城区高边坡内部井管组合排水关键技术

王健伟 祁孜威 王高磊

1.铁科院（深圳）研究设计院有限公司，广东 深圳 518060；2.中国国家铁路集团有限公司铁路安全研究中心，北京 100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道科学技术研究发展中心，北京 100081

城市建设过程中为处理淤泥渣土形成大量的填土边坡，因缺少有效的疏排水措施，易产生滑坡事故。边坡工程中内部疏排水措施主要是设置浅层仰斜排水管和深层排水孔。浅层仰斜排水管耐久性较低，易发生淤堵现象［1］；深层排水孔钻进过程中遇硬岩或地层突变易使钻孔路径偏移过大造成塞管困难，且边坡变形可导致排水孔弯折失效。排水隧洞与井点降水排水降压效果显著［2-6］，但工程实施难度大、造价高，适用性较差。

本文提出一种仰斜排水管与1.2 m常规孔径降水井组合的排水措施，实现边坡内部自流排水，并应用于深圳市某受纳场边坡以补强其边坡排水系统，通过现场试验验证其有效性。

1 工程概况

深圳市一高边坡原始场地为一采石场，改造为填土受纳场，堆填后地貌呈沟脑状残丘坡地，边坡高约100 m、宽约200 m，整体坡度为20°～30°。边坡上部为填土区，原采石场开挖后顺坡堆填而成；坡体两侧山脊逐步收窄，在边坡中部形成锁口区，地势较低，地下水汇集，水量丰富；边坡下部为原状土区，因工程建设需要，经分级开挖至强～中风化地层，后采用锚杆（索）框架支护。边坡场地平面如图1所示，场地地层（自上而下）物理力学性能指标见表1。

图1 边坡场地平面示意

表1 场地地层物理力学性能指标

2 排水位置选择

地下水自东北向西南行进，由高向低，沿强弱透水地层交界斜坡面排放。其中，锁口区为地形低洼凹地，此处山地径流汇集，地表水经杂填土层入渗，加之后缘山体裂隙水源补给，地下水丰富，一部分地下水直接向原状土区临空面溢出。

张泰丽等［7］研究发现，滑坡前坡脚水位会先抬升产生溢流。以该受纳场为例，若锁口区前缘土体由非饱和土转化为饱和土，抗剪强度降低，加之渗透力作用，可能导致边坡前缘先启动变形，再逐级传递至后缘拉裂，从而形成牵引式滑坡，且上部填土区势能汇聚，若形成滑坡并在前锋锁口区释放，将加剧填土区堆填体喷发，进一步增大滑坡影响范围。利用GeoStudio仿真软件进行渗流及稳定性计算得知，地下水位每下降1 m，锁口区安全系数可提高0.02。因此，本试验将降水井设置在锁口区前缘水量丰富位置，由原状土区临空面接仰斜排水管，排出锁口区前缘地下水，限制锁口区水位上升，降低锁口区渗透压力，提高前缘土体强度。

3 排水试验方案

原设计共3处采用井管组合排水措施，其中2处降水井（1#和2#井）已先行安装。施工过程中在低位使用潜孔钻机直接钻入降水井底部，采用全站仪调整钻机初始位置及方位偏角，但因坡体内部地质条件复杂及钻头重力牵引，导致成孔路径发生侧偏、下垂［8］，经数次尝试，无法将钻孔准确连通至降水井中，后期仅能通过抽水泵井内抽排水。

为解决井管准确对接问题，井管组合排水试验井（3#井）采用“先安装仰斜排水管，后开挖降水井”的方式，如图2所示。使用可发射位置信息的钻进设备先成孔，后插入排水管，最后在定位出的成孔路径之上坡面或平台开挖降水井至仰斜管［9］。

图2 井管组合实施排水步骤

1）确定降水井参数。根据仰斜排水孔钻进过程中出水量及坡面作业空间，确定终孔位置，在排水孔路径正上方选取降水井点位。降水井采用人工挖孔形式，其内径过大会造成作业空间不足及资源虚耗，过小将影响井管组合排水性能，且人工挖孔必须有足够作业面，故降水井设计内径为1.2 m。实施过程中严格控制垂直度［10］，设置钢筋混凝土护壁以防止塌孔，开挖至仰斜管后立即硬化降水井底板，再将井壁均布钻透水孔或局部破开护壁，仰斜排水管做接口保护后在井内作填砾处理。

2）确定排水孔参数。坡体内部地下水汇至降水井后，经底部排水管流出。假设降水井单日最大排水量Q1为60 m3，井内水面与仰斜排水孔出水口高差h为0.5 m，排水孔长度为22 m。Q2为仰斜排水管的每日出水量，当Q1=Q2，即降水井汇水量与排水管出水量相等时，蓄排水平衡，由式（1）—式（3）［11］可求得排水管匹配最小尺寸d为49 mm。结合钻孔设备钻杆尺寸要求，排水管尺寸取90 mm。

式中：hL为总水头损失；v为井内地下水从仰斜排水管流出时的流速；g为重力加速度；λ为排水管沿程水头损失系数，取0.027；l为仰斜排水管长度；ξ为井管连接位置局部水头损失系数，取0.5；A为仰斜排水管内径；t为排水时间。

3）接口保护。为确保井内汇水皆从仰斜排水管排出，将排水管端头用土工滤布包裹；仰斜排水管与井壁、出水口与坡面缝隙处均用防水砂浆封堵，防止在管外形成排水通道。

4 边坡排水分析

试验场地平面布置如图3所示，井口标高94.5 m；仰斜排水管内径钻孔设备放置在底部平台，标高为84.1 m，初始仰角10°，排水管直径90 mm、长度22 m。同时在2 m外设置一根同角度、同长度的常规仰斜排水孔作对比试验，该孔未接降水井。

图3 试验场地平面布置（单位：m）

为有效评价井管组合排水效果，在两仰斜排水管出口位置布设流量计进行排水量监测，如图4所示。

图4 排水量监测

4.1 排水量对比

2021年12月2日至2022年1月6日，开展了井管组合排水工程及水位监测现场试验，常规仰斜排水管与井管组合排水量对比见图5。可知：试验首日常规仰斜排水管与井管组合排水量相近，实测分别为19.03、19.79 m³；试验期间两者日均排水量总体皆呈下降趋势，其中常规仰斜排水管排水量衰减迅速，试验后期日排水量仅在1.5～2.0 m³，而井管组合排水量仍能维持在13.0～15.0 m³，衰减量减少88%。试验初期两仰斜排水出水端皆位于水位以下，随着水位下降，常规仰斜排水管排水量迅速回落，而降水井井壁导水面积大，与浸润面以上的非饱和土产生水力联系，使得井管组合排水量保持稳定。

图5 常规仰斜排水管与井管组合排水量对比

4.2 降雨量、排水量与水位的关系

本试验在旱季进行，试验期间水位、降雨量及仰斜排水管、井管组合排水量监测数据见表2和图6。由表2和图6可知，距离降水井较远的水位监测孔SW1、SW2，试验期间其水位变化极小，说明试验期间场地水位受自然水位影响较小，验证了本试验的有效性，且降水井并未引起SW1和SW2的水位变化；两自动化水位监测孔（SW3、SW4）受井管组合排水影响，水位持续下降，试验期间分别由89.39、89.37 m降至88.65、88.63 m，水位均下降0.74 m，充分说明井管组合排水有效降低了边坡的地下水位；场地水位变化与仰斜管的排水量存在同步耦合关系，但井管组合排水对水位的影响是一个持续过程，并非短时间内完成。

表2 自动化水位监测数据

图6 试验期间降雨量及仰斜管、井管组合排水量监测数据

在2021年12月20、21日分别有6.6、14.0 mm的降雨，均引起常规仰斜排水管单日排水量迅速回升，常规仰斜排水管排水量增加0.8、2.0 m³/d，井管组合排水量增加1.40、1.71 m³，其水位并未随之反弹，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，雨量较小，并未达到改变排水量变化趋势的阈值。

5 结论

1）根据场地地形及地层分布，选取地形收窄且水量丰富区域作为井管组合排水措施的应用位置；采用先安装仰斜排水孔，后在定位出的成孔路径上方开挖降水井的试验工艺，思路正确、布置合理，可应用于其他类似排水工程。

2）根据井管组合排水措施的初期运营成果，相比于常规仰斜排水管，排水功能显著，适应性强，其衰减量减少88%。

3）应用井管组合排水措施后，有效降低了边坡地下水位。场地水位变化与仰斜排水管的排水量存在同步耦合关系，地下水位以平均20 mm/d的速度平缓下降，排水量同步减少。

4）受降雨影响，井管组合排水量迅速响应增加，有效限制了水位的上升，但降雨量对排水量的影响存在阈值效应，具体数值仍需进一步试验数据验证。