松散堆積土邊坡充氣排水方法

杜麗麗，孫紅月，尚岳全

1.浙江大學建筑工程學院，杭州 310058

2.浙江大學海洋科學與工程學院，杭州 310058

0 引言

大多數滑坡災害是由于降雨引起坡體地下水位上升而引發的。坡體地下水位上升是一個降雨入滲的累積過程，如果前期降雨累積到警戒水位線［1］，一次強降雨過程將會導致坡體地下水位大幅上升，引起滑坡啟動。對于地下水位接近或達到警戒水位線的邊坡，如果能夠在下次強降雨之前及時排出坡體地下水，就能有效防止多數滑坡災害的發生，從而有效提升丘陵山區地質環境安全。

土是三相體，氣和水在土體中的分布影響著土的物理力學特性。目前，主要有非飽和土理論［2］和土壤學理論［3］研究土中氣和水之間的相互影響，探索氣、水的運移規律，但這些研究中一般不涉及氣體壓力傳遞問題。利用飽和巖土體的封氣特性，采用高壓氣體改變巖土體的氣、水分布研究，目前還只限于地下儲氣庫的建造和地下水位以下壓氣隧道法施工，其中的氣驅水理論是指把氣體作為動力源推動水體運動直至平衡，之后在排開水的土體孔隙中形成儲氣空間或者防止水進入隧道開挖施工區域。劉輝等［4］采用有限元法模擬了在地下水位以下壓氣隧道法施工中氣體的運移規律；Javadi等［5］針對壓氣法施工隧道中的空氣損失問題建立了一個數值計算模型，用于預報隧道內的空氣損失；林成功和吳德倫［6］通過在水位以下進行現場透氣試驗測得了透氣壓力與透氣率的關系，并且推導出了導氣系數與漏氣系數公式。雖然氣驅水理論在隧道施工和地下儲氣庫建造方面已經進行了應用研究，并且取得了初步的成功，但將氣驅水理論應用到邊坡排水工程中目前國內外尚未見有報道。

1 當前邊坡排水的技術方法

邊坡排水工程措施經歷了從地表到地下、從單一到綜合的發展過程。排水工程用于滑坡治理的發展初期是以地表排水為主，有截水溝、排水溝、疏通自然溝等形式。為提高排水效果，在工程實踐中逐漸引入了地下排水措施，有盲溝、支撐盲溝、滲溝、地下排水洞和水平排水孔等。隨著人們對排水工程重要性認識的提高，各種排水工程措施的耦合使用研究日益受到人們的重視，洞、孔、井相結合的立體排水思想得到了發展［7－9］，地下排水洞和水平排水孔得到了推廣應用。水平排水孔是一種通過濾水管將滑坡體內地下水排出以穩定滑坡的方法，但由于水平鉆孔容易塌孔和使用過程中容易堵塞，目前的使用仍局限于一些特殊的滑坡治理工程。在各種排水措施中，排水隧洞體系效率最高，對提高滑坡的穩定性起到了很好作用，許多大型滑坡采用了排水洞排水，如麗龍高速公路的官家村滑坡、杭金衢高速公路K103滑坡等，都采用了排水洞進行滑坡排水。隧洞排水最主要的問題是施工周期長、費用高。

當前滑坡的排水措施都是利用水的重力勢特性，使坡體的地表水和地下水向低水位區排泄。存在的主要問題有：1）排水措施對坡體的排水環境要求較高，許多邊坡往往缺乏有利的地形條件，導致排水措施的有效性難以保證；2）排水過程利用地下水的重力勢，無法加載提高水力梯度，排水的速度慢，各排水點的控制區域范圍小。因此，研究建立一種主動排水方法具有重要的現實意義，也是滑坡災害治理技術研究領域的當務之急。

2 高壓充氣排水技術方案的可行性

2.1 土中氣、水的相互作用

土屬于三相體，即土顆粒、水和空氣，飽和土只有固相和液相，無論連通通道還是封閉通道中都充滿水。對于細粒土，由于土體中孔隙通道很小，在空氣和水的分界面上存在表面張力，土具有毛細作用（圖1a），表面張力作為動力使水上升。

在飽和土體中充氣，由于氣、水黏度相差很大，而且飽和土體中連通的孔隙通道斷面大小不一，在外來壓差的情況下，氣體總是優先選擇阻力最小的通道通過［10－11］。當氣體進入飽和土體之后，在氣水界面上同樣存在表面張力，與毛細作用機理不同的是充氣氣壓作為動力將水排開，而表面張力成為阻力（圖1b），若水在氣體壓力作用下能夠及時從土體中流出，則起到了排水的作用。從微觀方面可認為，水在土體中流動是沿毛細管運動，受力如圖1b所示。

圖1 毛細作用（a）與毛細排水作用（b）Fig.1 Capillary action（a）and drain in capillary（b）

2.2 飽和土體在高壓充氣作用下的排水滲流理論

氣體在土體中運動時，必須考慮其壓縮性，R.E.科林斯［12］很早就給出了考慮氣體壓縮性的Darcy定律。因此，充氣作用下的水在土體中運動仍可采用Darcy定律描述，充氣氣壓可等效為水頭以制造水頭差驅使地下水流動。見圖1b，假設氣壓力穩定，此時氣壓力能夠驅動毛細管內水流動，則合力方向與氣壓力方向一致，合力ΔF為

式中：T為表面張力（kN／m）；α為孔道管壁與彎液面切線夾角（°）；r為孔隙通道半徑（m）；h為氣水界面以上的水頭高度（m）；p為充氣氣壓（kPa）；γw為水的重度（kN／m3）。

將ΔH等效為水頭差：

在整個排水過程中，排水路徑始終為水頭且是變化的，將水頭差代入Darcy定律并整理得

式中：v為速度，m／s；k為滲透系數，m／s。

由式（3）可知：充氣排水速度與水頭成反比，且隨著水的排出（即水頭的減小）速度逐漸增大至無窮大（即氣竄發生時，也就是氣體與大氣聯通時），速度增長率也不斷增大；速度與滲透系數和氣壓都成正比例關系；速度與孔隙通道半徑成正比，并且氣壓一定時，小于某孔徑的孔道內水不能排出，只能排出部分孔道內的水。由于孔隙通道半徑越大，速度越大，并且隨著水頭減小，速度也增大，因此，在土體大孔隙通道內會產生優先流現象；充氣氣壓越大，排水波及的孔徑范圍越大，但速度越大而使發生氣竄的時間越短，相反，充氣氣壓越小，排水波及的孔徑范圍越小，發生氣竄的時間越長。所以充氣排水的充氣氣壓是需要合理控制的，且存在使排水量最多時的最優充氣氣壓。

2.3 高壓充氣排水起始氣壓的確定

根據公式（3），可將充氣排水起始速度等于0時對應的氣壓定義為臨界充氣氣壓pc，即

通常認為，對土中硅酸鹽礦物、純水和大氣來說，接觸角為0°［13］，土體中的表面張力值如圖2所示。常溫20℃下，根據公式（4）給出在初始水頭（h0）為10 m時飽和土體中充氣排水孔隙半徑和臨界氣壓之間的對應關系（表1）。

圖2 溫度與表面張力的關系（據文獻［14］修改）Fig.2 Relationship between temperature and surface tension（modified after reference［14］）

從表1可以看出：在飽和土體中同一水頭高度下（h0為10m）充氣，孔徑越大，臨界充氣氣壓越小；所以把土體中最大孔徑對應的氣壓稱為該土體的氣排水起始氣壓。不同的土類在粒徑和孔徑上的差別很大。例如：砂土的最大孔徑在100μm，起始充氣氣壓為101.5kPa；粉土的最大孔徑在10μm左右，對應的起始充氣氣壓為115kPa；另外，對于黏粒質量分數很高的黏土，最大孔徑在5μm左右，對應的起始充氣氣壓為129kPa。若上述起始充氣氣壓除去水壓（10m水頭對應的水壓為100kPa）的影響，則值分別為1.5kPa（砂土）、15kPa（粉土）和29 kPa（黏土），這與各種土的進氣值較為接近［14－15］。因此，充氣法排水起始氣壓等于水壓與進氣值之和。另外，采用林成功和吳德倫［6］現場試驗的地層資料（不確定數據都取平均值），應用上述結論所得的排水起始氣壓約為97～107kPa，與現場試驗所得的透氣壓60～81kPa較接近；上海淤泥質黏土原狀土樣加載800kPa時孔隙半徑多集中在0.02～1μm［16］，應用上述結論所得的排水起始氣壓約為146kPa，此值與葉為民等［2，17］通過室內實驗所得的上海飽和黏土氣體滲透起始氣壓較接近。

表1 臨界氣壓和孔隙半徑的關系Table 1 Relationship between critical pressure and pore radius

綜合以上分析可知，應用上述理論對土體中氣驅水過程進行分析所得的結論與室內外試驗所得的結論一致，表明利用高壓充氣進行坡體排水在理論上是可行的。

3 氣壓上限的確定

3.1 物理模型試驗

在松散堆積土邊坡中應用高壓充氣法排水，保障充氣過程對邊坡穩定性的影響，是需要關注的另一方面問題。當在水位以下某個位置充氣時，如果氣壓過大將會把上方的土體抬起，為了驗證這種設想，設計了一個物理模型試驗，模型箱采用透明的高強度材料制作，模型內土樣為高70cm，直徑23cm的粉土，進氣孔設在模型箱底部，孔徑5mm，見圖3。

圖3 高壓充氣排水物理模型Fig.3 Physical model for draining with compressed air

試驗前首先飽和土樣，然后進氣壓設為70kPa充氣，土體即可被抬起；觀察發現，抬空區干燥，且在排水孔不斷有水流出，分析可知，此流出的水是由于裂縫以上土體中的水被擠壓排出的。另外，制備完全相同的第2個模型，首先充氣氣壓設為20kPa，小于按照式（4）計算確定的粉土的起始充氣氣壓22 kPa，由于施加的氣壓小于驅動試樣中水流動所需的起始充氣氣壓，此時無水排出，加壓至40kPa就有水排出，且試樣沒有被抬空。此試驗驗證了高壓充氣能夠驅排地下水，且存在起始氣壓，但氣壓過大時會產生土體內部裂縫。

3.2 不產生裂縫的充氣氣壓上限值分析

氣體總是優先沿著阻力最小的孔隙通道通過，單孔氣體影響區域有限，且影響比較明顯的區域主要分布在進氣口正上方位置［4］。為便于分析，假設氣體影響區域寬度為2a且簡化為如圖4所示的計算模型，研究在氣體作用下土體的抬起作用。土體都具有一定的黏聚力，當充氣氣壓作用時，黏聚力則起到阻止土體變形的作用；另外，未受到氣體影響的周圍土體對影響區域土體也會起到阻止其變形的作用。借用Terzaqhi理論進行受力分析（圖4）。

圖4 充氣排水太沙基理論計算簡圖Fig.4 Terzaqhi theory for draining with compressed air

如圖4所示，取地面以下深度z處，取抬動體為寬2a，厚為dz的單元土體，進氣口以上土體厚H，由垂直方向的平衡條件可以得到

即

式中：γsat為土體飽和重度（kN／m3）；λ為靜止土壓力系數；c為飽和土的內聚力（kPa）；φ為飽和土的內摩擦角（°）。

代入式（5）可求得進氣氣壓上限：

從式（6）可以看出，c、φ、λ、γsat參數與土性有關，可通過相應的試驗方法確定，H可以根據需要人為控制，假定適當的a值就可確定氣壓上限。對于a值的具體確定將通過試驗和數值模擬做進一步研究。

4 邊坡充氣排水法的優點及適用條件

4.1 高壓充氣排水法的優點

當前的邊坡排水方法或多或少地存在缺陷，要么受地形環境條件的限制，要么受施工技術的限制等等，并且排水速度也較慢。然而高壓充氣排水法是一種主動排水方式，排水路徑和排水水頭差可根據邊坡排水要求人為控制，從而可以加快排水速度；不受地形條件的限制；高壓充氣排水的基本設備簡單，除一般的地質鉆機外，需要增加的設備是空壓機和配套的柴油發電機（一般也可接入民用電網）及輸氣管道系統。另外，高壓充氣排水法的提出，為滑坡災害處置贏得時間方面也具有重要的意義。

4.2 適用條件

從表1可以看出，孔徑小于0.5μm時，隨著孔徑的減小，臨界氣壓急劇增加。分別以0.5、1.0和5μm孔徑的飽和土體為例，從安全方面考慮，為簡化計算，以飽和自重應力為上限進行分析。如圖5所示，通常土體的飽和密度是1.8～2.3g／cm3［18］，本例取飽和密度為2.3g／cm3。

圖5 各孔徑排水起始氣壓與飽和自重應力比較圖Fig.5 Comparison between saturated gravity stress and initiative air pressure

從圖5可以看出：5.0μm孔徑的土體幾乎在深約2m以下位置處的充氣排水起始氣壓小于飽和自重應力；1.0μm孔徑的土體只有在深約11m以下位置處的充氣排水起始氣壓小于飽和自重應力；而0.5μm孔徑的土體則在深約22m以下位置處的充氣排水起始氣壓小于飽和自重應力；并且在同一深度處充氣，孔徑越大，邊坡越安全。所以，對于實際邊坡工程，土體最大孔徑大于5.0μm時采用充氣排水法較為合理。

5 結論

1）在飽和土體中充氣，氣壓可等效為水頭，氣排水速度與土體滲透系數和充氣氣壓成正比、與水頭高度和孔隙通道半徑成反比關系，并且推導出了相關計算公式。

2）氣排水過程中，在土體大孔隙通道內產生優先流現象。

3）高壓充氣排水法的充氣氣壓存在上、下限值，實際邊坡排水工程中土體最大孔徑大于5.0μm時采用充氣排水法較為合理。

4）在松散堆積土邊坡中采用高壓充氣排水是可行的，可作為在邊坡水位達到危險水位時或強暴雨之前的一種應急排水方法。

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