路基滲溝排水性能試驗研究

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)作為過濾層，過濾層再用土工布包裹起來的PVC傳統(tǒng)排水盲管。此類PVC盲管本身沒有孔洞，將管材運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場后自行鉆孔，孔徑難以達到一致，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，細小土顆粒滲進土工布，排水通道逐漸減少，排水效果越來越差。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)的防護體系。

在道路工程中，土工合成材料由于自身多樣性，無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，在排水工程中得到廣泛應(yīng)用。武良金等[5]通過通水量試驗，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)護費、減少因占道施工而引起的交通擁堵，具有較好的社會經(jīng)濟效益。綜上所述，國內(nèi)對土工合成排水管的排水特性開展一些研究，并取得一定成果，但僅局限于對滲溝傳統(tǒng)型式下單一排水管的排水能力比較，沒有考慮土工管材與透水性材料組成不同的滲溝型式對排水流量的變化影響規(guī)律。

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

1.1 塑料盲溝的結(jié)構(gòu)與特點

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脂為主要原料，經(jīng)過改性，在熱熔狀態(tài)下，通過噴咀擠壓出細的塑料絲條，再通過成型裝置將擠出的塑料絲在結(jié)點上熔接，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、矩形實心、矩形雙孔等多種結(jié)構(gòu)型式。本次試驗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，見圖2。對比計算發(fā)現(xiàn)，塑料盲溝的表面開孔率85%是同等長度PVC管的表面開孔率17%的5倍。

1.2 硬式透水管的結(jié)構(gòu)與特點

曲紋網(wǎng)狀PE硬式透水管簡稱硬式透水管，是一種以高密度聚乙烯(HDPE)為主要原料，經(jīng)高溫擠出，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，底部為無孔部分，有利于集水迅速排出，防止二次滲漏。本次試驗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。通過計算得到，硬式透水管的表面開孔率70%是同長度PVC管的表面開孔率17%的4倍。

表1 試驗排水管基本參數(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，在實際工程中運用時便于施工。

2 滲溝排水性能的初步試驗研究

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

2.1 試驗設(shè)計

2.1.1 試驗設(shè)備

定制有機玻璃模型箱尺寸為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冷纏膠帶進行填補，防止水流從間隙中流出。試驗時排水管排出的水用電子秤(量程為5 000 g，精度為0.1 g)進行稱重，記錄其重量。

2.1.2 試驗方案

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

圖4 砂土級配曲線

圖5 黏土級配曲線

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路基滲溝排水效果的影響，分別采用兩種透水材料作為過濾層。方案1(裝置a)是過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，見圖6。方案2(裝置b)是過濾層全部采用砂土滲溝型式，如圖7所示。通過計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，試驗方案見表3。

表3 試驗方案表

2.2 分析排水管對滲溝排水性能的影響

按照設(shè)計方案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進行排水試驗，每0.5 h測量排水管排出的水量，直至排水結(jié)束。排水管縱坡為2%，變水頭下流量隨時間變化曲線見圖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。塑料盲溝的表面開孔率是PVC管的5倍，硬式透水管的表面開孔率是PVC管的4倍，且空隙率高，匯水通道相比PVC管的來說更廣。因此，

圖6 方案1試驗裝置a圖(單位:cm)

圖7 方案2試驗裝置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，是因為其獨特的結(jié)構(gòu)：下半部分1/3不透水，相比于塑料盲溝來說，有成型的過水通道。塑料盲溝芯體全部由長絲熔接，當水量排出一部分后，剩余較少水量匯集到排水管內(nèi)，只能隨著長絲紋路排出，因此當排水量較小時，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時排出水量也是整個排水期間排水量最多的階段。

(3) 不論水量大小，PVC管排水時長只有1.5 h，且1.0 h～1.5 h時排水量極小。PVC管的排水時間短、排水量少，與水量大小無關(guān)。分析原因在于：其表面開孔率只有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。而對于較小水量時，水流匯集量達不到底部孔的高度，只能積在滲溝內(nèi)部。長期如此，路基下方的滲溝內(nèi)部中積水會給路基帶來一定危害。

2.3 分析透水性材料對滲溝排水性能的影響

圖8顯示了在碎石加中粗砂作為過濾層的滲溝型式下，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)計方案2進行排水試驗。過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%，變水頭下流量隨時間變化曲線圖，見圖9。

圖8 方案1裝置a排水量隨時間變化曲線

由圖9可知：

(1) 對比排水總量來說，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升高明顯。分析其原因：塑料盲溝芯體全部由長絲熔接，當水量排出一部分后，剩余較少水量匯集到排水管內(nèi)，只能隨著長絲紋路排出，因此水量較小時，排出水量略低于硬式透水管。而硬式透水管有其獨特的結(jié)構(gòu)——下半部分1/3不透水，相比于塑料盲溝來說，有成型的過水通道，因此水量較小時，排出水量略高于塑料盲溝。結(jié)合圖8與圖9，說明無論何種過濾層，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排水量隨時間變化曲線

(2) 過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，說明不同回填材料對PVC管的影響較大。為了更好地分析其差異，在排水試驗過程中記錄排水量的同時，對同一位置測量其含水率，含水率隨時間的變化關(guān)系見圖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%，分析原因為水流路徑存在差異，導(dǎo)致初始含水率不同，但開始排水后的含水率變化趨勢亦能體現(xiàn)排水過程中回填材料對PVC管的影響。在裝置a中，PVC管前1.5 h含水率隨時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來說，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，與模擬排水試驗結(jié)果對應(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濾層中。因此在排水試驗過程中，裝置a的出水時間比裝置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，難以全部匯集至開孔率較小的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。

開始排水試驗時水流渾濁，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圖11、圖12。隨著時間的增加，

圖10 含水率隨時間變化曲線

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，通過反復(fù)試驗，亦是如此。這是因為在水壓力的作用下，水流經(jīng)過濾層匯流至排水管，部分細顆粒透過土工布從排水管道內(nèi)排出，而較多無法透過土工布的粗顆粒與往后的細顆粒形成一層天然的過濾層。過濾層不僅減少了相鄰?fù)翆拥募氼w粒的流失，還保證水流暢通，最終形成一種反濾結(jié)構(gòu)[13]。排水試驗結(jié)束后，塑料盲溝和硬式透水管芯體上附著細小顆粒和淤泥，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，對整個排水影響也較小。以上結(jié)果說明，不同回填材料對塑料盲溝和硬式透水管的影響較小，對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

本文展開了一系列滲溝組成材料的基本性能試驗和模擬滲溝排水的試驗，對塑料盲溝、硬式透水管和PVC管三者進行比較，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，且有自動過濾、擋土的功能。

(2) 通過對三種排水管在不同透水性回填材料進行模擬排水試驗，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 水頭對排水量影響起主控作用。無論是何種管材，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，對于地下水豐富的路基，推薦采用PVC管全回填砂土的滲溝類型，對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型。

研究成果可為進一步研究三種排水管實際工程運用的排水效率評估及其長期淤堵性、耐久性的研究提供參考。