毛細排水管排水性能試驗與路基排水應用研究

張棟 王寧 陳鋒 張杰，

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵路西安局集團有限公司 閻良工務段，西安 710000；3.中國鐵路北京局集團有限公司 邯鄲工務段，河北 邯鄲 056001

針對路基水害，傳統(tǒng)整治方法有換填、封閉、施作橫向排水盲溝、設置PVC 梅花孔排水管等［1-4］。換填、封閉、施作橫向排水盲溝等方法工程量大且施工干擾大，效果不明顯。PVC 梅花孔排水管則極易短時間內(nèi)產(chǎn)生堵塞甚至完全喪失排水功能。利用傳統(tǒng)整治措施，難以達到預期的處理效果。采用毛細排水管治理路基排水不良可有效克服傳統(tǒng)排水管的缺點。毛細排水管依靠其毛細吸水、柔性變形、重力排水、虹吸排水特點，可長期保持優(yōu)良的排水效果。

毛細排水管的研究主要集中在我國。崔玉橋等［5］開展了毛細透排水帶制成的水釘研究，水釘與毛細排水管結構類似，水釘周圍能形成天然的反濾層，其存在對天然反濾層的形成起催化作用。該研究為水釘排水效率評估和形成設計方法提供基礎。凌賢宗等［6］開展了毛細透排水帶排水試驗研究，檢驗其在不同滲透系數(shù)土體中的反濾效果，比較其不同布置形式的排水能力和抗淤堵性能，結果表明其抗淤堵性能優(yōu)良。阮清波等［7］開展了毛細透排水帶反濾性能試驗研究，檢驗其在不同土體中的最優(yōu)布置形式及反濾性能。毛細透排水帶的細小毛細槽溝能夠產(chǎn)生45.6 Pa 的毛細力，將對附近的孔隙水產(chǎn)生毛細作用，進一步對土體內(nèi)部產(chǎn)生負壓，促使較遠處的孔隙水向排水帶遷移［8］。嚴海明［9］通過某水庫大壩排水工程，系統(tǒng)介紹了毛細透排水帶的性能以及設計和施工方法。

上述研究多為初步試驗，驗證了毛細排水管的反濾和抗淤堵排水能力。毛細排水管在水利工程、鐵路隧道中都有成功應用案例，其反濾抗淤堵、毛細和虹吸作用可有效解決既有鐵路路基水害問題，但目前在路基工程中少有應用。毛細排水管的尺寸參數(shù)直接影響其排水性能，為此開展毛細排水管的結構參數(shù)測試和虹吸排水性能試驗研究。試驗前調(diào)研國內(nèi)毛細透排水帶市場，選定7 種毛細試驗排水帶開展相關試驗。測試并對比分析不同類型的毛細試驗排水帶的集水槽寬度、集水槽隔斷寬度、板厚、孔底板厚、排水孔徑等尺寸對流速和虹吸高度的影響。

1 毛細排水管透排水帶尺寸參數(shù)測試

毛細排水管（圖1）是用薄片式毛細透排水帶包裹PVC 管制成。PVC 管有匯水作用，用作路基內(nèi)部排水時排水量較小，PVC 管不起決定性作用。毛細透排水帶是毛細排水管的關鍵部件，主要依靠毛細透排水帶實現(xiàn)毛細和虹吸作用，這也是區(qū)別于其他排水管的最大特點。毛細透排水帶是指在軟質(zhì)薄塑膠片上開設形狀如Ω的密集導水槽孔［10］。

圖1 毛細排水管結構

毛細透排水帶關鍵尺寸參數(shù)（圖2）主要包括集水槽隔斷寬度、集水槽寬度、板厚、孔底板厚度、排水孔徑。一般其軟質(zhì)薄塑膠片厚約2 mm，導水槽孔直徑約1 mm（間隔1.5 mm），毛細集水槽寬度約0.3 mm。

圖2 毛細透排水帶關鍵尺寸參數(shù)

尺寸參數(shù)測試參考Q/CR 549.6—2017《鐵路工程土工合成材料第6 部分：排水材料》外形尺寸測試方法。但是毛細透排水帶材質(zhì)偏軟，測量時固定困難，而測試精度要求均在0.1 mm 以內(nèi)，采用游標卡尺、孔徑尺等機械測量手段，測量精度難以保證。鑒于此，根據(jù)GB/T 19863—2005《體視顯微鏡試驗方法》，采用體視顯微鏡對7 種毛細透排水帶（編號分別為1 號—7號）的尺寸進行了測量。體視顯微鏡觀察到的3種毛細透排水帶如圖3所示，測試結果見表1。

圖3 體視顯微鏡觀察到的3種毛細透排水帶

表1 毛細透排水帶尺寸測量結果

由表1 可知：1 號、2 號、7 號毛細透排水帶的排水孔徑較為均勻，排水孔徑、底板厚度和集水槽寬度尺寸更加貼近Q/CR 549.6—2017 中規(guī)格尺寸；3 號、4 號、5 號、6 號排水帶的集水槽寬度較大、排水孔徑變異系數(shù)較大，均勻性較差。部分排水孔截面已非圓形，結構尺寸與設計尺寸差異較大，目測可判斷質(zhì)量存在問題，故不再對3號、4號、5號、6號排水帶開展試驗研究。

2 排水性能試驗

2.1 虹吸排水量試驗

選取1 號、2 號、7 號毛細透排水帶進行試驗，如圖4所示。試驗箱長75 cm，寬75 cm，高35 cm，出水口距箱內(nèi)底面10 cm。試樣寬度20 cm 為標準值，試樣裁取距樣品縱向邊緣不小于10 cm，長70 cm，且伸入試驗箱內(nèi)的長度為40 cm，伸出試驗箱的長度為30 cm。

圖4 毛細透排水帶虹吸試驗

放入試驗箱前，在毛細透排水帶與出水口接觸部分粘貼防水膠帶。將毛細透排水帶放入模型箱中，尾部用膠帶固定在模型箱底部，出水口用玻璃膠封堵。液面到出水口的高度差為測試水頭高度。

注入無氣水，初始注水水頭高度高于目標測試水頭高度；待毛細透排水帶排水孔出水穩(wěn)定后，調(diào)控進水量使水頭高度保持在目標測試水頭，記錄10 min 的排水量；隨后停止注水，待停止出水后觀察測量虹吸液面高度，進行5 次平行試驗為一組試驗。測試水頭高度分別為-2.5、-2.0、0、10.0、20.0 cm。

計算毛細透排水帶的虹吸排水量，最終結果取平均值。虹吸排水量計算式為

式中：q為虹吸排水量，L/min；Q為測試時間內(nèi)的平均排水量，L；t為測試時間，min。

2.2 覆土通水量試驗

參考Q/CR 549.6—2017 附錄D 排水材料覆土通水量的試驗方法，模型箱為邊長80 cm 立方體，包裹排水管的下層土為角礫土，超過毛細排水管頂部10 cm后填鋪粉砂10 cm，試驗模型箱結構如圖5所示。在恒定水頭下測試單位時間內(nèi)通過排水材料試樣的水流量。

圖5 覆土通水量模型箱結構（單位：cm）

本試驗水頭高度指水面位置距離粉砂層表面的高度。測試了10、20 cm 水頭高度下，1 號和7 號毛細排水管的覆土通水量。

2.3 虹吸能力模擬驗證

考慮到毛細排水管核心部件為表面的毛細透排水帶，為便于觀察和操作，單獨使用毛細透排水帶模擬毛細排水管埋入土中時毛細排水管半封閉狀態(tài)。測試有無毛細透排水帶情況下的虹吸排水效果，驗證毛細透排水帶的虹吸作用，測試其虹吸高度極限。

模型箱共四節(jié)，每節(jié)長60 cm，寬30 cm，深25 cm，全部鋪設不透水兩布一膜，按10°傾角拼接成兩排。一側(cè)底部鋪設2號毛細透排水帶，毛細開槽面向下，上附碎石，另一側(cè)不鋪設毛細透排水帶。注水，使兩邊的水頭高度一致，排水口出水后停止注水，觀察兩邊模型箱中水隨時間變化的排出情況。

3 毛細透排水帶構造參數(shù)的影響

3.1 虹吸排水量試驗結果分析

虹吸排水流速見表2。1 號、2 號、7 號毛細透排水帶虹吸高度分別為3.0、2.0、2.7 cm。

由表2可知：7號透排水帶流速始終保持最高。水頭高度20 cm 時，2 號與7 號透排水帶流速比較接近，高于1 號透排水帶約0.5 L/min；水頭高度10 cm 時，2號與7 號透排水帶流速比較接近，高于1 號透排水帶約0.2 L/min；水頭高度在10 cm 以內(nèi)時，3 種透排水帶排水流速相差不大。

表2 虹吸排水流速

結合關鍵尺寸參數(shù)分析，對比三者的隔斷寬度、集水槽寬度、排水孔徑可知：7 號透排水帶排水孔徑最大，為1.123 mm；集水槽寬度最小，為0.508 mm；隔斷寬度最小為1.504 mm。7 號透排水帶孔徑大、隔斷窄，毛細透排水帶寬度相同條下開孔率最大、排水斷面最大，故流速最快。虹吸作用與排水孔徑和集水槽寬度比值相關性較大，雖然7號透排水帶孔徑較大，毛細作用減弱，但其集水槽寬度較小，封閉水的能力較強，故7號透排水帶虹吸作用居中。

當毛細透排水帶集水槽寬度較小時，毛細作用增強，虹吸高度增加，排水流速會降低，不能在較短的時間內(nèi)將水迅速排出；集水槽過大時，排水流速雖然會增大，毛細透排水帶的毛細作用和虹吸作用因毛細溝槽的增大而降低，從而使得排水效果減弱。

毛細排水孔徑越大排水流速越大，當排水孔徑過大即毛細孔徑過大時，毛細透排水帶的虹吸高度會降低。

3.2 覆土通水量試驗結果分析

覆土通水量試驗結果見表3?？芍?，兩種毛細排水管覆土通水量的差異較小。但試驗過程中發(fā)現(xiàn)前期出水較為渾濁，后期出水較為清澈，證明毛細排水管具有阻止水土流失的作用。試驗前后流量變化較小，表明毛細排水管并未淤堵，推測部分土顆粒在其表面形成了反濾層［8］。

表3 兩種排水管覆土通水量比較

3.3 虹吸能力模擬驗證結果

試驗結束后狀態(tài)見圖6。可知：36 h 后，有無毛細透排水帶的排水槽排水效果相差明顯。有毛細透排水帶的一側(cè)，包括距出水口最遠一節(jié)，水基本排凈；無毛細透排水帶的一邊，基本未排水。這表明毛細透排水帶具有很強的虹吸作用，且當毛細透排水帶有溝槽一側(cè)被覆蓋時，部分毛細排水通道處于半封閉狀態(tài)，可以加強其毛細和虹吸作用，距離出水口2.0 m 處，其虹吸高度不低于20 cm。

圖6 36 h模型試驗狀態(tài)

4 現(xiàn)場試驗

選取邯長線K77+100 —K77+200區(qū)段為試驗段，根據(jù)市場調(diào)研結果和試驗結果選擇排水性能較優(yōu)良的7號毛細排水管，進行現(xiàn)場應用研究。

采用三維立體雷達檢測，探明路基病害深度和長度。對地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)進行濾波處理，并分析其回波信號，在本次檢測區(qū)域有效探測深度內(nèi)發(fā)現(xiàn)富水異常1處，土體疏松1處，結果見表4。

表4 地質(zhì)雷達檢測結果

在富水異常處路基面以下6 m 處鉆孔置管排水，排水管間距2 m，仰斜角度5°～ 10°。鉆孔直徑90 mm，大于毛細排水管外徑約24 mm，大于毛細排水管轉(zhuǎn)接頭外徑約14 mm。填料為粉質(zhì)黏土，天然含水率較高，成孔較好，直接打孔，未跟管。成孔后置入柔性毛細排水管。毛細排水孔出水管引出路基邊坡10 cm 左右，用水泥封孔，見圖7。

圖7 施工完成

為驗證毛細排水管的排水效果，施工時施作兩孔傳統(tǒng)外包土工布PVC 排水管。成孔排水12 h 后，收集排出水24 h，見圖8。出水較為清澈，毛細排水管出水量明顯大于傳統(tǒng)PVC排水管。

圖8 封孔取水試驗

5 結論

1）毛細排水管用于路基排水施工簡單，具有明顯反濾效果，排水性能優(yōu)良，可有效克服傳統(tǒng)排水管的缺點。

2）集水槽寬度和排水孔徑是影響虹吸高度和排水流速的關鍵因素，綜合考慮虹吸高度和排水流速的應用技術要求，合理選取集水槽寬度和排水孔徑大小，可有效提升毛細排水管的整體性能。

3）毛細排水管表面處于覆蓋狀態(tài)半封閉條件下，虹吸作用明顯提升，此狀態(tài)下的虹吸高度遠高于水中的虹吸高度，本文試驗條件下虹吸高度可達到20 cm以上。