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        單向排水管在庫(kù)岸邊坡模型中的實(shí)驗(yàn)研究

        2015-01-12 09:01:12許年春羅照鑫蔡文意曾天奇
        重慶建筑 2015年10期
        關(guān)鍵詞:庫(kù)岸單向排水管

        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(kù)區(qū)水位每年都會(huì)反復(fù)上漲與消落,庫(kù)水位的消落對(duì)庫(kù)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(kù)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(kù)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(wú)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(yè)的材質(zhì)均為不銹鋼,合頁(yè)的兩片頁(yè)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(yè)轉(zhuǎn)動(dòng),下緣打開,坡體內(nèi)的水流通過(guò)水管排出;當(dāng)庫(kù)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(kù)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(kù)岸邊坡支擋結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),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(guò)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(méi)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(guò)檢驗(yàn),制作出的單向排水管滿足要求。

        3 庫(kù)岸邊坡室內(nèi)模型

        為了驗(yàn)證單向排水管對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的提高效果,在實(shí)驗(yàn)室制作庫(kù)岸邊坡模型,圖3為庫(kù)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(kù)水,通過(guò)水位增加和減少來(lái)模擬庫(kù)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Γ瑢⒅谱骱玫膯蜗蚺潘苈裰糜?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(guò)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(guò)濾層,然后填土將過(guò)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(kù)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(lái)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(méi)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(méi)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?。?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(guò)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](méi)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(guò)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(kù)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(kù)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(kù)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(kù)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(kù)水位漲落對(duì)庫(kù)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(kù)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(kù)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(kù)水位變動(dòng)下的庫(kù)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.

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