李嘉薏，鄒靜蓉，王 剛，孫毅凱

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

目前用于路基地下排水的設(shè)施主要是滲溝，主要以滲流的方式匯集水流，并就近排出路基外[1-2]，且大多使用的是管式滲溝，采用外有透水性材料(碎石或礫石)作為過(guò)濾層，過(guò)濾層再用土工布包裹起來(lái)的PVC傳統(tǒng)排水盲管。此類(lèi)PVC盲管本身沒(méi)有孔洞，將管材運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)后自行鉆孔，孔徑難以達(dá)到一致，孔隙率較小，排水效率較低。土工布作為防止盲管被淤堵的第一道防線，在水流作用下，細(xì)小土顆粒滲進(jìn)土工布，排水通道逐漸減少，排水效果越來(lái)越差。還出現(xiàn)有土工布被碎石刺破后，反濾層和排水盲管孔被堵塞，嚴(yán)重的導(dǎo)致滲溝失效。因此，提高滲溝的排水效果應(yīng)從兩個(gè)方面著手：一方面提高排水盲溝的排水效率；另一方面選擇土工布與透水性材料組成滲流性更優(yōu)的防護(hù)體系。

在道路工程中，土工合成材料由于自身多樣性，無(wú)論是新建工程還是既有建筑，都已得到廣泛應(yīng)用[3]。其中土工管材有：塑料盲溝、硬式透水管等多種型式。塑料盲溝和網(wǎng)狀PE硬式透水管都是一種由聚合物在熱熔狀態(tài)下，熔接成立體的排水芯體，兩者都具有表面開(kāi)孔率高，集排水性、耐腐蝕性好，且質(zhì)量輕、施工方便[4-6]等優(yōu)點(diǎn)，在排水工程中得到廣泛應(yīng)用。武良金等[5]通過(guò)通水量試驗(yàn)，得出塑料盲溝空隙率越大，通水量就越大的結(jié)論。劉建華等[6]將塑料盲溝與碎石盲溝的通水能力進(jìn)行比較，塑料盲溝都比等截面面積的碎石盲溝排水能力大3倍～5倍。相關(guān)研究人員結(jié)合具體工程項(xiàng)目，論證塑料盲溝等土工合成排水材料代替原有傳統(tǒng)碎石回填材料的可行性[7-8]，認(rèn)為塑料盲溝優(yōu)化后的滲溝施工便利性、工作質(zhì)量及排水效果均優(yōu)于傳統(tǒng)滲溝[9]。曾平安等[10]將硬式透水管在路面基層運(yùn)用，與未設(shè)置路段相比排水效果十分明顯，且可節(jié)約養(yǎng)護(hù)費(fèi)、減少因占道施工而引起的交通擁堵，具有較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。綜上所述，國(guó)內(nèi)對(duì)土工合成排水管的排水特性開(kāi)展一些研究，并取得一定成果，但僅局限于對(duì)滲溝傳統(tǒng)型式下單一排水管的排水能力比較，沒(méi)有考慮土工管材與透水性材料組成不同的滲溝型式對(duì)排水流量的變化影響規(guī)律。

本文通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，在兩種滲溝模型下對(duì)塑料盲溝和硬式透水管與傳統(tǒng)的打孔PVC管排水性能進(jìn)行對(duì)比分析。揭示不同排水管材和填料對(duì)滲溝排水量的變化規(guī)律，提出一種改進(jìn)滲溝使其具有最優(yōu)排水效果，為改進(jìn)滲溝應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 土工排水管材的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

1.1 塑料盲溝的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

塑料盲溝是由塑料芯體外包裹透水土工布組成。塑料芯體是以熱可塑性合成樹(shù)脂為主要原料，經(jīng)過(guò)改性，在熱熔狀態(tài)下，通過(guò)噴咀擠壓出細(xì)的塑料絲條，再通過(guò)成型裝置將擠出的塑料絲在結(jié)點(diǎn)上熔接，形成三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。塑料芯體有圓形中空、圓形多柱支撐、矩形中空、矩形實(shí)心、矩形雙孔等多種結(jié)構(gòu)型式。本次試驗(yàn)采用圓形中空的塑料盲溝，直徑為150 mm，管壁厚32.5 mm，如圖1所示。采用的PVC管直徑為160 mm，按規(guī)范[11]要求打上4排對(duì)稱的直徑8 mm圓孔，縱向間距為75 mm，滿足滲溝排水管要求，見(jiàn)圖2。對(duì)比計(jì)算發(fā)現(xiàn)，塑料盲溝的表面開(kāi)孔率85%是同等長(zhǎng)度PVC管的表面開(kāi)孔率17%的5倍。

1.2 硬式透水管的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

曲紋網(wǎng)狀PE硬式透水管簡(jiǎn)稱硬式透水管，是一種以高密度聚乙烯(HDPE)為主要原料，經(jīng)高溫?cái)D出，冷卻后成型的一種上半部分2/3帶有小孔，下半部分1/3為不帶孔的排水芯體。硬式透水管大多都是圓形中空的結(jié)構(gòu)型式，底部為無(wú)孔部分，有利于集水迅速排出，防止二次滲漏。本次試驗(yàn)采用圓形中空的硬式透水管，直徑為150 mm，壁厚為10 mm，如圖3所示。通過(guò)計(jì)算得到，硬式透水管的表面開(kāi)孔率70%是同長(zhǎng)度PVC管的表面開(kāi)孔率17%的4倍。

表1 試驗(yàn)排水管基本參數(shù)表

圖1 塑料盲溝示意圖

圖2 PVC管示意圖

由廠家提供塑料盲溝和硬式透水管的空隙率分別為70%和85%，表面開(kāi)孔率分別為75%和88%，這也是其排水效果較好的重要原因。另外，由表1可知塑料盲溝和硬式透水管的的單位質(zhì)量是PVC管的一半，在實(shí)際工程中運(yùn)用時(shí)便于施工。

2 滲溝排水性能的初步試驗(yàn)研究

滲溝常用的過(guò)濾層為碎石外包上透水土工布，對(duì)于透水性好的中粗砂也可作為過(guò)濾層材料。為了更好地對(duì)比三種作為滲溝排水管的實(shí)際排水能力，以及不同回填材料對(duì)滲溝排水效果的影響，試驗(yàn)將模擬滲溝實(shí)際排水效果。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1 試驗(yàn)設(shè)備

定制有機(jī)玻璃模型箱尺寸為600 mm×500 mm×850 mm，箱子正面預(yù)留排水管出水口。模型箱底部預(yù)留100 mm用黏土夯實(shí)作為滲溝墊層，上部覆蓋防水膜。排水管和預(yù)留孔的間隙用中性硅酮防霉耐候膠、丁基自粘防水膠帶和PVC冷纏膠帶進(jìn)行填補(bǔ)，防止水流從間隙中流出。試驗(yàn)時(shí)排水管排出的水用電子秤(量程為5 000 g，精度為0.1 g)進(jìn)行稱重，記錄其重量。

2.1.2 試驗(yàn)方案

滲溝的回填透水性材料選用潔凈的碎石、砂土和黏土填充。砂土的顆粒級(jí)配曲線如圖4所示，計(jì)算出不均勻系數(shù)Cu為3.98，曲率系數(shù)Cc為0.79。根據(jù)規(guī)范[12]進(jìn)行土的分類(lèi)，判定砂土為中粗砂。黏土的顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖5，不均勻系數(shù)Cu為16.32，曲率系數(shù)Cc為1.47。試驗(yàn)所用碎石過(guò)16 mm孔徑的篩盤(pán)進(jìn)行篩分，選用粒徑16 mm～40 mm的碎石。通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行基本物理性質(zhì)試驗(yàn)，三者基本物理參數(shù)見(jiàn)表2。

圖4 砂土級(jí)配曲線

圖5 黏土級(jí)配曲線

表2 透水性材料基本物理參數(shù)

為了模擬不同回填材料對(duì)路基滲溝排水效果的影響，分別采用兩種透水材料作為過(guò)濾層。方案1(裝置a)是過(guò)濾層采用透水土工布外包碎石，兩側(cè)填黏土，上部回填砂土的滲溝型式，見(jiàn)圖6。方案2(裝置b)是過(guò)濾層全部采用砂土滲溝型式，如圖7所示。通過(guò)計(jì)算模型箱大小換算最少加入水量為12 L，分別等量增加至16 L、20 L，比較在3組固定水量(12 L、16 L、20 L)下3種排水管的排水性能，試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)方案表

2.2 分析排水管對(duì)滲溝排水性能的影響

按照設(shè)計(jì)方案1，裝置a模型箱中排水管外的透水層為碎石，包上透水土工布后兩側(cè)回填黏土，黏土上方填砂土至滲溝高度，完成飽和后分別加入固定水量12 L、16 L、20 L進(jìn)行排水試驗(yàn)，每0.5 h測(cè)量排水管排出的水量，直至排水結(jié)束。排水管縱坡為2%，變水頭下流量隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖8。

由圖8可知：

(1) 塑料盲溝的排水量最多，其次是硬式透水管，PVC管不論是排水總量還是每0.5 h的排水量都是最少的。塑料盲溝的表面開(kāi)孔率是PVC管的5倍，硬式透水管的表面開(kāi)孔率是PVC管的4倍，且空隙率高，匯水通道相比PVC管的來(lái)說(shuō)更廣。因此，

圖6 方案1試驗(yàn)裝置a圖(單位:cm)

圖7 方案2試驗(yàn)裝置b圖(單位:cm)

在相同水量下前兩者的排水量比后者的大得多。在1 h后每0.5 h硬式透水管排出的水量略高于塑料盲溝的排水量，是因?yàn)槠洫?dú)特的結(jié)構(gòu)：下半部分1/3不透水，相比于塑料盲溝來(lái)說(shuō)，有成型的過(guò)水通道。塑料盲溝芯體全部由長(zhǎng)絲熔接，當(dāng)水量排出一部分后，剩余較少水量匯集到排水管內(nèi)，只能隨著長(zhǎng)絲紋路排出，因此當(dāng)排水量較小時(shí)，塑料盲溝1.5 h后每0.5 h排出水量略低于硬式透水管，1.5 h后排出總水量約為加入水量的3%。

(2) 隨著水量的增加，滲溝的排水效率隨之增加。塑料盲溝的排水效率由84%增加至87%，硬式透水管的排水效率由70%增加至73%，PVC管的排水效率由28%增加至45%，由此得出塑料盲溝和硬式透水管的排水效率約為PVC管的兩倍。由于水頭差的作用，隨著水量的增加，排水管排出水量隨之增加，且0.5 h時(shí)排出水量也是整個(gè)排水期間排水量最多的階段。

(3) 不論水量大小，PVC管排水時(shí)長(zhǎng)只有1.5 h，且1.0 h～1.5 h時(shí)排水量極小。PVC管的排水時(shí)間短、排水量少，與水量大小無(wú)關(guān)。分析原因在于：其表面開(kāi)孔率只有17%，且只有下半截打上了孔，水流需要匯集到最下排孔的高度才能順利排出。而對(duì)于較小水量時(shí)，水流匯集量達(dá)不到底部孔的高度，只能積在滲溝內(nèi)部。長(zhǎng)期如此，路基下方的滲溝內(nèi)部中積水會(huì)給路基帶來(lái)一定危害。

2.3 分析透水性材料對(duì)滲溝排水性能的影響

圖8顯示了在碎石加中粗砂作為過(guò)濾層的滲溝型式下，三種排水管在相同水量下排水效果的對(duì)比。將透水性材料更換為砂土，完成試樣制備、飽和后按照設(shè)計(jì)方案2進(jìn)行排水試驗(yàn)。過(guò)濾層全為砂土的裝置b中分別加入固定水量12 L、16 L、20 L，每0.5 h測(cè)量排水管排出的水量。模型箱中排水管縱坡依舊為2%，變水頭下流量隨時(shí)間變化曲線圖，見(jiàn)圖9。

圖8 方案1裝置a排水量隨時(shí)間變化曲線

由圖9可知：

(1) 對(duì)比排水總量來(lái)說(shuō)，仍是塑料盲溝排出水量最多，其次是硬式透水管，PVC管排出水量依舊最少。但在排水1 h后的每0.5 h硬式透水管排水量略高于塑料盲溝，1 h后至排水結(jié)束硬式透水管排出總水量約為加入水量的13%，而塑料盲溝1 h后至排水結(jié)束排出總水量約為加入水量的8%，因此圖9中2.5 h至排水結(jié)束期間，硬式透水管的排水量趨勢(shì)升高明顯。分析其原因：塑料盲溝芯體全部由長(zhǎng)絲熔接，當(dāng)水量排出一部分后，剩余較少水量匯集到排水管內(nèi)，只能隨著長(zhǎng)絲紋路排出，因此水量較小時(shí)，排出水量略低于硬式透水管。而硬式透水管有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)——下半部分1/3不透水，相比于塑料盲溝來(lái)說(shuō)，有成型的過(guò)水通道，因此水量較小時(shí)，排出水量略高于塑料盲溝。結(jié)合圖8與圖9，說(shuō)明無(wú)論何種過(guò)濾層，三種排水管材的排水總量從大到小依次為塑料盲溝、硬式透水管、PVC管。

圖9 方案2裝置b排水量隨時(shí)間變化曲線

(2) 過(guò)濾層全部為砂土的裝置b排水總量比回填碎石加黏土加砂土的裝置a多，其中PVC管的較為明顯。在相同水量條件下，塑料盲溝的排水效率增加約3%，硬式透水管的排水效率增加約13%，PVC管的排水效率增加約33%。

PVC管在裝置a和裝置b中的排水量差異明顯，說(shuō)明不同回填材料對(duì)PVC管的影響較大。為了更好地分析其差異，在排水試驗(yàn)過(guò)程中記錄排水量的同時(shí)，對(duì)同一位置測(cè)量其含水率，含水率隨時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖10。從圖10可以看出，裝置a和裝置b的初始含水率并不一致，分別為11.0%和13.4%，分析原因?yàn)樗髀窂酱嬖诓町悾瑢?dǎo)致初始含水率不同，但開(kāi)始排水后的含水率變化趨勢(shì)亦能體現(xiàn)排水過(guò)程中回填材料對(duì)PVC管的影響。在裝置a中，PVC管前1.5 h含水率隨時(shí)間的增加近似呈線性減小關(guān)系，而1.5 h后含水率變化曲線變化極小。在裝置b中，PVC管前1 h含水率線性減小，后1 h內(nèi)含水率均勻減小?？傮w來(lái)說(shuō)，PVC管式滲溝前1.0 h～1.5 h水流下滲很快，而1.5 h后裝置a水流下滲速度很慢，裝置b水流下滲速度均勻減小，與模擬排水試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)。分析主要原因：裝置a中在碎石層兩側(cè)填上黏土，其空隙率僅有18%，但其土顆粒排列緊密，顆粒間距小。由砂土下滲的水流到黏土層后，能很快匯集到碎石過(guò)濾層中。因此在排水試驗(yàn)過(guò)程中，裝置a的出水時(shí)間比裝置b的短。盡管碎石的空隙率大于50%，有較好的透水性。但碎石顆粒間距較大，匯水能力較差，碎石層中的水流路徑較長(zhǎng)，難以全部匯集至開(kāi)孔率較小的PVC管中。而裝置b中全為砂土，其空隙率有37%，土顆粒排列較緊密，透水性較好，且顆粒間距小，匯水能力好，且水流直接由砂土中的空隙下滲至PVC管中。

開(kāi)始排水試驗(yàn)時(shí)水流渾濁，裝置a比裝置b更為渾濁，排水結(jié)束后水流清澈，裝置a和裝置b排出水的渾濁變化圖見(jiàn)圖11、圖12。隨著時(shí)間的增加，

圖10 含水率隨時(shí)間變化曲線

圖11 裝置a排出水的渾濁變化圖

圖12 裝置b排出水的渾濁變化圖

水流逐漸清澈，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，亦是如此。這是因?yàn)樵谒畨毫Φ淖饔孟?，水流?jīng)過(guò)濾層匯流至排水管，部分細(xì)顆粒透過(guò)土工布從排水管道內(nèi)排出，而較多無(wú)法透過(guò)土工布的粗顆粒與往后的細(xì)顆粒形成一層天然的過(guò)濾層。過(guò)濾層不僅減少了相鄰?fù)翆拥募?xì)顆粒的流失，還保證水流暢通，最終形成一種反濾結(jié)構(gòu)[13]。排水試驗(yàn)結(jié)束后，塑料盲溝和硬式透水管芯體上附著細(xì)小顆粒和淤泥，但并未將排水管的孔堵塞，且兩者空隙率高，即使有部分淤堵，對(duì)整個(gè)排水影響也較小。以上結(jié)果說(shuō)明，不同回填材料對(duì)塑料盲溝和硬式透水管的影響較小，對(duì)PVC管的影響較大，PVC管更適合采用砂土等顆粒間距適中的透水性回填材料。

3 結(jié) 論

本文展開(kāi)了一系列滲溝組成材料的基本性能試驗(yàn)和模擬滲溝排水的試驗(yàn)，對(duì)塑料盲溝、硬式透水管和PVC管三者進(jìn)行比較，研究了在不同回填透水性材料組合的滲溝型式下的變化規(guī)律，所得結(jié)論如下：

(1) 塑料盲溝和硬式透水管由于表面開(kāi)孔率和空隙率比PVC管的大得多，排水效率更大。模擬排水試驗(yàn)表明，塑料盲溝和硬式透水管按一定的縱坡埋設(shè)至滲溝中，能有效完成集水、排水的功能。塑料盲溝芯體為全長(zhǎng)度透排水，硬式透水管芯體2/3透排水，兩者自帶孔隙，且有自動(dòng)過(guò)濾、擋土的功能。

(2) 通過(guò)對(duì)三種排水管在不同透水性回填材料進(jìn)行模擬排水試驗(yàn)，獲得以下初步成果：

① 排水管自身的特性和透水性材料的滲透性影響滲溝的排水性能。排水能力從大到小依次為塑料盲溝、硬式透水管、PVC管。

② 水頭對(duì)排水量影響起主控作用。無(wú)論是何種管材，何種透水性材料，隨著水量、水頭的增加，0.5 h的排水量隨之增加。

③ 考慮到排水效果，對(duì)于地下水豐富的路基，推薦采用PVC管全回填砂土的滲溝類(lèi)型，對(duì)于地下水較少的路基，推薦采用塑料盲溝和硬式透水管回填砂土和碎石的滲溝類(lèi)型。

研究成果可為進(jìn)一步研究三種排水管實(shí)際工程運(yùn)用的排水效率評(píng)估及其長(zhǎng)期淤堵性、耐久性的研究提供參考。