渗排水盲管(浅谈隧道排水系统结晶堵塞处治研究现状与建议)

Posted 2023-06-01

篇首语：亦余心之所善兮，虽九死其犹未悔。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了渗排水盲管(浅谈隧道排水系统结晶堵塞处治研究现状与建议)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

渗排水盲管(浅谈隧道排水系统结晶堵塞处治研究现状与建议)

肖振江赵兴春

云南交投集团投资有限公司

摘要：针对隧道排水管的结晶堵塞处治原理及相关研究，探析和总结了当前已经设计研究的防治隧道结晶堵塞装置的设计原理以及其设计特点。依据其处治原理的不同，可将其分为两类:微观防结晶堵塞处治设计和宏观防结晶堵塞处治设计。微观防结晶堵塞处治设计以阻碍结晶物阴阳离子结合为出发点，提出在排水管构造设计方面，通过利用静电力或化学阻垢等干扰离子间相互吸引力或使碳酸钙结晶向不易黏附的结晶方向发展的处治设计。宏观防结晶堵塞处治设计以清除或阻止结晶物附着在排水管上为出发点，提出在外部清理或工程设计方面，通过检修、增强排水能力和机械破碎，清除结晶堵塞物或减少堵塞物附着的处治研究。目前，针对混凝土水化结晶物造成结晶堵塞研究较少，需进一步探索和开展这方面的处治研究。通过对当前一些结晶堵塞处治研究的总结，对今后开展结晶堵塞的处治研究具有一定的参考价值。

关键词：隧道;排水系统;结晶堵塞;处治研究;现状与建议;

目前，随着隧道数量和里程数的增加，我国的隧道工程建设数量已达到了一个前所未有的高度。截止到2018年底，无论是在数量上、规模上还是在里程上，我国在建和已建的公路隧道、铁路隧道和水工隧洞等隧道工程都已取得举世瞩目的成绩。隧道的运营维护就显得格外重要，其中隧道排水系统堵塞就是一大问题。当排水系统发生堵塞现象时，隧道周围的水压力就会增加，增加衬砌荷载，严重时会导致结构变形、衬砌破损、渗漏水等问题。

在建隧道与运营隧道的排水管和排水盲沟的排水设施中，经常会出现结晶沉淀、围岩碎颗粒和泥沙等堵塞排水管的现象，其原因包含了地质状况、隧道混凝土水化结晶、排水管的设计等因素。该现象已经引起了许多相关研究人员的注意，但是目前的排水系统堵塞问题还未得到较好的解决，隧道排水系统在运营期间的堵塞问题较为常见，引发了一系列运营事故，增加了运营期维护费用。

已有部分科研人员对隧道排水系统的堵塞问题开展了相关研究性工作，也提出了一些对应的治理方法。但是由于该问题的影响因素较多，难度也较大，导致当前对问题的研究还不够深入。现有的各种处治措施中，既有微观防结晶堵塞处治设计也有宏观防结晶堵塞处治设计，虽然能够在短期内起到较为显著的作用，但是从长远的角度看，难以保证长期效果，甚至无法根治。在隧道的设计、施工、运营等环节中，我们尚未形成较为成熟和系统的预防或处治方法。隧道在修建和运营过程已经出现了许多的堵塞问题，若不能及时解决，堵塞问题将更加严重，也会带来一系列其他问题。作为隧道工作者的我们需要更加重视此类问题，更要积极探索有效的处治方法。

因此，本文结合相关文献的分析和部分工程实例的调研，对隧道排水系统结晶堵塞处治方法进行总结探讨，希望能对我国隧道工程排水系统的运营与维护提供一些参考。

1 隧道排水系统堵塞

隧道排水系统是隧道工程中一项重要且必不可少的工程。其堵塞问题是当前工程界一个较为棘手的问题。国内外关于隧道排水管堵塞已作了一些研究，其方向分为三种:排水管堵塞物的成分分析研究、堵塞成因的机理研究以及排水管堵塞治理方法的研究。就隧道排水管堵塞治理方法的研究至今仍没有形成一个完整的体系。由于隧道排水系统堵塞现象中，结晶堵塞现象尤为明显，本文主要对隧道排水系统结晶堵塞的处治方面作了重点总结分析。

1.1 隧道排水系统堵塞机理研究

在隧道的排水管中，既有因水流的搬运作用而沉积下的碎石和泥沙，也有因化学结晶而沉淀的结晶体。堵塞原因的种类有许多种，大致分为如下四种:(1)当排水管中的离子浓度积大于相应的溶度积时，易产生沉淀附着在排水管上;(2)一些岩石碎屑物会被地下水带入排水管中沉积下来;(3)地表水渗入地下的过程中，会夹杂着一些泥沙，流入隧道排水管内造成堵塞。(4)许多生物因素也应该考虑在内，一些生长在排水管内的生物会随时间推移堵塞排水管。其中，因结晶作用而造成堵塞是众多隧道堵塞最为明显且最为严重的现象;围岩碎片、颗粒及部分泥沙是由于地下水流的搬运沉积作用;而苔藓植物和微生物等生物因素造成排水系统堵塞主要出现在富营养化区域。

1.2 隧道排水系统结晶堵塞影响因素研究

针对隧道排水系统结晶堵塞，其影响因素大致可分为三种，即化学因素、物理因素和工程因素。影响因素可细分如表1。

表1 隧道排水系统结晶堵塞影响因素下载原图

2 微观防结晶堵塞处治设计

微观防结晶堵塞处治设计以阻碍能够导致结晶沉淀的阴阳离子结合为出发点，提出在排水管构造设计方面，通过利用静电力或化学阻垢等干扰离子间相互吸引力或使碳酸钙结晶向不易黏附的结晶方向发展的处治方法设计。该设计方法在微观物理化学方面对隧道内的结晶堵塞物经行抑制生成或干扰发展，以达到减少结晶堵塞目的。

刘士洋等将传统的排水管的进行结构改造，新型管体结构分为:芯管、铝箔导热层、加热电阻丝层、玻璃棉隔热层、聚乙烯树脂结构层和环氧树脂结构层。

该方法主要从控制温度的角度出发，当排水管中温度过低时，地下水结冰并且结晶堵塞。在排水管中增设加热保温系统降低堵塞情况。但是该方法需对排水管内温度进行监控和调控，操作难度较大，耗电量较大，运营成本较高。

张学富等结合电场和磁场理论，从阻止结晶相应的离子反应角度出发，改造隧道排水管。由于结晶沉淀的本质是水中的Ca2+等阳离子和CO32-等阴离子反应结晶形成沉淀物，可以利用电场力或电磁力，在排水管中抑制或干扰排水管内的阴阳离子反应，设计出一种可以抑制排水管中地下水结晶沉淀物堵塞的排水管装置。下图1为经电场或磁场改造后的排水管示意图。

该方法借助电场学和磁场学理论，利用电场力或磁场力作用在Ca2+、Mg2+等阳离子和CO32-、SO42-等阴离子上，克服阴阳离子间的静电作用，抑制或干扰结晶，从而降低其在排水管中结晶沉淀的速度和数量。该方法重点是在微观离子层面减少排水管中的结晶，但该装置在使用期间需要一直处于通电状态，耗电量大，增加运营成本等特点。

图1 一种可防结晶堵塞的隧道排水管下载原图

利用电磁学和量子物理学理论进行处治研究也是一种较为可行的思路。Eric Yee等以水作为传输和储存振动波的介质，利用量子棒对水中的钙、镁等各种物质开发出能够改变其物理特征的超精微振动波，干扰Ca2+振幅，如下图2所示，使碳酸钙结晶向文石和球霰石方向发展，抑制其生成易黏附的方解石。

图2 电场和磁场排水管改造示意图下载原图

该方法利用电磁或量子物理学理论，诱导碳酸钙结晶生成文石和球霰石。相对于方解石，文石和球霰石的黏附性要小得多，不易黏附排水管，易清理。

部分微生物酶可以催化化学反应，中和碱性环境。在易发生结晶沉淀的位置投放一些特定的细菌微生物，利用细菌微生物产生碳酸酐酶(CA)，该种酶可催化二氧化碳与水反应，生成氢离子及碳酸氢根离子，反应方程式如式(2.1)所示。

式(2.1)若隧道内排水管中的地下水为碱性，对CA的活性是有利的，易于二氧化碳与水反应，从而降低排水管中的PH值，抑制结晶沉淀生成。该方法在微生物和化学离子层面抑制结晶，防止结晶堵塞。

周卓等提出阻垢剂是一种阻止结晶附着管壁的有效材料，可以在排水管表面涂抹阻垢剂，例如HEDP。不同的阻垢剂对结晶的抑制原理各不相同，大多都是通过膦酸根基团产生-PO3H-和羧酸基团产生-COO-吸引Ca2+或是利用羟基基团(-OH)吸引CO32-，阻止碳酸钙结晶，从而达到降低结晶沉淀的效果。

该方法主要利用阻垢剂材料的某些特定基团产生，可以在水中吸引结晶体的Ca2+或CO32-离子，阻止两者结合。在离子层面上，利用其他离子对结晶沉淀离子有着较大的吸引力，降低结晶沉淀。

Gerhard Hare在Koralm隧道中，采取280kg/m3CEM I 52.2R、140kg/m3具有显著潜在水硬性的矿物质材料(如粉煤灰等)以及7wt.%含量的硫酸铝速凝剂，结果证明渗流出的水溶液中Ca2+和OH-离子溶度显著降低，从而降低Ca(OH)2在排水管中与CO2反应生成CaCO3沉淀量。

该方法通过改变喷射混凝土的外掺料和配合比，降低围岩水与初支反应后生成的Ca(OH)2离子溶度。但是，改用粉煤灰水泥等低钙水泥会造成早期强度降低，在使用该方法时，需测试混凝土的早期强度是否满足设计要求。

3 宏观防结晶堵塞处治设计

宏观防结晶堵塞处治设计以清除或阻止结晶物附着在排水管上为出发点，通过检修、增强排水能力和机械破碎，提出在外部清理或工程设计方面对结晶堵塞物清除或减少堵塞物附着的处治研究。该设计方法主要通过改造现有排水设施或采用物理化学方法，增强排水能力或抑制结晶黏附排水管，以达到检修、抑制附着和清理结晶的目的。

蒋雅君等针对由于结晶堵塞造成隧道施工缝处出现渗漏水情况，设计了一种可维护性改造系统，如图3所示，该系统主要包括预留检查孔、渗透性疏水涂料和内窥镜。该系统通过对渗漏水严重处的施工缝进行开凿改造，采用渗透性疏水涂料对该处的混凝土基面或排水板管基面进行处理，再使用可以转向的内窥镜对隧道排水半管进行检查。在该系统中，作者对隧道原有设计构造进行改造，再利用内窥镜经行检查，提高了排水管的可维修性，便于运营期间的检查和清理。

图3 原振动波和干扰后振动波下载原图

该方法主要针对隧道衬砌施工缝处进行开凿，露出其内的排水半管，在排水板管的上中底部嵌入用以检查排水半管堵塞情况的管道。另外，对排水半管进行疏水处理也可以预防堵塞，便于隧道排水半管内结晶堵塞的检查和清理。该方法主要针对因结晶堵塞导致渗漏水严重的施工缝处。

周卓提出利用隧道某些部位出水量较大的特点，通过改变平时施工时“一”字形纵向排水管形状，增大流速。采用“W”波形取代的“一”字形纵向排水管的方法，“W”波形可以使局部排水管的坡度增大，从而在一定的程度上，有利于增大水流在该部位的流速，降低隧道排水管的堵塞发生的可能性，取代平时施工时的纵向排水管。“W”波形纵向排水管的形式，如图5所示。

图4 排水半管预留检查孔可维护性改造下载原图

图5 波形排水管改造图下载原图

陈理提出减小排水管连接部位的角度、降低管材的摩阻以及调整曲率半径，可以达到降低结晶沉淀的效果。

该方法旨在减小水流的动能损失，达到降低水流流速损失的目的，进而增强排水系统的排水能力，主要时利用水流冲刷作用和搬运作用，降低结晶沉淀附着。

李正士认为原有的盲管设计方式不利于顺畅排水，建议将纵向盲管以45°斜接入侧沟，将环向盲管直接接入侧沟。通过降低水流的动能损失，保持水流流速，减少堵塞物在连接处的沉淀堵塞。改进后的纵、环向盲管的布设方法见图6。

图6 改进前后的布设方法下载原图

周卓提出可以利用较大的空气压力作用在堵塞物上，使其与管壁剥离，从而起到清除堵塞物的作用，延长排水管的使用寿命。由于排水系统较为庞大，而且空气压力随排水管的长度的增加而降低，该方法有一定的局限性，适合于清理局部结晶堵塞位置，并不适合用于整个排水系统中。

赵鹏等采用物理清洗的方法，利用高压水清洗排水管壁上的结晶沉淀，研制了排水系统疏通机，该设备如图7所示。

图7 疏通设备结构设计示意图下载原图

该方法利用自喷嘴处喷出锥形高压水，作用在排水管壁上清理结晶堵塞，利用水压的反作用力，推动该装置向未清洗区清洗，继续清理前方堵塞物。该方法具有周期性，每当排水管发生较为严重堵塞时，就需要对排水管经行清理。

马伟斌等提出了一种隧道防结晶排水系统，该系统对隧道拱顶、拱腰和边墙处采用一般隧道的防排水措施;对隧道仰拱处，在两侧边沟和中央排水沟处布置U型密封器，如图7所示。

图8 防结晶排水系统设计图下载原图

该方法最大的特点在于隧道两侧边沟和隧道中央排水沟上设有用于密封的盖板和U型密封器(利用连通器原理)，减少隧道中的CO2与排水系统中地下水的接触，增加了排水系统的密封性，进而达到降低结晶堵塞的目的。

4 结论

通过总结隧道排水系统的结晶堵塞处治研究，进一步分析了目前已开展的各类处治方法的主要组成特征以及可开展的研究内容，对进一步开展处治方法研究具有一定的参考价值。根据上述的分析，主要可得以下结论:

(1)探析和总结了当前国内外已设计的隧道结晶堵塞处治的设计原理以及其设计特点。依据其处治原理的不同，可将其分为两类，将结晶堵塞处治方法研究分为:微观防结晶堵塞处治设计和宏观防结晶堵塞处治设计。

(2)目前而言，还未形成一套微观防结晶堵塞处治设计和宏观防结晶堵塞处治设计相结合的、系统的处治方法。笔者建议，可以参照前文的总结和分析，将宏观处治和微观处治的优点相结合。例如:针对环向排水管，可采用预留检查孔的可维护性改造系统的方法;针对侧面排水沟，可布设U型密封器装置;针对纵向排水管，可根据具体实际情况，酌情选用电磁装置或波形排水管等处治方法;当隧道需要清理时，可采用赵鹏等设计的疏通机等方式。

(3)隧道混凝土水化结晶物(析钙现象)也是一大影响因素，但目前为止，就隧道喷射混凝土水化结晶物所导致结晶堵塞情况，还未作过一系列研究和提出适当的处治方法，在今后的研究中，可对此展开相关研究。

参考文献

[1] 《中国公路学报》编辑部．中国隧道工程学术研究综述2015．中国公路学报，2015,28(05):1-65．

[2] 周卓．岩溶地区地下水渗流结晶堵塞隧道排水管机理研究及处治建议．长安大学，2015．

[3] 翟明．灰岩区隧道排水系统结晶堵塞规律研究．重庆交通大学，2016．

[4] 蒋雅君，杜坤，陶磊，等．岩溶隧道排水系统堵塞机理的调查与分析．铁道标准设计，2019,63(07):131-135

[5] 向立辉．富水隧道排水盲管堵塞效应分析及防治．重庆交通大学，2018．

[6] K.Ramesh Reddy.Review of Wetland Soi-ls:Genesis,Hydrology,Landscapes,and Cl-assification,Second Edition.Vadose Zo-ne Journal,2016,15(12)．

[7] A.CASELLES-Osorio,J.Garcia.Effect of physico-chemical pretreatment on the re-moval efficiency of horizontal subsurface-flow constructed wetlands.Environ.Pol-ltu,2007,145:55-63．

[8] 黄尚瑜，宋焕荣．不同温度条件下碳酸盐结晶沉淀研究．现代地质，1991,5(4):442-453．

[9] 曾玉彬，李慧敏，牛庆华．高盐度水中碳酸钙结晶速率常数影响因素探究．江汉石油学院学报，2001,23(1):56-57．

[10] 刘士洋，张学富，丁燕平，等．一种可防结晶堵塞的隧道排水管．中国专利．CN201821006060.4.2018-06-28

[11] 张学富，刘士洋，李昀奇，等．一种通过电场预防隧道排水管内结晶的装置．中国专利，CN201720138517.6.2017-02-16．

[12] Yee E,Lee J W,Lim D S,&Chu-n,B.S.(2012).Magnetic Water Treatment to Inhibit Calcium Carbonate Scale Deposition in the Drainage System of an Old Tunnel in Seoul,South Korea.Advanced MaterialsResearch,594-597,2045-2055．

[13] Gerhard Harer.Measures for the reduct-ion of sinter formations in tunnels.IOP Conference Series:Materials Science and E-ngineering,2017,236(1)．

[14] 蒋雅君，杜坤，廖甲影，等．岩溶隧道衬砌施工缝排水设施可维护性试验研究．铁道标准设计，2019,63(11):91-96．

[15] 陈理．铁路隧道施工中排水管堵塞问题探究．技术与市场，2015,22(04):80．

[16] 李正士．化学侵蚀条件下隧道衬砌混凝土和排水病害的防治措施．铁道建筑技术，2012(7):90-93．

[17] 赵鹏，郭小雄，马伟斌．铁路隧道排水管道疏通设备研制及应用．铁道建筑，2018,58(01):30-32+66．

[18] 马伟斌，马新民，刘赪等．一种隧道防结晶排水系统．中国专利，201810468384.8.2018.05.16.

声明：我们尊重原创，也注重分享。有部分内容来自互联网，版权归原作者所有，仅供学习参考之用，禁止用于商业用途，如无意中侵犯了哪个媒体、公司、企业或个人等的知识产权，请联系删除，另本头条号推送内容仅代表作者观点，与头条号运营方无关，内容真伪请读者自行鉴别，本头条号不承担任何责任。

渗排水盲管(浅谈隧道排水系统结晶堵塞处治研究现状与建议)

渗排水盲管(浅谈隧道排水系统结晶堵塞处治研究现状与建议)

肖振江 赵兴春

云南交投集团投资有限公司

1 隧道排水系统堵塞

1.1 隧道排水系统堵塞机理研究

1.2 隧道排水系统结晶堵塞影响因素研究

2 微观防结晶堵塞处治设计

3 宏观防结晶堵塞处治设计

4 结论

参考文献

肖振江赵兴春