岸坡水平排水孔现场试验及地下水监测成果分析

盛小涛，顾缬琴，定培中，李少龙，朱国胜，严 敏

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.长江航道规划设计研究院 工程检测中心，武汉 430011)

岸坡水平排水孔现场试验及地下水监测成果分析

盛小涛1，顾缬琴2，定培中1，李少龙1，朱国胜1，严 敏1

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.长江航道规划设计研究院 工程检测中心，武汉 430011)

为研究岸坡水平排水孔技术的排水效果，在长江中游航道江陵高滩守护工程中布置水平排水孔现场试验段。在布置盲沟等传统排水措施基础上，增设不同深度的采用可拆换式过滤体的水平排水孔，与仅采用传统排水措施的工程比较排水效果，检验水平排水技术的有效性与可操作性。监测成果表明，岸坡内水位与长江水位变化关系密切:在江水位上涨阶段，江水流向岸坡，与岸坡地下水形成补给关系;然而在江水位下降阶段，岸坡地下水流向长江，形成排泄关系。增加水平排水孔后，岸坡排水效果要优于仅采用常规盲沟试验段的排水效果，孔深为15 m方案的排水效果要优于孔深为8 m的排水效果。研究表明岸坡水平排水孔起到了较好的排水减压作用。

水平排水孔；岸坡；地下水；可拆换式过滤体；现场试验

1 研究背景

长江中游河床和河漫滩大都是第四纪疏松沉积物，河岸地形地质条件复杂。岸坡地层结构主要有3种类型[1]：①均一砂性土层结构；②砂性土与黏性土组成的二元结构；③砂性土与黏性土互层的多元结构。岸坡土层固结程度低，砂性土层透水能力强。

相当多的工程实践经验证实，地下水对岸坡稳定性产生重要影响[2]。在长江航道岸坡整治工程中，主要是通过盲沟、排水垫、砂垫层等表层排水措施排水，其效果十分有限。根据相关工程经验[3-7]及李少龙等[8]的数值模拟成果，水平排水孔可以加速疏干岸坡深部的地下水，对于多元结构地层岸坡更具针对性。为此，建立了三维渗流模型模拟排水孔的作用效果。为探索水平排水孔成孔施工工艺、材料及结构工艺，验证排水效果，为数学模型分析提供工程实例观测资料，本文依托2014年度斗湖堤水道江陵高滩守护工程，选择地质条件典型岸坡布置了岸坡水平排水试验段。

2 现场试验方案

2.1 工程概况

斗湖堤水道高滩守护工程方案主要是守护对太平口水道的腊林洲低滩和三八滩中下段，以稳定水流，改善航道条件。试验段所在区域位于南星洲下游侧左岸高漫滩，为一宽缓平台，高程38.01～40.42 m。漫滩后缘(东侧)建有一弧形子堤，堤高约3.0 m；西侧为长江岸坡，走向近南北向，岸坡坡角一般为30°～40°，局部略陡，试验期正在进行护坡施工[9]。

2.2 场区工程地质条件

场区内地层由上到下依次为：①黄褐色粉质黏土；②黄褐-灰褐色粉质黏土；③青灰色粉细砂层。①，②层粉质黏土层内均夹有粉细砂薄层，而③层粉细砂层内夹有粉质黏土薄层。根据室内渗透试验分析，粉质黏土层渗透系数取值范围为(1.49～8.23)×10-6cm/s，呈微透水性。粉细砂层为中等透水性，渗透系数范围为(3.5～7.0)×10-3cm/s。由于粉质黏土层内往往夹粉细砂薄层，故实际透水性较试验值要略高；而粉细砂层中多夹粉质黏土薄层，实际透水性较试验值要略低。

该试验段历年实测的长江最高水位为38.31 m(1998年8月17日)，低于场区平台，最低水位为22.65 m(1972年2月3日)，最大水位变幅为15.66 m。

2.3 现场试验方案

现场试验需结合实际工程进行。在传统排水措施基础上，在试验段增加布置水平排水措施，与仅采用传统排水措施的工程比较排水效果，检验水平排水技术的有效性与可操作性,现场试验方案见表1。方案1在传统盲沟的基础上，增设水平排水孔，孔深为15 m，间距为5 m；方案2为传统盲沟方案，不布置水平排水孔；方案3与方案1类似，孔深减小至8 m。通过将方案1和方案3分别与方案2对比，研究增设水平排水措施后的排水效果;通过方案1与方案3对比，进一步研究孔深对排水效果的影响。试验段各材料(黏土、砂土、海绵体)渗透系数见表2。

表1 现场试验方案Table 1 Plan of worksite test

表2 试验段各材料渗透系数Table 2 Coefficients of permeability of different materials in test section

本项目共3个现场试验段，各试验段顺河道水流方向相邻布置，从而保证3个试验段地层结构相同或尽可能相近以便于对比。图1为现场试验方案布置的示意图。

图1 现场试验方案布置示意图Fig.1 Layout of site test scheme

水平排水孔由外管和滤芯2部分组成，滤芯淤堵后可以更换，便于维护和延长使用寿命[10-11]。外管为外径90 mm的PVC塑料管，壁厚4.2 mm，外管靠近出口端600 mm为实管，靠近边坡深处为花管，花管长度分为8 m和15 m 2种，花管开孔率为20%，外包2层40目尼龙滤网。在每个水平排水孔口设置逆止阀[12]，以防江水倒灌。滤芯为外径50 mm的PE管钻成开孔率20%的花管，外包泡沫塑料过滤体，外径80 mm。为提高排水效果，实际施工钻孔时以5°仰斜角钻进。水平排水孔结构见图2。

图2 水平排水孔结构Fig.2 Structure of horizontal drainage hole

2.4 试验段监测方案

3个试验段及监测设施平面布置见图3。分述如下。

2.4.1 1#试验段

图4 不同监测断面监测仪器布置Fig.4 Arrangement of monitoring instruments in different monitoring sections

1#试验段位于设计断面0+450至0+525，总长度75 m，在传统盲沟排水设施的基础上，按孔深15 m、孔径90 mm、孔距5 m布置16个水平排水孔，排水孔孔口高程32.65 m，枯水平台高程31.60 m。各监测断面探头布置见图4，共埋设3支水压力探头(分别用1-0，1-1，1-2表示，其余2个断面表示方法相同)，其中岸坡内埋设2支水压力探头(探头编号1-1和1-2)，用于实时监测岸坡的地下水位，2支探头距排水孔孔口水平距离分别为15.5 m和3 m;在距离岸坡顶100 m处埋设1支探头(探头编号1-0)，用来监测岸坡远处的地下水位，可以为数值模拟分析时提供边界水位条件。

群众史观是中国共产党的群众观点和群众路线最为直接的理论根基。在建设中国特色社会主义的新时期、新形势下，对于如何贯彻落实党的十八大报告中关于开展群众路线教育实践活动、做好新形势下群众工作的精神，真正践行党的群众史观，在应然方面为我们提出了新要求。

2.4.2 2#试验段

2#试验段位于设计断面0+525至0+625，长100 m，仅布置传统盲沟排水设施。2#监测断面位于2#试验段正中间。2#监测断面岸坡内在与1#监测断面相同部位埋设2支水压力探头，用于监测岸坡地下水位变化情况。

2.4.3 3#试验段

3#试验段位于设计断面0+625至0+700，长75 m，在传统盲沟排水设施的基础上，按孔深8 m、孔径90 mm、孔距5 m布置16个水平排水孔。在枯水平台下面高程31.37 m处埋设1支探头用来监测长江的水位变化情况。

图5 不同监测断面水位变化过程线Fig.5 Variations of water level of different monitoring sections

3 监测成果及分析

监测仪器采用美国In-Situ公司生产的LEVELTROLL500型渗压计，精度为0.05%(净量程)，可同时测量水压力和水温。埋设后，设定读数频率为每4 h自动读取1次，监测日期为2015年5—12月份，完整地获取了2015年汛期水位上升和汛后水位下降过程的监测数据。3个监测断面的水位变化过程线见图5。长江水位均采用埋设于3#断面的3-3探头测值。

3.1 长江水位变动情况

从3-3探头所测长江水位变化情况来看，长江水位在2015年汛期可分为2个主要阶段。第1阶段：从2015年6月9日起上涨淹没枯水平台，至7月2日达到最高水位36.75 m后下始下降，7月15日降至低点33.25 m后回升至35.03 m(7月17日)，此后在8月4日回落到枯水平台以下。第2阶段：2015年8月8日江水位开始上涨淹没枯水平台，至9月11日涨至高点34.76 m，此后开始回落，至10月12日，降于枯水平台以下。总体上监测到江水位2次大的降落，从3个断面埋设于岸坡内的探头监测情况来看，岸坡内水位与长江水位变化关系密切，水位过程线呈现较好的规律性。总体上来看，在试验段区域范围，地下水与长江为排泄关系；在岸坡范围内，当长江水位上涨时，江水向岸坡土体补给，而在江水位下降时，岸坡地下水流改变为由岸坡向长江排泄，详述如下。

3.2 远离岸坡地下水水位变动情况

图6单独给出了远离岸坡100 m的1-0和3-0探头所测的地下水位与江水位的过程线，从图中可以看出，距离岸坡较远处的地下水位在整个观测期始终高于长江水位，表明试验段的区域地下水位较高，呈现地下水向长江排泄的态势。1#监测断面和3#监测断面远离岸坡处的初始水位存在一定的差距，可能是由于施工等因素干扰所致，随着时间的推移，两者差距逐渐缩小，到2015年8月以后两者已基本接近。

图6 远离岸坡地下水位与江水位变化过程线Fig.6 Variations of groundwater level and river water level monitored far from bank slope

3.3 岸坡浅部地下水变化规律

3个监测断面的2#探头均埋设于边坡浅部，距离排水孔口水平距离为3 m，垂直埋深不足1 m，通过该探头的水位监测情况可以分析岸坡浅层地下水位的变化规律。从图7中可以看出，地下水位随着长江水位的变化而同步变动，且差值极小，存在较强的相关性。出现这种现象主要是因为监测点的埋深浅、距离水边界近。当江水位上涨时，入渗迅速，导致水位快速上涨，而江水位下落时，排水通畅，水位快速回落，始终与江水位保持同步，入渗和排泄条件均较好。

图7 岸坡浅部地下水位与江水位变化过程线Fig.7 Variations of groundwater level and river water level in shallow bank slope

3.4 岸坡深部地下水变化规律

3个监测断面的1#探头均埋设于边坡较深部，距离排水孔口水平距离为15.5 m，垂直埋深约4 m，通过该探头的水位监测情况可以分析岸坡深层地下水位的变化规律。从图8中可以看出，岸坡深部地下水位仍随长江水位的涨落而起伏，但不完全同步，在长江水位变幅剧烈时有1～2 d的滞后，在江水位呈下降趋势时滞后时间进一步延长，甚至在江水位降低很长时间以后，坡体仍保持有较高的地下水位。其变化规律可以从水位上涨和水位下降2个方面进行分析，图9给出了江水位上涨(6月30日—7月5日)和下落(7月10—15日)较剧烈的2个典型时段水位变化过程线。

图8 岸坡深部地下水位与江水位变化过程线Fig.8 Variations of groundwater level and river water level in deep bank slope

图9 各断面1#监测点地下水位与江水位变化过程线对比Fig.9 Water level process lines of Yangtze river and groundwater at monitoring point #1 of three sections

从图9(a)看出，2015年6月30日—7月5日江水位从34.25 m上涨至35.25 m，日均上涨0.2 m，各监测断面的1#测点均不同程度上涨，但均低于长江水位，表明江水流向岸坡，为补给关系。按水位上涨程度从大至小依次为1#，3#，2#监测断面。由于水平排水孔的孔口设有逆止阀防止江水倒灌，江水上涨期逆止阀是封闭的[6]，因此岸坡地下水上涨的速度差异应该与排水孔无关，具体原因还有待分析。

从图9(b)看出，2015年7月10—15日江水位从35.25 m下降至33.47 m，平均降速0.35 m/d，各监测断面的1#测点水位均不同程度下降，水位降落程度从大至小依次为1#，3#，2#监测断面，江水下降期逆止阀是打开的，可以充分排水，从监测结果可知，排水效果按优劣顺序可排序为：1#试验段(15 m深排水孔+盲沟)、3#试验段(8 m深排水孔+盲沟)、2#试验段(盲沟)，表明水平排水孔起到了较好的排水降压作用。

3.5 现场巡视检查情况

2015年8月15日现场下载监测数据时，对水平排水孔的出水情况进行了巡视检查，此时长江水位低于排水孔孔口水位约40 cm，现场可见排水孔均有水流流出，设置15 m深排水孔的试验段的出流量要比8 m深排水孔试验段的出流量更明显。由于巡检时气温极高，排出的水很容易蒸发，而且出流量不大，流量难以测量，只能定性描述。

4 结 论

(1) 岸坡内水位与长江水位变化关系密切，监测成果反映了在江水位上涨阶段江水补给岸坡，而在江水位下降期地下水向长江排泄的关系。从远离岸坡地下水监测情况来看，距离岸坡较远处的地下水位在整个观测期始终高于长江水位，表明试验段的区域地下水位高于长江水位，岸坡地下水向长江渗流。

(2) 长期监测成果表明，采用水平排水孔+盲沟的试验段，其排水效果比仅采用盲沟排水的试验段好，岸坡地下水水位下降速度较快，水平排水孔发挥了较好的排水减压效果， 有利于岸坡稳定。

(3) 现场3个监测断面成果的对比表明，增加水平排水孔后，岸坡排水效果要优于仅采用常规盲沟试验段的排水效果，孔深为15 m方案的排水效果要优于孔深为8 m方案的排水效果。但受施工条件限制，本次现场试验未针对不同孔距及孔径的排水效果影响进行试验验证，可在今后开展这方面的现场试验工作。

为了保障实际工程安全，考虑到水平排水孔是初次应用，3个试验段都布置了盲沟措施。单独采用排水孔措施时作用效果如何，能否满足岸坡排水的要求，尚有待进一步的深入研究。

[1] 徐杨青，朱小敏. 长江中下游一级阶地地层结构特征及深基坑变形破坏模式分析[J]. 岩土工程学报，2006，28(增1)：1794-1798.

[2] 陈 芳，田 凯. 降雨入渗作用下土质斜坡稳定性的数值分析[J]. 长江科学院院报，2013，30(12)：69-73.

[3] 唐晓松，郑颖人，刘 亮，等. 水平排水孔在岸坡治理工程中的应用[J]. 重庆大学学报, 2010, 4(33): 80-87.

[4] 严 敏，定培中，陈劲松，等. 向家坝水电站坝基排水孔组合式过滤体性能研究[J]. 长江科学院院报，2016，33(1)：95-100.

[5] 张家发，崔皓东，吴庆华，等. 南水北调中线一期工程膨胀土渠坡渗流系统分类及其控制措施[J]. 长江科学院院报，2016，33(5)：139-144.

[6] 章普标, 唐晓武. 超长距离水平排水滤管在高速公路边坡滑坡处治中的应用[J]. 公路，2006，(1)：80-85.

[7] 林建东, 董夫钱.水平降排水技术在滑坡治理中的应用[J]. 探矿工程，2006,(4)：38-40.

[8] 李少龙，朱国胜，定培中，等.岸坡水平排水孔的渗流场数据模拟[J].长江科学院院报，2017，34(2)：89-93.

[9] 朱国胜，李少龙，吴庆华. 荆江河段岸坡排水关键技术数学模型及试验研究[R].武汉：长江科学院，2016.

[10]定培中，张 伟，袁耀宇. 葛洲坝基础排水孔过滤体运行状况研究[J]. 长江科学院院报，2007，24(10)：84-86.

[11]定培中，周 密，张 伟，等. 可拆换过滤器在排水管井中的应用[J]. 岩土工程学报，2016，38(增1)：94-98.

[12]程永辉，郭鹏杰，张 伟. 逆止阀性能指标及测试方法研究[J]. 岩土工程学报，2016，38(增1)：114-118.

(编辑：黄 玲)

Horizontal Drainage Holes in Bank Slope:In-situ Test and Groundwater Monitoring

SHENG Xiao-tao1, GU Xie-qin2, DING Pei-zhong1, LI Shao-long1, ZHU Guo-sheng1, YAN Min1

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010, China; 2.Engineering Quality Inspection Center,Changjiang Waterway Planning Design and Research Institute, Wuhan 430011, China)

In the aim of investigating the drainage effect of horizontal drainage holes in bank slope, in-situ tests were carried out on a bank slope of Yangtze River through arranging horizontal drainage holes of different depths with replaceable filter. The drainage effects were compared with that of blind ditch to validate the effectiveness and operability of drainage holes. Results of water level monitoring suggest that the water level in bank slope is closely related with that of the Yangtze River: when river water level rises, groundwater of bank slope is recharged; whereas when river water level declines, groundwater of bank slope discharges to the river. We conclude that horizontal drainage holes have good effect in drainage and pressure reduction. The drainage effect of bank slope in the presence of drainage holes is better than that of conventional blind ditch; and the effect of drainage holes of 15m depth is superior to that of 8m depth.

horizontal drainage hole; bank slope; groundwater; replaceable filter; in-situ test

2016-05-28;

2016-08-11

盛小涛(1987-)，男，湖北黄冈人，工程师，硕士，主要从事渗流及地下水环境研究，(电话)027-82820385(电子信箱)shengxiaotao@163.com。

10.11988/ckyyb.20161264

TV223.4;TU413

A

1001-5485(2017)02-0094-05

2017,34(2):94-98