邊坡軟式排水管淤塞試驗(yàn)研究

謝經(jīng)輝，樊秀峰，2，吳振祥，2

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州 350108；2.國(guó)土資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 福州 350108)

隨著人口的急速增長(zhǎng)和土地資源的過(guò)度開發(fā)，邊坡問(wèn)題已變成同地震和火山相并列的全球性三大地質(zhì)災(zāi)害之一[1-3]。大量的工程實(shí)踐證明，地下水對(duì)邊坡的穩(wěn)定性危害極大[4-11]。對(duì)于地下水含量豐富的邊坡，深層軟式排水管在及時(shí)、快速排除地下水方面有廣泛的應(yīng)用，能夠有效提高邊坡的穩(wěn)定性[12-16]。然而，軟式排水管在進(jìn)入營(yíng)運(yùn)期后排水功能將逐漸衰弱，甚至失效，使邊坡治理工程的長(zhǎng)期效果得不到保障，危及邊坡穩(wěn)定性，其中排水管淤塞問(wèn)題是導(dǎo)致排水效果減弱的直接誘因[17-20]。Mininger K T等[21]對(duì)最大服役年限為11 a的一系列排水管進(jìn)行開挖，研究發(fā)現(xiàn)淤塞在最初幾年中發(fā)展速度較快，細(xì)顆粒含量小于等于60%的土，因?yàn)橛偃鴮?dǎo)致減少的流量最大達(dá)到42%；細(xì)顆粒含量大于等于85%的土，因?yàn)橛偃鴮?dǎo)致減少的流量最大達(dá)到85%。田卿燕等[22]對(duì)服役15年的公路邊坡排水管進(jìn)行開挖，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)十幾年的運(yùn)營(yíng)，排水管產(chǎn)生嚴(yán)重淤塞，淤堵物物質(zhì)性質(zhì)分析表明，排水孔淤堵物主要為細(xì)顆粒黏土，Ca2+含量?jī)H為141.32 mg/L，總體Ca2+含量較低，不存在鈣質(zhì)淤堵物，也不存在生物的生長(zhǎng)現(xiàn)象。目前，已有的一些研究表明土體類型、水動(dòng)力條件、排水管壁面積等因素都會(huì)對(duì)淤塞效應(yīng)產(chǎn)生較大的影響[23-31]，但是排水管的淤塞效應(yīng)的主控因素是什么？排水管淤塞與土體類型、水動(dòng)力條件、排水管壁面積之間的關(guān)系如何描述？這些問(wèn)題都有待深入的研究。

為了研究軟式排水管的淤塞效應(yīng)及其機(jī)理，借鑒了前人提出的梯度比準(zhǔn)則[32-35]。梯度比準(zhǔn)則是將梯度比Gr=3作為土工織物判定淤塞的分界點(diǎn)，并依據(jù)其變化趨勢(shì)作為淤塞產(chǎn)生與否的判定依據(jù)。若Gr>3且呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，則排水管壁試樣的滲透性發(fā)生了改變，細(xì)顆粒對(duì)排水管壁中的孔隙產(chǎn)生了淤塞，而且形成了有效的淤塞作用；反之，則未產(chǎn)生有效淤塞。

基于已有的研究積累，考慮福建省廣泛分布的區(qū)域性殘積土質(zhì)邊坡深層排水問(wèn)題，本文選用了殘積礫質(zhì)黏性土、殘積砂質(zhì)黏性土、殘積粉質(zhì)黏性土3種土體做了3種水力梯度以及2種排水管壁面積的梯度比試驗(yàn)。通過(guò)梯度比準(zhǔn)則已有的理論和判別標(biāo)準(zhǔn)[36-41]，對(duì)軟式排水管淤塞效應(yīng)及淤塞機(jī)理進(jìn)行探討，為深層排水管淤塞效應(yīng)奠定理論基礎(chǔ)及工程借鑒。

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本文采用的淤塞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，在有機(jī)玻璃圓筒兩側(cè)分別布置測(cè)壓管(1號(hào)—7號(hào))，測(cè)壓管下端用軟管與滲透儀測(cè)壓管出口相連，接口處設(shè)置濾層；測(cè)壓管固定在側(cè)壓板上，側(cè)壓板上裝有最小分度值1 mm的刻度尺。試驗(yàn)采用兩種排水管壁，試樣直徑分別為100 mm和150 mm。采用常水頭滲透試驗(yàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)水水頭改變?cè)囼?yàn)滲透水力梯度，試驗(yàn)設(shè)置平均水力梯度i分別為6、8、10，每個(gè)試樣的試驗(yàn)周期初步定為72 h，試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)土與排水管壁的梯度比變化適當(dāng)延長(zhǎng)或縮短。

圖1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?單位：mm)

1.2 試驗(yàn)材料

(1) 軟式排水管。軟式排水管是一種能側(cè)向集水的軟管，其管體由承力的螺旋鋼絲及其管壁組成，管壁由內(nèi)外兩層纖維交叉的編織布和中間的無(wú)紡?fù)凉げ冀M成。管壁的這種特殊結(jié)構(gòu)使其具有側(cè)向透水反濾和縱向排水的雙重功能(如圖2所示)。本試驗(yàn)采用的軟式透水管單位面積質(zhì)量400 g/m2，厚1.5 mm，等效孔徑O95為0.226 mm。試驗(yàn)前將軟式排水管管壁按照《土工織物材料測(cè)試規(guī)程》[42](SL 235—2012)裁剪成相應(yīng)的試樣，即直徑為100 mm和直徑為150 mm的圓形試樣。

圖2排水管構(gòu)成示意圖

(2) 土體類型。試驗(yàn)用土分別取自福州三個(gè)施工工地，經(jīng)過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定分別為：殘積礫質(zhì)黏性土、殘積砂質(zhì)黏性土以及殘積粉質(zhì)黏性土，其黏粒含量分別為：礫質(zhì)黏性土27.7%，砂質(zhì)黏性土33.1%，粉質(zhì)黏性土43.4%(顆粒分布如表1所示)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯翆用芏劝凑胀恋奶烊幻軐?shí)度(ρ=1.91 g/cm3)，采用擊實(shí)法分層擊實(shí)成型。

表1 土的顆粒分布區(qū)間含量

1.3 試驗(yàn)方法及方案

1.3.1 試驗(yàn)方法

(1) 梯度比Gr值測(cè)定。排水管淤塞試驗(yàn)在梯度比滲透儀上進(jìn)行，其原理是通過(guò)測(cè)定滲透24 h后土工織物及其上25 mm厚土層的水力梯度i1以及土工織物上部25 mm至75 mm這段土層的水力梯度i2，按照下式求出梯度比Gr值：

(1)

通過(guò)試驗(yàn)記錄72 h試驗(yàn)周期梯度比的變化趨勢(shì)和穩(wěn)定的梯度比Gr值，進(jìn)而來(lái)判斷土工織物是否在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生淤塞。若梯度比呈現(xiàn)上升趨勢(shì)且穩(wěn)定的梯度比Gr>3，則表明在運(yùn)行期間會(huì)發(fā)生嚴(yán)重淤塞，反之則不會(huì)發(fā)生淤塞。

(2) 試樣單位體積含土量測(cè)定。本文將通過(guò)測(cè)定排水管試樣質(zhì)量m1與試驗(yàn)結(jié)束排水管試樣烘干后的質(zhì)量m2以及排水管表面積A和厚度δ，按下式計(jì)算出試樣單位體積含土量μ：

(2)

通過(guò)排水管壁試樣單位體積含土量檢驗(yàn)相應(yīng)梯度比Gr值對(duì)排水管壁淤塞程度反應(yīng)的準(zhǔn)確性，若排水管壁試樣單位體積含土量與相應(yīng)的梯度比Gr值規(guī)律相似，則說(shuō)明梯度比Gr值對(duì)土體和試樣在水流作用下的變化反應(yīng)較為準(zhǔn)確，試驗(yàn)的結(jié)果判斷較為理想。

1.3.2 試驗(yàn)方案

為了考慮不同因素對(duì)排水管的淤塞作用，揭示排水管的淤塞機(jī)理，本試驗(yàn)分別考慮了3種類型土體(殘積礫質(zhì)黏性土、殘積砂質(zhì)黏性土、殘積粉質(zhì)黏性土)、3種水力梯度(6、8、10)、2種排水管壁面積(試樣直徑100 mm、試樣直徑150 mm)的影響作用，進(jìn)行了18組正交試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在3種條件下進(jìn)行的18組試驗(yàn)，獲得的試驗(yàn)結(jié)果如下。

2.1 排水管梯度比Gr值的發(fā)展演化規(guī)律

選取水力梯度i=6條件下，3種土體梯度比Gr值隨時(shí)間的變化曲線(如圖3所示)，揭示排水管在水的滲流作用下淤塞的發(fā)展演化過(guò)程。

圖3不同土體的梯度比與時(shí)間曲線

由圖3可以看出：

(1) 在2種排水管壁面積條件下，3種土體的梯度比Gr均經(jīng)歷了相似的三個(gè)階段的變化過(guò)程：第一階段梯度比Gr快速下降；第二階段梯度比Gr下降速度變緩；第三階段梯度比Gr緩慢上升。

(2) 試驗(yàn)初期，不同土體的梯度比Gr值下降速度也不一致。在排水管試樣直徑為100 mm條件下，礫質(zhì)黏性土在第9 h梯度比Gr下降速度變緩，砂質(zhì)黏性土在第12 h梯度比Gr下降速度變緩，粉質(zhì)黏性土到第15 h梯度比Gr下降速度變緩。梯度比下降速度大小為：礫質(zhì)黏性土>砂質(zhì)黏性土>粉質(zhì)黏性土。

(3) 試驗(yàn)初期，排水管壁面積的大小會(huì)影響土體梯度比Gr值下降速度。與小直徑排水管壁試樣相比，在大直徑試樣條件下，礫質(zhì)黏性土下降速度變緩的時(shí)間比小直徑試樣早3 h，砂質(zhì)黏性土早3 h，粉質(zhì)黏性土早1 h。梯度比下降速度大小為：大直徑排水管壁試樣>小直徑排水管壁試樣。

(4) 試驗(yàn)結(jié)束后，不同土體的穩(wěn)定梯度比Gr值不一致，穩(wěn)定梯度比Gr值大小為：粉質(zhì)黏性土>砂質(zhì)黏性土>礫質(zhì)黏性土。

2.2 梯度比Gr值與各個(gè)影響因素間的關(guān)系

本文以72 h為試驗(yàn)周期，將梯度比Gr值上升趨勢(shì)作為重要參考，將梯度比Gr值逐漸上升且最終穩(wěn)定梯度比Gr值>3作為判定淤堵的準(zhǔn)則。以下的試驗(yàn)結(jié)果都是梯度比Gr值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)后得到的穩(wěn)定梯度比Gr值結(jié)果。

2.2.1 梯度比Gr值與水力梯度的關(guān)系

本組試驗(yàn)選取的數(shù)據(jù)為排水管壁試樣直徑d=100 mm條件下，3種土體分別在3種水力梯度下的試驗(yàn)結(jié)果(如圖4所示)。圖4顯示：在試樣面積、土體類型一致的條件下，與水力梯度i=6相比，水力梯度i=8時(shí)穩(wěn)定梯度比Gr值增長(zhǎng)了9%～15%，與水力梯度i=6相比，水力梯度i=10時(shí)穩(wěn)定梯度比Gr值增長(zhǎng)了24%～27%，穩(wěn)定梯度比Gr值隨著水力梯度的增大而增大。

圖4不同水力梯度穩(wěn)定梯度值對(duì)比

2.2.2 梯度比Gr值與排水管壁面積的關(guān)系

本組試驗(yàn)選取的數(shù)據(jù)為水力梯度i=6條件下，3種土體在2種排水管壁面積條件下的試驗(yàn)結(jié)果(如圖5所示)。圖5顯示：在土體類型、水力梯度一致的條件下，與排水管壁試樣直徑d=100 mm相比，排水管壁試樣直徑d=150 mm時(shí)穩(wěn)定梯度比Gr值增長(zhǎng)了3%～9%，穩(wěn)定梯度比Gr值隨著排水管壁面積增大而增大。

圖5不同排水管壁試樣面積穩(wěn)定梯度值對(duì)比

2.2.3 梯度比Gr值與土體類型的關(guān)系

本組試驗(yàn)選取的數(shù)據(jù)為排水管壁試樣直徑d=100 mm、水力梯度相同的條件下，不同土體的穩(wěn)定梯度比Gr值進(jìn)行對(duì)比(如圖6所示)。圖6顯示：在試樣面積、水力梯度一致的條件下，與殘積礫質(zhì)黏性土相比，殘積砂質(zhì)黏性土的穩(wěn)定梯度比Gr值增長(zhǎng)了21%～30%，殘積粉質(zhì)黏性土的穩(wěn)定梯度比Gr值增長(zhǎng)了60%～69%，穩(wěn)定梯度比Gr值隨著黏性土中黏粒含量的增加而增大，且增大幅度較其他兩種影響因素大。

圖6不同土體穩(wěn)定梯度值對(duì)比

2.3 排水管壁單位體積含土量

為了確保梯度比Gr值對(duì)排水管淤塞程度反映的準(zhǔn)確性，對(duì)各組試驗(yàn)結(jié)束后的排水管壁試樣進(jìn)行烘干稱重，得出各組試樣的排水管壁試樣單位體積含土量，并且將穩(wěn)定的梯度比Gr值和相應(yīng)排水管壁試樣單位體積含土量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表2 梯度比穩(wěn)定后試樣單位體積含土量

從表2可以看出：

(1) 在排水管壁試樣面積大小、土體類型一致的情況下，與水力梯度i=6相比，水力梯度i=8時(shí)單位體積含土量增長(zhǎng)了14%～19%，水力梯度i=10時(shí)單位體積含土量增長(zhǎng)了22%～31%，排水管壁試樣單位體積含土量隨著水力梯度的增大而增大。

(2) 在水力梯度、土體類型一致的情況下，與排水管壁試樣直徑d=100 mm相比，排水管壁試樣直徑d=150 mm時(shí)單位體積含土量增長(zhǎng)了8%～15%，排水管壁試樣單位體積含土量隨著試樣面積的增大而增大。

(3) 在排水管壁試樣面積大小、水力梯度一致的情況下，與殘積礫質(zhì)黏性土相比，殘積砂質(zhì)黏性土的單位體積含土量增長(zhǎng)了20%～36%，殘積粉質(zhì)黏性土的單位體積含土量增長(zhǎng)了43%～73%，排水管壁試樣單位體積含土量隨著土體中黏粒含量的增大而增大，且增大幅度較其他兩種變量大。

3 試驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 梯度比Gr值三階段變化分析

本試驗(yàn)土層根據(jù)土的天然密實(shí)度(ρ=1.91 g/cm3)擊實(shí)成型，在試驗(yàn)過(guò)程中，不同土體的梯度比Gr值均呈現(xiàn)三個(gè)階段的變化趨勢(shì)(如圖3所示)。在試驗(yàn)初始時(shí)刻，各個(gè)測(cè)壓管水位齊平后，打開排水閥，由于土體內(nèi)部的滲流通道未發(fā)育完整，導(dǎo)致土樣下部相對(duì)于土樣上部水壓消散得快，使下部梯度瞬時(shí)變化大，土體內(nèi)部滲流通道的快速發(fā)育(第一階段梯度比Gr值下降速度快)；隨著土體內(nèi)部滲流通道的逐漸發(fā)育，滲透水流也逐漸穩(wěn)定后，梯度比也趨于穩(wěn)定(第二階段梯度比Gr值下降速度變緩)；隨著土體內(nèi)部滲流通道的逐漸發(fā)育成型，細(xì)顆粒向排水管壁試樣移動(dòng)速度加快，滯留在排水管壁表面和進(jìn)入排水管壁孔隙中的細(xì)顆粒也增多(第三階段梯度比Gr值緩慢上升)。且通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)(如圖3所示)，在試驗(yàn)初期，不同條件下梯度比Gr值的下降速度：(1) 殘積礫質(zhì)黏性土>殘積砂質(zhì)黏性土>殘積粉質(zhì)黏性土；(2) 大排水管壁試樣面積>小排水管壁試樣面積。

分析可知：

(1) 試驗(yàn)初期，土體在滲透水流和壓重的作用下細(xì)顆粒被帶動(dòng)向排水管壁方向移動(dòng)，土體中較粗的顆粒逐漸形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。當(dāng)土體骨架中的粗顆粒粒徑越大時(shí)，則粗顆粒間的孔隙越大，細(xì)顆粒能夠快速通過(guò)粗顆粒間的孔隙，加速滲流通道的形成。

(2) 隨著排水管壁面積的增大，整個(gè)系統(tǒng)的滲流量也隨之增大，土體細(xì)顆粒流失速度加劇，土體內(nèi)部滲流通道的發(fā)育速度也加快。在試驗(yàn)過(guò)程中，不同土體梯度比Gr值在下降一段時(shí)間后開始緩慢上升(如圖3所示)，分析可知：在水的滲流力和壓重的雙重作用下，土體內(nèi)細(xì)顆粒被帶動(dòng)向排水管壁表面及孔隙中移動(dòng)，土體內(nèi)的滲流通道開始發(fā)育，細(xì)顆粒在流經(jīng)排水管壁時(shí)會(huì)滯留在排水管壁表面或者淤積在排水管壁孔隙中，當(dāng)滲流通道發(fā)育完全后，梯度比GR值不再下降而是隨著滯留在排水管壁表面或淤積在排水管壁孔隙中的細(xì)顆粒含量的增大而緩慢上升。

3.2 梯度比Gr值與影響因素關(guān)系分析

(1) 土體在水的滲透作用下，土體內(nèi)部的細(xì)顆粒向排水管壁的方向移動(dòng)，從而附著在排水管壁表面形成“濾餅”(附著在排水管壁表面的密實(shí)防水層)以及進(jìn)入排水管壁孔隙造成淤堵。當(dāng)水力梯度增大時(shí)，水的滲透力也增大，土體細(xì)顆粒流失增加，附著以及進(jìn)入排水管壁的細(xì)顆粒量增加，使最終的梯度比Gr值增大，從而表現(xiàn)為穩(wěn)定梯度比Gr值和相應(yīng)試樣單位體積含土量隨著水力梯度的增大而增大(如圖4所示)。

(2) 隨著排水管壁試樣面積的增大，在滲流力作用下流失的細(xì)顆粒能夠進(jìn)入排水管壁內(nèi)部的面積也相應(yīng)增大，附著在排水管壁表面形成“濾餅”和進(jìn)入排水管形成淤塞的概率也增大，從而表現(xiàn)為穩(wěn)定梯度比Gr值和相應(yīng)試樣單位體積含土量隨著排水管壁試樣面積的增大而增大(如圖5所示)。

(3) 隨著黏性土中的黏粒含量的增多，通過(guò)排水管壁的細(xì)顆粒也就越多，細(xì)顆粒附著在排水管壁表面形成“濾餅”和淤堵在排水管壁內(nèi)部的概率就越大，所以越容易發(fā)生淤塞，相應(yīng)的梯度比也就越大，從而表現(xiàn)為穩(wěn)定梯度比Gr值和相應(yīng)試樣單位體積含土量隨著黏粒含量的增大而增大，而且增大幅度較其他兩種影響因素大，說(shuō)明土體中黏粒含量是影響排水管淤塞的主要因素(如圖6所示)。

4 結(jié) 論

本文分別以水力梯度、土體類型、排水管壁面積3種因素為變量進(jìn)行淤塞試驗(yàn)，得出了梯度比、單位體積含土量與上述3種變量間的一些關(guān)系，總結(jié)得出以下結(jié)論。

(1) 通過(guò)試樣單位體積含土量和相應(yīng)的穩(wěn)定梯度比Gr值的對(duì)比，驗(yàn)證了Gr值能夠較為準(zhǔn)確地反映排水管壁的淤塞程度，可以此為依據(jù)，對(duì)排水管淤塞進(jìn)行更深入的研究。

(2) 試驗(yàn)過(guò)程中，不同土體梯度比變化都呈現(xiàn)出三階段特性，反映出了土體內(nèi)部滲流通道以及排水管淤塞的形成過(guò)程，具有規(guī)律性。

(3) 三種因素都會(huì)對(duì)排水管的淤塞造成影響，隨著水力梯度、排水管壁面積以及土體黏粒含量的增大，排水管的淤塞會(huì)有不同程度上的加劇。

(4) 相對(duì)于水力梯度、試樣面積，土體類型對(duì)排水管淤塞的影響更為明顯，所以在黏粒含量較大的土層中布設(shè)排水管應(yīng)做好相應(yīng)的反濾措施，以確保排水系統(tǒng)的有效性和長(zhǎng)期性。