降雨作用下排水釘?shù)男阅芗捌鋵?duì)滲流場(chǎng)的影響

劉恒，余帥會(huì)，龔申，聶如松

(1.中土集團(tuán)福州勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 福州 350013;2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

為解決傳統(tǒng)排水管易堵塞失效等問(wèn)題，長(zhǎng)沙鐵研交通工程有限公司[1]開(kāi)發(fā)了一種適用于新建和既有線(xiàn)邊坡的內(nèi)部排水結(jié)構(gòu)——排水釘，目前已在多處實(shí)際工程中使用并取得良好效果[2]。排水釘在結(jié)構(gòu)上包括排水釘節(jié)段及特制的排水釘接頭，其中排水釘節(jié)段由PVC管外裹一層毛細(xì)透排水帶而成。毛細(xì)透排水帶具有獨(dú)特的“Ω”型斷面構(gòu)造，能在一定范圍內(nèi)形成天然反濾層、阻止土顆粒進(jìn)入排水通道、確保排水效率不隨時(shí)間推移而降低，從而被廣泛應(yīng)用于大壩治理、鹽堿化治理、廢水處理、垃圾填埋場(chǎng)滲流液導(dǎo)排等。張素磊[3]、姜旭榮[4]等人通過(guò)研究表明了毛細(xì)排水帶有很好的反濾作用。但毛細(xì)透排水帶鋪設(shè)作業(yè)面大，不利于在既有工程中使用，長(zhǎng)沙鐵研交通工程有限公司將毛細(xì)透排水帶與PVC管結(jié)合，制成管狀結(jié)構(gòu)，形成新型排水結(jié)構(gòu)——排水釘。冷伍明等[5]通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，探究了綜合滲透系數(shù)與水釘傾角、水頭的關(guān)系。郭一鵬等[6]在室內(nèi)開(kāi)展了歷時(shí)4個(gè)月的PVC排水管和排水釘?shù)呐潘畬?duì)比試驗(yàn)，系統(tǒng)研究?jī)烧叩呐潘阅芎涂褂俣滦阅?；同時(shí)開(kāi)展排水釘設(shè)置間距和設(shè)置長(zhǎng)度對(duì)其排水性能的影響試驗(yàn)，并分析排水釘?shù)姆礊V機(jī)制。郭一鵬等[7]根據(jù)連續(xù)性原理，建立地下水運(yùn)動(dòng)基本方程，針對(duì)地下水位變化分別推導(dǎo)排水釘排水的穩(wěn)定滲流模型(地下水位恒定)和非穩(wěn)定滲流模型(地下水位下降或上升)，得到不同滲流狀態(tài)下的排水間距及排水量的解析解，進(jìn)而得到排水釘?shù)脑O(shè)置間距。上述學(xué)者在研究排水釘排水特性以及設(shè)計(jì)參數(shù)方面取得了一定的成果，但對(duì)于降雨作用下排水釘排水對(duì)邊坡滲流場(chǎng)的影響尚未見(jiàn)研究。因此，本課題通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)排水試驗(yàn)及數(shù)值仿真分析，探究土體滲流場(chǎng)在排水釘作用下的變化規(guī)律。

1 降雨作用下排水釘排水試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由4部分組成，包括模型箱、降雨噴頭、水箱以及水泵。其中，模型箱長(zhǎng)寬高尺寸為60 cm×60 cm×80 cm。模型箱頂部開(kāi)口，除在模型箱一側(cè)距箱底10 cm處開(kāi)直徑為6.3 cm圓孔用以安裝水釘?shù)募芡?，?cè)面及底部封閉。水泵的流量為1 900 L/h，揚(yáng)程為5 m，額定功率為50 W，工作壓力為0.4～0.8 MPa。降雨噴頭噴射流量為120～160 mL/min，散射角度60°～80°，噴射距離為0.5～1.0 m。

試驗(yàn)選用降雨型噴頭模擬降雨。在試驗(yàn)箱頂部借助鐵絲網(wǎng)和膠帶將噴頭固定住，防止噴口位置以及降雨方向發(fā)生變化。在試驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)降雨強(qiáng)度及降雨均勻度進(jìn)行標(biāo)定，使降雨均勻度達(dá)到要求。試驗(yàn)用排水釘長(zhǎng)30 cm，直徑6.3 cm，一端有專(zhuān)門(mén)堵頭，另一端利用專(zhuān)用接頭與集水管連接，將排水釘收集的水排出箱體，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 排水釘結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)所用土樣為粉細(xì)砂，依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-2019)[8]，對(duì)其開(kāi)展顆粒分析試驗(yàn)、顆粒密度試驗(yàn)、相對(duì)密度試驗(yàn)、常水頭滲透試驗(yàn)，得到試驗(yàn)用土級(jí)配曲線(xiàn)如圖2所示。試驗(yàn)用土顆粒相對(duì)密度Gs=2.697，最大孔隙比emax=0.92，最小孔隙比emin=0.59，最優(yōu)含水率為14%，最大干密度為1.71 g/cm3，滲透系數(shù)k=1.609×10-3cm/s。

圖2 顆粒級(jí)配曲線(xiàn)

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

1.3.1 試樣制備

將現(xiàn)場(chǎng)取回的粉細(xì)砂烘干后加水拌和，控制試樣初始含水率為14%。

1.3.2 裝樣過(guò)程

(1)分層裝樣

試樣分5層填筑，每層填筑高度為10 cm，依據(jù)所配土樣干密度1.6 g/cm3和所設(shè)初始含水率14%，確定每層填土質(zhì)量，如公式(1)。

m總=ms+mw=ms(1+w)=ρdV(1+w)

(1)

式中，m總為砂土試樣總質(zhì)量(kg)；ms為砂土試樣中砂的質(zhì)量(kg)；mw為砂土試樣中水的質(zhì)量(kg)；w為質(zhì)量含水率(%)；ρd為砂土試樣中砂的干密度(kg/m3)；V為夯實(shí)后每層砂土試樣的體積(m3)。

對(duì)樣土夯實(shí)到指定高度后，取4～6點(diǎn)用環(huán)刀法測(cè)密度，并用烘干法測(cè)含水率，以確保夯實(shí)效果。

(2)排水釘安裝

第一層土樣填筑完成后，安裝排水釘。為滿(mǎn)足水釘以5°傾角布置，將排水釘通過(guò)專(zhuān)門(mén)的接頭、彎管與PVC集水管相連，利用集水管將排水釘收集的水排出模型箱。

1.3.3 降雨過(guò)程

模型箱填筑完成后，安裝降雨噴頭。旋轉(zhuǎn)調(diào)壓閥至預(yù)定位置，按1.79×10-3cm/s的降雨強(qiáng)度開(kāi)啟降雨裝置，持續(xù)降雨1.5 h后，用稱(chēng)重法測(cè)量排水釘排水量。待出水孔沒(méi)有水流出后，停止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖3為排水釘排水量隨時(shí)間變化圖，由圖3可知，降雨6 min后開(kāi)始有水流從排水管流出，隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，排水量不斷增大，當(dāng)降雨25 min時(shí)，排水量達(dá)到最大值，約為150 cm3/min。在接下來(lái)的65 min，排水量值在150 cm3/min附近波動(dòng)。隨后，排水量隨時(shí)間逐漸減小，在110 min左右，排水量減小速率驟增，在180 min時(shí)，排水量幾乎為0。

圖3 水流量隨時(shí)間變化圖

3 排水?dāng)?shù)值仿真分析

采用Geostudio軟件對(duì)降雨過(guò)程中排水釘?shù)呐潘當(dāng)?shù)值進(jìn)行模擬。

3.1 計(jì)算模型

(1)幾何模型

模型尺寸與室內(nèi)降雨入滲排水釘排水試驗(yàn)尺寸一致，采用四邊形和三角形單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共計(jì)164節(jié)點(diǎn)、139單元，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分示意圖

(2)邊界條件

為探究降雨入滲作用下的排水性能，需定義相應(yīng)的水力邊界條件，將模型兩側(cè)及底部設(shè)置為不透水邊界。模型頂面為降雨入滲邊界，根據(jù)降雨強(qiáng)度及降雨持續(xù)時(shí)間定義流量函數(shù)，按單位流量邊界條件處理。通過(guò)賦予排水釘?shù)呐潘吔鐥l件，達(dá)到模型中的排水效果。在排水釘外圍的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處，水壓和流速需要作為 SEEP/W 求解的一部分來(lái)確定，可以通過(guò)使該排水釘外邊界成為潛在滲水面檢驗(yàn)邊界條件得以實(shí)現(xiàn)。因此，將水流量為 0設(shè)置為排水邊界條件，并勾選潛在滲水面檢驗(yàn)選項(xiàng)。

(3)初始條件

降雨入滲過(guò)程與模型初始條件密切相關(guān)，定義合理的初始條件是獲得正確解答的前提。由于土體具有一致的初始含水率，因此將孔隙水壓力歸零設(shè)置為模型的初始條件。

3.2 土體參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)有條件基礎(chǔ)，本研究采用程序內(nèi)置的典型樣本函數(shù)法確定土體的土水特征曲線(xiàn)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)V-G模型預(yù)測(cè)非飽和滲透系數(shù)函數(shù)，如圖5所示。

圖5 土水特征曲線(xiàn)及滲透系數(shù)曲線(xiàn)

3.3 結(jié)果及對(duì)比分析

3.3.1 排水量結(jié)果

圖6為試驗(yàn)得到的排水釘排水量與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比。數(shù)值模擬結(jié)果顯示水釘自12 min開(kāi)始排水，比試驗(yàn)結(jié)果晚6 min。隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，排水量不斷增大，當(dāng)降雨35 min后排水量達(dá)到最大值，最大值與試驗(yàn)結(jié)果接近，排水量保持最大值狀態(tài)約55 min。隨后，排水量減小速率由大變小。數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果總體上具有良好的一致性。

圖6 水流量對(duì)比

3.3.2 體積含水率變化結(jié)果

為探究降雨作用下排水釘對(duì)土體滲流場(chǎng)的影響，以模型左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，在(0.3 m，0.2 m)、(0.3 m，0.3 m)及(0.3 m，0.4 m)3個(gè)點(diǎn)處各設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(分別為1#、2#及3#點(diǎn))，得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處體積含水率隨時(shí)間變化規(guī)律，如圖7所示。從圖7可以看出，降雨初始，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處體積含水率均無(wú)明顯變化。降雨5 min時(shí)，最靠近試樣頂面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處的體積含水率開(kāi)始增大，隨后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#、2#處的體積含水率也開(kāi)始增大，直到土體飽和體積含水率40%，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的體積含水率值均在40%持續(xù)一段時(shí)間，表明土體已在降雨作用下達(dá)到了飽和狀態(tài)。降雨停止，三者體積含水率均未迅速減小。110 min時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2#、3#體積含水率開(kāi)始減小，由于有上部水流補(bǔ)給，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2#的體積含水率大于監(jiān)測(cè)點(diǎn)3#。200 min時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#體積含水率開(kāi)始減小。同樣地，由于有上部水流補(bǔ)給，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#的體積含水率大于監(jiān)測(cè)點(diǎn)2#、3#。在排水釘?shù)呐潘饔孟拢?個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處體積含水率最終均小于初始狀態(tài)。

圖7 體積含水率變化圖

3.3.3 孔隙水壓力結(jié)果

圖8為孔隙水壓力隨時(shí)間變化圖。由于土體初始為非飽和狀態(tài)，因此各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處孔隙水壓力均為負(fù)值。隨著降雨入滲的發(fā)展，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處孔隙水壓力均不斷增大，降雨35 min，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處孔隙水壓力達(dá)到最大值，且三者孔隙水壓力最大值有如下規(guī)律：監(jiān)測(cè)點(diǎn)3#>監(jiān)測(cè)點(diǎn)2#>監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#。由于降雨強(qiáng)度大于土體飽和滲透系數(shù)，試驗(yàn)過(guò)程中試樣頂面出現(xiàn)了積水，因此各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處孔隙水壓力值達(dá)到最大值后在一段時(shí)間內(nèi)保持不變。降雨停止后，孔隙水壓力未迅速減小，至土體表面積水入滲完成，孔隙水壓力減小速率驟增。在排水釘?shù)呐潘饔孟?，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處孔隙水壓力值由正變負(fù)。由于下方土體受到上方土體的水分補(bǔ)給，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處孔隙水壓力最終有如下規(guī)律：監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#>監(jiān)測(cè)點(diǎn)2#>監(jiān)測(cè)點(diǎn)3#。

圖8 孔隙水壓力變化圖

4 結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)降雨入滲作用下排水釘排水試驗(yàn)與數(shù)值仿真計(jì)算，分析了排水釘排水量及土體滲流場(chǎng)變化規(guī)律，得到了如下結(jié)論：

1)隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，排水釘排水量不斷增大直至最大值，隨后，排水量將在一段時(shí)間內(nèi)保持在該最大值附近。降雨結(jié)束后，待土體表面積水入滲完成，排水量才開(kāi)始大幅減小。

2)降雨初始，靠近土體表面位置體積含水率最先增大；隨著入滲量的增多，最終排水釘上部各處均達(dá)到飽和狀態(tài)。降雨停止后，由于排水釘?shù)呐潘饔?，各處體積含水率均不斷減小，三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處體積最終含水率均小于初始狀態(tài)。

3)隨著降雨入滲的發(fā)展，孔隙水壓力值由負(fù)變正，且越靠近土體表面，其孔隙水壓力值越大，降雨停止后，孔隙水壓力未迅速減小，至土體表面積水入滲完成，孔隙水壓力減小速率驟增。在排水釘?shù)呐潘饔孟?，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處孔隙水壓力值最終由正變負(fù)。

研究結(jié)果表明，在降雨條件下，排水釘可顯著影響土體含水率及孔隙水壓力，使飽和水加快排出土體從而增強(qiáng)土體強(qiáng)度；所建模型可較好模擬土體滲流場(chǎng)的變化情況對(duì)排水釘在工程中的應(yīng)用具指導(dǎo)意義。