盛小濤，顧纈琴，定培中，李少龍，朱國勝，嚴 敏

(1.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2.長江航道規(guī)劃設計研究院 工程檢測中心，武漢 430011)

岸坡水平排水孔現(xiàn)場試驗及地下水監(jiān)測成果分析

盛小濤1，顧纈琴2，定培中1，李少龍1，朱國勝1，嚴 敏1

(1.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2.長江航道規(guī)劃設計研究院 工程檢測中心，武漢 430011)

為研究岸坡水平排水孔技術的排水效果，在長江中游航道江陵高灘守護工程中布置水平排水孔現(xiàn)場試驗段。在布置盲溝等傳統(tǒng)排水措施基礎上，增設不同深度的采用可拆換式過濾體的水平排水孔，與僅采用傳統(tǒng)排水措施的工程比較排水效果，檢驗水平排水技術的有效性與可操作性。監(jiān)測成果表明，岸坡內水位與長江水位變化關系密切:在江水位上漲階段，江水流向岸坡，與岸坡地下水形成補給關系;然而在江水位下降階段，岸坡地下水流向長江，形成排泄關系。增加水平排水孔后，岸坡排水效果要優(yōu)于僅采用常規(guī)盲溝試驗段的排水效果，孔深為15 m方案的排水效果要優(yōu)于孔深為8 m的排水效果。研究表明岸坡水平排水孔起到了較好的排水減壓作用。

水平排水孔；岸坡；地下水；可拆換式過濾體；現(xiàn)場試驗

1 研究背景

長江中游河床和河漫灘大都是第四紀疏松沉積物，河岸地形地質條件復雜。岸坡地層結構主要有3種類型[1]：①均一砂性土層結構；②砂性土與黏性土組成的二元結構；③砂性土與黏性土互層的多元結構。岸坡土層固結程度低，砂性土層透水能力強。

相當多的工程實踐經驗證實，地下水對岸坡穩(wěn)定性產生重要影響[2]。在長江航道岸坡整治工程中，主要是通過盲溝、排水墊、砂墊層等表層排水措施排水，其效果十分有限。根據相關工程經驗[3-7]及李少龍等[8]的數值模擬成果，水平排水孔可以加速疏干岸坡深部的地下水，對于多元結構地層岸坡更具針對性。為此，建立了三維滲流模型模擬排水孔的作用效果。為探索水平排水孔成孔施工工藝、材料及結構工藝，驗證排水效果，為數學模型分析提供工程實例觀測資料，本文依托2014年度斗湖堤水道江陵高灘守護工程，選擇地質條件典型岸坡布置了岸坡水平排水試驗段。

2 現(xiàn)場試驗方案

2.1 工程概況

斗湖堤水道高灘守護工程方案主要是守護對太平口水道的臘林洲低灘和三八灘中下段，以穩(wěn)定水流，改善航道條件。試驗段所在區(qū)域位于南星洲下游側左岸高漫灘，為一寬緩平臺，高程38.01～40.42 m。漫灘后緣(東側)建有一弧形子堤，堤高約3.0 m；西側為長江岸坡，走向近南北向，岸坡坡角一般為30°～40°，局部略陡，試驗期正在進行護坡施工[9]。

2.2 場區(qū)工程地質條件

場區(qū)內地層由上到下依次為：①黃褐色粉質黏土；②黃褐-灰褐色粉質黏土；③青灰色粉細砂層。①，②層粉質黏土層內均夾有粉細砂薄層，而③層粉細砂層內夾有粉質黏土薄層。根據室內滲透試驗分析，粉質黏土層滲透系數取值范圍為(1.49～8.23)×10-6cm/s，呈微透水性。粉細砂層為中等透水性，滲透系數范圍為(3.5～7.0)×10-3cm/s。由于粉質黏土層內往往夾粉細砂薄層，故實際透水性較試驗值要略高；而粉細砂層中多夾粉質黏土薄層，實際透水性較試驗值要略低。

該試驗段歷年實測的長江最高水位為38.31 m(1998年8月17日)，低于場區(qū)平臺，最低水位為22.65 m(1972年2月3日)，最大水位變幅為15.66 m。

2.3 現(xiàn)場試驗方案

現(xiàn)場試驗需結合實際工程進行。在傳統(tǒng)排水措施基礎上，在試驗段增加布置水平排水措施，與僅采用傳統(tǒng)排水措施的工程比較排水效果，檢驗水平排水技術的有效性與可操作性,現(xiàn)場試驗方案見表1。方案1在傳統(tǒng)盲溝的基礎上，增設水平排水孔，孔深為15 m，間距為5 m；方案2為傳統(tǒng)盲溝方案，不布置水平排水孔；方案3與方案1類似，孔深減小至8 m。通過將方案1和方案3分別與方案2對比，研究增設水平排水措施后的排水效果;通過方案1與方案3對比，進一步研究孔深對排水效果的影響。試驗段各材料(黏土、砂土、海綿體)滲透系數見表2。

表1 現(xiàn)場試驗方案Table 1 Plan of worksite test

表2 試驗段各材料滲透系數Table 2 Coefficients of permeability of different materials in test section

本項目共3個現(xiàn)場試驗段，各試驗段順河道水流方向相鄰布置，從而保證3個試驗段地層結構相同或盡可能相近以便于對比。圖1為現(xiàn)場試驗方案布置的示意圖。

圖1 現(xiàn)場試驗方案布置示意圖Fig.1 Layout of site test scheme

水平排水孔由外管和濾芯2部分組成，濾芯淤堵后可以更換，便于維護和延長使用壽命[10-11]。外管為外徑90 mm的PVC塑料管，壁厚4.2 mm，外管靠近出口端600 mm為實管，靠近邊坡深處為花管，花管長度分為8 m和15 m 2種，花管開孔率為20%，外包2層40目尼龍濾網。在每個水平排水孔口設置逆止閥[12]，以防江水倒灌。濾芯為外徑50 mm的PE管鉆成開孔率20%的花管，外包泡沫塑料過濾體，外徑80 mm。為提高排水效果，實際施工鉆孔時以5°仰斜角鉆進。水平排水孔結構見圖2。

圖2 水平排水孔結構Fig.2 Structure of horizontal drainage hole

2.4 試驗段監(jiān)測方案

3個試驗段及監(jiān)測設施平面布置見圖3。分述如下。

2.4.1 1#試驗段

圖4 不同監(jiān)測斷面監(jiān)測儀器布置Fig.4 Arrangement of monitoring instruments in different monitoring sections

1#試驗段位于設計斷面0+450至0+525，總長度75 m，在傳統(tǒng)盲溝排水設施的基礎上，按孔深15 m、孔徑90 mm、孔距5 m布置16個水平排水孔，排水孔孔口高程32.65 m，枯水平臺高程31.60 m。各監(jiān)測斷面探頭布置見圖4，共埋設3支水壓力探頭(分別用1-0，1-1，1-2表示，其余2個斷面表示方法相同)，其中岸坡內埋設2支水壓力探頭(探頭編號1-1和1-2)，用于實時監(jiān)測岸坡的地下水位，2支探頭距排水孔孔口水平距離分別為15.5 m和3 m;在距離岸坡頂100 m處埋設1支探頭(探頭編號1-0)，用來監(jiān)測岸坡遠處的地下水位，可以為數值模擬分析時提供邊界水位條件。

群眾史觀是中國共產黨的群眾觀點和群眾路線最為直接的理論根基。在建設中國特色社會主義的新時期、新形勢下，對于如何貫徹落實黨的十八大報告中關于開展群眾路線教育實踐活動、做好新形勢下群眾工作的精神，真正踐行黨的群眾史觀，在應然方面為我們提出了新要求。

2.4.2 2#試驗段

2#試驗段位于設計斷面0+525至0+625，長100 m，僅布置傳統(tǒng)盲溝排水設施。2#監(jiān)測斷面位于2#試驗段正中間。2#監(jiān)測斷面岸坡內在與1#監(jiān)測斷面相同部位埋設2支水壓力探頭，用于監(jiān)測岸坡地下水位變化情況。

2.4.3 3#試驗段

3#試驗段位于設計斷面0+625至0+700，長75 m，在傳統(tǒng)盲溝排水設施的基礎上，按孔深8 m、孔徑90 mm、孔距5 m布置16個水平排水孔。在枯水平臺下面高程31.37 m處埋設1支探頭用來監(jiān)測長江的水位變化情況。

圖5 不同監(jiān)測斷面水位變化過程線Fig.5 Variations of water level of different monitoring sections

3 監(jiān)測成果及分析

監(jiān)測儀器采用美國In-Situ公司生產的LEVELTROLL500型滲壓計，精度為0.05%(凈量程)，可同時測量水壓力和水溫。埋設后，設定讀數頻率為每4 h自動讀取1次，監(jiān)測日期為2015年5—12月份，完整地獲取了2015年汛期水位上升和汛后水位下降過程的監(jiān)測數據。3個監(jiān)測斷面的水位變化過程線見圖5。長江水位均采用埋設于3#斷面的3-3探頭測值。

3.1 長江水位變動情況

從3-3探頭所測長江水位變化情況來看，長江水位在2015年汛期可分為2個主要階段。第1階段：從2015年6月9日起上漲淹沒枯水平臺，至7月2日達到最高水位36.75 m后下始下降，7月15日降至低點33.25 m后回升至35.03 m(7月17日)，此后在8月4日回落到枯水平臺以下。第2階段：2015年8月8日江水位開始上漲淹沒枯水平臺，至9月11日漲至高點34.76 m，此后開始回落，至10月12日，降于枯水平臺以下?？傮w上監(jiān)測到江水位2次大的降落，從3個斷面埋設于岸坡內的探頭監(jiān)測情況來看，岸坡內水位與長江水位變化關系密切，水位過程線呈現(xiàn)較好的規(guī)律性?？傮w上來看，在試驗段區(qū)域范圍，地下水與長江為排泄關系；在岸坡范圍內，當長江水位上漲時，江水向岸坡土體補給，而在江水位下降時，岸坡地下水流改變?yōu)橛砂镀孪蜷L江排泄，詳述如下。

3.2 遠離岸坡地下水水位變動情況

圖6單獨給出了遠離岸坡100 m的1-0和3-0探頭所測的地下水位與江水位的過程線，從圖中可以看出，距離岸坡較遠處的地下水位在整個觀測期始終高于長江水位，表明試驗段的區(qū)域地下水位較高，呈現(xiàn)地下水向長江排泄的態(tài)勢。1#監(jiān)測斷面和3#監(jiān)測斷面遠離岸坡處的初始水位存在一定的差距，可能是由于施工等因素干擾所致，隨著時間的推移，兩者差距逐漸縮小，到2015年8月以后兩者已基本接近。

圖6 遠離岸坡地下水位與江水位變化過程線Fig.6 Variations of groundwater level and river water level monitored far from bank slope

3.3 岸坡淺部地下水變化規(guī)律

3個監(jiān)測斷面的2#探頭均埋設于邊坡淺部，距離排水孔口水平距離為3 m，垂直埋深不足1 m，通過該探頭的水位監(jiān)測情況可以分析岸坡淺層地下水位的變化規(guī)律。從圖7中可以看出，地下水位隨著長江水位的變化而同步變動，且差值極小，存在較強的相關性。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因為監(jiān)測點的埋深淺、距離水邊界近。當江水位上漲時，入滲迅速，導致水位快速上漲，而江水位下落時，排水通暢，水位快速回落，始終與江水位保持同步，入滲和排泄條件均較好。

圖7 岸坡淺部地下水位與江水位變化過程線Fig.7 Variations of groundwater level and river water level in shallow bank slope

3.4 岸坡深部地下水變化規(guī)律

3個監(jiān)測斷面的1#探頭均埋設于邊坡較深部，距離排水孔口水平距離為15.5 m，垂直埋深約4 m，通過該探頭的水位監(jiān)測情況可以分析岸坡深層地下水位的變化規(guī)律。從圖8中可以看出，岸坡深部地下水位仍隨長江水位的漲落而起伏，但不完全同步，在長江水位變幅劇烈時有1～2 d的滯后，在江水位呈下降趨勢時滯后時間進一步延長，甚至在江水位降低很長時間以后，坡體仍保持有較高的地下水位。其變化規(guī)律可以從水位上漲和水位下降2個方面進行分析，圖9給出了江水位上漲(6月30日—7月5日)和下落(7月10—15日)較劇烈的2個典型時段水位變化過程線。

圖8 岸坡深部地下水位與江水位變化過程線Fig.8 Variations of groundwater level and river water level in deep bank slope

圖9 各斷面1#監(jiān)測點地下水位與江水位變化過程線對比Fig.9 Water level process lines of Yangtze river and groundwater at monitoring point #1 of three sections

從圖9(a)看出，2015年6月30日—7月5日江水位從34.25 m上漲至35.25 m，日均上漲0.2 m，各監(jiān)測斷面的1#測點均不同程度上漲，但均低于長江水位，表明江水流向岸坡，為補給關系。按水位上漲程度從大至小依次為1#，3#，2#監(jiān)測斷面。由于水平排水孔的孔口設有逆止閥防止江水倒灌，江水上漲期逆止閥是封閉的[6]，因此岸坡地下水上漲的速度差異應該與排水孔無關，具體原因還有待分析。

從圖9(b)看出，2015年7月10—15日江水位從35.25 m下降至33.47 m，平均降速0.35 m/d，各監(jiān)測斷面的1#測點水位均不同程度下降，水位降落程度從大至小依次為1#，3#，2#監(jiān)測斷面，江水下降期逆止閥是打開的，可以充分排水，從監(jiān)測結果可知，排水效果按優(yōu)劣順序可排序為：1#試驗段(15 m深排水孔+盲溝)、3#試驗段(8 m深排水孔+盲溝)、2#試驗段(盲溝)，表明水平排水孔起到了較好的排水降壓作用。

3.5 現(xiàn)場巡視檢查情況

2015年8月15日現(xiàn)場下載監(jiān)測數據時，對水平排水孔的出水情況進行了巡視檢查，此時長江水位低于排水孔孔口水位約40 cm，現(xiàn)場可見排水孔均有水流流出，設置15 m深排水孔的試驗段的出流量要比8 m深排水孔試驗段的出流量更明顯。由于巡檢時氣溫極高，排出的水很容易蒸發(fā)，而且出流量不大，流量難以測量，只能定性描述。

4 結 論

(1) 岸坡內水位與長江水位變化關系密切，監(jiān)測成果反映了在江水位上漲階段江水補給岸坡，而在江水位下降期地下水向長江排泄的關系。從遠離岸坡地下水監(jiān)測情況來看，距離岸坡較遠處的地下水位在整個觀測期始終高于長江水位，表明試驗段的區(qū)域地下水位高于長江水位，岸坡地下水向長江滲流。

(2) 長期監(jiān)測成果表明，采用水平排水孔+盲溝的試驗段，其排水效果比僅采用盲溝排水的試驗段好，岸坡地下水水位下降速度較快，水平排水孔發(fā)揮了較好的排水減壓效果， 有利于岸坡穩(wěn)定。

(3) 現(xiàn)場3個監(jiān)測斷面成果的對比表明，增加水平排水孔后，岸坡排水效果要優(yōu)于僅采用常規(guī)盲溝試驗段的排水效果，孔深為15 m方案的排水效果要優(yōu)于孔深為8 m方案的排水效果。但受施工條件限制，本次現(xiàn)場試驗未針對不同孔距及孔徑的排水效果影響進行試驗驗證，可在今后開展這方面的現(xiàn)場試驗工作。

為了保障實際工程安全，考慮到水平排水孔是初次應用，3個試驗段都布置了盲溝措施。單獨采用排水孔措施時作用效果如何，能否滿足岸坡排水的要求，尚有待進一步的深入研究。

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(編輯：黃 玲)

Horizontal Drainage Holes in Bank Slope:In-situ Test and Groundwater Monitoring

SHENG Xiao-tao1, GU Xie-qin2, DING Pei-zhong1, LI Shao-long1, ZHU Guo-sheng1, YAN Min1

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010, China; 2.Engineering Quality Inspection Center,Changjiang Waterway Planning Design and Research Institute, Wuhan 430011, China)

In the aim of investigating the drainage effect of horizontal drainage holes in bank slope, in-situ tests were carried out on a bank slope of Yangtze River through arranging horizontal drainage holes of different depths with replaceable filter. The drainage effects were compared with that of blind ditch to validate the effectiveness and operability of drainage holes. Results of water level monitoring suggest that the water level in bank slope is closely related with that of the Yangtze River: when river water level rises, groundwater of bank slope is recharged; whereas when river water level declines, groundwater of bank slope discharges to the river. We conclude that horizontal drainage holes have good effect in drainage and pressure reduction. The drainage effect of bank slope in the presence of drainage holes is better than that of conventional blind ditch; and the effect of drainage holes of 15m depth is superior to that of 8m depth.

horizontal drainage hole; bank slope; groundwater; replaceable filter; in-situ test

2016-05-28;

2016-08-11

盛小濤(1987-)，男，湖北黃岡人，工程師，碩士，主要從事滲流及地下水環(huán)境研究，(電話)027-82820385(電子信箱)shengxiaotao@163.com。

10.11988/ckyyb.20161264

TV223.4;TU413

A

1001-5485(2017)02-0094-05

2017,34(2):94-98