俯傾孔負(fù)壓排水法在公路邊坡治理中的應(yīng)用

趙 薦，鄭文俊，江 浩，陳中軒，帥飛翔

(1.浙江省衢州市公路管理局，浙江 衢州 324000；2.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

0 引言

大量滑坡災(zāi)害與降雨直接相關(guān)，降雨入滲引起邊坡地下水位的上升和土體飽和度的增加[1-3]，因此，實(shí)時(shí)排出坡體的地下水從而降低地下水位，可以有效減少滑坡災(zāi)害[4-5]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的努力，形成當(dāng)前邊坡的主要排水措施有：地表截水溝和排水盲溝、集水井抽水、水平排水孔、虹吸排水法、地下排水洞等[4-10]。雖然這些排水措施的應(yīng)用成功疏排了大量滑坡的地下水，但也暴露了問(wèn)題和不足，主要表現(xiàn)為：地表排水方法如截水溝、盲溝等，其排水效果有限，無(wú)法排出地下水；集水井抽水需要依靠動(dòng)力實(shí)現(xiàn)以及經(jīng)常性的管理，只適用于臨時(shí)短期排水；水平排水孔容易發(fā)生淤堵失效，長(zhǎng)期應(yīng)用可靠性差；虹吸排水孔克服了水平排水孔的基本缺陷，但為保證虹吸管不產(chǎn)生空氣積累，必須控制虹吸管徑形成段塞流，常常導(dǎo)致排水能力不足；地下排水洞施工周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，隧道開挖存在安全風(fēng)險(xiǎn)，且放炮對(duì)環(huán)境影響大。

由于截排水措施的有效性和可靠性等問(wèn)題，導(dǎo)致許多滑坡因排水工程失效而復(fù)活，造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，采用經(jīng)濟(jì)有效的邊坡排水新技術(shù)，達(dá)到邊坡排水的安全可靠，對(duì)于公路邊坡的防災(zāi)減災(zāi)，具有十分重要的意義。

1 俯傾排水孔負(fù)壓排水方法

鉆孔排水法布置靈活，造價(jià)相對(duì)低廉，很多治理工程已表明該方法能夠有效地大幅降低地下水位[11-12]。如果能夠克服鉆孔排水的淤堵問(wèn)題和排水能力問(wèn)題，將從根本上實(shí)現(xiàn)邊坡地下水位的有效控制。水平排水孔是開放式的鉆孔，孔內(nèi)地下水在重力作用下被排出邊坡體外。研究表明，水流流速慢、孔內(nèi)-外界相通的水化學(xué)環(huán)境以及生物淤堵問(wèn)題是造成排水孔淤堵的主要原因，這與水平排水孔的工作原理直接相關(guān)。然而，為解決淤堵問(wèn)題目前一般通過(guò)人工維護(hù)疏通等延長(zhǎng)使用壽命，無(wú)法從根本上解決問(wèn)題。針對(duì)排水孔的淤堵問(wèn)題和探索長(zhǎng)久高效的排水方法需要，浙江大學(xué)孫紅月等提出了“俯傾排水孔負(fù)壓排水法”[13]，如圖1所示，先朝坡體內(nèi)部打設(shè)下傾式的鉆孔，B點(diǎn)為孔口，通過(guò)在孔口段注漿將鉆孔分為注漿封閉孔段和透水孔段。注漿之前將排水管進(jìn)水口插入透水孔段的底部，而將排水管出水口放置于邊坡的下部。使用水泥砂漿充填排水管和孔壁之間的空隙，以隔斷邊坡地表與鉆孔透水段之間的水氣聯(lián)系。同時(shí)根據(jù)實(shí)際需要選擇合適管徑的排水管，其排水能力須大于邊坡地下水入滲進(jìn)透水段內(nèi)的流量。

圖1 俯傾式水平鉆孔負(fù)壓排水

俯傾孔負(fù)壓排水法利用了邊坡地下水位線總是隨坡體地形變化的客觀實(shí)際，即如圖1所示的A點(diǎn)地下水位總是高于B點(diǎn)。該方法的排水原理是：隨著邊坡地下水位上升，排水管進(jìn)水口的壓力水頭逐漸升高，直至高于鉆孔的孔口高程時(shí)，透水段內(nèi)的地下水基于液壓原理會(huì)經(jīng)由排水管自然流出并形成虹吸排水。由于虹吸排水的速度遠(yuǎn)大于地下水入滲到透水孔段的流量，因而在透水孔段形成空腔和真空負(fù)壓，坡體內(nèi)的地下水可加速流向空腔內(nèi)[14-15]。當(dāng)透水孔段內(nèi)的地下水被完全排干時(shí)，鉆孔周圍的地下水入滲進(jìn)鉆孔空腔并使孔底水頭高度重新上升，當(dāng)水頭高度再次大于鉆孔的孔口高程時(shí)，排水過(guò)程再次進(jìn)行。

因此，俯傾排水孔負(fù)壓排水法是一個(gè)蓄水-排水-蓄水的間歇性排水過(guò)程。利用虹吸排水在進(jìn)水口產(chǎn)生的負(fù)壓抽吸作用，避免鉆孔內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械淤堵。因鉆孔的孔口段被水泥漿封堵，故不存在生物淤堵的問(wèn)題。此外，透水孔段與外界的水-氣聯(lián)系被隔離，因而避免了孔內(nèi)地下水的化學(xué)環(huán)境變化，減少了化學(xué)淤堵的問(wèn)題。

2 工程概況

浙江省S315 K92路基邊坡位于江山段與衢江段的交界處。邊坡的削坡工程項(xiàng)目于2014年完工，但2015年3月左右遇強(qiáng)降雨，導(dǎo)致邊坡發(fā)生多處滑塌，滑坡所涉及的樁號(hào)為K92+070～K92+290。如圖2所示為開挖邊坡及地貌環(huán)境，現(xiàn)狀邊坡分為兩級(jí)，一級(jí)坡和二級(jí)坡的坡率分別為1:1.5和1:1.75，中間設(shè)4m寬的平臺(tái)及水平排水溝。

圖2 開挖邊坡及地貌環(huán)境

邊坡所在區(qū)域?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，降雨季節(jié)集中在3～6月份梅雨期以及7～9月份臺(tái)風(fēng)期，而其它時(shí)間少雨干燥。如圖2所示，邊坡后緣的降雨入滲補(bǔ)給區(qū)域面積廣，且邊坡表層坡積土的滲透性良好，因而邊坡在降雨期有良好的地下水補(bǔ)給條件。同時(shí)，開挖邊坡處的殘積土土層厚度大，而滲透性相對(duì)較差，導(dǎo)致邊坡地下水的排泄疏干過(guò)程緩慢。因此，邊坡同時(shí)具備良好的降雨入滲條件和良好的儲(chǔ)水條件，而地下水排泄條件較差。受年內(nèi)降雨分布不均影響，邊坡地下水位變化幅度大，雨季時(shí)地下水位較高，邊坡地下水的滲出點(diǎn)最大高度位于二級(jí)邊坡的坡腳附近。

2015年3月左右，邊坡區(qū)域遇雨季強(qiáng)降水，在約為220m長(zhǎng)的邊坡上發(fā)生了大于100m3的滑坡2處和小于100m3的滑坡共5處，滑坡的典型特征如圖3所示。

圖3 滑坡特征

滑坡體限于1級(jí)邊坡，且滑坡后緣位于一級(jí)邊坡和二級(jí)邊坡之間的平臺(tái)排水溝處，在平臺(tái)范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的剪切裂縫帶或弧形張拉裂縫帶?；潞缶壍幕瑒?dòng)面呈圈椅狀，滑坡前緣的剪出口位于坡腳擋墻的頂部；滑坡體厚度較小，局部最大厚度不超過(guò)8m，平均厚度不超過(guò)5m?，F(xiàn)場(chǎng)勘查顯示，滑坡后緣的位置接近地下水滲出點(diǎn)的最大高度，且從滑坡后壁流出的地下水在滑體表面形成地表徑流。

綜合以上分析，該滑坡是降雨誘發(fā)型淺層滑坡，邊坡地下水向外的滲流作用是滑坡形成的直接原因。因此，控制該邊坡地下水位的上升高度，對(duì)提高坡體的穩(wěn)定性具有重要作用。

3 鉆孔布置與結(jié)構(gòu)

在邊坡一級(jí)坡平臺(tái)上布置俯傾式負(fù)壓排水孔，剖面布置如圖4所示。透水鉆孔段內(nèi)置透水管，透水管采用內(nèi)撐HDPE雙壁打孔波紋管外織濾布，具有良好的透水性，并防止泥砂進(jìn)入透水管內(nèi)。HDPE打孔波紋管性能指標(biāo)要求：外徑50±3mm、最小壁厚≥0.5mm、最小進(jìn)水面積≥25cm2/m、環(huán)剛度≥8kN/m2、扁平試驗(yàn)壓至1/2不壞、落錘沖擊不破裂、墜落試驗(yàn)不破裂；外包濾布性能指標(biāo)要求：縱向抗拉強(qiáng)度≥1 000N/5cm、縱橫向伸長(zhǎng)率 ≥12.0 %、橫向抗拉強(qiáng)度≥800N/5cm、頂破強(qiáng)度≥1 100N、滲透系數(shù)K20≥0.10 cm/s、等效孔徑O95=0.06～0.25mm。透水管的孔底端設(shè)置HDPE管帽，進(jìn)行底部密封，防止泥砂進(jìn)入透水管。透水管與孔底管帽固定連接。

圖4 邊坡俯傾鉆孔負(fù)壓排水剖面

排水管采用10×5mm的PU管，將排水管插入透水管內(nèi)到達(dá)孔底端管帽附近約10cm處。在透水管的孔口端綁扎土工布，并設(shè)置止?jié){膠囊，防止注漿封閉孔段注漿過(guò)程中漿液流入透水孔段內(nèi)。

成孔后，拔出套管前，立即安裝已經(jīng)插入排水管的透水管。完成透水管和排水管安裝后，拔出套管，然后注漿封閉孔口段。漿液采用純水泥，用攪拌機(jī)拌和均勻，隨拌隨用。

4 排水孔施工與排水效果

該工程于2019年11月13日現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工開孔，2020年5月13日完成全部鉆孔施工，期間因春節(jié)和新冠疫情停工4個(gè)多月。采用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工(圖5)，鉆孔直徑大于90mm，共完成鉆孔12個(gè)，總進(jìn)尺315m，各鉆孔的施工情況見(jiàn)表1。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工

表1 鉆孔深度及注漿封孔情況

ZK11沒(méi)有進(jìn)行孔口段注漿封孔，用于監(jiān)測(cè)坡體地下水位變化情況，主要觀察坡體地下水是否會(huì)自然流出孔口。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，ZK11鉆孔內(nèi)的地下水位距孔口始終大于1m以上，始終沒(méi)有地下水流出孔口。其他鉆孔均有地下水流出孔口，多表現(xiàn)為間歇性循環(huán)排水。圖6所示為ZK7的孔內(nèi)地下水位變化過(guò)程及排水情況。根據(jù)表1可知，ZK7的孔底-孔口高差為2m，因此當(dāng)孔底水頭高度達(dá)到2m時(shí)排水啟動(dòng)，直至排完鉆孔內(nèi)的地下水，隨后進(jìn)入下一個(gè)排水周期。

圖6 ZK7孔內(nèi)地下水位隨時(shí)間變化過(guò)程

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)時(shí)排出坡體地下水，降低孔隙水壓力，可以減少大量滑坡災(zāi)害的發(fā)生。俯傾排水孔負(fù)壓排水方法是一種新的鉆孔排水方法，將鉆孔分為下部透水孔段和上部注漿封閉孔段，利用邊坡地下水位分布特點(diǎn)，采用虹吸管從透水孔段中自然排出地下水，徹底改變鉆孔排水的工作方式。該方法在浙江省S 315省道K92邊坡工程排水中得到了成功應(yīng)用，所完成的11個(gè)俯傾排水孔均產(chǎn)生間歇性排水，排水孔的透水孔段內(nèi)的地下水位表現(xiàn)隨時(shí)間過(guò)程提高，當(dāng)壓力水頭高度達(dá)到孔口高程時(shí)，自然啟動(dòng)虹吸排水過(guò)程，迅速降低孔內(nèi)的地下水位，然后重新進(jìn)入地下水位上升過(guò)程和排水過(guò)程，發(fā)生周期性排水。俯傾排水孔負(fù)壓排水方法的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，表明該方法具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。