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原文传递隧道排水管植绒防结晶堵管机理研究

论文题名：	隧道排水管植绒防结晶堵管机理研究
关键词：	隧道工程;排水管;结晶堵管;植绒技术
摘要：	随着隧道及地下工程的增多，隧道排水管结晶堵塞问题逐渐凸显，严重威胁排水系统的正常运营和整个隧道衬砌结构的安全稳定。针对隧道排水管结晶堵管问题，基于结构力学、流体力学、分子动力学以及基础物理学理论，采用文献查阅、现场调研、宏微观测试、室内试验、仿真模拟及理论分析相结合的研究手段，系统地研究了隧道排水管内壁植绒防结晶堵管堵机理及影响因素，为防止隧道排水管结晶堵管提供理论和技术支撑。研究内容和主要研究结论如下：　　（1）通过现场调研及室内宏微观测试分析，探明了灰岩等5种地质条件下隧道排水管结晶处地下水水质特征、结晶物成分与微观形貌、结晶堵管影响因素。5种地质条件下结晶物均为碳酸钙，晶型以粒状、块状方解石为主，同时存在少量文石晶型。砂泥岩地层结晶堵管主要影响因素为地下水pH值；灰岩地层、泥质白云岩地层结晶堵管主要影响因素为以Ca2+、Mg2+为主的阳离子含量；煤系地层结晶堵管主要影响因素为以HCO3-为主的阴离子含量；中风化砂质板岩地层排水系统结晶的主要影响因素为地下水化学类型、pH值以及温度。　　（2）以现场调研及文献资料为基础，提出了防结晶堵管的植绒排水管，研制了排水管植绒防结晶堵管室内模型试验装置，开展了排水管植绒防结晶堵管规律、结晶物分布规律及结晶物微观形貌的研究。研究表明，室内模型试验装置能满足模型试验的需求，未植绒排水管结晶平均速率与实验流速近似呈反相关的关系，由1.30g/d降低到0.83g/d；M1绒毛长度5mm与10mm的植绒排水管在各流速情况下防结晶效率能达到40%以上；垂直水流方向的绒毛横向间结晶物少，沿着水流方向的绒毛纵向间结晶物多，植绒排水管并不能改变结晶物的晶型与微观形貌。　　（3）采用室内模型试验、仿真模拟及理论分析等手段，研究了植绒排水管绒毛上附着结晶物随时间的变化规律，揭示了排水管植绒防结晶堵管机理。排水管植绒防结晶堵管机理：植绒排水管内壁绒毛的存在使横截面流速重新分布，绒毛下游侧出现涡流现象，进而使得绒毛下游侧结晶物出现区域分布，不能形成整体，结晶物与绒毛不协调变形致使附着在绒毛上的结晶物出现周期性的堆积脱落，使排水管内长期保持一定的过水断面不出现堵管。　　（4）通过室内模型试验与数值仿真相结合的方法，分析了绒毛的材料、长度、直径以及植绒间距对排水管植绒防结晶堵管的影响规律，提出了排水管植绒防结晶堵管关键指标。研究表明，M1材料防结晶效率30%~80%，M2材料防结晶效率小于50%，M3材料防结晶效率小于10%，材料与碳酸钙方解石晶体(1-10)以及(104)面的结合能大小表现为：PVC＞M1＞0＞M2＞M3。室内试验表明可优先选择长度5mm与10mm的M1材料进行管壁植绒，植绒纵向间距25mm时的防结晶效率10%~80%，35mm与45mm时分别小于40%与60%且只在低流速下发挥作用；防结晶效率随沿水流方向植绒间距的增大呈先增强后稳定的变化趋势，而垂直水流方向的植绒间距影响较小。绒毛直径的增大（0.6mm~1.4mm）有助于提高植绒排水管水面以下局部流速，靠近管壁底部的低流速区域却逐渐增大，防结晶堵管作用越差。植绒参数为1.4-35-0.5-10的最大流速较普通排水管最大流速提高率接近30%，其他植绒参数较普通排水管最大流速提高率平均值为3.71%，较排水管进口流速（2cm/s）提高54.5%，植绒排水管局部流速的提高在其防结晶堵管的作用方面并不是占主要的。　　（5）开展了排水管植绒防结晶堵管现场原位试验。结合室内及现场试验结果，可选择绒毛材料M1、绒毛长度10mm、植绒纵向间距25mm与45mm、植绒环向间距7.82mm（弧长）作为植绒参数进行第一阶段的工程应用。
作者：	刘士洋
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	高峰
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2021