寒区隧道排水沟出口防冻设计研究

宋 捷，孙 迪，林立彬，廉海浔

(1.辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166； 2.同济大学 上海市 200082)

1 研究背景

我国寒区分布广泛，面积多达417.4万平方公里，约占陆地面积的43.5%[1]，主要分布在纬度较高的东北地区和海拔较高的西部地区。冻害是影响寒区隧道安全运行的主要问题，如隧道漏水、衬砌表面挂冰、路面结冰和衬砌变形、开裂、剥落等[2]。目前寒区隧道多采用掩埋式出口，这种出口型式水流速度缓慢，冻结几率增大；而且一旦出现出口处结冰，则随着出口外结冰层的升高，排水沟出口的排水功能逐渐下降甚至完全丧失。

从隧址区气象环境测试入手，考虑不同的流速、流量，经理论分析得出掩埋式保温出口冻害形成机理和端墙式防冻出口的防冻机理，并通过数值模拟的方法设计出更加切合实际防冻需求的排水沟出口型式，改善和提高冬季排水沟出口的排水功能。

2 隧址区气象环境测试

2.1 气象站布置

在测试隧道洞口处地势较高、人为影响小且能代表隧道洞外气象特征的位置安放设备进行监测，气象环境采集与传输系统布置于隧道管理用房附近。

采用一台PC-3型移动式自动气象站采集、传输气象环境数据，分别测量了风向、风速、温度、湿度、气压、雨量等常规气象要素。

监测测点处每小时采集一次温度、湿度、风向、风速、气压、降雨量数据，数据自动记录并存储，冬季根据需要适当加密数据采集量，监测到的温度数据如图1所示。

图1 隧道洞口气温测试成果

对本辽辽高速香炉山隧道进行气温监测。从监测结果看，监测时段内隧道洞口区域最高气温出现在2015年7月9日，为34.2℃，最低气温出现在2014年12月8日，为-20.2℃。

2.2 排水沟出口段气温(水温)测试

在排水沟出口和隧道洞口、洞内50m、洞内100m处分别设置一个温度传感器测试气温(水温)，每小时采集一次温度数据，数据自动记录并存储。测试结果如图2所示。

图2 隧道排水沟气温(水温)测试成果

图2中测点4是排水沟出口处数据。从监测结果看，监测时段内排水沟出口处最高气温(水温)出现在2015年9月9日，为18.7℃，最低气温(水温)出现在2014年12月18日，为-13.0℃。隧道洞口处、洞内50m、洞内100m三个测点的排水沟内最低气温(水温)分别是-4.7℃、-0.7℃和-0.6℃，最低气温出现的时间分别是2014年1月30日、2015年2月7日和2015年2月7日。

3 排水沟出口型式及设计要点

3.1 排水沟出口的一般型式

公路隧道设计细则规定，寒冷和严寒地区的隧道深埋水沟、洞外暗沟均应设置保温出水口。出水口处地形较陡且地质条件较好时，可采用端墙式；地形平坦时，应采用圆端掩埋保温包头式[3]。

掩埋式排水沟出口外一般设置碎石透水层，其上采用煤渣覆盖，最外层采用干砌版石防护。碎石透水层及其外部底部纵坡一般为3%～5%。具体构造详见图3。

图3 掩埋式排水沟出口设计方案

端墙式排水沟出口段一般采用10%以上大纵坡，出口处设置端部挡墙，管口设置向下的弯头，使水跌落至高差不小于2m的出口外沟渠中，出口外沟渠亦尽可能采用较大纵坡，一般应大于5%。具体构造详见图4。

图4 端墙式排水沟出口设计方案

3.2 基于隧址环境和出水量选择出口类型

掩埋式排水沟与端墙式排水沟在寒冷地区的防冻方面有明显的差异。除了隧址区地理条件外，还需要综合考虑隧址区气象温度、地下水温度和隧道排水沟的流速、流量的影响。数值模拟仿真技术是研究分析排水沟出口型式的有效方法，为正确选择合适的排水沟出口类型提供了理论指导。

(1)掩埋式出口设计要点

排水沟从路基中心转向公路的角度应适当减小，以此减小水流的动能损失，更有利于出口处防冻。排水沟出口段坡度不宜小于10%，越大越好。排水沟出口外碎石透水层底部及其外侧漫排水坡坡度均宜加大至10%。碎石透水层体积根据气象温度和流速流量设置，气象温度低、流速流量小时宜适当做大，反之可适当做小。

(2)端墙式出口设计要点

从过渡井至排水沟出口处坡度不宜小于10%，越大越好。排水沟出口与出口外沟渠高差不宜小于2m，否则冬季清理积冰的频次会增加。为了减小出口内外空气对流，必要时可在排水沟出口外增设防风门，防冻效果会更好，如图5。

图5 端墙式排水沟出口防风门设计图

4 隧道排水沟出口瞬态模拟分析

4.1 基本假设

隧道排水沟与围岩之间主要通过导热和对流传热方式进行热量传递，辐射传热只占很小一部分，故不考虑辐射传热对排水沟温度场的影响，并作以下假设：

(1)透水层为多孔介质，并设置孔隙率为1[4]。

(2)所涉及到的材料热导率是各向同性。

(3)排水沟进口水与空气的横截面积比例为1∶4。

(4)混凝土等物性参数为常数。

4.2 模型建立

数值分析采用CFD Fluent软件。根据掩埋式排水沟出口设计方案和端墙式排水沟出口设计方案，选取16.8m出口段适当简化，建立三维模型，计算模型如图6所示。调整参数划分网格如图7所示。

图6 计算模型

图7 网格模型

4.3 计算参数设置

为计算隧道排水沟出口温度场，需对计算初始参数及边界条件进行规定。

空气的初始温度参考隧址区气象温度最低值，取268K，衬砌的温度为278K。

采用标准k-ω湍流模型，开启能量方程和两相流模块，主相为空气，第二相为水，空气的初始速度为0.1m/s，排水沟的水流速度为0.01m/s，水温为275K，排水沟进口通入水与空气的两相流混合流体，且体积分数之比为1∶4。

计算总时间为30d，初始时间步长10s，计算稳定后延长至1h。混凝土和空气的热力学参数如表1所示。

表1 计算参数

4.4 计算结果分析

取掩埋式及端墙式排水沟纵向温度分布剖面图如图8、图9，可对比观测到排水沟内水流温度随时间变化情况。

图8 掩埋式排水沟剖面温度云图

图9 端墙式排水沟剖面温度云图

分析上述云图可知，掩埋式排水沟水流温度随时间降到零度以下，由于未考虑相变引起的流道、透水层堵塞及水流自身体积变化等情况，因此水流流速未发生变化；端墙式排水沟在模拟过程中温度始终保持零度以上。

取排水沟出口截面均值为温度监控点，得到其随时间变化曲线，如图10、图11。

图10 掩埋式排水沟考察点温度曲线

图11 端墙式排水沟考察点温度曲线

从图10、图11可知，掩埋式排水沟出口温度考察点在第15d时从275K将至273K，此时可认为排水沟出口水流冻结，此后温度数据无参考意义。端墙式排水沟出口温度考察点在30d内温度约为275.35K，均高于273K，可认为排水沟出口水流未冻结。

由以上仿真结果可知，在隧址区气象条件下，端墙式排水沟出口水流未发生冻结，而掩埋式排水沟出口水流发生冻结。其主要原因是：掩埋式排水沟发生水流冻结的原因是排水沟外面的透水层—多孔介质在外界环境作用下温度低，而且水流经过透水层流速下降，并与透水层充分换热，造成水流温度降到零度以下，从而结冰堵塞透水层，后续水流无法及时从排水沟排除，引发排水沟结冰。而端墙式排水沟出口水流未冻结原因如下：

(1)由于水流直接与空气接触，并始终保持流动状态，降低了水流冻结速度。

(2)因为空气导热系数低，水流温度变化不大就从排水沟中流出。

(3)由于端墙附近设置有挡风墙等结构，降低了空气与水流之间的对流传热系数。

(4)因为排水管出口据地面高度较高，不存在地面冻结形成冰柱堵塞排水口的可能性。

以上原因造成了端墙式排水沟水流比掩埋式排水沟更不易冻结，工程实践上也验证了这一分析结果。说明端墙式排水沟出口设计方案更适合辽宁省寒区气象条件。

5 结论

通过分析比较两种排水沟出口型式在寒冷地区的防冻效果，得出以下结论：

(1)在寒冷地区，端墙式隧道排水沟防冻出口比掩埋式保温出口具有更好的防冻效果，为开展排水沟检查和养护提供了便利条件。

(2)掩埋式出水口随着运营时间的增长，碎石透水层被堵塞，造成排水系统功能衰减，导致隧道内部冬季路面出现冰害。

(3)排水沟出口的保温设计要结合现场区域环境条件和理论分析计算确定，出口段埋置深度和纵坡是实现保温目的的重要参数，需要在工程实践不断总结经验，弯头和其它防风措施对于减小内外空气对流也有良好效果，这些设计要点应该在设计中给予充分的重视。