毛细排水管排水性能试验与路基排水应用研究

2023-02-25张栋王宁陈锋张杰

铁道建筑 2023年1期

张栋王宁陈锋张杰，

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁路西安局集团有限公司阎良工务段，西安 710000；3.中国铁路北京局集团有限公司邯郸工务段，河北邯郸 056001

针对路基水害，传统整治方法有换填、封闭、施作横向排水盲沟、设置PVC 梅花孔排水管等［1-4］。换填、封闭、施作横向排水盲沟等方法工程量大且施工干扰大，效果不明显。PVC 梅花孔排水管则极易短时间内产生堵塞甚至完全丧失排水功能。利用传统整治措施，难以达到预期的处理效果。采用毛细排水管治理路基排水不良可有效克服传统排水管的缺点。毛细排水管依靠其毛细吸水、柔性变形、重力排水、虹吸排水特点，可长期保持优良的排水效果。

毛细排水管的研究主要集中在我国。崔玉桥等［5］开展了毛细透排水带制成的水钉研究，水钉与毛细排水管结构类似，水钉周围能形成天然的反滤层，其存在对天然反滤层的形成起催化作用。该研究为水钉排水效率评估和形成设计方法提供基础。凌贤宗等［6］开展了毛细透排水带排水试验研究，检验其在不同渗透系数土体中的反滤效果，比较其不同布置形式的排水能力和抗淤堵性能，结果表明其抗淤堵性能优良。阮清波等［7］开展了毛细透排水带反滤性能试验研究，检验其在不同土体中的最优布置形式及反滤性能。毛细透排水带的细小毛细槽沟能够产生45.6 Pa 的毛细力，将对附近的孔隙水产生毛细作用，进一步对土体内部产生负压，促使较远处的孔隙水向排水带迁移［8］。严海明［9］通过某水库大坝排水工程，系统介绍了毛细透排水带的性能以及设计和施工方法。

上述研究多为初步试验，验证了毛细排水管的反滤和抗淤堵排水能力。毛细排水管在水利工程、铁路隧道中都有成功应用案例，其反滤抗淤堵、毛细和虹吸作用可有效解决既有铁路路基水害问题，但目前在路基工程中少有应用。毛细排水管的尺寸参数直接影响其排水性能，为此开展毛细排水管的结构参数测试和虹吸排水性能试验研究。试验前调研国内毛细透排水带市场，选定7 种毛细试验排水带开展相关试验。测试并对比分析不同类型的毛细试验排水带的集水槽宽度、集水槽隔断宽度、板厚、孔底板厚、排水孔径等尺寸对流速和虹吸高度的影响。

1 毛细排水管透排水带尺寸参数测试

毛细排水管（图1）是用薄片式毛细透排水带包裹PVC 管制成。PVC 管有汇水作用，用作路基内部排水时排水量较小，PVC 管不起决定性作用。毛细透排水带是毛细排水管的关键部件，主要依靠毛细透排水带实现毛细和虹吸作用，这也是区别于其他排水管的最大特点。毛细透排水带是指在软质薄塑胶片上开设形状如Ω的密集导水槽孔［10］。

图1 毛细排水管结构

毛细透排水带关键尺寸参数（图2）主要包括集水槽隔断宽度、集水槽宽度、板厚、孔底板厚度、排水孔径。一般其软质薄塑胶片厚约2 mm，导水槽孔直径约1 mm（间隔1.5 mm），毛细集水槽宽度约0.3 mm。

图2 毛细透排水带关键尺寸参数

尺寸参数测试参考Q/CR 549.6—2017《铁路工程土工合成材料第6 部分：排水材料》外形尺寸测试方法。但是毛细透排水带材质偏软，测量时固定困难，而测试精度要求均在0.1 mm 以内，采用游标卡尺、孔径尺等机械测量手段，测量精度难以保证。鉴于此，根据GB/T 19863—2005《体视显微镜试验方法》，采用体视显微镜对7 种毛细透排水带（编号分别为1 号—7号）的尺寸进行了测量。体视显微镜观察到的3种毛细透排水带如图3所示，测试结果见表1。

图3 体视显微镜观察到的3种毛细透排水带

表1 毛细透排水带尺寸测量结果

由表1 可知：1 号、2 号、7 号毛细透排水带的排水孔径较为均匀，排水孔径、底板厚度和集水槽宽度尺寸更加贴近Q/CR 549.6—2017 中规格尺寸；3 号、4 号、5 号、6 号排水带的集水槽宽度较大、排水孔径变异系数较大，均匀性较差。部分排水孔截面已非圆形，结构尺寸与设计尺寸差异较大，目测可判断质量存在问题，故不再对3号、4号、5号、6号排水带开展试验研究。

2 排水性能试验

2.1 虹吸排水量试验

选取1 号、2 号、7 号毛细透排水带进行试验，如图4所示。试验箱长75 cm，宽75 cm，高35 cm，出水口距箱内底面10 cm。试样宽度20 cm 为标准值，试样裁取距样品纵向边缘不小于10 cm，长70 cm，且伸入试验箱内的长度为40 cm，伸出试验箱的长度为30 cm。

图4 毛细透排水带虹吸试验

放入试验箱前，在毛细透排水带与出水口接触部分粘贴防水胶带。将毛细透排水带放入模型箱中，尾部用胶带固定在模型箱底部，出水口用玻璃胶封堵。液面到出水口的高度差为测试水头高度。

注入无气水，初始注水水头高度高于目标测试水头高度；待毛细透排水带排水孔出水稳定后，调控进水量使水头高度保持在目标测试水头，记录10 min 的排水量；随后停止注水，待停止出水后观察测量虹吸液面高度，进行5 次平行试验为一组试验。测试水头高度分别为-2.5、-2.0、0、10.0、20.0 cm。

计算毛细透排水带的虹吸排水量，最终结果取平均值。虹吸排水量计算式为

式中：q为虹吸排水量，L/min；Q为测试时间内的平均排水量，L；t为测试时间，min。

2.2 覆土通水量试验

参考Q/CR 549.6—2017 附录D 排水材料覆土通水量的试验方法，模型箱为边长80 cm 立方体，包裹排水管的下层土为角砾土，超过毛细排水管顶部10 cm后填铺粉砂10 cm，试验模型箱结构如图5所示。在恒定水头下测试单位时间内通过排水材料试样的水流量。

图5 覆土通水量模型箱结构（单位：cm）

本试验水头高度指水面位置距离粉砂层表面的高度。测试了10、20 cm 水头高度下，1 号和7 号毛细排水管的覆土通水量。

2.3 虹吸能力模拟验证

考虑到毛细排水管核心部件为表面的毛细透排水带，为便于观察和操作，单独使用毛细透排水带模拟毛细排水管埋入土中时毛细排水管半封闭状态。测试有无毛细透排水带情况下的虹吸排水效果，验证毛细透排水带的虹吸作用，测试其虹吸高度极限。

模型箱共四节，每节长60 cm，宽30 cm，深25 cm，全部铺设不透水两布一膜，按10°倾角拼接成两排。一侧底部铺设2号毛细透排水带，毛细开槽面向下，上附碎石，另一侧不铺设毛细透排水带。注水，使两边的水头高度一致，排水口出水后停止注水，观察两边模型箱中水随时间变化的排出情况。

3 毛细透排水带构造参数的影响

3.1 虹吸排水量试验结果分析

虹吸排水流速见表2。1 号、2 号、7 号毛细透排水带虹吸高度分别为3.0、2.0、2.7 cm。

由表2可知：7号透排水带流速始终保持最高。水头高度20 cm 时，2 号与7 号透排水带流速比较接近，高于1 号透排水带约0.5 L/min；水头高度10 cm 时，2号与7 号透排水带流速比较接近，高于1 号透排水带约0.2 L/min；水头高度在10 cm 以内时，3 种透排水带排水流速相差不大。

表2 虹吸排水流速

结合关键尺寸参数分析，对比三者的隔断宽度、集水槽宽度、排水孔径可知：7 号透排水带排水孔径最大，为1.123 mm；集水槽宽度最小，为0.508 mm；隔断宽度最小为1.504 mm。7 号透排水带孔径大、隔断窄，毛细透排水带宽度相同条下开孔率最大、排水断面最大，故流速最快。虹吸作用与排水孔径和集水槽宽度比值相关性较大，虽然7号透排水带孔径较大，毛细作用减弱，但其集水槽宽度较小，封闭水的能力较强，故7号透排水带虹吸作用居中。

当毛细透排水带集水槽宽度较小时，毛细作用增强，虹吸高度增加，排水流速会降低，不能在较短的时间内将水迅速排出；集水槽过大时，排水流速虽然会增大，毛细透排水带的毛细作用和虹吸作用因毛细沟槽的增大而降低，从而使得排水效果减弱。

毛细排水孔径越大排水流速越大，当排水孔径过大即毛细孔径过大时，毛细透排水带的虹吸高度会降低。

3.2 覆土通水量试验结果分析

覆土通水量试验结果见表3。可知，两种毛细排水管覆土通水量的差异较小。但试验过程中发现前期出水较为浑浊，后期出水较为清澈，证明毛细排水管具有阻止水土流失的作用。试验前后流量变化较小，表明毛细排水管并未淤堵，推测部分土颗粒在其表面形成了反滤层［8］。

表3 两种排水管覆土通水量比较

3.3 虹吸能力模拟验证结果

试验结束后状态见图6。可知：36 h 后，有无毛细透排水带的排水槽排水效果相差明显。有毛细透排水带的一侧，包括距出水口最远一节，水基本排净；无毛细透排水带的一边，基本未排水。这表明毛细透排水带具有很强的虹吸作用，且当毛细透排水带有沟槽一侧被覆盖时，部分毛细排水通道处于半封闭状态，可以加强其毛细和虹吸作用，距离出水口2.0 m 处，其虹吸高度不低于20 cm。

图6 36 h模型试验状态

4 现场试验

选取邯长线K77+100 —K77+200区段为试验段，根据市场调研结果和试验结果选择排水性能较优良的7号毛细排水管，进行现场应用研究。

采用三维立体雷达检测，探明路基病害深度和长度。对地质雷达数据进行滤波处理，并分析其回波信号，在本次检测区域有效探测深度内发现富水异常1处，土体疏松1处，结果见表4。

表4 地质雷达检测结果

在富水异常处路基面以下6 m 处钻孔置管排水，排水管间距2 m，仰斜角度5°～ 10°。钻孔直径90 mm，大于毛细排水管外径约24 mm，大于毛细排水管转接头外径约14 mm。填料为粉质黏土，天然含水率较高，成孔较好，直接打孔，未跟管。成孔后置入柔性毛细排水管。毛细排水孔出水管引出路基边坡10 cm 左右，用水泥封孔，见图7。