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)
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。
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。
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
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。
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
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。
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.
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