边坡俯倾孔液压流排水方法研究

2021-12-21孙红月帅飞翔陈中轩尚岳全

自然灾害学报 2021年6期

孙红月，帅飞翔，陈中轩，雷怡，葛琦，尚岳全

(1. 浙江大学海洋学院，浙江舟山 316000； 2.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310000)

1 边坡渗流场与俯倾孔液压流排水法

1.1 边坡渗流场及俯倾孔中的水压力

边坡渗流场可以用流线和等势线表示[19]，如图1所示。流线是指地下水质点沿水头(水位)降低方向运动的轨迹，在轨迹上任一点的切线与此点的流动方向相重合；等势线是与流线呈正交的等水头线(等势线各点水头高度相同)，即稳定渗流场条件下，边坡中D点的测压管水头高度与C点高度相同。

当在边坡中打设钻孔后，原有的渗流场就在钻孔的局部区域发生了变化。如图2所示，对D点，因钻孔内的地下水为近于静态的自由水，该点的水压力为钻孔内的水压力。因此，钻孔后使D点的水压力发生了减压，导致D点的水头高度达不到A点的高度，地下水不能从A点自由流出。

1.2 俯倾孔液压流排水法

如图3所示，如果D点处的孔隙水压力得以恢复，即D点和C点位于等势线上，此时自D点下方的钻孔内引出一根排水管到坡面A点，由于D点测压管水头高度与C点高度相同，那么只要A点的高程低于C点，D点下方的地下水就能在水头差作用下，通过排水管从A点流出地表。因此，要排出D点地下水的关键是钻孔安装排水管以后不会降低D点的地下水水头高度，而采用图3所示的在孔口段封闭的方法，从原理上可以恢复D点的水压力，从而使孔内的水经由排水管自发的通过A点排出。

图3 俯倾孔液压流排水法工作原理图Fig.3 Working principle diagram of hydraulic flow drainage method of inclined borehole

1.3 模型试验验证

为验证俯倾孔液压流排水方法的有效性，设计了如图4所示的试验模型。模型槽的长、宽、高分别为300 cm、40 cm、80 cm，其他尺寸如图所示。埋设一段外织土工布的打孔波纹管(透水管)模拟透水钻孔段，将一根直径4 mm的PU管从透水管内引出坡外，并用渗透系数为8×10-4cm/s的粉砂回填密实，模拟封闭环境。

图4 室内模型试验图Fig.4 Model test

通过供水管向储水区供水并将多余的水由后侧的溢流管排出，控制坡体后缘的水位恒定在70 cm。5根测压管埋设于坡体底部中间，分别布置在距坡脚40 cm，80 cm，120 cm，160 cm，210 cm处，用于监测坡体不同部位的地下水位的变化。

试验开始前，对试验模型进行放置7 d的预处理，然后分别进行自然渗流和有俯倾排水孔渗流两种不同条件的渗流试验，测定坡体地下水位线。

首先将排水管的出水口抬高(不排水)，进行自然渗流试验，通过记录测压管的液面变化得到自然渗流条件下各测点的水头高度，绘制得到排水前的地下水位线。然后将排水管的出水口放低，进行俯倾孔排水试验，记录测压管的液面变化得到俯倾孔排水条件下各测点的水头高度，绘制得到排水稳定后的地下水位线，排水前后的水位线如图4所示。

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从图4可以看出，排水前也就是自然渗流条件下的地下水位线，在A点并没有到达坡面，这说明如果排水管位置采用开放式钻孔，地下水不能自然流出地表。俯倾孔液压流排水法封闭了孔口段，试验中将排水管的出水口抬高时(即把排水管作为测压管)，实测得到D点的水头高度为远高于A点的高度，表明封闭孔口段完全可以增大孔内地下水的水压力。正因如此，将排水管的出水口放低后，透水管中的地下水可以通过排水管自然流出。如图4所示，排水后的地下水位线远低于排水前的地下水位线。

物理模拟试验证明了采用密闭孔口段的方法，能使坡体内部的水自动排出坡体外，证明了俯倾孔液压流排水方法的可行性。但受物理模拟试验的客观限制，无法验证该方法的实际操作可能性，因此选择一个实际边坡进行该方法的应用验证。

2 工程应用测试

2.1 边坡工程概况

测试边坡位于浙江省S315江山市与衢江区交界处。边坡区域为亚热带季风气候区，温暖湿润，雨量充沛。年内降雨分布不均匀，有明显的旱季和雨季。降雨最多季节为3～6月份的梅雨期和7～9月份的台风期，年均降雨量1 648 mm，年蒸发量约在1 000 mm。开挖坡面设两级边坡(图5)，一级坡坡率1∶1.5，设4 m宽平台及水平排水沟，二级坡坡率1∶1.75。开挖边坡后缘有较开阔的降雨入渗补给区域，边坡主要为黄褐色和褐红色的残坡积土，为粉质黏土夹碎石，其中碎石含量约10%～20%，碎石粒径一般小于5 cm，个别达到10～20 cm。

图5 试验边坡和钻孔区域Fig.5 Drilling area in test slope

开挖边坡后缘有较广阔的降雨入渗补给区域，且后缘坡面表层土渗透性好，边坡有良好的降雨入渗补给条件。但残坡积土层厚度大，渗透性相对较差，边坡地下水排泄梳干过程缓慢。

2.2 排水孔布置与安装

采用地质钻机在一级边坡平台上打设了12个俯倾排水孔，钻孔直径大于90 mm，孔间距3～4 m。ZK6取芯土样如图6所示，ZK7的剖面布置如图7所示，各钻孔参数见表1。其中，ZK11不进行孔口段注浆封闭，用于地下水位监测，其余11个钻孔的孔口段均进行注浆封闭。

图6 ZK6钻孔取芯土样Fig.6 Core of borehole ZK6

表1 俯倾排水孔几何参数表Table1 Geometric parameters of inclined drain hole

图6钻孔取芯土样表明，边坡表层土体以粉土为主，含部分碎石，土体松散且渗透性良好，钻孔附近的边坡地下水位距离边坡表面约1.7 m；11 m之后以粉质黏土为主，黏粒比例逐渐提高，密实度增加，透水性降低；18 m左右出现白色全风化矿物质，土体开始较为干燥，密实度高，透水性差。综合考虑边坡地质条件和测试研究的需要，本次测试分别取10 m和5 m两种封孔注浆段长度。

完成钻孔施工后，在拔出套管前，将底端装有管帽的透水管和排水管插入钻孔。透水钻孔段处于下部，安装有外织滤布的HDPE双壁打孔波纹管，在波纹管内放置内径5mm 的排水管，并将排水管的出水口引出到坡面以外。完成透水管和排水管安装后，注浆封闭孔口段，从而隔绝透水段和边坡外部的水气联系。

2.3 参数监测

为探究俯倾孔液压流排水法的工作机制和排水效果，在边坡排水工程应用测试中，开展了透水段的水压力变化过程监测、排水启动情况和累计排水量监测、降雨量监测。

在排水系统安装过程中，将JTM-V3000F孔隙水压力计置于透水管底端的管帽内(见图7)，用于人工测量钻孔透水段内的水压力变化。

图7 ZK7钻孔剖面图Fig.7 Borehole profile through ZK7

排水情况监测包括排水启动情况和累计排水量监测。如图8所示，将排水管的出水口置于集水池的PVC管内，使用485型投入式水位计测量PVC管水位变化，同时通过4G模块联网将水位监测数据传入云端，实现远程自动监控排水启动情况。在集水池出水口端安装连有水表的出水管，记录累计排水量。

排水启动的监测原理如图9所示，在PVC管30 cm以上有数个直径2 mm的细孔，当排水管未启动排水时，PVC管水位稳定在30 cm左右。钻孔排水管启动排水后，由于排水管出水口的流量大于通过细孔的流量，PVC管内水位将上升，PVC管内水位升降过程就反映了钻孔的排水启停过程。

2.4 排水效果分析

排水系统安装完成后，通过渗压计可监测获得钻孔透水段内水压力变化，并可将压力变化换算为水位变化。如果监测得到排水启动时孔底水头高度刚好等于孔口高程，则可以证明俯倾孔液压流排水法可基于液压原理自行启动排水过程。事实上，在各俯倾孔液压流排水建设过程中，我们将排水管出水口抬高，测到的透水孔段的地下水头压力远高于孔口高程。

以ZK7钻孔为例，分析俯倾孔的排水过程，该钻孔的基本参数：孔深26 m，倾角为4.4°，孔口注浆段长度5 m，孔底与孔口的高差为2 m。因此，该钻孔的孔底压力水头达到2 m即可以启动排水。通过对透水钻孔段底端(见图7)的孔隙水压力进行人工监测，得到孔底水头高度及排水过程如图10所示。可以看出钻孔透水孔段内的压力水头随时间逐渐增大，当压力水头达到2 m时，排水启动。此时测得排水流量为650 ml/min，使孔内的水头高度迅速下降，直到排完钻孔内的地下水，孔底压力水头降至0，一次排水过程结束。然后，随着周围地下水的入渗，排水系统进入下一个水头升高和排水过程。因此，俯倾孔液压流的排水过程是间歇性的，排水自启动的充分条件是孔底的压力水头高于孔口。

图11表示钻孔剖面的地下水位控制示意图，根据前述分析可知，通过对AB段进行注浆封闭，可恢复B点处的孔隙水压力。C点为过B点等势线与地下水位线的交点，那么当C点高于孔口A点时，孔底D点的水头高度h将超过A点，此时排水启动，使地下水位下降，从而通过间隙性的排水过程可使边坡的地下水位始终控制在排水启动水位线以下。因此，在孔口段注浆并合理设置注浆段的长度，确保排水启动水位线低于滑坡临界地下水位线，便可以达到阻止滑坡发生的目的。

显然，边坡地下水位变化与降雨密切相关[20]。如图10所示的排水过程，5月22日完成排水后，直到5月28日再次排水的时间间隔达6 d，所对应的降雨情况如图12所示，期间的降雨量小，导致坡体地下水位上升过程缓慢。5月25日开始，边坡区降雨频繁，导致地下水位补给丰富，从5月30日开始，如图13所示排水过程基本持续发生(图中PVC管内水位高度大于30 cm属于排水过程)。