邊坡俯傾孔液壓流排水方法研究

孫紅月，帥飛翔，陳中軒，雷 怡，葛 琦，尚岳全

(1. 浙江大學 海洋學院，浙江 舟山 316000； 2.浙江大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310000)

1 邊坡滲流場與俯傾孔液壓流排水法

1.1 邊坡滲流場及俯傾孔中的水壓力

邊坡滲流場可以用流線和等勢線表示[19]，如圖1所示。流線是指地下水質(zhì)點沿水頭(水位)降低方向運動的軌跡，在軌跡上任一點的切線與此點的流動方向相重合；等勢線是與流線呈正交的等水頭線(等勢線各點水頭高度相同)，即穩(wěn)定滲流場條件下，邊坡中D點的測壓管水頭高度與C點高度相同。

當在邊坡中打設鉆孔后，原有的滲流場就在鉆孔的局部區(qū)域發(fā)生了變化。如圖2所示，對D點，因鉆孔內(nèi)的地下水為近于靜態(tài)的自由水，該點的水壓力為鉆孔內(nèi)的水壓力。因此，鉆孔后使D點的水壓力發(fā)生了減壓，導致D點的水頭高度達不到A點的高度，地下水不能從A點自由流出。

1.2 俯傾孔液壓流排水法

如圖3所示，如果D點處的孔隙水壓力得以恢復，即D點和C點位于等勢線上，此時自D點下方的鉆孔內(nèi)引出一根排水管到坡面A點，由于D點測壓管水頭高度與C點高度相同，那么只要A點的高程低于C點，D點下方的地下水就能在水頭差作用下，通過排水管從A點流出地表。因此，要排出D點地下水的關鍵是鉆孔安裝排水管以后不會降低D點的地下水水頭高度，而采用圖3所示的在孔口段封閉的方法，從原理上可以恢復D點的水壓力，從而使孔內(nèi)的水經(jīng)由排水管自發(fā)的通過A點排出。

圖3 俯傾孔液壓流排水法工作原理圖Fig.3 Working principle diagram of hydraulic flow drainage method of inclined borehole

1.3 模型試驗驗證

為驗證俯傾孔液壓流排水方法的有效性，設計了如圖4所示的試驗模型。模型槽的長、寬、高分別為300 cm、40 cm、80 cm，其他尺寸如圖所示。埋設一段外織土工布的打孔波紋管(透水管)模擬透水鉆孔段，將一根直徑4 mm的PU管從透水管內(nèi)引出坡外，并用滲透系數(shù)為8×10-4cm/s的粉砂回填密實，模擬封閉環(huán)境。

圖4 室內(nèi)模型試驗圖Fig.4 Model test

通過供水管向儲水區(qū)供水并將多余的水由后側(cè)的溢流管排出，控制坡體后緣的水位恒定在70 cm。5根測壓管埋設于坡體底部中間，分別布置在距坡腳40 cm，80 cm，120 cm，160 cm，210 cm處，用于監(jiān)測坡體不同部位的地下水位的變化。

試驗開始前，對試驗模型進行放置7 d的預處理，然后分別進行自然滲流和有俯傾排水孔滲流兩種不同條件的滲流試驗，測定坡體地下水位線。

首先將排水管的出水口抬高(不排水)，進行自然滲流試驗，通過記錄測壓管的液面變化得到自然滲流條件下各測點的水頭高度，繪制得到排水前的地下水位線。然后將排水管的出水口放低，進行俯傾孔排水試驗，記錄測壓管的液面變化得到俯傾孔排水條件下各測點的水頭高度，繪制得到排水穩(wěn)定后的地下水位線，排水前后的水位線如圖4所示。

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從圖4可以看出，排水前也就是自然滲流條件下的地下水位線，在A點并沒有到達坡面，這說明如果排水管位置采用開放式鉆孔，地下水不能自然流出地表。俯傾孔液壓流排水法封閉了孔口段，試驗中將排水管的出水口抬高時(即把排水管作為測壓管)，實測得到D點的水頭高度為遠高于A點的高度，表明封閉孔口段完全可以增大孔內(nèi)地下水的水壓力。正因如此，將排水管的出水口放低后，透水管中的地下水可以通過排水管自然流出。如圖4所示，排水后的地下水位線遠低于排水前的地下水位線。

物理模擬試驗證明了采用密閉孔口段的方法，能使坡體內(nèi)部的水自動排出坡體外，證明了俯傾孔液壓流排水方法的可行性。但受物理模擬試驗的客觀限制，無法驗證該方法的實際操作可能性，因此選擇一個實際邊坡進行該方法的應用驗證。

2 工程應用測試

2.1 邊坡工程概況

測試邊坡位于浙江省S315江山市與衢江區(qū)交界處。邊坡區(qū)域為亞熱帶季風氣候區(qū)，溫暖濕潤，雨量充沛。年內(nèi)降雨分布不均勻，有明顯的旱季和雨季。降雨最多季節(jié)為3～6月份的梅雨期和7～9月份的臺風期，年均降雨量1 648 mm，年蒸發(fā)量約在1 000 mm。開挖坡面設兩級邊坡(圖5)，一級坡坡率1∶1.5，設4 m寬平臺及水平排水溝，二級坡坡率1∶1.75。開挖邊坡后緣有較開闊的降雨入滲補給區(qū)域，邊坡主要為黃褐色和褐紅色的殘坡積土，為粉質(zhì)黏土夾碎石，其中碎石含量約10%～20%，碎石粒徑一般小于5 cm，個別達到10～20 cm。

圖5 試驗邊坡和鉆孔區(qū)域Fig.5 Drilling area in test slope

開挖邊坡后緣有較廣闊的降雨入滲補給區(qū)域，且后緣坡面表層土滲透性好，邊坡有良好的降雨入滲補給條件。但殘坡積土層厚度大，滲透性相對較差，邊坡地下水排泄梳干過程緩慢。

2.2 排水孔布置與安裝

采用地質(zhì)鉆機在一級邊坡平臺上打設了12個俯傾排水孔，鉆孔直徑大于90 mm，孔間距3～4 m。ZK6取芯土樣如圖6所示，ZK7的剖面布置如圖7所示，各鉆孔參數(shù)見表1。其中，ZK11不進行孔口段注漿封閉，用于地下水位監(jiān)測，其余11個鉆孔的孔口段均進行注漿封閉。

圖6 ZK6鉆孔取芯土樣Fig.6 Core of borehole ZK6

表1 俯傾排水孔幾何參數(shù)表Table1 Geometric parameters of inclined drain hole

圖6鉆孔取芯土樣表明，邊坡表層土體以粉土為主，含部分碎石，土體松散且滲透性良好，鉆孔附近的邊坡地下水位距離邊坡表面約1.7 m；11 m之后以粉質(zhì)黏土為主，黏粒比例逐漸提高，密實度增加，透水性降低；18 m左右出現(xiàn)白色全風化礦物質(zhì)，土體開始較為干燥，密實度高，透水性差。綜合考慮邊坡地質(zhì)條件和測試研究的需要，本次測試分別取10 m和5 m兩種封孔注漿段長度。

完成鉆孔施工后，在拔出套管前，將底端裝有管帽的透水管和排水管插入鉆孔。透水鉆孔段處于下部，安裝有外織濾布的HDPE雙壁打孔波紋管，在波紋管內(nèi)放置內(nèi)徑5mm 的排水管，并將排水管的出水口引出到坡面以外。完成透水管和排水管安裝后，注漿封閉孔口段，從而隔絕透水段和邊坡外部的水氣聯(lián)系。

2.3 參數(shù)監(jiān)測

為探究俯傾孔液壓流排水法的工作機制和排水效果，在邊坡排水工程應用測試中，開展了透水段的水壓力變化過程監(jiān)測、排水啟動情況和累計排水量監(jiān)測、降雨量監(jiān)測。

在排水系統(tǒng)安裝過程中，將JTM-V3000F孔隙水壓力計置于透水管底端的管帽內(nèi)(見圖7)，用于人工測量鉆孔透水段內(nèi)的水壓力變化。

圖7 ZK7鉆孔剖面圖Fig.7 Borehole profile through ZK7

排水情況監(jiān)測包括排水啟動情況和累計排水量監(jiān)測。如圖8所示，將排水管的出水口置于集水池的PVC管內(nèi)，使用485型投入式水位計測量PVC管水位變化，同時通過4G模塊聯(lián)網(wǎng)將水位監(jiān)測數(shù)據(jù)傳入云端，實現(xiàn)遠程自動監(jiān)控排水啟動情況。在集水池出水口端安裝連有水表的出水管，記錄累計排水量。

排水啟動的監(jiān)測原理如圖9所示，在PVC管30 cm以上有數(shù)個直徑2 mm的細孔，當排水管未啟動排水時，PVC管水位穩(wěn)定在30 cm左右。鉆孔排水管啟動排水后，由于排水管出水口的流量大于通過細孔的流量，PVC管內(nèi)水位將上升，PVC管內(nèi)水位升降過程就反映了鉆孔的排水啟停過程。

2.4 排水效果分析

排水系統(tǒng)安裝完成后，通過滲壓計可監(jiān)測獲得鉆孔透水段內(nèi)水壓力變化，并可將壓力變化換算為水位變化。如果監(jiān)測得到排水啟動時孔底水頭高度剛好等于孔口高程，則可以證明俯傾孔液壓流排水法可基于液壓原理自行啟動排水過程。事實上，在各俯傾孔液壓流排水建設過程中，我們將排水管出水口抬高，測到的透水孔段的地下水頭壓力遠高于孔口高程。

以ZK7鉆孔為例，分析俯傾孔的排水過程，該鉆孔的基本參數(shù)：孔深26 m，傾角為4.4°，孔口注漿段長度5 m，孔底與孔口的高差為2 m。因此，該鉆孔的孔底壓力水頭達到2 m即可以啟動排水。通過對透水鉆孔段底端(見圖7)的孔隙水壓力進行人工監(jiān)測，得到孔底水頭高度及排水過程如圖10所示。可以看出鉆孔透水孔段內(nèi)的壓力水頭隨時間逐漸增大，當壓力水頭達到2 m時，排水啟動。此時測得排水流量為650 ml/min，使孔內(nèi)的水頭高度迅速下降，直到排完鉆孔內(nèi)的地下水，孔底壓力水頭降至0，一次排水過程結束。然后，隨著周圍地下水的入滲，排水系統(tǒng)進入下一個水頭升高和排水過程。因此，俯傾孔液壓流的排水過程是間歇性的，排水自啟動的充分條件是孔底的壓力水頭高于孔口。

圖11表示鉆孔剖面的地下水位控制示意圖，根據(jù)前述分析可知，通過對AB段進行注漿封閉，可恢復B點處的孔隙水壓力。C點為過B點等勢線與地下水位線的交點，那么當C點高于孔口A點時，孔底D點的水頭高度h將超過A點，此時排水啟動，使地下水位下降，從而通過間隙性的排水過程可使邊坡的地下水位始終控制在排水啟動水位線以下。因此，在孔口段注漿并合理設置注漿段的長度，確保排水啟動水位線低于滑坡臨界地下水位線，便可以達到阻止滑坡發(fā)生的目的。

顯然，邊坡地下水位變化與降雨密切相關[20]。如圖10所示的排水過程，5月22日完成排水后，直到5月28日再次排水的時間間隔達6 d，所對應的降雨情況如圖12所示，期間的降雨量小，導致坡體地下水位上升過程緩慢。5月25日開始，邊坡區(qū)降雨頻繁，導致地下水位補給豐富，從5月30日開始，如圖13所示排水過程基本持續(xù)發(fā)生(圖中PVC管內(nèi)水位高度大于30 cm屬于排水過程)。

圖12 邊坡區(qū)域降雨量Fig.12 Rainfall in the slope area

圖13 ZK7啟動排水情況Fig.13 Start drainage situation of ZK7

將全部11個鉆孔排水量在集水池匯總后排出，經(jīng)水表記錄累計排水量，結果如圖14所示，計算監(jiān)測期間平均日排水量約為3 t/d。在降雨期，總排水量增長明顯加快。例如，6月3號開始持續(xù)3天強降雨(見圖12)，這期間所有排水孔均啟動，日均排水量達到4.9 t/d，表明俯傾孔液壓流排水法效果很好。

圖14 總排水量變化圖Fig.14 Total water discharge

監(jiān)測結果表明，所測試的11個俯傾排水孔均啟動過排水過程，說明采用孔口段注漿封閉的新技術，可以實現(xiàn)自由排水目標。

而未注漿封閉孔口段的ZK11，據(jù)HOBO水位計監(jiān)測獲得的孔內(nèi)水位記錄，其水深始終小于1.0 m，測試期間也未觀測到坡體地下水沿鉆孔自然流出孔口的現(xiàn)象，其地下水位始終低于孔口。測試結果說明，孔口段注漿封閉的俯傾孔液壓流排水方法是一種有效的排水方法。

3 結論

俯傾鉆孔液壓驅(qū)動自流排水方法是一種原創(chuàng)的滑坡排水新方法，改變了已有鉆孔排水方法的思維方式。通過滲流場分析、物理模擬試驗和工程邊坡排水應用測試，論證了俯傾鉆孔液壓驅(qū)動自流排水方法的有效性。研究獲得如下基本結論：

(1)利用邊坡地下水位線與坡面地形線正相關的滲流場條件，通過注漿封閉俯傾孔的孔口段，可以在孔底的透水孔段中形成高于孔口的水頭壓力。模型試驗證明了俯傾孔液壓流排水法的有效性，利用液壓差可使透水管內(nèi)的地下水從排水管中流出孔口，排水前后的地下水位線表明了排水的有效性。

(2)通過邊坡俯傾孔液壓流排水法的工程應用測試，表明透水孔段內(nèi)地下水的水頭高度隨著地下水的入滲而提高，當孔底水頭高度超過孔口高程時，地下水自動排出孔口。排水具有周期性特征。