許年春，羅照鑫，蔡文意，曾天奇

（重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

由于防洪和發(fā)電需要，三峽庫區(qū)水位每年都會(huì)反復(fù)上漲與消落，庫水位的消落對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定造成十分不利的影響[1-4]。

排水管是邊坡支擋結(jié)構(gòu)體系中一個(gè)不可或缺的組成部分，排水管的作用是及時(shí)排出坡體內(nèi)的水流，減小坡體內(nèi)外水頭差，邊坡支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般要求按2m的間距梅花形布置排水管[5]。

常規(guī)排水管為直通PVC管，當(dāng)庫水位上升時(shí)，其恰恰成為了水流進(jìn)入坡體的最順暢通道，因此大量的水得以進(jìn)入坡體孔隙內(nèi)，而當(dāng)庫水位迅速下降時(shí)，孔隙水不能及時(shí)排走，邊坡內(nèi)外形成較高的水頭差，水頭差在坡體內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)水壓力，大幅降低邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，在很多情況下邊坡的失穩(wěn)就是由于水頭差引起。

因此，在坡體外水位升降無法改變的情況下，設(shè)計(jì)出一種經(jīng)濟(jì)、耐用、可靠的單向排水管，使坡體外水位上升時(shí)，進(jìn)入坡體內(nèi)的水減少，同時(shí)保證坡體外水位下降時(shí)坡體內(nèi)孔隙水能及時(shí)排走，這將能明顯提高邊坡的穩(wěn)定性，降低邊坡支擋費(fèi)用。

1 單向排水管的制作

1.1 設(shè)計(jì)圖

圖1為單向排水管的設(shè)計(jì)圖，為保證在水中不銹蝕，套管、蓋板和合頁的材質(zhì)均為不銹鋼，合頁的兩片頁板采用氬弧焊分別與不銹鋼套管和蓋板連接，磁鐵7、8采用環(huán)氧樹脂分別固定在蓋板內(nèi)側(cè)和套管內(nèi)壁，硅膠墊圈采用硅膠粘接在蓋板上。

圖1 單向排水管設(shè)計(jì)圖

在實(shí)際工程應(yīng)用中，將單向排水管埋入混凝土擋墻中，由于7、8磁鐵的吸力，套管口通常處于閉合狀態(tài)，當(dāng)由于降水引起邊坡中孔隙水壓力增大時(shí)，在內(nèi)水頭的作用下，克服磁鐵吸力，蓋板繞合頁轉(zhuǎn)動(dòng)，下緣打開，坡體內(nèi)的水流通過水管排出；當(dāng)庫水位上升時(shí)，在外水壓力作用下，蓋板更加牢固地蓋住管口，有效阻止水流進(jìn)入坡體。

當(dāng)庫水位上升較大時(shí)，蓋板將承受較大的壓力，蓋板的設(shè)計(jì)厚度為3mm，以承受至少40m深的水頭壓力。為了防止水壓下硅膠墊圈被套管切破，采用粘接環(huán)氧樹脂的方法，使套管口壁厚增加至5mm以上。

1.2 成品圖

圖2為單向排水管的成品圖，與常規(guī)排水管相比，單向排水管主要是前部增加了防進(jìn)水的蓋板和套管，套管長(zhǎng)度120mm，內(nèi)徑90mm，蓋板厚度2mm，可見制作蓋板和套管所需的不銹鋼量很少，材料成本增加不多，主要成本為人工成本。經(jīng)估算，實(shí)驗(yàn)合格后批量化生產(chǎn)，蓋板和套管的制作成本可控制在40元/個(gè)以內(nèi)，按每4m2布置一個(gè)單向排水管計(jì)算，排水管成本增加值為10元/m2，對(duì)于抗滑樁、重力式擋墻等庫岸邊坡支擋結(jié)構(gòu)來說，幾乎微不足道。

圖2 單向排水管成品圖

2.3 單向排水效果檢驗(yàn)

將制作好的單向排水管浸入水池，檢驗(yàn)封水效果，在磁鐵的吸力和外水壓力作用下，蓋板與套管始終處于閉合狀態(tài)，經(jīng)過一段時(shí)間有少量水滲入管內(nèi)。將單向排水管取出后，用毛巾擦拭干凈，從PVC管口向里面灌水，當(dāng)水量較少時(shí)，蓋板與套管仍處于閉合狀態(tài)，觀察到縫隙處有緩慢漏水現(xiàn)象，當(dāng)最大積水深度達(dá)到約5cm時(shí)，蓋板下緣被突然沖開，水全部流出。

有少量、緩慢滲水或漏水是因?yàn)楣枘z墊圈與套管口沒有完全密封。實(shí)際上，當(dāng)外水頭增加時(shí)，蓋板上的作用力增大，密封效果會(huì)增強(qiáng)，滲水現(xiàn)象會(huì)減少直至消失，而漏水現(xiàn)象對(duì)于坡體內(nèi)水流排出是有利的。

因此，通過檢驗(yàn)，制作出的單向排水管滿足要求。

3 庫岸邊坡室內(nèi)模型

為了驗(yàn)證單向排水管對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的提高效果，在實(shí)驗(yàn)室制作庫岸邊坡模型，圖3為庫岸邊坡室內(nèi)模型圖，模型采用磚墻砌筑而成，模型分為I室、II室，I室填土用于模擬邊坡體，II室灌水用于模擬庫水，通過水位增加和減少來模擬庫水位的升降。模擬圖3(a)為磚墻砌筑平面尺寸圖，I室、II室之間為370磚墻，用于模擬邊坡?lián)鯄?，將制作好的單向排水管埋置?70磚墻的下部。

I室先填土至單向排水管口以下5cm處，在排水管口設(shè)置

過濾網(wǎng)，網(wǎng)后堆放碎石，按其粒徑由大到小依次放置，作為過濾層，然后填土將過濾層覆蓋，再在填土表面安放土壓力盒，如圖3(b)所示，同時(shí)在I室中心位置處安放水壓力計(jì)，土壓力盒和水壓力的數(shù)據(jù)線均須引出室外。繼續(xù)填土，分層壓實(shí)，直至將I室填滿。

圖3 庫岸邊坡室內(nèi)模型圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

測(cè)試所使用的土壓力盒為振弦式壓力計(jì)，如圖5所示，直徑約10cm，量程1.0MPa。振弦式壓力計(jì)根據(jù)土壓力作用前后振弦頻率的變化來計(jì)算出土壓力值，當(dāng)不考慮溫度修正時(shí)，土壓力計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：k為振弦系數(shù)，測(cè)試所用土壓力盒k=3.98×10-4kPa/Hz2；

f0為初始頻率值，在填土前已測(cè)得為1398.64Hz。

圖5 測(cè)試所用土壓力盒

第一次測(cè)試時(shí)，單向排水管處于正常工作狀態(tài)，對(duì)II室灌水，觀察土壓力盒與水壓力計(jì)的數(shù)值，均沒有明顯的變化，與前面的單向排水效果檢驗(yàn)一致，可以判定沒有水流入I室。

第二次測(cè)試時(shí)，為模擬常規(guī)排水管，將單向排水管蓋板人為打開（用繩子拉住），并對(duì)II室不斷加水，隨著水流進(jìn)入I室，水壓力計(jì)讀數(shù)增大，當(dāng)水壓力計(jì)讀數(shù)最終穩(wěn)定后（達(dá)到最大值），從II室舀水，使水位下降，水流從I室流出。記錄水位下降過程中土壓力盒的讀數(shù)值。

圖6 兩次測(cè)試土壓力值

圖6為兩次測(cè)試記錄的土壓力值，圖中的土壓力值系根據(jù)式（1）計(jì)算得出，由圖可見，第一次測(cè)試時(shí)，因?yàn)闆]有水流入I室，II室水位下降時(shí)墻背土壓力值一直為4.45kPa，第二次測(cè)試時(shí)，因水流的進(jìn)入，土壓力值增大到5.05kPa，當(dāng)II室水位下降時(shí)土壓力值出現(xiàn)了明顯的增加，土壓力值峰值為7.05kPa，之后隨著水位的進(jìn)一步下降，土壓力值開始減小，最終仍然穩(wěn)定在5.05kPa左右。

5 結(jié)論

通過排水效果檢驗(yàn)，制作出的單向排水管能有效實(shí)現(xiàn)單向排水。庫岸邊坡室內(nèi)模型的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)采用常規(guī)排水管時(shí)，隨著庫水位的上升，作用擋墻背的土壓力值會(huì)有一定的上升。當(dāng)庫水位下降時(shí)，由于產(chǎn)生了動(dòng)水壓力，作用擋墻背的土壓力值增加了約40%。采用單向排水管，能有效阻止庫水進(jìn)入邊坡體，對(duì)于減小擋墻背的土壓力值，降低邊坡支擋費(fèi)用有顯著的效果。

[1]羅紅明，唐輝明，章廣成，等.庫水位漲落對(duì)庫岸滑坡穩(wěn)定性的影響 [J].地球科學(xué) (中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào))，2008（05）:687-692.

[2]李曉，張年學(xué)，廖秋林，等.庫水位漲落與降雨聯(lián)合作用下滑坡地下水動(dòng)力場(chǎng)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，21:3714-3720.

[3]柳群義，朱自強(qiáng)，何現(xiàn)啟，等.水位漲落對(duì)庫岸滑坡孔隙水壓力影響的非飽和滲流分析[J].巖土力學(xué)，2008（S1）:85-89.

[4]蔣秀玲，張常亮.三峽水庫水位變動(dòng)下的庫岸滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010（06）:38-42.

[5]重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì).GB50330-2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.