公路邊坡虹吸排水系統(tǒng)建設研究

王婷靜，周斌，賴友兵

（1.衢州學院建筑工程學院，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)建設研究

王婷靜1，周斌2，賴友兵2

（1.衢州學院建筑工程學院，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、造價低和破壞坡面范圍小等特點，但應用于工程實際的案例較少。文中結(jié)合205國道K1692+000處邊坡虹吸排水示范工程建設，分析了建設虹吸排水孔的角度、孔深、數(shù)量、間距和排水流量等關(guān)鍵問題，介紹了3種虹吸啟動方法，并指出了建設虹吸排水系統(tǒng)時應注意的事項。

公路；邊坡；虹吸排水；啟動方法

雖然經(jīng)歷20余年的應用探索，虹吸排水方法在邊坡工程領域仍沒有得到推廣應用，邊坡虹吸排水研究也基本處于停滯狀態(tài)。近年來有些學者開始對邊坡虹吸排水相關(guān)技術(shù)進行研究，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，采用近似的點匯對虹吸排水進行處理；趙薦等對虹吸排水的原理、系統(tǒng)建設施工方法及應用效果等進行了分析討論。但對公路邊坡虹吸排水系統(tǒng)建設的研究尚少。該文結(jié)合205國道K1692+000處邊坡虹吸排水示范工程建設，從排水孔布置、排水流量、啟動方法三方面對公路邊坡虹吸排水系統(tǒng)建設進行研究。

1 虹吸排水孔布置

受地層不均勻性、計算參數(shù)、計算公式假設條件的局限性、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算所需排水孔數(shù)量。但在工程應用中通過分析水文地質(zhì)資料和選用合理的計算公式，并適當保留安全余度，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)可實現(xiàn)的最大跨越揚程約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的揚程條件，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，可實現(xiàn)邊坡地下水位的降深要求。如圖1所示，假設A點為設計的控制地下水位，采用垂直式虹吸排水，鉆孔口位于C點，AC之間的垂直高差大于10 m，自然虹吸無法完成；如從B點傾斜鉆孔進入坡體內(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與孔口高差小于10 m，也可實現(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)可能會長時間無地下水，相應地虹吸過程會有長時間停止流動期，在此期間，虹吸管的頂部會出現(xiàn)一定長度的氣泡積累，重啟虹吸時，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發(fā)生滑坡，必須預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，為保證虹吸過程長期有效，虹吸系統(tǒng)建設施工應滿足如下要求：當孔口與孔底相對高差大于11 m時，

虹吸排水口的高程應低于鉆孔口的高程；當孔口與孔底相對高差小于11 m時，虹吸排水的出水口應設置平衡儲水管，確保平衡儲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

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

虹吸排水應達到的能力為：強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超過地下水位到達坡面時的滲流量。根據(jù)達西定律，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，進而確定排水孔和虹吸管的數(shù)量。但在工程實踐中發(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，對于滲透性很小的黏土類邊坡，不僅需考慮排水的總流量，還應考慮排水孔的影響半徑，不宜把排水孔間距設置過大，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，其計算公式為：

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

應用式（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行理論計算與工程試驗，結(jié)果見表1～4。

表1 排水孔地下水位降深為5 m時的λ-d關(guān)系

表2 排水孔地下水位降深為10 m時的λ-d關(guān)系

表3 排水孔地下水位降深為15 m時的λ-d關(guān)系

表4 排水孔地下水位降深為20 m時的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，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、進出水口高差、揚程等有關(guān)，其關(guān)系見表5、表6。

表5 進出水口高差對虹吸流量的影響

表6 揚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，進出水口高差小于6 m時，虹吸流速隨高差的增大而增大；高差大于6 m時，高差進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，當揚程大于3 m時，虹吸流速均隨虹吸揚程的增大而快速接近于線性下降；揚程小于3 m時，虹吸揚程對虹吸流量的影響較小。

3 虹吸啟動方法

常用的虹吸啟動方法有出水口抽水、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備，通過缺水啟動虹吸。該方法所需時間短，工作效率高。但當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備，通過人力或電力產(chǎn)生高壓，迫使外界水流進入虹吸管，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備常用的為農(nóng)用噴霧器。該方法所需設備簡單，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虹吸管的最高點。向管路灌水，使水沿虹吸管反向注入鉆孔內(nèi)，當估計注水充滿孔底儲水管時停止。反向孔內(nèi)注水停止后，將坡面排水管的注水口（出水口）高度降低至設計高程，此時通過虹吸作用，孔內(nèi)的水會流出。該方法宜

圖2 U形管逆向灌水示意圖

用于設備缺乏或虹吸管數(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)的建設經(jīng)驗進行了分析總結(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，還應注意下列細節(jié)問題：1）盡可能減小虹吸管頂部水平段長度；2）進水口和出水口均應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)空氣積累原因及應對措施［J］.吉林大學學報：地球科學版，2014，44（1）.

［2］ 任姍姍，尚岳全，何婷婷，等.邊坡虹吸排水數(shù)值模擬方法及應用［J］.巖石力學與工程學報，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)的工程應用［J］.華東公路，2015（2）.

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

U416.1

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2016-06-17