城區(qū)高邊坡內(nèi)部井管組合排水關(guān)鍵技術(shù)

王健偉 祁孜威 王高磊

1.鐵科院（深圳）研究設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 深圳 518060；2.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司鐵路安全研究中心，北京 100081；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081

城市建設(shè)過(guò)程中為處理淤泥渣土形成大量的填土邊坡，因缺少有效的疏排水措施，易產(chǎn)生滑坡事故。邊坡工程中內(nèi)部疏排水措施主要是設(shè)置淺層仰斜排水管和深層排水孔。淺層仰斜排水管耐久性較低，易發(fā)生淤堵現(xiàn)象［1］；深層排水孔鉆進(jìn)過(guò)程中遇硬巖或地層突變易使鉆孔路徑偏移過(guò)大造成塞管困難，且邊坡變形可導(dǎo)致排水孔彎折失效。排水隧洞與井點(diǎn)降水排水降壓效果顯著［2-6］，但工程實(shí)施難度大、造價(jià)高，適用性較差。

本文提出一種仰斜排水管與1.2 m常規(guī)孔徑降水井組合的排水措施，實(shí)現(xiàn)邊坡內(nèi)部自流排水，并應(yīng)用于深圳市某受納場(chǎng)邊坡以補(bǔ)強(qiáng)其邊坡排水系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。

1 工程概況

深圳市一高邊坡原始場(chǎng)地為一采石場(chǎng)，改造為填土受納場(chǎng)，堆填后地貌呈溝腦狀殘丘坡地，邊坡高約100 m、寬約200 m，整體坡度為20°～30°。邊坡上部為填土區(qū)，原采石場(chǎng)開挖后順坡堆填而成；坡體兩側(cè)山脊逐步收窄，在邊坡中部形成鎖口區(qū)，地勢(shì)較低，地下水匯集，水量豐富；邊坡下部為原狀土區(qū)，因工程建設(shè)需要，經(jīng)分級(jí)開挖至強(qiáng)～中風(fēng)化地層，后采用錨桿（索）框架支護(hù)。邊坡場(chǎng)地平面如圖1所示，場(chǎng)地地層（自上而下）物理力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 邊坡場(chǎng)地平面示意

表1 場(chǎng)地地層物理力學(xué)性能指標(biāo)

2 排水位置選擇

地下水自東北向西南行進(jìn)，由高向低，沿強(qiáng)弱透水地層交界斜坡面排放。其中，鎖口區(qū)為地形低洼凹地，此處山地徑流匯集，地表水經(jīng)雜填土層入滲，加之后緣山體裂隙水源補(bǔ)給，地下水豐富，一部分地下水直接向原狀土區(qū)臨空面溢出。

張?zhí)惖龋?］研究發(fā)現(xiàn)，滑坡前坡腳水位會(huì)先抬升產(chǎn)生溢流。以該受納場(chǎng)為例，若鎖口區(qū)前緣土體由非飽和土轉(zhuǎn)化為飽和土，抗剪強(qiáng)度降低，加之滲透力作用，可能導(dǎo)致邊坡前緣先啟動(dòng)變形，再逐級(jí)傳遞至后緣拉裂，從而形成牽引式滑坡，且上部填土區(qū)勢(shì)能匯聚，若形成滑坡并在前鋒鎖口區(qū)釋放，將加劇填土區(qū)堆填體噴發(fā)，進(jìn)一步增大滑坡影響范圍。利用GeoStudio仿真軟件進(jìn)行滲流及穩(wěn)定性計(jì)算得知，地下水位每下降1 m，鎖口區(qū)安全系數(shù)可提高0.02。因此，本試驗(yàn)將降水井設(shè)置在鎖口區(qū)前緣水量豐富位置，由原狀土區(qū)臨空面接仰斜排水管，排出鎖口區(qū)前緣地下水，限制鎖口區(qū)水位上升，降低鎖口區(qū)滲透壓力，提高前緣土體強(qiáng)度。

3 排水試驗(yàn)方案

原設(shè)計(jì)共3處采用井管組合排水措施，其中2處降水井（1#和2#井）已先行安裝。施工過(guò)程中在低位使用潛孔鉆機(jī)直接鉆入降水井底部，采用全站儀調(diào)整鉆機(jī)初始位置及方位偏角，但因坡體內(nèi)部地質(zhì)條件復(fù)雜及鉆頭重力牽引，導(dǎo)致成孔路徑發(fā)生側(cè)偏、下垂［8］，經(jīng)數(shù)次嘗試，無(wú)法將鉆孔準(zhǔn)確連通至降水井中，后期僅能通過(guò)抽水泵井內(nèi)抽排水。

為解決井管準(zhǔn)確對(duì)接問(wèn)題，井管組合排水試驗(yàn)井（3#井）采用“先安裝仰斜排水管，后開挖降水井”的方式，如圖2所示。使用可發(fā)射位置信息的鉆進(jìn)設(shè)備先成孔，后插入排水管，最后在定位出的成孔路徑之上坡面或平臺(tái)開挖降水井至仰斜管［9］。

圖2 井管組合實(shí)施排水步驟

1）確定降水井參數(shù)。根據(jù)仰斜排水孔鉆進(jìn)過(guò)程中出水量及坡面作業(yè)空間，確定終孔位置，在排水孔路徑正上方選取降水井點(diǎn)位。降水井采用人工挖孔形式，其內(nèi)徑過(guò)大會(huì)造成作業(yè)空間不足及資源虛耗，過(guò)小將影響井管組合排水性能，且人工挖孔必須有足夠作業(yè)面，故降水井設(shè)計(jì)內(nèi)徑為1.2 m。實(shí)施過(guò)程中嚴(yán)格控制垂直度［10］，設(shè)置鋼筋混凝土護(hù)壁以防止塌孔，開挖至仰斜管后立即硬化降水井底板，再將井壁均布鉆透水孔或局部破開護(hù)壁，仰斜排水管做接口保護(hù)后在井內(nèi)作填礫處理。

2）確定排水孔參數(shù)。坡體內(nèi)部地下水匯至降水井后，經(jīng)底部排水管流出。假設(shè)降水井單日最大排水量Q1為60 m3，井內(nèi)水面與仰斜排水孔出水口高差h為0.5 m，排水孔長(zhǎng)度為22 m。Q2為仰斜排水管的每日出水量，當(dāng)Q1=Q2，即降水井匯水量與排水管出水量相等時(shí)，蓄排水平衡，由式（1）—式（3）［11］可求得排水管匹配最小尺寸d為49 mm。結(jié)合鉆孔設(shè)備鉆桿尺寸要求，排水管尺寸取90 mm。

式中：hL為總水頭損失；v為井內(nèi)地下水從仰斜排水管流出時(shí)的流速；g為重力加速度；λ為排水管沿程水頭損失系數(shù)，取0.027；l為仰斜排水管長(zhǎng)度；ξ為井管連接位置局部水頭損失系數(shù)，取0.5；A為仰斜排水管內(nèi)徑；t為排水時(shí)間。

3）接口保護(hù)。為確保井內(nèi)匯水皆從仰斜排水管排出，將排水管端頭用土工濾布包裹；仰斜排水管與井壁、出水口與坡面縫隙處均用防水砂漿封堵，防止在管外形成排水通道。

4 邊坡排水分析

試驗(yàn)場(chǎng)地平面布置如圖3所示，井口標(biāo)高94.5 m；仰斜排水管內(nèi)徑鉆孔設(shè)備放置在底部平臺(tái)，標(biāo)高為84.1 m，初始仰角10°，排水管直徑90 mm、長(zhǎng)度22 m。同時(shí)在2 m外設(shè)置一根同角度、同長(zhǎng)度的常規(guī)仰斜排水孔作對(duì)比試驗(yàn)，該孔未接降水井。

圖3 試驗(yàn)場(chǎng)地平面布置（單位：m）

為有效評(píng)價(jià)井管組合排水效果，在兩仰斜排水管出口位置布設(shè)流量計(jì)進(jìn)行排水量監(jiān)測(cè)，如圖4所示。

圖4 排水量監(jiān)測(cè)

4.1 排水量對(duì)比

2021年12月2日至2022年1月6日，開展了井管組合排水工程及水位監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，常規(guī)仰斜排水管與井管組合排水量對(duì)比見(jiàn)圖5?？芍涸囼?yàn)首日常規(guī)仰斜排水管與井管組合排水量相近，實(shí)測(cè)分別為19.03、19.79 m3；試驗(yàn)期間兩者日均排水量總體皆呈下降趨勢(shì)，其中常規(guī)仰斜排水管排水量衰減迅速，試驗(yàn)后期日排水量?jī)H在1.5～2.0 m3，而井管組合排水量仍能維持在13.0～15.0 m3，衰減量減少88%。試驗(yàn)初期兩仰斜排水出水端皆位于水位以下，隨著水位下降，常規(guī)仰斜排水管排水量迅速回落，而降水井井壁導(dǎo)水面積大，與浸潤(rùn)面以上的非飽和土產(chǎn)生水力聯(lián)系，使得井管組合排水量保持穩(wěn)定。

圖5 常規(guī)仰斜排水管與井管組合排水量對(duì)比

4.2 降雨量、排水量與水位的關(guān)系

本試驗(yàn)在旱季進(jìn)行，試驗(yàn)期間水位、降雨量及仰斜排水管、井管組合排水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2和圖6。由表2和圖6可知，距離降水井較遠(yuǎn)的水位監(jiān)測(cè)孔SW1、SW2，試驗(yàn)期間其水位變化極小，說(shuō)明試驗(yàn)期間場(chǎng)地水位受自然水位影響較小，驗(yàn)證了本試驗(yàn)的有效性，且降水井并未引起SW1和SW2的水位變化；兩自動(dòng)化水位監(jiān)測(cè)孔（SW3、SW4）受井管組合排水影響，水位持續(xù)下降，試驗(yàn)期間分別由89.39、89.37 m降至88.65、88.63 m，水位均下降0.74 m，充分說(shuō)明井管組合排水有效降低了邊坡的地下水位；場(chǎng)地水位變化與仰斜管的排水量存在同步耦合關(guān)系，但井管組合排水對(duì)水位的影響是一個(gè)持續(xù)過(guò)程，并非短時(shí)間內(nèi)完成。

表2 自動(dòng)化水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖6 試驗(yàn)期間降雨量及仰斜管、井管組合排水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

在2021年12月20、21日分別有6.6、14.0 mm的降雨，均引起常規(guī)仰斜排水管單日排水量迅速回升，常規(guī)仰斜排水管排水量增加0.8、2.0 m3/d，井管組合排水量增加1.40、1.71 m3，其水位并未隨之反彈，有效限制了水位上升。而12月15、16、24、26日降雨量均小于4 mm，雨量較小，并未達(dá)到改變排水量變化趨勢(shì)的閾值。

5 結(jié)論

1）根據(jù)場(chǎng)地地形及地層分布，選取地形收窄且水量豐富區(qū)域作為井管組合排水措施的應(yīng)用位置；采用先安裝仰斜排水孔，后在定位出的成孔路徑上方開挖降水井的試驗(yàn)工藝，思路正確、布置合理，可應(yīng)用于其他類似排水工程。

2）根據(jù)井管組合排水措施的初期運(yùn)營(yíng)成果，相比于常規(guī)仰斜排水管，排水功能顯著，適應(yīng)性強(qiáng)，其衰減量減少88%。

3）應(yīng)用井管組合排水措施后，有效降低了邊坡地下水位。場(chǎng)地水位變化與仰斜排水管的排水量存在同步耦合關(guān)系，地下水位以平均20 mm/d的速度平緩下降，排水量同步減少。

4）受降雨影響，井管組合排水量迅速響應(yīng)增加，有效限制了水位的上升，但降雨量對(duì)排水量的影響存在閾值效應(yīng)，具體數(shù)值仍需進(jìn)一步試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。