公路边坡虹吸排水系统建设研究

2016-12-12王婷静周斌赖友兵

公路与汽运 2016年6期

关键词：虹吸管出水口高差

王婷静，周斌，赖友兵

（1.衢州学院建筑工程学院，浙江衢州 324000；2.衢州市公路管理局，浙江衢州 324000）

公路边坡虹吸排水系统建设研究

王婷静1，周斌2，赖友兵2

（1.衢州学院建筑工程学院，浙江衢州 324000；2.衢州市公路管理局，浙江衢州 324000）

边坡虹吸排水具有施工方法简单、造价低和破坏坡面范围小等特点，但应用于工程实际的案例较少。文中结合205国道K1692+000处边坡虹吸排水示范工程建设，分析了建设虹吸排水孔的角度、孔深、数量、间距和排水流量等关键问题，介绍了3种虹吸启动方法，并指出了建设虹吸排水系统时应注意的事项。

公路；边坡；虹吸排水；启动方法

虽然经历20余年的应用探索，虹吸排水方法在边坡工程领域仍没有得到推广应用，边坡虹吸排水研究也基本处于停滞状态。近年来有些学者开始对边坡虹吸排水相关技术进行研究，并取得了一定成果。如孙红月等对边坡虹吸排水管内空气积累原因进行了分析，提出从虹吸管径上加以控制可保持边坡虹吸过程长期有效；任姗姗等探讨了虹吸排水过程的数值模拟方法，建立三维有限元渗流模型计算并分析了边坡虹吸排水效果和影响因素；张世华等利用MATLAB优越的求解能力对虹吸排水后边坡内的地下水浸润曲线分布进行研究来寻求相对合理有效的虹吸排水孔位置，采用近似的点汇对虹吸排水进行处理；赵荐等对虹吸排水的原理、系统建设施工方法及应用效果等进行了分析讨论。但对公路边坡虹吸排水系统建设的研究尚少。该文结合205国道K1692+000处边坡虹吸排水示范工程建设，从排水孔布置、排水流量、启动方法三方面对公路边坡虹吸排水系统建设进行研究。

1 虹吸排水孔布置

受地层不均匀性、计算参数、计算公式假设条件的局限性、排水系统布置的位置和成孔方法不同等因素影响，在理论上难以精确计算所需排水孔数量。但在工程应用中通过分析水文地质资料和选用合理的计算公式，并适当保留安全余度，可以估算出所需虹吸排水孔数量及参数。

1.1 钻孔倾角和孔深

虹吸排水系统可实现的最大跨越扬程约10 m，因此钻孔内水位的最大降深与孔口高差不能超过10 m。受限于虹吸自然启动的扬程条件，采用垂直钻孔常常无法满足地下水降深的要求，一般采用下倾斜孔。根据潜在滑坡排水降深要求，利用向下倾斜的钻孔，合理调节钻孔的倾角和深度，可实现边坡地下水位的降深要求。如图1所示，假设A点为设计的控制地下水位，采用垂直式虹吸排水，钻孔口位于C点，AC之间的垂直高差大于10 m，自然虹吸无法完成；如从B点倾斜钻孔进入坡体内部，保证AB 间的垂直高差不大于10 m，即使滑坡地下水位控制点与孔口高差小于10 m，也可实现虹吸排水系统正常工作。

图1 倾斜式虹吸排水系统示意图

考虑到干旱季节可能会长时间无地下水，相应地虹吸过程会有长时间停止流动期，在此期间，虹吸管的顶部会出现一定长度的气泡积累，重启虹吸时，孔内水位需上升到一定高度才能克服管内气泡的影响。为保证边坡在地下水位适度上升后不会发生滑坡，必须预留一定的地下水位上升量。根据205国道K1692+000处边坡虹吸试验结果，经历连续100 d虹吸停止期，自然重启虹吸所需的水位上升余量小于2.1 m。为保证公路边坡安全，可考虑将与孔口高差6～7 m作为边坡的控制地下水位。同时，为保证虹吸过程长期有效，虹吸系统建设施工应满足如下要求：当孔口与孔底相对高差大于11 m时，

虹吸排水口的高程应低于钻孔口的高程；当孔口与孔底相对高差小于11 m时，虹吸排水的出水口应设置平衡储水管，确保平衡储水管的出水口高程高于钻孔的底部。

1.2 虹吸排水孔数量

虹吸排水孔应尽可能穿过潜在滑动面，将地下水位降低到潜在滑动面以下。许多滑坡的滑动面往往是相对隔水层，滑面以下岩土的渗透性远小于滑体。对于这种边坡，虹吸排水建设时可将穿过潜在滑面的虹吸排水孔作为潜水完整井考虑。

虹吸排水应达到的能力为：强降雨过程中入渗引起的地下水位上升高度不能超过控制地下水位，即边坡地下水最大渗流量不会超过地下水位到达坡面时的渗流量。根据达西定律，边坡横截面的最大渗流量Q为：

式中：k为边坡的渗透系数；h为堆积层厚度；d为排水孔间距；θ为边坡的坡度。

通过式（1）可估算出排水量，进而确定排水孔和虹吸管的数量。但在工程实践中发现，并非需要拦截全部地下水流量，对于205国道K1692+000处边坡，虹吸拦截50%的地下水流量就可满足边坡稳定要求。同时，对于渗透性很小的黏土类边坡，不仅需考虑排水的总流量，还应考虑排水孔的影响半径，不宜把排水孔间距设置过大，只有这样，才能有效拦截地下水。

1.3 虹吸排水孔间距

虹吸排水孔间距可根据排水孔的影响半径来确定，并考虑边坡的地质环境条件对其进行调整，保证排水孔位之间的影响半径有部分重叠而形成干扰井。为说明虹吸的排水效果，在此引入拦截比λ，其计算公式为：

式中：Q、Qs分别为设置虹吸排水孔前后边坡的渗流量；A、As分别为设置虹吸排水孔前后边坡断面地下水过水面积。

应用式（1）、式（2）对205国道K1692+000处渗透性不同的边坡在不同潜水位水深下的孔距进行理论计算与工程试验，结果见表1～4。

表1 排水孔地下水位降深为5 m时的λ-d关系

表2 排水孔地下水位降深为10 m时的λ-d关系

表3 排水孔地下水位降深为15 m时的λ-d关系

表4 排水孔地下水位降深为20 m时的λ-d关系

从表1～4可以看出：提高排水孔位的地下水位降深，可减少钻孔的数量；在相同排水孔地下水位降深时，随着排水孔间距的加大，边坡断面地下水渗流量的拦截比迅速下降，渗透系数越小，拦截比随排水孔间距下降的速率越大。

2 虹吸排水流量

虹吸排水流量与虹吸管径、进出水口高差、扬程等有关，其关系见表5、表6。

表5 进出水口高差对虹吸流量的影响

表6 扬程对虹吸流量的影响

从表5可以看出：无论是4 mm还是5 mm虹吸管，进出水口高差小于6 m时，虹吸流速随高差的增大而增大；高差大于6 m时，高差进一步增大对虹吸流量的影响很小。

从表6可以看出：无论是4 mm还是5 mm虹吸管，当扬程大于3 m时，虹吸流速均随虹吸扬程的增大而快速接近于线性下降；扬程小于3 m时，虹吸扬程对虹吸流量的影响较小。

3 虹吸启动方法

常用的虹吸启动方法有出水口抽水、出水口逆向压水和逆向灌水等。

3.1 出水口抽水法

出水口抽水法是指在出水口安装抽水设备，通过缺水启动虹吸。该方法所需时间短，工作效率高。但当钻孔水位较低或地下水量较少及旱季无水情况下，不宜采用该方法。

3.2 出水口逆向压水法

出水口逆向压水法是指在虹吸出水口连接高压注水设备，通过人力或电力产生高压，迫使外界水流进入虹吸管，通过虹吸管反向流入坡体，使虹吸管充满水。借助外力逆向压水的设备常用的为农用喷雾器。该方法所需设备简单，易于操作，适用性更广，在旱季或地下水位较低的地区也可使用。

3.3 出水口逆向灌水法

出水口逆向灌水法利用连通管原理，采用U形管进行逆向灌水。首先把排水管的出水端按图2所示布置，开口端高度高于整个虹吸管的最高点。向管路灌水，使水沿虹吸管反向注入钻孔内，当估计注水充满孔底储水管时停止。反向孔内注水停止后，将坡面排水管的注水口（出水口）高度降低至设计高程，此时通过虹吸作用，孔内的水会流出。该方法宜