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原文传递隧道排水管结晶堵管影响因素实验研究

论文题名：	隧道排水管结晶堵管影响因素实验研究
关键词：	隧道排水管;结晶堵管;微观机理;MaterialStudio模拟
摘要：	随着近年来我国高速公路及高铁事业的迅猛发展，越来越多的隧道及地下工程开始建设，同时伴随着隧道排水系统堵塞，引发洞门漏水以及衬砌开裂等病害的出现，引起了国内外专家的格外重视。在我国西部重庆、四川、云南、贵州等地区，很多的岩石成分都是灰岩，灰岩主要富含CaCO3杂质，而在隧道穿过时，其隧道的排水管道很容易就会形成碳酸钙的晶体堆积附着在排水管上，从而导致泥沙、碎屑物等无法正常排出而堵塞排水管道，隧道的结晶堵塞修复不仅会耗费巨大的人力物力，更为严重的是会影响交通及行车的舒适安全，并且同时隧道排水系统的堵塞会严重影响隧道结构的使用寿命及安全。目前国内外大多针对的是碳酸盐结晶晶核的生长以及晶粒的长大规律过程的研究，而针对隧道排水管内碳酸盐结晶导致堵管因素的研究是鲜有系统的研究。因此，设计研究隧道排水系统结晶堵塞实验机理及因素，开展在灰岩地区碳酸盐结晶堵塞管道的研究实验，探讨碳酸盐结晶在隧道排水管道内的结晶规律，对于延长隧道的使用寿命、改进隧道排水系统的设计和避免重大安全事故的发生具有重大的理论意义和实际工程应用价值。　　本文首先在对重庆市内大量隧道进行调研后，然后依托重庆交通大学山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地和材料实验室，采用模型实验的方法，对隧道管径、流速、管材以及改性管材进行研究，主要的研究内容如下: 　　(1)正交实验对管道结晶设计组合的优化的研究　　根据现场调研结果，依据正交原理，设计正交试验分析不同因素对管壁结晶的影响程度的研究，选取影响结晶效率的三种主要因素:流速、管材和涂层，采用了三因素三水平的正交实验表，根据结晶量最小组合，实验得出影响结晶速率的主次顺序以及最优组合，对下一步展开探讨不同实验因素对排水管道影响规律的研究提供依据。　　(2)不同管径下隧道排水管道结晶实验研究。　　针对隧道排水系统管道大小不同的复杂的特点，结合工程实例，采用平行实验的方法进行分析，研究了隧道不同管径对结晶速度的影响，探讨了管径对堵塞的影响，管径选举直径为20mm、25mm和32mm的PVC管材进行研究。　　(3)不同流速下隧道排水管道结晶实验研究。　　由于隧道排水管道内的水流速度的大小是在不断变化的，所以通过对隧道排水系统管道内水流速度的大小的控制，结合具体的工程实例，采用平行实验的方法进行分析，研究了隧道流速分别在22cm/s、26.5cm/s、34.5cm/s、44.5cm/s、63.5cm/s这5组流速下对结晶速度的影响，探讨了流速对排水管堵塞的影响。　　(4)不同管道材料以及涂层作用下隧道排水管道结晶实验研究。　　在实际情况下，管道材料的选择对结晶速率的影响非常大，所以很有必要研究管材对隧道排水管道内结晶的影响大小进行研究，实验选取了PVC、HDPE、PPR以及聚四氟乙烯管四种管材，实验得出不同材料对隧道结晶的影响;进一步地，将亲水抗静电自洁剂、植绒膜、硅橡胶、聚乙烯粉、以及磁场线圈5种涂层涂抹在直径为32mm的PVC管材上，实验得出不同涂层对隧道结晶的影响。　　(5)结晶物堵塞管道的微观机理研究（MaterialStudio模拟）　　对隧道进行结晶堵塞机理微观研究，通过分子动力学模拟的方法，对排水管堵塞的过程进行分析，并将模拟的结果与室内实验的结果做对比分析，得出碳酸钙晶体与管壁之间的结合能大小以及聚合物与碳酸钙发生吸附作用时的形变特征;其次建立固-液模型探究酸碱对管壁结晶微观机理的探究。
作者：	熊帅
专业：	交通运输工程
导师：	张学富
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2019