邊坡虹吸排水管內(nèi)空氣積累原因及應(yīng)對措施

孫紅月，熊曉亮，尚岳全，蔡岳良

1.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，杭州 310058 2.浙江大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，杭州 310058

邊坡虹吸排水管內(nèi)空氣積累原因及應(yīng)對措施

孫紅月1，熊曉亮1，尚岳全2，蔡岳良2

1.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，杭州 310058 2.浙江大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，杭州 310058

坡體地下水位上升是誘發(fā)滑坡的重要因素，實時排出地下水是防治邊坡地質(zhì)災(zāi)害的有效手段。虹吸排水具有免動力和流動過程由液位變化自動控制的物理特性，可滿足實時排出坡體地下水的需要,但虹吸管中空氣積累會導(dǎo)致虹吸過程中斷，制約了邊坡虹吸排水技術(shù)的推廣應(yīng)用。溶解于水的空氣因虹吸管內(nèi)壓力降低而釋出是形成氣泡的物理基礎(chǔ)。實驗結(jié)果表明，虹吸進水口水面以上垂直高度3.5 m以上就會出現(xiàn)大量氣泡，經(jīng)過虹吸頂點后，氣泡發(fā)生強烈的兼并形成大氣泡。當(dāng)虹吸管的進出水口的水頭差較大時，氣泡間的水彈容易推動氣泡從出水口排出。當(dāng)虹吸管直徑大于5 mm時，緩慢的虹吸流動，會發(fā)生管內(nèi)氣泡的積累，最終破壞虹吸過程；虹吸管的直徑小于4 mm時，可以形成基本穩(wěn)定的彈狀流。因此，為保持邊坡虹吸過程長期有效，經(jīng)常性降雨并且坡體地下水豐富的地區(qū)可選用直徑為5 mm的虹吸管，非經(jīng)常性降雨的地區(qū)應(yīng)選擇小于等于4 mm的虹吸管。

邊坡；虹吸排水；虹吸管徑；空氣積累；彈狀流

0 引言

大多數(shù)滑坡災(zāi)害是由于降雨引起坡體地下水位上升而誘發(fā)的，特別是堆積層邊坡，其穩(wěn)定性與地下水位變化關(guān)系極為密切。降雨引起坡體地下水位上升是一個累積的過程，單次強降雨過程一般不會導(dǎo)致坡體地下水位大幅上升。但當(dāng)有前期降雨積累時，邊坡巖土飽和度高，此時的強降雨過程會快速抬升坡體的地下水位，引起滑坡發(fā)生。如果能夠適應(yīng)坡體地下水位變化，及時排出坡體地下水，就能有效防止滑坡災(zāi)害發(fā)生。

虹吸排水具有免動力實現(xiàn)水體的高效跨越輸送特征，流量和流動過程由液位變化自動控制，這些物理特性非常適合坡體地下水位控制的需要，理所當(dāng)然地受到人們的關(guān)注：從20世紀(jì)80年代末開始，法國的鐵路和公路建設(shè)相繼出現(xiàn)大量滑坡，隨之展開了邊坡虹吸排水的應(yīng)用研究[1]；Dijon附近一公路由于地下水離路面標(biāo)高只有2 m，造成公路破裂而產(chǎn)生蠕動變形，后采用虹吸排水方法，使地下水位降低至8 m深，從而保證了公路路面的穩(wěn)定[2]；英國懷特島一處古滑坡復(fù)活，于2004年采用深水井排水泵和淺部虹吸排水降低地下水位后，改善了滑坡穩(wěn)定性[3]；捷克和其他一些歐洲國家也使用了邊坡淺部虹吸排水技術(shù)[4]；我國于1996年對湘黔線K93路塹滑坡進行整治的施工期間進行了邊坡淺表部虹吸排水[5]。虹吸排水的相關(guān)研究[2,6-8]包括初始虹吸形成方法、虹吸排水的最大限制高度、虹吸流量計算分析、虹吸孔現(xiàn)場布置設(shè)計、維持虹吸過程的技術(shù)方法和管理要求、虹吸過程破壞后的恢復(fù)方法等，但這些研究沒有解決保障虹吸過程持續(xù)有效問題。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，而且近年來邊坡虹吸排水研究也基本處于停滯狀態(tài)。

邊坡排水是一個長期的過程，需要保持虹吸過程長期有效，一旦出現(xiàn)虹吸過程破壞，對于分散在邊坡環(huán)境中的虹吸排水孔，受交通條件等因素制約，人工恢復(fù)虹吸過程在管理維護上十分困難。大量滑坡的滑體厚度較大，為實現(xiàn)較大的地下水位降深，需要高揚程虹吸，而降雨的間歇性使邊坡虹吸排水的過程也是間歇性，目前應(yīng)用的虹吸技術(shù)在邊坡高揚程間歇性排水過程中，均易出現(xiàn)無法自動恢復(fù)的虹吸過程中斷問題。解決高揚程間歇虹吸排水長期有效保證條件，是邊坡虹吸排水技術(shù)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。

1 虹吸過程氣泡形成特點的模型實驗

當(dāng)虹吸管中出現(xiàn)空氣積累就會導(dǎo)致虹吸過程中斷，要保障虹吸過程長期有效，首先要認(rèn)識虹吸管中出現(xiàn)空氣積累的原因。事實上，在虹吸過程中出現(xiàn)釋出空氣是必然的物理現(xiàn)象，因為水中溶解有空氣。定溫下，空氣在液體中的溶解度sa與該氣體在液面上的平衡分壓pa成正比，其定量關(guān)系可由亨利定律描述：

其中，K為亨利常數(shù)，與溫度、壓力等相關(guān)。

虹吸管水流上升運動過程中，隨著上升高度的增加，管內(nèi)水的壓力pa逐漸減小，從而使氣體在液體中的溶解度sa降低，必然引起溶解于水中的空氣因壓力降低而釋出形成氣泡。

氣泡在水中具有浮力。當(dāng)氣泡直徑小于0.1 mm時，會具有穩(wěn)定的圓球狀，此時浮力作用于圓球狀的頂部，會在頂端點上產(chǎn)生一個使水分子離解的分力，此力隨球的直徑增大而增大。隨著氣泡直徑增大浮力也增大，在頂端產(chǎn)生的離解分子的力大于其表面張力時，則頂端的液面水分子會不斷地被拉開和更新，氣泡就會象斧子一樣不斷地劈開頂端的液膜而上升。計算分析表明[9]，當(dāng)氣泡直徑Φ>25 μm就會發(fā)生上升運動。另外，水中氣泡周圍會形成一層由水分子組成的包膜，此包膜在水的表面張力作用下形成了向內(nèi)收縮的力，其大小隨氣泡直徑的增大而變小。因此，當(dāng)水體內(nèi)兩個氣泡相聚時，較小氣泡內(nèi)的氣體壓力因較大而總要進入大氣泡內(nèi)合為一個更大的氣泡，即氣泡相遇總有不斷合并變大的趨勢。

為了便于觀察虹吸管內(nèi)溶解于水中的空氣逐漸釋出過程，采用圖1的形式進行虹吸過程模擬實驗。實驗基本參數(shù)為：虹吸揚程7.35 m，虹吸管傾角30°，PU虹吸管內(nèi)徑8 mm，虹吸管進出水口的水頭差(Δh)0.45 m。虹吸實驗采用自來水。形成虹吸10 min后，虹吸管的水流達到基本穩(wěn)定，然后在進水口倒入墨水，以便拍攝氣泡的分布特征。

圖1 虹吸過程氣泡形成實驗示意圖Fig.1 Bubble forming in experiment of siphon process

圖2 經(jīng)過虹吸頂點后氣泡逐漸形成局部集中分布特征(距離虹吸頂點約0.1～0.2 m)Fig. 2 Local centralized distribution characteristics of bubbles passing siphon vertex (0.1 to 0.2 m to siphon vertex)

實驗結(jié)果表明：1)以進水管的水面為基準(zhǔn)，距基準(zhǔn)面垂直高度3.5 m處，虹吸管內(nèi)開始明顯有氣泡產(chǎn)生，且數(shù)量較多，直徑小，最大直徑小于0.5 mm。2)隨距基準(zhǔn)面垂直高度的增加，氣泡數(shù)量也快速增加，到距基準(zhǔn)面垂直高度5.4 m處，看到氣泡呈現(xiàn)成串現(xiàn)象，氣泡的最大直徑達到1 mm；隨虹吸高度位置的進一步提高，氣泡數(shù)量也進一步增加，到虹吸頂點7.35 m附近，氣泡成串為普遍現(xiàn)象，但氣泡的最大直徑仍不超過1 mm。3)經(jīng)過虹吸頂點后，虹吸管中的水流由上升轉(zhuǎn)為下降，氣泡的浮力方向與水流方向相反，氣泡隨著水流繼續(xù)流動的同時，其上浮力導(dǎo)致氣泡相對于水流出現(xiàn)反向運動；在經(jīng)過虹吸頂點后的0.2 m長度管段內(nèi)，氣泡發(fā)生強烈的兼并，氣泡數(shù)量減少，單個氣泡體積增大，并且由于大氣泡受水流的推動作用大于小氣泡，出現(xiàn)氣泡的分段集中分布現(xiàn)象(圖2)，每個較大氣泡的前端，集中分布大量小氣泡；經(jīng)過虹吸頂點0.3 m長度管段后，最大氣泡直徑可達4 mm。4)經(jīng)過虹吸頂點1 m長度管段后，絕大多數(shù)小氣泡就只分布在大氣泡的前端，單獨分布的直徑小于2 mm的氣泡極少。5)大量氣泡兼并后，一般單個氣泡的直徑為3～5 mm，它們以非均勻間隔(一般為0.3～0.8 m)分布于虹吸管內(nèi)，在隨水流動過程中進一步兼并，最后形成占滿整個虹吸管(8 mm)的空氣段，并在水頭壓力差推動下隨水流一起運動，進一步兼并前方較小的氣泡，在管內(nèi)形成更長的空氣段，最終流出虹吸管或停留在管內(nèi)并上升到虹吸管頂點附近集聚。

2 虹吸出水管段氣泡運動速度影響因素

經(jīng)過虹吸管頂點以后，由于氣泡的上浮力方向與水流方向相反，氣泡在隨著水流向下運動的同時，還因為自身的上浮力作用產(chǎn)生與水流方向相反的向上相對運動。已有研究[10]表明，在1～5 mm直徑區(qū)間的氣泡上浮速度隨體積的增大而增大；因此，小氣泡沿虹吸管隨水流向下運動的速度小于大氣泡，運動過程中小氣泡有被相對快速運動的大氣泡追上的趨勢。

對于虹吸管流，引起氣泡運動速度差異更重要的因素，還在于不同大小氣泡受到的水流推力的差異。管中氣泡的受力特征如圖3所示，包括氣泡的上浮力fa、水流Q在氣泡上下水頭損失引起的壓力差Δp及其沿氣泡和管壁間流動引起的切應(yīng)力τ。考慮層流的情況，τ可用牛頓內(nèi)摩擦定律表達：

式中：μ為動力黏度；u為流速；y為垂直管壁的距離。

圖3 氣泡受力分析圖Fig.3 Figure of the bubble stress analysis

根據(jù)管道流的一致性，各管段截面的流量相同。因此，氣泡越大，氣泡所在截面的過水?dāng)嗝婢驮叫。鄳?yīng)的流速u就越大。假設(shè)實驗采用的直徑8 mm虹吸管的平均水流為u0，則2 mm直徑氣泡占據(jù)虹吸管1/16的截面積后的平均流速為1.07u0，4 mm直徑氣泡占據(jù)虹吸管1/4的截面積后的平均流速為1.33u0。顯然，對于所研究的虹吸管流，氣泡的直徑和虹吸管徑處于同一數(shù)量級，大氣泡占虹吸管截面積較大，受水流的推動作用十分顯著。試驗觀察中清晰可見，氣泡占管徑的比例越大，氣泡就越能隨水流一起接近同步運動，直至氣泡直徑達到虹吸管的內(nèi)徑，就基本隨水流同步運動，其上浮力完全成為水流的阻力。

受壓力變化的影響，氣泡沿虹吸管向下流動的過程中，體積逐漸減小，相應(yīng)的向下運動速度也逐漸減小。如圖4所示，假定Z1高度處有一直徑為6 mm的氣泡在隨水流向下移動的過程中，一方面因為壓力增加而使氣泡的體積減小，另一方面又因為與其他氣泡兼并而使其體積增大。氣泡在低壓力區(qū)域形成后，隨管內(nèi)的水流向下流動，由于氣泡的體積(V)與氣壓相關(guān)，有

V1p1=V2p2。

1.五千仞岳上摩天；2.天之嬌子；3.十八相送；4.地雷；5.科威特；6.厲娜；7.富春山居圖；8.徐云龍；9.山行；10.夫差；11.蔡婷玉；12.李劼人；13.大阿福；14.只緣身在此山中。

以0平面為基點，假設(shè)氣泡高度Z1=6 m，Z2=2 m，則壓力p1≈40 kPa，p2≈80 kPa。氣泡從Z1流動到Z2，將使氣泡的體積減小到一半。也就是說，一個直徑4 mm的氣泡從Z1點運動到Z2點后，其直徑減小到約3.2 mm。隨著氣泡直徑的減小，運動速度也相應(yīng)降低，容易被后來的大氣泡追上，并發(fā)生兼并。

圖4 氣泡受力分析截面位置Fig.4 Cross-sectional of the bubble stress analysis

3 虹吸管內(nèi)氣泡的兼并與積累

邊坡地下水位受降雨影響，干旱季節(jié)的地下水位可能很低，此時坡體沒有地下水需要通過虹吸排出，所安裝的虹吸排水系統(tǒng)處于停止工作狀態(tài)。當(dāng)下次降雨過程發(fā)生時，降雨入滲引起坡體地下水位上升，需要虹吸排水系統(tǒng)能夠?qū)崟r恢復(fù)工作狀態(tài)。即邊坡虹吸排水系統(tǒng)要求實現(xiàn)間歇性虹吸的持續(xù)性不被破壞，實現(xiàn)該目標(biāo)不僅需要虹吸管具有密封性和進出水管內(nèi)始終有滿管水面，而且需要虹吸過程形成的氣泡不發(fā)生積累。以往研究中對前者探討較多，但對虹吸管內(nèi)空氣積累問題缺乏研究。

經(jīng)過虹吸管頂點后，氣泡隨水流向下流動過程中進一步兼并，形成水彈和氣泡相間的彈狀流。圖5所示為虹吸揚程7.7 m、虹吸管直徑4 mm的氣泡兼并運動觀察結(jié)果。當(dāng)大小2個氣泡與水流一起向下流動時，氣泡受到水流推力和氣泡上浮力的共同作用。因大氣泡基本占據(jù)虹吸管斷面，受到強烈的水流推力作用，實驗觀察到如圖5a所示的結(jié)果：從t1到t2時刻，接近虹吸管直徑的大氣泡的流動距離Δh1大于小氣泡的流動距離Δh2。2個氣泡經(jīng)歷一段時間運動后出現(xiàn)圖5b所示的結(jié)果，2個氣泡兼并形成更大的氣泡。這一大氣泡又會與前方的小氣泡兼并，最后形成占滿管徑的氣泡段(圖5c)。

圖5 氣泡兼并運動模式Fig.5 Bubble merger movement patterns

氣泡兼并過程發(fā)展的最后結(jié)果是在虹吸管內(nèi)形成氣泡和水彈的間隔分布，此時由于氣泡占據(jù)了整個虹吸管斷面，氣泡的表面張力能夠維持氣泡形態(tài)的穩(wěn)定，水流基本無法從氣泡邊緣通過，成為彈狀流(圖5d)。穩(wěn)定彈狀流的水彈能夠推動氣泡同步運動，氣泡最終與虹吸水流一起排出而不會在虹吸管內(nèi)積累。因此，確保虹吸管能夠形成穩(wěn)定的彈狀流是保障虹吸管不產(chǎn)生空氣積累的條件。

對垂直向上流動的彈狀流已有較多的研究，存在2種類型：穩(wěn)定的長液彈及發(fā)展中的短液彈。許多研究者在液彈長度方面做了大量的實驗和理論研究，得出垂直上升流動中最小穩(wěn)定液彈長度為8d～25d(d為管徑)[11]。但在靜態(tài)環(huán)境中，需要的穩(wěn)定液彈長度還會更長，Talvy等[12]利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對相鄰2個Taylor氣泡在靜止液體中上升運動的相互作用進行了研究，發(fā)現(xiàn)液彈長度50d時，還存在氣泡合并現(xiàn)象，液彈長度還沒有穩(wěn)定下來?？梢酝茰y,在垂直下降流中，因浮力方向與水流方向相反，形成穩(wěn)定彈狀流將更困難。

4 穩(wěn)定彈狀流的管徑條件

為了揭示垂直向下穩(wěn)定彈狀流的形成條件，進行了虹吸揚程3.5 m不同管徑的虹吸試驗。取圖4所示的虹吸形式，分別取虹吸管直徑3、4、5和8 mm。保持水桶A的水位高于水桶B。根據(jù)伯努利方程可知，管內(nèi)流速與水頭差成正比。為了便于量測，試驗中取水頭差ΔhAB作為測量參數(shù)。

8 mm直徑虹吸管試驗開始的水頭差取為20 cm，利用虹吸作用使水桶A的水逐漸流入水桶B，ΔhAB逐漸減小。在開始階段ΔhAB較大，虹吸流速較快，盡管虹吸管中產(chǎn)生微小氣泡，但由于小氣泡的上升速度較慢，它們均受水流推動進入到水桶B中，氣泡不在虹吸管內(nèi)積累；隨著虹吸過程的發(fā)展，ΔhAB下降到10 cm后，可見大量小氣泡在出水管內(nèi)停留，并在虹吸管頂點附近出現(xiàn)一個直徑約3 mm的大氣泡；ΔhAB降到8 cm后，虹吸管頂點附近出現(xiàn)的大氣泡已經(jīng)基本占滿整個虹吸管，并受水流推動緩慢下移；當(dāng)其接近到達水桶B時，ΔhAB下降到5 cm，虹吸過程繼續(xù)，但氣泡停止下移，并在經(jīng)歷短暫的停留后，在浮力作用下反水流方向緩慢上升，氣泡呈彈狀，長約4 cm；ΔhAB下降到4 cm后，氣泡上升速度明顯加快，不同直徑的氣泡逐漸在虹吸管頂點附近集聚；保持ΔhAB為4 cm，虹吸管頂點附近的氣泡長度隨時間逐漸增長，變化過程見圖6，氣泡長度(l)隨時間(t)近于線性增長；之后不再保持ΔhAB，使其在虹吸過程中逐漸接近于0，虹吸水流最后停止；再經(jīng)歷24 h后，虹吸管內(nèi)所有氣泡全部上升到虹吸管的頂點附近，氣泡段長度達到了30 cm。由此可見，當(dāng)虹吸管直徑達到8 mm時，在低水頭差的邊坡虹吸排水過程中，會發(fā)生管內(nèi)氣泡的積累，無法形成穩(wěn)定的彈狀流，最終將破壞虹吸過程。

圖6 ΔhAB=4 cm虹吸管頂部氣泡長度隨時間變化Fig.6 Bubble length at the siphon top changing with the time when ΔhAB equal 4 cm

以往的研究[11-12]結(jié)果表明，能否形成穩(wěn)定的彈狀流與管徑有關(guān)。為了考察這種關(guān)系，開展了3、4和5 mm管徑的間歇性虹吸試驗。為保持試驗條件的一致性，將4根虹吸管捆在一起，一端放入水桶A，另一端放入水桶B中。試驗開始的水頭差取20 cm，利用虹吸作用使水桶A的水逐漸流入水桶B中，使ΔhAB逐漸減小到接近0。在第1天每間隔1～2 h從水桶B舀水到水桶A，使ΔhAB出現(xiàn)4 cm左右的水頭差，反復(fù)該過程。觀察虹吸管氣泡分布情況。經(jīng)歷8 h后， 3、4和5 mm虹吸管均在虹吸頂點附近出現(xiàn)集中的氣泡，但集聚的氣泡長度不同，分別為2.5、4.0和5.0 cm。也就是說，虹吸管頂點附近氣泡的集聚速度與管徑成正比。此時在3 mm和4 mm虹吸管中，其他部位還可以看到氣泡分布，而5 mm虹吸管的氣泡則全部分布在頂部。在繼續(xù)實驗到第5天，3、4和5 mm虹吸管在虹吸頂點附近出現(xiàn)的氣泡長度不同，分別為4.5、7.5和10 cm，3 mm和4 mm虹吸管的其他部位仍有氣泡分布，但5 mm虹吸管僅在頂部有氣泡。其后經(jīng)歷30 d停止虹吸流動過程后，3、4和5 mm虹吸管頂部的氣泡長度不同，分別為8、15和18 cm，且3 mm和4 mm虹吸管的其他部位仍有占滿管徑封閉的氣泡分布。

從實驗結(jié)果可以看出：當(dāng)虹吸管的直徑大于等于5 mm時，在低水頭差的緩慢虹吸條件下，不能形成穩(wěn)定的垂直向下彈狀流，氣泡會集中分布到虹吸管的頂部；當(dāng)虹吸管的直徑小于等于4 mm時，可以形成基本穩(wěn)定的彈狀流，雖然虹吸管頂部壓力小，虹吸管內(nèi)未占滿管徑的氣泡全部集中到頂部，但先前形成的已經(jīng)占滿管徑的氣泡，受水彈封閉能穩(wěn)定存在。

再次從水桶B舀水到水桶A，使ΔhAB出現(xiàn)水頭差達到5 cm后，3 mm虹吸管恢復(fù)虹吸;ΔhAB達到8 cm后，4 mm虹吸管恢復(fù)虹吸;ΔhAB達到10 cm后，5 mm虹吸管恢復(fù)虹吸，且其頂部的氣泡也在水流的推動下流出虹吸管。因此，即使經(jīng)歷較長時間停止虹吸流動過程，只要適當(dāng)提高ΔhAB，就可使虹吸流動恢復(fù)，并在流動過程中推動氣泡排出虹吸管。但對于直徑8 mm的虹吸管，經(jīng)過長時間停止虹吸導(dǎo)致頂部形成長氣泡后，需要快速形成較大的水頭差，才能使頂部的氣泡隨水流排出虹吸管，在低水頭差的條件下，氣泡段會發(fā)生非滿管的貼壁流，其結(jié)果是頂部氣泡不被推出，而是在水流帶入的空氣釋出積累后最終徹底破壞虹吸過程。

因此，在邊坡虹吸排水實踐中，需要選擇適當(dāng)?shù)暮缥苤睆?，才能保持虹吸過程長期有效。從實驗結(jié)果可以看出，當(dāng)虹吸管的直徑大于等于5 mm時，在低水頭差的緩慢虹吸條件下，會發(fā)生氣泡集中到虹吸管頂部的作用，而且這種作用是隨管徑的增大而加強。另一方面虹吸管直徑過小，排水的效率就低。綜合考慮空氣積累條件和排水效率，考慮到5 mm管徑條件下空氣積累的程度仍然很低，對于經(jīng)常性降雨并且坡體地下水豐富的地區(qū)，可選用直徑為5 mm的虹吸管；但對于非經(jīng)常性降雨的地區(qū)，為保持虹吸過程的長期有效，應(yīng)選擇小于等于4 mm的虹吸管。

5 結(jié)論

1)虹吸排水具有免動力和流動過程由液位變化自動控制的優(yōu)點，其物理特性非常適合邊坡排水的需要。但因虹吸管頂部附近處于近真空狀態(tài)，溶解于水中的空氣會釋出形成氣泡，如果發(fā)生管內(nèi)空氣積累，虹吸過程就可能被破壞。

2)虹吸進水管距水面以上垂直高度3.5 m處就出現(xiàn)明顯的氣泡，垂直高度5.4 m處就出現(xiàn)成串氣泡，它們經(jīng)過虹吸管頂點后，因氣泡浮力方向與水流方向相反，管內(nèi)氣泡會發(fā)生強烈的兼并形成大氣泡，并在隨著水流向下運動的同時，還因為自身的上浮力作用產(chǎn)生與水流方向相反的相對運動。

3)在極其緩慢的虹吸流動條件下，當(dāng)虹吸管直徑大于4 mm時，在出水管段不能形成穩(wěn)定的彈狀流，會發(fā)生管內(nèi)氣泡的積累。因此，為保持邊坡虹吸過程長期有效，除非坡體地下水豐富需要大直徑虹吸管以滿足大排水量要求外，一般邊坡排水應(yīng)選擇小于等于4 mm的虹吸管。

[1] Bomont S．Back Experience of Deep Drainage for Landslide Stabilization Through Lines of Siphon Drains and Electro-Pneumatics Drains: A French Railway Slope Stabilization Example[C]//Landslides and Engineered Slopes: From the Past to the Future.[S.l.]:CRC Press-Taylar & Fran Crs Group, 2008: 1713-1720.

[2] 張永防，張穎鈞. 虹吸排水應(yīng)用技術(shù)的研究[J].中國鐵道科學(xué),1999,20(3):52-60. Zhang Yongfang, Zhang Yingjun. Research on Siphon Drainage Application Technology[J]. China Railway Science, 1999,20(3):52-60.

[3] Gillarduzzi A．Sustainable Landslide Stabilisation Using Deep Wells Installed with Siphon Drains and Electro-Pneumatic Pumps[C]//Landslides and Engineered Slopes: From the Past to the Future.[S.l.]:CRC Press-Taylar & Fran Crs Group, 2008:1547-1552．

[4] Mrvík O, Bomont S. Experience with Treatment of Road Structure Landslides by Innovative Methods of Deep Drainage[J]. WIT Transactions on Engineering Sciences:Monitoring, Simulation, Prevention and Remediation of Dense and Debris Flows III, 2012,67:113-124.

[5] 張永防，張朝林. 湘黔線K93路塹滑坡虹吸排水工點的試驗研究[J]. 路基工程, 1999 (4):26-30. Zhang Yongfang, Zhang Chaolin. Test Study on Siphon Drainage at Landslide Located at K93 Xiangqian Highway[J]. Subgrade Engineering, 1999(4):26-30.

[6] 舒群，張文德. 虹吸法排除滑坡體中的深層地下水[J].中國西部科技,2005(6):10-12. Shu Qun, Zhang Wende. Excluding Deep Groundwater in Landslide by the Siphon Drainage[J]. Science and Technology of West China,2005(6):10-12.

[7] 姚愛軍，楊宇友，趙艷,等. 不同滲透性的港口岸坡虹吸排水技術(shù)實驗研究[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2006，24(1):130-132. Yao Aijun, Yang Yuyou, Zhao Yan,et al. The Experimental Study of Siphon Drainage Technology on the Harbor Slope Bank with Different Permeability[J]. Journal of Jiamusi University:Natural Science Edition, 2006，24(1):130-132.

[8] 楊宇友，姚愛軍，張在明,等. 岸坡地下水控制技術(shù)的試驗研究[J].巖土力學(xué)，2009,30(8)：2281-2285. Yang Yuyou, Yao Aijun, Zhang Zaiming, et al. Experimental Study of Controlling Groundwater Technology for Bank Slope[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009,30(8)：2281-2285.

[9] 茆晴生.高密度養(yǎng)魚增氧方法分類與溶解氧超飽和度及水中氣泡直徑大小閾值的關(guān)系研討[J]. 漁業(yè)機械儀器,1987(4):3-5. Mao Qingsheng. The High Density of Fish Aerobics Method Classification and the Relationship of Dissolved Oxygen Super-Saturation with the Threshold of Water Bubble Diameter[J]. Fishery Machinery and Instrument, 1987(4):3-5.

[10] 程文，周孝德，郭瑾瓏,等. 水中氣泡上升速度的實驗研究[J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報,2000,16(1):57-60. Cheng Wen, Zhou Xiaode, Guo Jinlong, et al. Experimental Study of the Velocity of Bubble Rising in Water[J]. Journal of Xi’an University of Technology, 2000,16(1)：57-60．

[11] 陳振瑜，李志彪，何利民,等．垂直管氣液兩相彈狀流流動特性研究進展[J]．管道技術(shù)與設(shè)備，2005(4)：3-6． Chen Zhenyu, Li Zhibiao, He Limin,et al. Advance in the Investigation on the Hydrodynamic Characteristics of Gas-Liquid Slug Flow in Vertical Pipes[J]. Pipeline Technique and Equipment, 2005(4)：3-6.

[12] Talvy C A，Shemer L，Barnea D．On the Interaction Between Two Consecutive Elongated Bubbles in a Vertical Pipe[J]．Int J Multiphase Flow，2000, 26:1905-1923．

Pipe Air Accumulation Causes and Its Control Metod in Slope Siphon Drainage

Sun Hongyue1, Xiong Xiaoliang1, Shang Yuequan2, Cai Yueliang2

1.OceanCollege,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China2.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China

Rising slope underground water level is an important factor inducing landslide, real-time discharge groundwater is an effective means to prevent the slope geological disaster. The siphon drainage with no power and flowing process by the change of the liquid level automatic control of the physical properties, which can meet the real time need of slope groundwater discharge. But the straw air accumulation leads to siphon destruction, and restricts slope of siphon drainage technology popularization and application. The air dissolved in the water due to the reduced pressure within the siphon overflow is the physical basis of the bubble forming. The experimental results show that, the siphon water inlet above the water surface of the vertical height of 3.5 m above will appear a large number of bubbles, through siphon vertex, bubble generation strongly merger into large bubbles. When the rainbow straw inlet head difference is bigger, bubble water bomb easily push the air bubbles are discharged from the water outlet. When the rainbow straw diameter is greater than 5 mm, slow siphon flow, occurs within the tube bubble accumulation, eventually destroying the siphon process, rainbow straw with diameter less than 4 mm, can form stable slug flow. Therefore, in order to keep the slope siphon process effective long-term, the rainbow straw can be chosen 5 mm in diameter in regular rainfall and slope ungroundwater rich area and less than or equal to 4 mm in diameter in non recurring rainfall area.

slope; siphon drainage; siphon pipe diameter; accumulation of air; slug flow

10.13278/j.cnki.jjuese.201401205.

2013-07-02

“十二·五”國家科技支撐計劃項目(2012BAK10B06)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(20100101110026)；國家自然科學(xué)基金項目(41272336)

孫紅月(1970-)，女，副教授，博士，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治、巖土體穩(wěn)定性分析方面的教學(xué)與科研工作， E-mail:shy@zju.edu.cn

尚岳全(1958-)，男，教授，博士，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治、巖土體穩(wěn)定性分析方面的教學(xué)與科研工作， E-mail:syq@zju.edu.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201401205

P642.22

A

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.吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版,2014,44(1):278-284.

Sun Hongyue, Xiong Xiaoliang, Shang Yuequan,et al.Pipe Air Accumulation Causes and Its Control Metod in Slope Siphon Drainage.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2014,44(1):278-284.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201401205.