道排水系統不同位置的堵塞情況

隧道排水系統各部分每延米結晶量實驗數據見圖5。從圖5結果可以得出以下結論。

1） 從試驗中隧道排水系統不同部分每延米的結晶總量可以看出，隧道各個部分的結晶概率有高有低，環向排水管的結晶率占8.3%，縱向排水管的結晶率占15.2%，橫向排水管的結晶率占19%，接頭處的結晶率占30%，橫向排水管出口的結晶率占27%。這是由于隧道排水系統各個部分所處的水力條件和環境不同，因此對結晶概率的影響程度也不盡相同，其中水力條件的影響主要是排水管坡度影響了流速從而影響結晶速率，這是因為不同位置對水流的阻力和接觸面積不同，環境的影響主要是隧道排水系統部分與環境接觸，使得外界環境的溫度、濕度、濃度等因素影響了部分排水管內結晶的析出。

2） 在各種工況下按照每延米結晶總量從大到小依次排序為：接頭處結晶總量（30%）>橫向排水出口處結晶總量（27%）>橫向排水管結晶總量（19%）>縱向排水管結晶總量（15.2%）>環向排水管結晶總量（8.3%）。分析原因：環向排水管內結晶總量較少的原因是環向排水管的坡度較大，流速較快，水力條件不利于結晶的形成；縱向排水管的結晶總量較環向排水管多，這是由于縱向排水管坡度較小水流速度較慢有利于結晶形成，但是較橫向排水管的結晶量又較少，這是因為橫向排水管與外加環境直接接觸，溶液所處環境發生變化導致在橫向排水管內更易析出結晶；在接頭處結晶總量最大這是因為接頭處流速降低且來自環向排水管與縱向排水管的水流交匯，水力條件復雜容易形成溶液的滯留，加上與外界環境有接觸因此在接頭處的結晶量較大；橫向排水管出口處結晶量略低于接頭處結晶量，在出口處溶液暴露在外界環境中，由于外界環境的影響最容易析出結晶，但是溶液在徑流過程中不斷析出結晶而導致溶液中各離子發生消耗，因此結晶量有所降低。

3 結論

1） 隨著隧道排水系統內水流量的增大結晶量也會增大；

2） 橫向排水管坡度的增大會減少橫向排水管內結晶量，但對隧道排水系統的其他部分不產生影響；

3） 隧道排水系統不同部位根據每延米的結晶量可以確定出易產生結晶的位置是排水系統接口處和橫向排水管出口處。

參考文獻：

[1]? ? 謝小龍， 楊濤， 胡曉彬， 等. 深層隧道排水系統在武漢污水傳輸工程中的應用[J]. 給水排水， 2022， 48（1）： 132-136.

XIE X L，YANG T， HU X B， et al. Application of deep tunnel drainage system in the wastewater transmission engineering of Wuhan[J]. Water & Wastewater Engineering，2022， 48（1）： 132-136.

[2]? ? 聶崇欣， 饒軍應， 劉建浩， 等. 隧道排水管道結晶體成分及結晶機理研究[J]. 河南理工大學學報（自然科學版），2022， 41（6）： 196-202.

NIE C X， RAO J Y， LIU J H， et al. Study on crystal composition and crystal mechanism of tunnel drainage pipeline [J]. Journal of Henan University of Technology （Natural Science Edition）， 2022， 41（6）： 196-202.

[3]? ? 程詠春， 曾祥紀， 王振佳， 等. 巖溶隧道排水管結晶堵塞試驗與數值模擬研究[J]. 現代隧道技術， 2022， 59（2）： 159-166.

CHENG Y C， ZENG X J， WANG Z J， et al. Experimental study and numerical simulation of crystallization-induced blockage in drainage pipes in karst tunnels[J].Modern Tunnelling Technology， 2022，59 （2）： 159-166.

[4]? ? 詹樹高， 鐘祖良， 陳宇波， 等. 巖溶隧道排水管結晶堵塞機理及疏通試驗研究[J]. 地下空間與工程學報， 2021， 17（2）： 717-721.

ZHANG S G， ZHONG Z L， CHEN Y B， et al. Research on the mechanism of crystallization blockage and dredging test of drainage pipe in karst tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2021， 17 （2）： 717-721.

[5]? ? 蔣雅君， 杜坤， 周睿， 等. 隧道排水盲管結晶有機酸清洗劑溶解效果試驗研究[J]. 隧道建設（中英文）， 2021， 41（2）： 137-143.

JIANG Y J， DU K， ZHOU R， et al. Experimental study on dissolution effect of organic acid cleaning agent for crystal in tunnel drainage blind pipe[J]. Tunnel Construction， 2021， 41（2）： 137-143.

[6]? ?錢振宇， 彭海華， 呂建兵， 等. 華南地區灰巖隧道排水管化學結晶淤堵試驗研究[J]. 現代隧道技術， 2021， 58（1）： 143-149.

QIAN Z Y， PENG H H， LYU J B， et al. Experimental study on chemical crystallization and siltation in drainage pipe of limestone tunnel in south China[J]. Modern Tunnelling Technology， 2021， 58 （1）： 143-149.

[7]? ?黃驟屹， 王永東， 徐仁華， 等. 基于DBL理論的隧道排水管巖溶水結晶規律研究[J]. 地下空間與工程學報， 2021， 17（5）： 1638-1645.

HUANG J Y， WANG Y D， XU R H， et al. Research on the crystallization law of karst water in tunnel drainage pipeline based on DBL theory[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2021， 17 （5）： 1638-1645.

[8]? ?盧冠楠， 王鵬， 楊蘊， 等. 巖溶區隧道排水系統地下水滲流結晶堵塞機理及阻垢技術研究綜述[J]. 現代隧道技術， 2021， 58（6）： 11-20.

LU G N， WANG P， YANG Y， et al. Review of researches on groundwater seepage induced crystallization and blockage mechanism and scale inhibition technology in the tunnel drainage system in karst areas[J]. Modern Tunnelling Technology， 2021， 58（6）： 11-20.

[9]? ?ZHANG J R， WANG B， LIU S Y， et al. Influence of alternating electric field on crystallization of tunnel drainage pipes-based on indoor orthogonal test[J]. Journal of Computational Methods in Sciences and Engineering， 2022， 22（3）： 737-747.

[10]? 賈能， 錢會， 柴少波， 等. 鐵路排水系統結晶水化學成因及土工影響[J]. 鐵道學報， 2022， 44（8）： 166-177.

JIA N， QIAN H， CHAI S B， et al. Hydrochemical and geotechnical causes of calcite precipitation in railway drainage facility[J]. Journal of the China Railway Society， 2022， 44（8）： 166-177.

[11]? 葉飛， 田崇明， 何彪， 等. 在建隧道排水系統結晶堵塞試驗[J]. 中國公路學報， 2021， 34（3）： 159-170.

YE F， TIAN C M， HE B， et al. Experimental study on scaling and clogging in drainage system of tunnels under construction[J]. China Journal of Highway and Transport，2021， 34（3）： 159-170.

[12]? WANG Z L， SHANG Y Q， SUN H Y. Optimal location and effect judgment on drainage tunnels for landslide prevention[J]. Journal of Central South University of Technology，2013， 20（7）： 2041-2053.

[13]? 高春君， 向立輝， 張學富， 等. 不同水位下隧道排水管結晶堵塞引起的襯砌應力分析[J]. 重慶交通大學學報（自然科學版）， 2019， 38（5）： 45-51.

GAO C J， XIANG L H， ZHANG X F， et al. Lining stress caused by crystal lization clogging of tunnel drainage pipe at fifferent water levels[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University（Natural Science）， 2019， 38（5）：45-51.

[14] LI L Y， YANG J S， FU J Y， et al. Experimental investigation on the invert stability of operating railway tunnels with different drainage systems using 3D printing technology[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering， 2022， 14（5）： 1470-1485.

第一作者：冷浩（1981—），男，高級工程師，研究方向為地下工程與巖土工程。E-mail：lenghao345@163.com。

通信作者：劉士洋（1989—），男，博士，講師，研究方向為隧道及地下工程。E-mail：zxcvbnm@126.com。