王婷靜，周斌，賴友兵

（1.衢州學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江衢州 324000；2.衢州市公路管理局，浙江衢州 324000）

公路邊坡虹吸排水系統(tǒng)建設(shè)研究

王婷靜1，周斌2，賴友兵2

（1.衢州學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江衢州 324000；2.衢州市公路管理局，浙江衢州 324000）

邊坡虹吸排水具有施工方法簡單、造價(jià)低和破壞坡面范圍小等特點(diǎn)，但應(yīng)用于工程實(shí)際的案例較少。文中結(jié)合205國道K1692+000處邊坡虹吸排水示范工程建設(shè)，分析了建設(shè)虹吸排水孔的角度、孔深、數(shù)量、間距和排水流量等關(guān)鍵問題，介紹了3種虹吸啟動(dòng)方法，并指出了建設(shè)虹吸排水系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。

公路；邊坡；虹吸排水；啟動(dòng)方法

雖然經(jīng)歷20余年的應(yīng)用探索，虹吸排水方法在邊坡工程領(lǐng)域仍沒有得到推廣應(yīng)用，邊坡虹吸排水研究也基本處于停滯狀態(tài)。近年來有些學(xué)者開始對邊坡虹吸排水相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，并取得了一定成果。如孫紅月等對邊坡虹吸排水管內(nèi)空氣積累原因進(jìn)行了分析，提出從虹吸管徑上加以控制可保持邊坡虹吸過程長期有效；任姍姍等探討了虹吸排水過程的數(shù)值模擬方法，建立三維有限元滲流模型計(jì)算并分析了邊坡虹吸排水效果和影響因素；張世華等利用MATLAB優(yōu)越的求解能力對虹吸排水后邊坡內(nèi)的地下水浸潤曲線分布進(jìn)行研究來尋求相對合理有效的虹吸排水孔位置，采用近似的點(diǎn)匯對虹吸排水進(jìn)行處理；趙薦等對虹吸排水的原理、系統(tǒng)建設(shè)施工方法及應(yīng)用效果等進(jìn)行了分析討論。但對公路邊坡虹吸排水系統(tǒng)建設(shè)的研究尚少。該文結(jié)合205國道K1692+000處邊坡虹吸排水示范工程建設(shè)，從排水孔布置、排水流量、啟動(dòng)方法三方面對公路邊坡虹吸排水系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)行研究。

1 虹吸排水孔布置

受地層不均勻性、計(jì)算參數(shù)、計(jì)算公式假設(shè)條件的局限性、排水系統(tǒng)布置的位置和成孔方法不同等因素影響，在理論上難以精確計(jì)算所需排水孔數(shù)量。但在工程應(yīng)用中通過分析水文地質(zhì)資料和選用合理的計(jì)算公式，并適當(dāng)保留安全余度，可以估算出所需虹吸排水孔數(shù)量及參數(shù)。

1.1 鉆孔傾角和孔深

虹吸排水系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的最大跨越揚(yáng)程約10 m，因此鉆孔內(nèi)水位的最大降深與孔口高差不能超過10 m。受限于虹吸自然啟動(dòng)的揚(yáng)程條件，采用垂直鉆孔常常無法滿足地下水降深的要求，一般采用下傾斜孔。根據(jù)潛在滑坡排水降深要求，利用向下傾斜的鉆孔，合理調(diào)節(jié)鉆孔的傾角和深度，可實(shí)現(xiàn)邊坡地下水位的降深要求。如圖1所示，假設(shè)A點(diǎn)為設(shè)計(jì)的控制地下水位，采用垂直式虹吸排水，鉆孔口位于C點(diǎn)，AC之間的垂直高差大于10 m，自然虹吸無法完成；如從B點(diǎn)傾斜鉆孔進(jìn)入坡體內(nèi)部，保證AB 間的垂直高差不大于10 m，即使滑坡地下水位控制點(diǎn)與孔口高差小于10 m，也可實(shí)現(xiàn)虹吸排水系統(tǒng)正常工作。

圖1 傾斜式虹吸排水系統(tǒng)示意圖

考慮到干旱季節(jié)可能會(huì)長時(shí)間無地下水，相應(yīng)地虹吸過程會(huì)有長時(shí)間停止流動(dòng)期，在此期間，虹吸管的頂部會(huì)出現(xiàn)一定長度的氣泡積累，重啟虹吸時(shí)，孔內(nèi)水位需上升到一定高度才能克服管內(nèi)氣泡的影響。為保證邊坡在地下水位適度上升后不會(huì)發(fā)生滑坡，必須預(yù)留一定的地下水位上升量。根據(jù)205國道K1692+000處邊坡虹吸試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)歷連續(xù)100 d虹吸停止期，自然重啟虹吸所需的水位上升余量小于2.1 m。為保證公路邊坡安全，可考慮將與孔口高差6～7 m作為邊坡的控制地下水位。同時(shí)，為保證虹吸過程長期有效，虹吸系統(tǒng)建設(shè)施工應(yīng)滿足如下要求：當(dāng)孔口與孔底相對高差大于11 m時(shí)，

虹吸排水口的高程應(yīng)低于鉆孔口的高程；當(dāng)孔口與孔底相對高差小于11 m時(shí)，虹吸排水的出水口應(yīng)設(shè)置平衡儲(chǔ)水管，確保平衡儲(chǔ)水管的出水口高程高于鉆孔的底部。

1.2 虹吸排水孔數(shù)量

虹吸排水孔應(yīng)盡可能穿過潛在滑動(dòng)面，將地下水位降低到潛在滑動(dòng)面以下。許多滑坡的滑動(dòng)面往往是相對隔水層，滑面以下巖土的滲透性遠(yuǎn)小于滑體。對于這種邊坡，虹吸排水建設(shè)時(shí)可將穿過潛在滑面的虹吸排水孔作為潛水完整井考慮。

虹吸排水應(yīng)達(dá)到的能力為：強(qiáng)降雨過程中入滲引起的地下水位上升高度不能超過控制地下水位，即邊坡地下水最大滲流量不會(huì)超過地下水位到達(dá)坡面時(shí)的滲流量。根據(jù)達(dá)西定律，邊坡橫截面的最大滲流量Q為：

式中：k為邊坡的滲透系數(shù)；h為堆積層厚度；d為排水孔間距；θ為邊坡的坡度。

通過式（1）可估算出排水量，進(jìn)而確定排水孔和虹吸管的數(shù)量。但在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，并非需要攔截全部地下水流量，對于205國道K1692+000處邊坡，虹吸攔截50%的地下水流量就可滿足邊坡穩(wěn)定要求。同時(shí)，對于滲透性很小的黏土類邊坡，不僅需考慮排水的總流量，還應(yīng)考慮排水孔的影響半徑，不宜把排水孔間距設(shè)置過大，只有這樣，才能有效攔截地下水。

1.3 虹吸排水孔間距

虹吸排水孔間距可根據(jù)排水孔的影響半徑來確定，并考慮邊坡的地質(zhì)環(huán)境條件對其進(jìn)行調(diào)整，保證排水孔位之間的影響半徑有部分重疊而形成干擾井。為說明虹吸的排水效果，在此引入攔截比λ，其計(jì)算公式為：

式中：Q、Qs分別為設(shè)置虹吸排水孔前后邊坡的滲流量；A、As分別為設(shè)置虹吸排水孔前后邊坡斷面地下水過水面積。

應(yīng)用式（1）、式（2）對205國道K1692+000處滲透性不同的邊坡在不同潛水位水深下的孔距進(jìn)行理論計(jì)算與工程試驗(yàn)，結(jié)果見表1～4。

表1 排水孔地下水位降深為5 m時(shí)的λ-d關(guān)系

表2 排水孔地下水位降深為10 m時(shí)的λ-d關(guān)系

表3 排水孔地下水位降深為15 m時(shí)的λ-d關(guān)系

表4 排水孔地下水位降深為20 m時(shí)的λ-d關(guān)系

從表1～4可以看出：提高排水孔位的地下水位降深，可減少鉆孔的數(shù)量；在相同排水孔地下水位降深時(shí)，隨著排水孔間距的加大，邊坡斷面地下水滲流量的攔截比迅速下降，滲透系數(shù)越小，攔截比隨排水孔間距下降的速率越大。

2 虹吸排水流量

虹吸排水流量與虹吸管徑、進(jìn)出水口高差、揚(yáng)程等有關(guān)，其關(guān)系見表5、表6。

表5 進(jìn)出水口高差對虹吸流量的影響

表6 揚(yáng)程對虹吸流量的影響

從表5可以看出：無論是4 mm還是5 mm虹吸管，進(jìn)出水口高差小于6 m時(shí)，虹吸流速隨高差的增大而增大；高差大于6 m時(shí)，高差進(jìn)一步增大對虹吸流量的影響很小。

從表6可以看出：無論是4 mm還是5 mm虹吸管，當(dāng)揚(yáng)程大于3 m時(shí)，虹吸流速均隨虹吸揚(yáng)程的增大而快速接近于線性下降；揚(yáng)程小于3 m時(shí)，虹吸揚(yáng)程對虹吸流量的影響較小。

3 虹吸啟動(dòng)方法

常用的虹吸啟動(dòng)方法有出水口抽水、出水口逆向壓水和逆向灌水等。

3.1 出水口抽水法

出水口抽水法是指在出水口安裝抽水設(shè)備，通過缺水啟動(dòng)虹吸。該方法所需時(shí)間短，工作效率高。但當(dāng)鉆孔水位較低或地下水量較少及旱季無水情況下，不宜采用該方法。

3.2 出水口逆向壓水法

出水口逆向壓水法是指在虹吸出水口連接高壓注水設(shè)備，通過人力或電力產(chǎn)生高壓，迫使外界水流進(jìn)入虹吸管，通過虹吸管反向流入坡體，使虹吸管充滿水。借助外力逆向壓水的設(shè)備常用的為農(nóng)用噴霧器。該方法所需設(shè)備簡單，易于操作，適用性更廣，在旱季或地下水位較低的地區(qū)也可使用。

3.3 出水口逆向灌水法

出水口逆向灌水法利用連通管原理，采用U形管進(jìn)行逆向灌水。首先把排水管的出水端按圖2所示布置，開口端高度高于整個(gè)虹吸管的最高點(diǎn)。向管路灌水，使水沿虹吸管反向注入鉆孔內(nèi)，當(dāng)估計(jì)注水充滿孔底儲(chǔ)水管時(shí)停止。反向孔內(nèi)注水停止后，將坡面排水管的注水口（出水口）高度降低至設(shè)計(jì)高程，此時(shí)通過虹吸作用，孔內(nèi)的水會(huì)流出。該方法宜

圖2 U形管逆向灌水示意圖

用于設(shè)備缺乏或虹吸管數(shù)量少的邊坡。

4 結(jié)語

從虹吸排水系統(tǒng)在205國道K1692+000邊坡的示范應(yīng)用效果來看，虹吸排水系統(tǒng)是解決公路邊坡排水的一種有效方法。該文對虹吸排水系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了分析總結(jié)，可為推廣邊坡虹吸排水系統(tǒng)提供依據(jù)和參考，具有十分重要的實(shí)踐作用。

為保證虹吸排水的效率和持久性，除滿足虹吸排水的基本要求外，還應(yīng)注意下列細(xì)節(jié)問題：1）盡可能減小虹吸管頂部水平段長度；2）進(jìn)水口和出水口均應(yīng)保持在地下水位以下；3）盡可能保持各虹吸排水孔的控制水位接近。

［1］ 孫紅月，熊曉亮，尚岳全，等.邊坡虹吸排水管內(nèi)空氣積累原因及應(yīng)對措施［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版，2014，44（1）.

［2］ 任姍姍，尚岳全，何婷婷，等.邊坡虹吸排水?dāng)?shù)值模擬方法及應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32（10）.

［3］ 張世華，孫紅月，熊曉亮，等.基于matlab的邊坡虹吸排水滲流場分析［J］.公路工程，2014，39（5）.

［4］ 趙薦，周斌，蔡岳良.邊坡虹吸排水技術(shù)的工程應(yīng)用［J］.華東公路，2015（2）.

［5］ 任姍姍.邊坡高揚(yáng)程虹吸排水效果與影響因素研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2014.

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