錢麗英，徐建勇

（浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，杭州　310006）

山區(qū)公路富水高邊坡處治排水技術(shù)研究

錢麗英，徐建勇

（浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，杭州310006）

邊坡虹吸排水技術(shù)是利用虹吸原理并對(duì)其進(jìn)行深化，將潛藏于坡體內(nèi)部的地下水排出，從而達(dá)到穩(wěn)定坡體的目的。闡述邊坡虹吸排水技術(shù)工作原理，并介紹該技術(shù)在205國(guó)道邊坡處治和運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

邊坡處治；虹吸排水技術(shù)；應(yīng)用研究

降雨會(huì)引起坡體地下水位上升從而誘發(fā)坡體滑動(dòng)。單次強(qiáng)降雨一般不會(huì)導(dǎo)致坡體地下水位大幅上升，但當(dāng)有前期降雨積累時(shí)，邊坡巖土飽和度高，此時(shí)強(qiáng)降雨會(huì)快速抬升坡體的地下水位，引起滑坡發(fā)生［1］。因此，如果能夠適應(yīng)坡體地下水位變化，及時(shí)排出坡體地下水，就能有效防止滑坡災(zāi)害發(fā)生。

虹吸排水物理特性非常適合富水邊坡排水的需要。它具有免動(dòng)力實(shí)現(xiàn)水體高效跨越輸送的特征，能夠適應(yīng)坡體地下水位變化，并及時(shí)排出深層坡體內(nèi)的地下水，適用于排出邊坡深部地下水，并能保持排水措施長(zhǎng)期穩(wěn)定有效。與傳統(tǒng)邊坡抗滑處治方法相比，邊坡虹吸排水處治方法具有對(duì)自然環(huán)境破壞小、不宜產(chǎn)生2次地質(zhì)災(zāi)害、施工方法簡(jiǎn)單安全、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

早在1996年，我國(guó)已有工程開(kāi)始嘗試應(yīng)用虹吸排水技術(shù)［2-3］，隨后10余年間虹吸排水理論和技術(shù)得到一定程度發(fā)展［4-9］，但仍處于探索階段，其在公路邊坡方面的工程應(yīng)用成果較少。本文以具有代表性的205國(guó)道浙江段山區(qū)富水邊坡工程為例，介紹其邊坡防滑加固處治過(guò)程中采用的虹吸排水設(shè)計(jì)并對(duì)其進(jìn)行研究，為相關(guān)工程提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和參考。

1　邊坡虹吸排水技術(shù)介紹

1.1基本原理及邊坡虹吸排水系統(tǒng)構(gòu)造

邊坡虹吸排水技術(shù)是利用并深化了虹吸原理，將潛藏于坡體內(nèi)部的地下水排出，從而達(dá)到加固坡體的目的，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1　邊坡虹吸排水原理示意

1.2各點(diǎn)位高程控制原則

A點(diǎn)必須深入地下水位線，且進(jìn)入穩(wěn)定的巖體內(nèi)2 m，這樣才能有效將潛在滑動(dòng)面的地下水及時(shí)排出。

B點(diǎn)高程應(yīng)高于A點(diǎn)12 m左右。正常大氣壓強(qiáng)能提供虹吸的高差約10 m，無(wú)法支持將距離A點(diǎn)2 m以下的水排出，這樣就能保證A端頭的儲(chǔ)水管內(nèi)始終有水。豐水季節(jié)時(shí)，地下水位上漲，排水管能將高于A點(diǎn)2 m以上的地下水順利排出；枯水季節(jié)時(shí)，地下水位以下水的存在可防止空氣進(jìn)入排水管，此時(shí)B點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)真空段，虹吸作用停止，但來(lái)年豐水季地下水位上升后，虹吸作用仍可自動(dòng)繼續(xù)產(chǎn)生。

C點(diǎn)為出水口，其高程必須在A點(diǎn)以下，A、C兩點(diǎn)的水頭差是虹吸作用的動(dòng)力。同時(shí)C點(diǎn)處排水槽也應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的儲(chǔ)水裝置，以確?？菟九潘芏祟^依然能浸沒(méi)在水中，防止空氣進(jìn)入排水管。

1.3虹吸排水系統(tǒng)工作狀態(tài)

虹吸排水系統(tǒng)安裝完畢且初始虹吸引導(dǎo)完成后，系統(tǒng)將進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)?？菟緯r(shí)，A、C端均有儲(chǔ)水裝置，以確保排水管內(nèi)不會(huì)進(jìn)入空氣。且隨著水位下降虹吸作用停止，并在最高處形成一個(gè)真空區(qū)域，出現(xiàn)兩側(cè)各自平衡?？菟竞缥潘到y(tǒng)平衡狀態(tài)見(jiàn)圖2。

圖2　枯水季虹吸排水系統(tǒng)平衡狀態(tài)

進(jìn)入豐水季后，滑坡體內(nèi)地下水位上升，真空區(qū)域逐漸減小且最終消失，虹吸排水系統(tǒng)重新恢復(fù)工作。其將穩(wěn)定巖面以上地下水排出，起到穩(wěn)定滑坡體的作用。豐水季虹吸排水系統(tǒng)重新進(jìn)入工作狀態(tài)見(jiàn)圖3。

圖3　豐水季虹吸排水系統(tǒng)重新進(jìn)入工作狀態(tài)

2　虹吸排水系統(tǒng)在205國(guó)道上的應(yīng)用

2.1工程實(shí)例

205國(guó)道浙江段是連接安徽和福建2省的重要通道。開(kāi)化段改造示范工程第1合同段K1691+ 880～K1692+120段左側(cè)邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，2005 年6月，邊坡錨噴表面出現(xiàn)裂縫，部分邊坡表面鋼筋被拉斷，在邊坡頂出現(xiàn)50～200 cm高的錯(cuò)臺(tái)。同年8月，采用邊坡卸載、坡腳設(shè)擋墻與路線外移的方案處理邊坡。2012年3月，邊坡護(hù)面墻出現(xiàn)裂縫，6月路面局部拱起，山坡頂有裂縫、錯(cuò)臺(tái)產(chǎn)生，山體滑坡征象明顯，經(jīng)虹吸排水處治后，2013年9月整體上已基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

坡體碎石土層厚度大，特別是邊坡中部碎石土層厚度可達(dá)50 m以上。碎石土巖性復(fù)雜，常常間夾大塊石或粘性土層，穩(wěn)定性易受地下水位變化的影響。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，工程施工期間鉆孔地下水埋深5.8～43.5 m，地下水以上坡體無(wú)明顯穩(wěn)定的隔水層。地下水接受降雨補(bǔ)給，向坡腳河谷排泄。雨季時(shí)地下水位上升，并在坡體局部形成上層滯水；旱季時(shí)坡體地下水位較深，除坡腳附近坡段外，邊坡地下水位一般大于30 m。

2.2滑坡處治措施

2.2.1虹吸排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為及時(shí)排出坡體內(nèi)深部地下水，提高邊坡的穩(wěn)定性，進(jìn)行邊坡處治設(shè)計(jì)時(shí)，在K1691+880～K1692+ 120段邊坡設(shè)置了虹吸排水系統(tǒng)。另外，在滑坡面上布置了1條地下水位監(jiān)測(cè)剖面，在剖面上打設(shè)了5個(gè)垂直水位監(jiān)測(cè)孔，其打入深度深入地下水位面10 m以上，并布置了5臺(tái)水位記錄儀，見(jiàn)圖4。鉆進(jìn)過(guò)程中禁止使用泥漿護(hù)壁措施。

圖4　K1691+880～K1692+120段邊滑坡虹吸排水與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置

在坡底以上20 m處及上部滑坡體后緣邊界線以上10 m處分別設(shè)置了2排虹吸排水孔。虹吸排水孔采用107 mm的鉆機(jī)傾斜成孔，傾斜角60°（鉆桿與垂線夾角），鉆孔間距5 m，深度取16 m或深入中風(fēng)化巖層2 m。鉆孔前，先少量鉆孔，待對(duì)取出的土樣（巖樣）進(jìn)行分析后，再根據(jù)實(shí)際需要對(duì)鉆孔深度和角度進(jìn)行調(diào)整。埋設(shè)時(shí)，須將虹吸管進(jìn)水端及孔底儲(chǔ)水管一并插入孔底。虹吸管出水端應(yīng)插入外集水器中，以便通過(guò)內(nèi)外水頭差及虹吸作用，將滑坡體內(nèi)的地下水排出滑坡體，從而達(dá)到提高滑坡體穩(wěn)定性的目的。

2.2.2虹吸排水系統(tǒng)安裝

每個(gè)虹吸排水孔布置3根排水管，排水管為外徑6 mm、內(nèi)徑4 mm的PU管。排水管在鉆孔內(nèi)的部分需外套直徑5 cm的透水管。透水管需外包無(wú)紡?fù)凉げ?，以免?xì)沙侵入而影響排水效果。透水管一端深入1 m長(zhǎng)的孔底儲(chǔ)水管且確保深入儲(chǔ)水管底部。

2.2.3BC段排水管構(gòu)造

BC段排水管由3根外徑6 mm、內(nèi)徑4 mm的PU管組成，其負(fù)責(zé)坡體外水的輸送。BC段排水管見(jiàn)圖5。

圖5　BC段排水管橫截面示意

2.2.4AB段排水管構(gòu)造

AB段排水管在BC段排水管的基礎(chǔ)上，外套直徑5 cm的透水管。透水管外側(cè)包裹無(wú)紡?fù)凉V布，以防止泥沙侵入透水管。在AB段端頭（A點(diǎn)處）設(shè)置1根長(zhǎng)100 cm、直徑6 cm且一端開(kāi)口的HDPE儲(chǔ)水管。排水管構(gòu)造見(jiàn)圖6。

圖6　AB段排水管構(gòu)造示意

其中AB段透水管外裹土工布，以防止砂石侵入儲(chǔ)水管從而堵塞排水管；雨季時(shí)，HDPE儲(chǔ)水管集中儲(chǔ)存地下水以使其能從排水管順暢排出；旱季時(shí)，儲(chǔ)水管內(nèi)的存留水能保持排水管端頭始終浸沒(méi)在水中而不接觸空氣，因?yàn)槿绻^(guò)量空氣進(jìn)入排水管，則虹吸作用將停止。

邊坡鉆孔形成后，將PU排水管與透水管一起插入到鉆孔底部。由于K1691+880～K1692+120段邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆孔過(guò)程中常常需要實(shí)時(shí)跟進(jìn)套管以防止孔壁坍塌。因此，拔出套管時(shí)，為避免磨損排水管，對(duì)套管拔出方式進(jìn)行了改進(jìn)。即鉆孔成孔后，及時(shí)將安裝好的孔底儲(chǔ)水管與透水管插入孔底，然后拔出套管，最后將PU排水管穿于直徑2 cm的PVC管中，使PU排水管與PVC管一起插入透水管并到達(dá)孔底。PU管達(dá)到孔底時(shí)，進(jìn)水口與孔底需3～5 cm間距，以防止排水管進(jìn)口堵塞。

為保證排水管能長(zhǎng)期使用，安裝時(shí)需將AB段PU管外套PVC管埋入土中，以防止其老化，并需避免碎石土塊等的擠壓。另外，需將BC段PU管引至集水槽中，且上覆土和水泥，這樣才不會(huì)影響邊坡后期其他加固處治。

排水管出水端安裝時(shí)，需設(shè)置集水槽及三角堰。集水槽用于收集虹吸管排出的水，并可對(duì)流量和流速進(jìn)行監(jiān)測(cè)。修建點(diǎn)位于坡腳擋墻附近。在集水槽一端設(shè)置三角堰，其用于流量監(jiān)測(cè)。

邊坡虹吸排水系統(tǒng)建設(shè)前，為確保其效果，須先打設(shè)地下水位監(jiān)測(cè)孔，以了解地下水位埋深。由于K1691+880～K1692+120段邊坡地下水位監(jiān)測(cè)結(jié)果與原地質(zhì)報(bào)告有較大差別，中上部滑坡體地下水位埋深均大于30 m，不適合布設(shè)虹吸排水孔。邊坡處治設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到K1691+880～K1692+120段邊坡地下水位埋深的實(shí)際情況，以及地下水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響特點(diǎn)，將該邊坡上排虹吸排水孔全部下移到下排虹吸排水孔位置。

3　監(jiān)測(cè)成果

3.1孔壓計(jì)初步監(jiān)測(cè)結(jié)果

虹吸排水系統(tǒng)排水過(guò)程中，對(duì)孔壓計(jì)的即時(shí)水深進(jìn)行了讀數(shù)并換算，得到其孔中水深隨時(shí)間的變化曲線，見(jiàn)圖7。由圖7可以看出，每h孔內(nèi)垂直水位下降約為1～2 cm。

3.2水位計(jì)及雨量計(jì)初步監(jiān)測(cè)結(jié)果

2013年7—9月，對(duì)K1691+880～K1692+120段邊坡5個(gè)地下水位監(jiān)測(cè)孔中的地下水位及降雨量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8可以看出，監(jiān)測(cè)期間降雨量較小，地下水位監(jiān)測(cè)孔中水位下降較為明顯，少量降雨不足以影響地下水位變化。

3.3虹吸排水量初步監(jiān)測(cè)結(jié)果

2013年9月13日K1691+880～K1692+120段邊坡全部虹吸管初始啟動(dòng)，開(kāi)始排水。9月13日記錄水表讀數(shù)為2 m3，9月14日傍晚達(dá)到6 m3，9月23日再次觀測(cè)，得到排水總流量為49 m3?；诖耍?jì)算其日平均排水量約為4 m3。

3.4邊坡變形監(jiān)測(cè)

2013年9月14日變形直讀儀架設(shè)與安裝全部完工，并開(kāi)始實(shí)施監(jiān)測(cè)。3個(gè)邊坡直讀儀讀數(shù)變化如表1所示。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，2013年9月14日—2013年9月23日期間，邊坡總體較為穩(wěn)定，無(wú)明顯變形。

圖7　K1691+880～K1692+120段XK23中水深隨時(shí)間變化曲線（虹吸排水開(kāi)始階段）

圖8　K1691+880～K1692+120段ZK4地下水位埋深及降雨量變化

表1　K1692邊坡直讀儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4　結(jié)論

1）虹吸排水系統(tǒng)適合于排除邊坡地下水。作為邊坡、滑坡整治工程中一項(xiàng)新型工程措施，虹吸排水系統(tǒng)可以單獨(dú)使用，也可以和其他工程措施一起使用。

2）虹吸排水系統(tǒng)布設(shè)只需采用小型鉆機(jī)就能完成排水井的打孔作業(yè)，且只需要使用土工布、塑料管、鍍鋅水管及配件、水泥、磚和少量鋼筋等建筑材料。該系統(tǒng)施工方法簡(jiǎn)單、造價(jià)低，并具有破壞坡面范圍小、維修養(yǎng)護(hù)方便等特點(diǎn)。

3）使用虹吸排水系統(tǒng)時(shí)，須保證進(jìn)水口（裝有儲(chǔ)水管）和出水口（裝有三角堰箱）常年都浸沒(méi)在水中，并須選擇正確的虹吸管徑，且需合理施工，以保證虹吸排水系統(tǒng)能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到實(shí)時(shí)排出坡內(nèi)深層地下水的目的。

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Study on Water Rich High Slope Treatment and Water Drainage for Mountainous Roads

QIAN Liying，XU Jianyong

Siphon drainage technology for slope adopts further improved siphon theory，it helps drain out ground water hidden inside slope to stabilize slope.This essay demonstrates working rules of siphon drainage technology and introduces application of this technology in slope treatment and operation monitoring for State Highway 205.

side slope treatment；siphon drainage technology；application study

1009-6477（2016）04-0006-04

U416.1+4

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.002

2016-02-18

錢麗英（1966-），女，浙江省紹興市人，碩士，高工。