單向排水管在庫岸邊坡模型中的實驗研究

許年春，羅照鑫，蔡文意，曾天奇

（重慶科技學院建筑工程學院，重慶 401331）

0 引言

由于防洪和發電需要，三峽庫區水位每年都會反復上漲與消落，庫水位的消落對庫岸邊坡穩定造成十分不利的影響[1-4]。

排水管是邊坡支擋結構體系中一個不可或缺的組成部分，排水管的作用是及時排出坡體內的水流，減小坡體內外水頭差，邊坡支擋結構設計時，一般要求按2m的間距梅花形布置排水管[5]。

常規排水管為直通PVC管，當庫水位上升時，其恰恰成為了水流進入坡體的最順暢通道，因此大量的水得以進入坡體孔隙內，而當庫水位迅速下降時，孔隙水不能及時排走，邊坡內外形成較高的水頭差，水頭差在坡體內產生動水壓力，大幅降低邊坡的穩定性系數，在很多情況下邊坡的失穩就是由于水頭差引起。

因此，在坡體外水位升降無法改變的情況下，設計出一種經濟、耐用、可靠的單向排水管，使坡體外水位上升時，進入坡體內的水減少，同時保證坡體外水位下降時坡體內孔隙水能及時排走，這將能明顯提高邊坡的穩定性，降低邊坡支擋費用。

1 單向排水管的制作

1.1 設計圖

圖1為單向排水管的設計圖，為保證在水中不銹蝕，套管、蓋板和合頁的材質均為不銹鋼，合頁的兩片頁板采用氬弧焊分別與不銹鋼套管和蓋板連接，磁鐵7、8采用環氧樹脂分別固定在蓋板內側和套管內壁，硅膠墊圈采用硅膠粘接在蓋板上。

圖1 單向排水管設計圖

在實際工程應用中，將單向排水管埋入混凝土擋墻中，由于7、8磁鐵的吸力，套管口通常處于閉合狀態，當由于降水引起邊坡中孔隙水壓力增大時，在內水頭的作用下，克服磁鐵吸力，蓋板繞合頁轉動，下緣打開，坡體內的水流通過水管排出；當庫水位上升時，在外水壓力作用下，蓋板更加牢固地蓋住管口，有效阻止水流進入坡體。

當庫水位上升較大時，蓋板將承受較大的壓力，蓋板的設計厚度為3mm，以承受至少40m深的水頭壓力。為了防止水壓下硅膠墊圈被套管切破，采用粘接環氧樹脂的方法，使套管口壁厚增加至5mm以上。

1.2 成品圖

圖2為單向排水管的成品圖，與常規排水管相比，單向排水管主要是前部增加了防進水的蓋板和套管，套管長度120mm，內徑90mm，蓋板厚度2mm，可見制作蓋板和套管所需的不銹鋼量很少，材料成本增加不多，主要成本為人工成本。經估算，實驗合格后批量化生產，蓋板和套管的制作成本可控制在40元/個以內，按每4m2布置一個單向排水管計算，排水管成本增加值為10元/m2，對于抗滑樁、重力式擋墻等庫岸邊坡支擋結構來說，幾乎微不足道。

圖2 單向排水管成品圖

2.3 單向排水效果檢驗

將制作好的單向排水管浸入水池，檢驗封水效果，在磁鐵的吸力和外水壓力作用下，蓋板與套管始終處于閉合狀態，經過一段時間有少量水滲入管內。將單向排水管取出后，用毛巾擦拭干凈，從PVC管口向里面灌水，當水量較少時，蓋板與套管仍處于閉合狀態，觀察到縫隙處有緩慢漏水現象，當最大積水深度達到約5cm時，蓋板下緣被突然沖開，水全部流出。

有少量、緩慢滲水或漏水是因為硅膠墊圈與套管口沒有完全密封。實際上，當外水頭增加時，蓋板上的作用力增大，密封效果會增強，滲水現象會減少直至消失，而漏水現象對于坡體內水流排出是有利的。

因此，通過檢驗，制作出的單向排水管滿足要求。

3 庫岸邊坡室內模型

為了驗證單向排水管對庫岸邊坡穩定性的提高效果，在實驗室制作庫岸邊坡模型，圖3為庫岸邊坡室內模型圖，模型采用磚墻砌筑而成，模型分為I室、II室，I室填土用于模擬邊坡體，II室灌水用于模擬庫水，通過水位增加和減少來模擬庫水位的升降。模擬圖3(a)為磚墻砌筑平面尺寸圖，I室、II室之間為370磚墻，用于模擬邊坡擋墻，將制作好的單向排水管埋置于370磚墻的下部。

I室先填土至單向排水管口以下5cm處，在排水管口設置

過濾網，網后堆放碎石，按其粒徑由大到小依次放置，作為過濾層，然后填土將過濾層覆蓋，再在填土表面安放土壓力盒，如圖3(b)所示，同時在I室中心位置處安放水壓力計，土壓力盒和水壓力的數據線均須引出室外。繼續填土，分層壓實，直至將I室填滿。

圖3 庫岸邊坡室內模型圖

4 實驗測試

圖4 實驗測試現場

測試所使用的土壓力盒為振弦式壓力計，如圖5所示，直徑約10cm，量程1.0MPa。振弦式壓力計根據土壓力作用前后振弦頻率的變化來計算出土壓力值，當不考慮溫度修正時，土壓力計算公式如式（1）所示。

式中：k為振弦系數，測試所用土壓力盒k=3.98×10-4kPa/Hz2；

f0為初始頻率值，在填土前已測得為1398.64Hz。

圖5 測試所用土壓力盒

第一次測試時，單向排水管處于正常工作狀態，對II室灌水，觀察土壓力盒與水壓力計的數值，均沒有明顯的變化，與前面的單向排水效果檢驗一致，可以判定沒有水流入I室。

第二次測試時，為模擬常規排水管，將單向排水管蓋板人為打開（用繩子拉住），并對II室不斷加水，隨著水流進入I室，水壓力計讀數增大，當水壓力計讀數最終穩定后（達到最大值），從II室舀水，使水位下降，水流從I室流出。記錄水位下降過程中土壓力盒的讀數值。

圖6 兩次測試土壓力值

圖6為兩次測試記錄的土壓力值，圖中的土壓力值系根據式（1）計算得出，由圖可見，第一次測試時，因為沒有水流入I室，II室水位下降時墻背土壓力值一直為4.45kPa，第二次測試時，因水流的進入，土壓力值增大到5.05kPa，當II室水位下降時土壓力值出現了明顯的增加，土壓力值峰值為7.05kPa，之后隨著水位的進一步下降，土壓力值開始減小，最終仍然穩定在5.05kPa左右。

5 結論

通過排水效果檢驗，制作出的單向排水管能有效實現單向排水。庫岸邊坡室內模型的實驗測試結果表明，當采用常規排水管時，隨著庫水位的上升，作用擋墻背的土壓力值會有一定的上升。當庫水位下降時，由于產生了動水壓力，作用擋墻背的土壓力值增加了約40%。采用單向排水管，能有效阻止庫水進入邊坡體，對于減小擋墻背的土壓力值，降低邊坡支擋費用有顯著的效果。

[1]羅紅明，唐輝明，章廣成，等.庫水位漲落對庫岸滑坡穩定性的影響 [J].地球科學 (中國地質大學學報)，2008（05）:687-692.

[2]李曉，張年學，廖秋林，等.庫水位漲落與降雨聯合作用下滑坡地下水動力場分析[J].巖石力學與工程學報，2004，21:3714-3720.

[3]柳群義，朱自強，何現啟，等.水位漲落對庫岸滑坡孔隙水壓力影響的非飽和滲流分析[J].巖土力學，2008（S1）:85-89.

[4]蔣秀玲，張常亮.三峽水庫水位變動下的庫岸滑坡穩定性評價[J].水文地質工程地質，2010（06）:38-42.

[5]重慶市城鄉建設委員會.GB50330-2013建筑邊坡工程技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.