岩溶地区隧道排水系统结晶及处治技术现状分析_龙杰.pdf
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1、第 40 卷第 5 期2023 年 5 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.5May 2023收稿日期:20221012基金项目:贵州省重大科技专项项目(黔科合重大专项【2018】3011)作者简介:龙杰(1992),男,贵州纳雍人.(497552178 )*通讯作者:胡鸿川(1998),男,四川成都人,硕士.(739927969 )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.05.022岩溶地区隧道排水系统结晶及处治技术现状分析龙杰1,胡鸿川*2,李磊2
2、,何国华1(1.贵州高速公路集团有限公司,贵州贵阳550004;2.交通运输部公路科学研究院,北京100088)摘要:为了有效应对岩溶地区隧道排水系统结晶堵塞带来的渗漏水破坏问题,采用文献综述的方法总结了岩溶隧道排水系统结晶组成成分、机理及其影响因素,详细归纳了现有的结晶处治技术,阐述了各技术的研究现状,对各处治技术的发展进行了展望。结果表明:隧道内部的结晶成分以碳酸盐为主,其成盐离子主要来源于岩溶水以及混凝土中,该现象受到诸多因素的影响,并且各影响因素之间存在明显的耦合关系;现有的结晶处治技术种类繁多,在诸多场景均有良好的应用,但由于隧道排水系统属于隐蔽结构设施,各类技术在隧道结晶处治中的应
3、用受到了极大的限制,并且由于隧道结构所处环境的复杂性,导致实际处治效果多数情况与理论存在较大差异。因此,针对隧道排水系统结晶处治技术的研究应从以下几点出发:明确各类处治技术的作用机理,加强多种技术协同作用的综合处治方法的研发;考虑隧道环境因素对实际处治效果的影响,增强各类处治技术对隧道排水系统应用场景的适用性;对岩溶地区隧道排水系统进行针对性设计,使其更加有利于结晶处治;加强后期运维管理,促进结晶预防处治长效机制的形成。关键词:隧道工程;结晶处治技术;综述;岩溶;排水系统中图分类号:U457+.2文献标识码:A文章编号:10020268(2023)05016208Analysis on Cry
4、stallization and Treatment Technology of Tunnel DrainageSystem in Karst AreaLONG Jie1,HU Hong-chuan*2,LI Lei2,HE Guo-hua1(1 Guozhou Expressway Group Co.,Ltd,Guiyang Guizhou 550004,China;2 esearch Institute of Highway,Ministry of Transport,Beijing 100088,China)Abstract:In order to effectively deal wi
5、th the water leakage damage caused by crystallization blockage intunnel drainage system in karst area,by using the method of literature review,the crystal composition,mechanism,and influencing factors of karst tunnel drainage system are summarized,the existing crystaltreatment technologies are summa
6、rized in detail,the research status of each technology is expounded,and theprospects for the development of various treatment technologies are made.The result shows that(1)Thecrystalline components in the tunnel are mainly carbonate,and the salt-forming ions mainly come from karstwater and concrete.
7、This phenomenon is influenced by many factors,and there are obvious coupling relationsamong them.(2)The existing crystallization treatment technologies are various and have good application inmany scenes.However,since tunnel drainage system is a hidden structural facility,the application of varioust
8、echnologies in treatment of tunnel crystallization is greatly limited.Moreover,due to the complexity of the第 5 期龙杰,等:岩溶地区隧道排水系统结晶及处治技术现状分析environment in which the tunnel structure is located,there are significant differences between the actualtreatment effect and the theory in most cases.Therefore,t
9、he research on crystallization treatment technologyfor tunnel drainage system should start from the following aspects:(1)Clarify the mechanism of varioustreatment technologies,and strengthen the research and development of comprehensive treatment method withthe synergistic effect of various technolo
10、gies.(2)Considering the influence of tunnel environmental factors onthe actual treatment effect,enhance the applicability of various treatment technologies to the applicationscenarios of tunnel drainage system.(3)Specifically design the tunnel drainage systems in karst areas tomake them more conduci
11、ve to crystallization treatment.(4)Strengthen late operation and maintenancemanagement to promote the formation of long-term mechanism of crystallization prevention and treatment.Key words:tunnel engineering;crystallization treatment technology;review;karst;drainage system0引言岩溶是一种水对碳酸盐岩石的化学溶蚀地质现象,南斯
12、拉夫学者 Cvijic.J 将这种石灰岩地貌称之为喀斯特地貌1。我国岩溶现象分布广泛,含碳酸盐岩石的分布面积为 3.46106km2,含碳酸盐岩地层出露的面积为 2.0106km2,碳酸盐岩面积有 9.07105km2 2。根据相关研究表明,水的溶蚀能力与水体的运动是岩溶发育的必要条件3,所以岩溶的发育必然存在径流条件4。同时,地下水也是导致隧道大多数病害的主要因素之一5,地下水不仅会影响到围岩的稳定性6,还会增加施工难度并影响工程质量。如果不能正确处理隧道结构与地下水之间的关系,就会对隧道施工以及后期运营造成诸多问题,产生高额的治理费用7。岩溶地区隧道排水系统结晶堵塞现象也是一种由于地下水所
13、导致的常见病害类型8。根据各学者的研究成果表明,岩溶地区的地下水是一种 HCO3Ca2+Mg2+型岩溶水9,溶液中存在大量 Ca2+,Mg2+以及 HCO3等多种离子,为结晶提供了最基本的成盐离子条件。通过进一步的研究表明,在诸多因素的影响下,溶液中的平衡体系会朝着结晶沉淀的方向移动10,最终形成结晶沉淀。结晶沉淀经过长时间的累积便会导致排水管道的堵塞,进而造成渗漏水,从而威胁到隧道结构的安全。目前,岩溶地区结晶堵塞现象较为常见,由于隧道工程的隐蔽性,导致该问题不易被及时发现并处理。而且此类问题难以根除,使其成为隧道运营中的顽疾。因此,对于隧道排水系统结晶处治技术的研究就展现出了必要性。本研究
14、将对结晶体的组成成分、结晶形成机理及其影响因素进行简要分析,为结晶处治提供基本理论支撑及依据。再对目前已有的结晶处治技术进行详细归纳与总结,并分析其在隧道中的应用现状及未来趋势,为岩溶地区隧道结晶处治提供思路和方向。1岩溶结晶机理与影响因素1.1结晶机理分析詹树高等11 采用 X 射线衍射仪对结晶体矿物的元素组成进行了测定,发现结晶体中最多的化学元素分别为 O,Ca,Mg,其最 主 要 的 矿 物 成 分 为MgCO3和 CaCO3。通过马文镇等12 的研究同样证实了上述结论,并通过现场洞内开窗观察,发现裂隙水与初支接触就会快速出现白色结晶体,但与围岩接触时便没有结晶体出现,从而初步得到结论,
15、结晶体中的离子主要来源于隧道初支混凝土中的 Ca2+与岩溶水中富含的 CO23以及 HCO3。通过上述对于结晶体组分的分析,能够明确其主要化学成分为碳酸盐,而碳酸盐结晶现象的本质就是一种溶液超过溶质溶解度并析出固体物质的化学过程。由于岩溶地区特殊的地质条件,使得极易汇聚大量富含各种成岩离子的岩溶水,当其进入隧道排水管道后,受到排水系统内部与外界环境巨大差异的影响,导致溶液平衡朝着形成沉淀的方向移动如式(1)(2)所示,致使溶质从溶液中以结晶形式大量析出并形成沉淀。Ca2+2HCO3CaCO3+CO2+H2O,(1)Mg2+2HCO3MgCO3+CO2+H2O。(2)1.2结晶影响因素分析结晶的
16、影响因素众多,其中最为主要的影响因素包括 CO2分压、pH 值、温度、水动力因素13 以及离子种类,并且各影响因素之间存在明显的耦合关系。但是,目前针对结晶影响因素的研究大多限于单一因素,少有对复合影响因素进行研究的案例出现。除此之外,施工工艺以及防排水设计14 等因素同样会对结晶造成一定的影响。对各主要影响因361公路交通科技第 40 卷素的分析如表 1 所示。表 1岩溶结晶影响因素分析表Tab.1Analysis table of influencing factors of karst crystallization序号影响因素影响分析参考文献1CO2(1)CO2为结晶沉淀提供了最基本的
17、离子基础。(2)CO2分压大小影响影响结晶沉淀速率。2pH 值pH 值影响溶液中各离子浓度大小,当 pH 值较高时,溶液中 H+含量减小,导致溶液平衡向形成碳酸盐沉淀的方向移动。即当溶液中 pH 值较高时,有利于结晶沉淀;反之,则有利于结晶沉淀溶解。3温度(1)温度升高导致 CaCO3的溶解度降低,更易于 CaCO3的析出。并且温度越高,CaCO3的沉淀速率越快。(2)温度升高导致 CO2的溶解度降低,造成溶液中 CO2的溢出,使溶液平衡朝着结晶沉淀的方向移动。(3)当温度升高导致溶液蒸发,使得 Ca2+浓度升高致使溶液平衡向形成沉淀的方向移动。(4)温度的升高有利于硬度与密度更大的霰石形态形
18、成。4水动力因素根据 DBL 理论,流速越快,结晶沉淀速率越快;反之,则结晶速率越慢。5离子种类(1)岩溶水中所含的大量 Ca2+,Mg2,CO23以及 HCO3等离子是形成结晶沉淀物的直接因素。(2)Na+,K+,Cl,SO24等其他离子在溶液中会发生混合溶蚀现象,间接影响结晶沉淀的形成。6其他因素(1)排水管道坡度越小,结晶沉淀形成速率越快。(2)排水管道材料接触角越大,结晶沉淀形成速率越小。15202结晶处治技术2.1机械法机械法是最为常见的管道堵塞疏通方法之一,其做法主要是利用机械设备直接对堵塞物进行清除。现有的机械法主要包括高压水射流清洗技术以及管道机器人两类。其中高压水射流清洗适用
19、于开放式沟渠以及大管径管道清理中,并不适用于小管径、封闭式、深埋或者预埋的管道中。所以,在隧道结晶处治方面鲜有使用。目前对于隧道岩溶排水管道清洗而言,管道机器人是机械法中较为适用且具备研发潜力的一种新型技术。王传江等21 发明了一种城市污水管道多功能作业机器人,该机器人能够利用超声波传感器以及 CCD 图像传感器实时抓取管道内壁的图像,能够让操作者详细了解到管道内部的具体情况。李磊22 发明了一种适用于隧道排水系统疏通的机器人,该管道机器人能够适应隧道排水系统复杂的结构形式,与现有技术相比此种机器人不仅能够通过工作端(如图 1 所示)对结晶堵塞物进行破碎与清除,还能够对结晶物进行探查并对疏通效
20、果进行监控,有效地提升了作业的精度和效率。虽然管道机器人能够进入小管径管道中进行作业,并能反馈管道的内部情况,从理论上解决了隧道结晶难以观测以及不能有效清除等问题,使其具备良好应用前景,也被认为是未来结晶处治技术的研究方向之一。但管道机器人的推广应用依旧面临不小的挑战。机器人自身的自适应能力、能源供给以及通信传输等2324 均是亟待解决的技术难题。因此,未来的管道机器人研究应侧重上述问题,并有效结合隧道场景,研究出适用于隧道结晶处治的专用机器人。图 1隧道排水系统疏通机器人工作端简图Fig.1Schematic diagram of dredging robot working end in
21、tunnel drainage system461第 5 期龙杰,等:岩溶地区隧道排水系统结晶及处治技术现状分析2.2物理法物理法主要是利用物理手段抑制结晶生长或者清除结晶的方法。物理法能够起到抑制与清洁的双重作用,并且因其具备成本低、操作简单、绿色环保等诸多优势,让其成为一种理想的结晶处治技术25。其中,常用的物理手段主要包括超声波、磁场、电场等。大量学者对此类方法已经进行了深入的研究,此类技术在石油化工26 以及水处理27 等诸多领域得到了广泛的应用。但是,目前还鲜有将此类技术应用于隧道结晶处治的案例出现。究其原因,主要是该技术还无法适配到隧道排水系统这类较为隐蔽且复杂的场景中来,并且缺乏
22、相关试验研究成果以支撑其有效性。但是,物理法作为一种良好的结晶处治技术,在隧道结晶处治及长期预防方面具备研究潜力。2.3化学法化学处治法是工业废水处理、油气开发等领域中最常规的除垢技术。同时也是隧道排水系统除垢技术的良好选择。该方法没有特殊的设备要求,且目前已投入工业生产的化学试剂价格低廉、除垢效果也较为良好。我国早期对化学除垢剂的研究均偏重于除垢效果,但是近年来随着我国对于绿色发展的需要,也为化学除垢剂的发展提出了新的要求。如今对于化学除垢剂的研究不仅需要其具备优良的除垢或清洗效果,还需要满足绿色环保、易降解的要求。同时化学试剂中的部分化学成分会对隧道结构产生一定的腐蚀,其对隧道结构耐久性和
23、结构强度的影响程度也是衡量化学除垢剂好坏的标准之一。其中化学试剂主要可分为清洗剂及阻垢剂两大类别。在清洗剂方面,洪英维等28 借鉴了油气开发领域的相关研究结果,提出使用有机酸溶液作为清洗剂的方法。有机酸可被自然降解且其清洗效果较好,是作为清洗剂的良好选择。在其后续的研究中提出使用浓度 2 000 ppm、重铬酸盐指数为 17.71%的单分子羧酸类有机酸溶剂对岩溶结晶进行清洗的方法29,该清洗溶剂具备易降解和清洗效果良好的优点,且其对于隧道内部的混凝土构件以及排水管道所造成的影响均在可接受范围内。在阻垢剂方面,其主要的作用机理包括螯合增溶作用、阈值作用、分散作用以及晶格畸变作用 4个方面30。其
24、阻垢效果主要来源于聚合物中的各类功能基团31。阻垢剂主要分为天然聚合物阻垢剂以及合成聚合物阻垢剂两大类型。其中聚合物阻垢剂又可分为羧酸类聚合阻垢剂、磺酸类聚合阻垢剂、含磷聚合物阻垢剂以及环境友好型阻垢剂 4 种类型32。阻垢剂分类及代表物质简介如表 2 所示。表 2阻垢剂分类Tab.2Classification of scale inhibitors阻垢剂类别主要物质参考文献天然聚合物阻垢剂天然高分子木质素、淀粉、单宁、壳聚糖(CTS)、拳参提取物、橄榄叶提取物、火龙果溶液33改性高分子淀粉接枝聚丙烯酸(St-g-PAA)、磺化改性单宁、甲基壳聚糖接枝丙烯酸(CMCS-g-PAA)3440合
25、成聚合物阻垢剂聚天冬氨酸(PASP)类阻垢剂聚环氧琥珀酸(PESA)类阻垢剂41432.4生物法生物除垢法主要是利用微生物的代谢活动达到溶解或加速溶解结晶堵塞物的方法。例如在Daniel 等44的研究中,利用苹果酸酶和柠檬脱氢酶固定 CO2形成的苹果酸和异柠檬酸,可以有效地溶解碳酸盐,从而达到除垢的目的。刘再华45通过试验研究发现,CA(碳酸酐酶)对于碳酸盐的溶解具有催化作用,且碳酸酐酶在自然界中广泛存在,且其具有较高活性和稳定性。所以在隧道排水系统中加入碳酸酐酶来达到去除结晶堵塞物的方法,从理论上是行之有效的。但是由于隧道内部环境复杂以及本身也存在大量微生物,碳酸酐酶的加入能否稳定发挥其催化
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