岩溶隧道排水管结晶堵塞除垢试验及数值模拟研究

陈 武 曾鹏飞 何礼航 杨蕴 毛成君 吴咏敬 董 平， 吴剑锋 吴吉春

(1.中交路桥建设有限公司，北京 101107；2.河海大学地球科学与工程学院，南京 211100；3.南京大学地球科学与工程学院，南京 210046；4.南京水联天下海水淡化技术研究院，南京 210046)

引言

铁路隧道穿越岩溶较为发育的地区，其排水系统中普遍存在可溶碳酸盐的结晶沉淀现象，而发生在排水管道的结晶会导致隧道排水不畅，使得隧道衬砌背后的孔隙水压力升高，进而引发一系列隧道水害问题[1]。排水管结晶堵塞已经成为隧道建设中亟待解决的问题，迫切需要开展针对性的除垢技术研究。

排水系统结晶堵塞的机理极为复杂，影响因素众多，故对排水系统除垢的研究也就显得极为复杂[2-9]。常规的岩溶区隧道排水系统阻垢技术包括物理阻垢(如电磁法、超声波法、高压水冲法)、化学阻垢(如酸溶法)、生物阻垢(如管壁植绒技术)，以及通过优化工程设计进行阻垢[10-14]，其中水冲法由于成本低且对环境污染相对小而备受关注。目前，排水管结晶堵塞除垢方面的研究较少，已有的除垢研究多为试验性质的室内研究[15-21]，有关排水管除垢定量化的数值模拟研究相对较少。根据结晶学理论研究，可溶盐的结晶过程可以概化为沉积及剥蚀两个过程，其中对剥蚀过程的研究是除垢研究的基础[22-24]。以现场调查的隧道排水管结晶堵塞现象为原型，开展排水管堵塞室内除垢试验，将剥蚀过程的理论研究成果应用于除垢模拟过程，建立考虑水动力冲刷过程的变边界管道水动力除垢数值模型，基于试验数据验证模型的可靠性，以定量分析水动力冲刷除垢的过程，以期为实际隧道排水系统除垢的精准控制提供技术支撑。

1 隧道排水管结晶堵塞现场概况

依托于贵州某在建铁路隧道项目，该隧道区位于石阡县青阳乡境内，属构造剥蚀低山地貌区，隧道进出口为河(谷)斜坡地形，海拔高程为695.0～905.0 m，相对高差约210 m。隧道区断层构造发育，岩体极破碎，岩层以单斜地层为主，覆盖层主要为残坡积粉质黏土及碎石，下伏基岩为寒武系下统牛蹄塘—明心寺—金顶山组砂质页岩、炭质页岩及杷榔组页岩、灰岩夹炭质页岩。隧道区地表水主要为沟谷内季节性流水，主要受大气降雨控制及影响。隧道区地下水主要为岩溶裂隙水，主要来源为地表水及大气降雨补给。

该隧道出现结晶体的部位主要位于地下水较丰富地段，距出口284～339 m，横向排水管及两侧水沟中也存在结晶体沉淀。渗入排水管道的地下水类型为HCO3-Ca·Mg型，主要阳离子为Ca2+、Mg2+等，主要阴离子为CO32-、HCO3-、SO42-等，结晶物组分主要为CaCO3和SiO2。

2 排水系统堵塞室内除垢试验

2.1 试验设计

(1)实验装置

现场隧道排水系统的装置较为复杂，由多种不同的排水管相互连接所构成，包括环衬砌的环形排水管、沿隧道方向纵深的纵向排水管、连接在纵向排水管上的横向排水管，以及横向排水管的排水最终去处排水侧沟。为了使室内试验便于操作，根据现场调研结果，对结垢部位较为严重的纵横管进行等比例复刻，同时选择结晶堵塞实验中生成结晶物较为充分的管道部分。试验装置见图2，纵管长3 m，横管长0.2 m，每隔1 m设置1根横管，纵管及横管管径均为0.1 m。

图1 工程现场排水横管结晶堵塞情况

图2 排水管结晶堵塞室内试验装置

(2)水动力及水化学条件

装置配备的供水泵为25 m3/h(6.94 L/s)，根据室内实际水动力条件，纵管比例为50∶1，横管比例为5∶1，最大水动力冲刷流量可达0.4 L/s。所配置溶液的溶质比为CaCl2∶Na2CO3∶NaHCO3=2 kg∶1 kg∶1 kg，将其混入 430 L的集水箱中，完成溶液的制备。

(3)对照组设置

隧道排水管除垢系统采用了以RO反渗透膜[25-28]系统为核心的膜处理技术，一方面经RO处理后，水中的钙镁离子几乎可以完全去除，使得冲刷后的管道残留水失去结垢的物质核心，起到防垢的作用；另一方面，经RO处理后的水偏酸性，可以更加有效地溶解已形成的CaCO3等悬浊液，达到除垢的目的。为了更加直观地反映该系统的有效程度，室内试验设置对照组，对照组采用自来水作为原水进行冲刷，试验组采用经RO系统处理后的水作为原水进行冲刷。

(4)数据记录

隧道排水管除垢系统设计采用按次冲刷的工作机制，室内模拟试验参照现场，也采用按次冲刷的形式，按照一定周期(5 min)，采用间接称重法对排水管内CaCO3结晶体质量进行称重，测定排水管内结晶体的质量变化。

2.2 试验结果分析

室内试验监测结果见表1、表2。

表1 排水管除垢室内试验(自来水冲刷) g

表2 排水管除垢室内试验(RO水冲刷) g

图3和图4分别为两组冲刷实验管内剩余结晶沉淀质量变化曲线及沉淀质量变化曲线。由图3可知，自来水和RO水冲刷后，管内剩余沉淀质量均逐渐减少。由图4可知，整个冲刷过程中初期冲刷速率较大，随着冲刷的不断进行，冲刷速率逐渐减小，至冲刷后期，水流的冲刷速率逐渐降低至一个极小值(近乎为0)且维持稳定。对比图3(a)与图3(b)、图4(a)与图4(b)，经RO反渗透模处理过后的水流冲刷效率更高，分析其原因，经RO水处理后，水中的钙镁离子几乎完全去除，使得冲刷后的管道残留水失去结垢的物质核心，冲刷过程中二次产生的CaCO3晶体较少；另一方面，经RO处理后的水偏酸性，对已产生的CaCO3晶体有一定的溶解作用，从而加速除垢过程。

图3 剩余沉淀质量

图4 沉淀质量变化量

3 岩溶管道除垢数值模拟

构建变边界管道水动力除垢数值模型，定量化研究隧道排水系统结晶后水动力冲刷除垢的过程。采用水平集的数值模拟技术，对排水管道内的冲刷过程进行模拟。基于校正的数值模型研究冲刷过程中管内沉淀量的变化趋势，根据模拟结果确定合适的冲刷液种类以及冲刷时长，从而达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

根据现场实际岩溶隧洞排水管道进行概化，本次选择光滑直管作为除垢研究的对象，几何模型见图5，其中管道长度为3 000 mm，直径为20 mm。管道入口设定为给定流速边界，出口设定为自由流出边界(相对压力为0)，管壁设定为无滑移边界。其余模型参数设定见表3。

图5 隧道排水管模型结构示意

表3 模型参数

(2)数学模型及数值方法

管道结晶除垢模拟仅考虑流场作用下的管道内沉淀量的变化，由于CaCO3沉积层的存在，管道内的流速会发生不均匀变化，水流整体呈现紊流或湍流状态，采用标准的k-ε湍流模型对流场进行计算。

在水动力场作用下，由于流体剪切力，已附着在管壁上的沉积物会被剥蚀，并随水流运移，根据Bohnet等提出的污垢剥蚀模型。数学模型及控制方程见图6[30]。

图6 基于水平集方法的模型计算流程

水平集方法是通过界面追踪和动网格技术来描述结晶沉淀过程中管道界面动态变化建模的数值方法。水平集方法可以在笛卡尔坐标系中通过动态曲线曲面数值计算来追踪物体的拓扑结构改变。基于水平集方法的管道结晶数值模型的计算流程见图6。基于以上模拟技术，利用COMSOL软件建立考虑水动力冲刷过程的变边界管道水动力除垢数值模型。

3.2 分析与讨论

(1) 模型验证

将模型结果与室内实验结果数据进行归一化处理，剥蚀速率模拟值和观测值拟合结果见图7。模拟结果与试验测试结果整体趋势相同，整体拟合精度达89%。局部在初期模拟值相对偏小，而后期模拟值略偏大，反映了初期剥蚀效率大，1 300～1 500 s逐渐减小至一极小的稳定值的规律，最终稳定期的剥蚀速率数量级为10-6，可近乎视为0，此时水流对管内污垢的冲洗效果已经可以忽略不计。究其原因，应是初期管道内CaCO3沉积层过厚，新附着在最外层的CaCO3还未完全固结，在水流冲刷作用下极易被剥蚀，随着外层较新的CaCO3逐渐被剥蚀，内部固结程度更高的CaCO3裸漏出来，冲刷剥蚀速率开始逐渐减小，直至剥蚀率达到极限，此时裸露出来的CaCO3因其固结程度极高而很难被剥蚀，剥蚀速率达到极小值且趋于稳定。

图7 数值模型拟合结果

(2)模拟结果

在的水流冲刷作用下，排水管内壁上附着的CaCO3沉淀逐渐被剥蚀，60～3 000 s内模拟冲刷结果见图8，在50 min的冲刷过程中，附着在管道内壁上的沉淀层逐渐变薄，至3 000 s时，管道内壁上的CaCO3沉积层已剥蚀大半(有效剥蚀面积达到61%)，且管道出口沉积层越厚的部位剥蚀速率越大。同时由于出口处流速大于入口处，故出口处的剥蚀速率较大(见图9)。

图8 0～3000s内模拟冲刷结果

图9 沿管道方向的速度分布

(3)流速对剥蚀速率的影响

结晶学理论研究表明，CaCO3的结晶过程中流体的流速对剥蚀速率有较大的影响。以下基于已经过验证的变边界管道水动力除垢数学模型，探讨流速对剥蚀速率的影响(见图10)。随着流速从0.2 m/s增大至1 m/s，剥蚀速率不断增大，1 m/s时的剥蚀速率已经达到0.2 m/s时的近10倍。此外，流速对剥蚀速率的影响主要体现在除垢过程的初期，初期随流速的增大剥蚀速率的增幅很大，1 000 s以后，流速对剥蚀速率的影响已经较为微弱。因此，实际除垢过程中应尽可能增大冲刷液的流速，且仅需在冲刷的初期增大流速，以达到除垢成本与除垢效果的最优解。

图10 不同流速下的剥蚀速率

此外，根据模拟结果可知，水流冲刷的除垢方式存在一定的局限性，初期效果较好，至后期便几乎没有效果，故需要对除垢方法加以改进，或者结合其他的物理、化学及生物方法进行联合除垢，以达到更好的除垢效果。

4 结论

岩溶地区隧道排水管的结晶堵塞极大程度上威胁着隧道的施工及运营安全，在已有结晶堵塞机理研究的基础上，开展基于水动力冲刷的排水管除垢室内实验研究，研发相应的数值模拟技术，系统开展隧道排水管防除垢技术研究。结论如下。

(1)相较于自来水，选用RO反渗透膜处理后的水进行除垢效果更好。RO反渗透膜几乎可以完全去除钙镁离子，从而冲刷过程中CaCO3晶体二次沉淀量大幅较少；另一方面，经RO水处理后的水偏酸性，对已产生的CaCO3晶体有一定的溶解作用，从而加速除垢过程。

(2)数值模拟结果显示，冲刷除垢的过程中，初期剥蚀速率最大，随着时间的推移，剥蚀速率逐渐减小且趋于稳定，原因是外部结垢层固结程度小于内部结垢层，内部结垢层难以在水动力条件下被冲刷，需联合物理、化学或生物阻垢技术进行更为有效的治理。