虹吸式地下排水排澇性能研究

林杏傳

（深圳市寶安排水有限公司,廣東 深圳 518102）

1 引言

城市地下排水是解決洪水災(zāi)害和減輕洪澇壓力的重要手段。城市地下排水系統(tǒng)可以提供更好地排水條件,利于降低洪澇對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施的損害[1]。且地表下排水系統(tǒng)具有占用土地少、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),是排除城市地表多余水、控制地下水位、減少地表徑流的有效途徑[2]。

然而,地下排水系統(tǒng)的流量是有限的。許多研究人員對(duì)排水能力的提高和地下水位的快速下降進(jìn)行了研究。景升[3]比較了有無(wú)礫石溝槽的傳統(tǒng)地下排水系統(tǒng),結(jié)果表明,與傳統(tǒng)地下排水系統(tǒng)相比,改進(jìn)后的系統(tǒng)能更有效地提高流速,減少地表徑流。吳顯[4]等人通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在完全飽和的細(xì)砂介質(zhì)中,改良地下排水法比傳統(tǒng)地下排水法具有更大的流量,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一研究成果。然而,這些方法在實(shí)際應(yīng)用中通常成本高昂,操作繁瑣。因此,為了提高傳統(tǒng)地下排水系統(tǒng)的排水能力,有必要探索一種簡(jiǎn)單高效的新方法。目前,虹吸原理被廣泛應(yīng)用于排水領(lǐng)域,主要用于屋面排水、礦井排水、道路塌方排水、水庫(kù)應(yīng)急搶險(xiǎn)以及其他排水工程[5]。隨著進(jìn)水口和出水口之間水頭差的增加,排水效果也隨之增加。然而,虹吸管尚未用于城市地下排水。因此,評(píng)估虹吸式地下排水的排水排澇效果非常重要?；诖?本文研究利用室內(nèi)沙箱試驗(yàn)研究虹吸式地下排水的性能。在排水管（傳統(tǒng)地下排水和改進(jìn)型地下排水）的出口處連接了一根虹吸管,進(jìn)一步研究虹吸管的不同地下排水措施的排水排澇性能。

2 虹吸式排水系統(tǒng)和試驗(yàn)材料設(shè)計(jì)

2.1 虹吸式地下排水系統(tǒng)

受土壤導(dǎo)水性的限制,地下排水的流量遠(yuǎn)低于明溝排水。在現(xiàn)有的地下排水工程中,為了獲得較大的流量,在地下水位較高、易發(fā)生內(nèi)澇災(zāi)害的地區(qū),排水管道埋設(shè)較深。但也存在一些問(wèn)題,如施工難度大、輔助設(shè)施多、造價(jià)相對(duì)較高等。淺層排水管可以縮短地表水的下滲路徑,加速地表水的下滲。淺層排水管比深層排水管更容易接收地表滲透水,但其流量有限。虹吸排水是由入口和出口之間的水頭差造成的。為了提高城市淺層排水的流量,提出了一種新的排水形式：使用虹吸管（稱(chēng)為虹吸式地下排水）。虹吸式淺層排水由淺層排水管和虹吸管兩部分組成,只需在淺層排水管出口處安裝虹吸管,降低出口標(biāo)高,因此具有安裝簡(jiǎn)單、成本低、易于提高現(xiàn)有淺層排水管排水能力等優(yōu)點(diǎn),其克服了淺層排水管流量小的缺點(diǎn),利用了滲透路徑小和水頭差的優(yōu)點(diǎn),可以提高城市排澇除漬的效率。

2.2 室內(nèi)測(cè)試

2.2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究進(jìn)行室內(nèi)沙箱試驗(yàn)。根據(jù)滲流相似性原理,將排水管和排水深度縮小到1∶20 的比例。沙箱的凈尺寸為50 cm×20 cm×30 cm（長(zhǎng)×寬×高）。排水管直徑為6.35 mm,孔均勻分布在管壁上,穿孔率為1.2%。試驗(yàn)土壤分為兩種：一種是高滲透性礫石（直徑為2 mm～4 mm 的石英砂）,鋪設(shè)在砂罐底部,高度為4 cm；沿砂罐長(zhǎng)度方向鋪設(shè)直徑為1cm 的開(kāi)孔充填管,用于底部充水和排氣。另一種土壤介質(zhì)為80～120目石英砂,高度為22.5 cm,根據(jù)石英砂的體積密度逐層填充,以模擬城市土壤條件。使用石英砂是為了縮短試驗(yàn)時(shí)間,便于充水和排氣,有效探索排水規(guī)律。在兩種土壤的交界處直接鋪上紗布,以避免上層土壤的流失。水通過(guò)底部的充水管逐漸注入,直到地下水位到達(dá)土壤表面。土壤飽和后,關(guān)閉底部注水管,將固定高度的水箱與上部注水管相連,以保持一定的積水高度。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)土壤表面的穩(wěn)態(tài)積水和非穩(wěn)態(tài)積水沉降,測(cè)試了虹吸式地下排水系統(tǒng)在土壤飽和狀態(tài)下的性能。排水管布置在砂箱的一側(cè)壁上,排水管間距（L）假定為常數(shù)。土壤為各向同性的均質(zhì)介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)選擇了三個(gè)因素。首先,選擇了兩種地下排水方式,即傳統(tǒng)地下排水（CD）和改良地下排水（ID）。改進(jìn)型地下排水采用兩種過(guò)濾高度,1 cm 高的稱(chēng)為薄改進(jìn)型地下排水（ID-1）,2 cm 高的稱(chēng)為厚改進(jìn)型地下排水（ID-2）。由于管道位于砂缸側(cè)壁,圖1 中（b）和（c）所示的濾體采用了一半的底寬,即1 cm。第二,排水深度的選擇。排水深度的選擇主要考慮作物的耐澇深度和中國(guó)南方易澇地區(qū)的經(jīng)濟(jì)可行性。設(shè)定了三種排水深度方案：淺（2.5 cm）、中（4.0 cm）和深（5.5 cm）,分別對(duì)應(yīng)50 cm、80 cm 和110 cm 的實(shí)際排水深度,用s、m 和d 表示。第三,選擇出口標(biāo)高,并將其分為兩種情況：一種是非虹吸排水情況下的排水管出口標(biāo)高,另一種是虹吸排水情況下的虹吸管出口標(biāo)高。考慮到排水深度,虹吸管的設(shè)置是將淺層排水增加到中層排水和深層排水,中層排水增加到深層排水。圖1 為常規(guī)、薄改良和厚改良地下排水系統(tǒng)的示意圖。例如,s-ID-1 表示在淺層排水條件下無(wú)虹吸排水的薄改良地下排水,s-ID-1（d）表示在淺層排水條件下出口高程與深層排水一致時(shí)有虹吸排水的薄改良地下排水。

圖1 常規(guī)和改進(jìn)的地下排水系統(tǒng)示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 穩(wěn)態(tài)積水情況下流量的影響

在穩(wěn)態(tài)積水情況下,有無(wú)虹吸管的流量對(duì)比見(jiàn)圖2。結(jié)果表明,與不帶虹吸管的地下排水相比,在相同排水深度下,虹吸管可通過(guò)增加水頭顯著提高傳統(tǒng)地下排水和改進(jìn)地下排水的排水能力。對(duì)于傳統(tǒng)的地下排水系統(tǒng),在淺層排水系統(tǒng)下,虹吸管能比無(wú)虹吸管增加30.6%～60.4%的流量,在中層排水系統(tǒng)下,虹吸管能比無(wú)虹吸管增加27.1%的流量。對(duì)于薄改良地下排水系統(tǒng),與淺層排水系統(tǒng)下的非虹吸管相比,虹吸管可使流量增加41.8%～89.8%,與中層排水系統(tǒng)下的非虹吸管相比,虹吸管可使流量增加50.5%。對(duì)于改進(jìn)后的地表下排水系統(tǒng),在中排水系統(tǒng)下,虹吸管可比非虹吸管增加39.3%的流量。

圖2 流量變化

虹吸式地下排水系統(tǒng)可以縮短積水的滲透路徑,從而在相同的出口高程下提高流量。與m-CD 和m-ID-1 相比,s-CD（m）和s-ID-1（m）的流量分別增加了 31.9%和16.7%。與d-CD 相比,s-CD（d）和m-CD（d）的流量分別提高了35.2%和19.6%。與d-ID-1 相比,s-ID-1（d）和 m-ID-1（d）的流量分別增加44.8%和23.3%。在厚改良地下排水系統(tǒng)中,m-ID-2（d）的流量比d-ID-2 高24.9%。

3.2 洪澇除澇效果

虹吸式地下排水對(duì)排澇和除澇的影響可以通過(guò)水頭隨時(shí)間的變化直觀地表現(xiàn)出來(lái)（見(jiàn)圖3）。將積水高度從2.0 cm降至0.0 cm 的時(shí)間定義為除澇時(shí)間,將地下水位從地表降至耕作層以下的時(shí)間定義為除澇時(shí)間。在傳統(tǒng)的地下排水中,與s-CD 相比,s-CD（m）和s-CD（d）的排澇時(shí)間分別縮短10.3%和37.9%,排澇時(shí)間分別縮短25.0%和62.5%。與m-CD 相比,m-CD（d）可將淹水和除澇時(shí)間分別縮短15.2%和33.3%。對(duì)于薄層改良地下排水系統(tǒng),與s-ID-1相比,s-ID-1（m）和s-ID-1（d）的排澇時(shí)間分別縮短了41.7%和57.9%。與m-ID-1 相比,m-ID-1（d）的排澇和除澇時(shí)間分別縮短了47.1%和 60.0%。與m-ID-2 相比,m-ID-2（d）可將淹水和除澇時(shí)間分別減少35.7%和30.0%。

圖3 有無(wú)虹吸管的除澇效果

通常m-ID-2（d）消除洪水所花費(fèi)的時(shí)間最少。當(dāng)出水口高程與深排一致時(shí),虹吸式暗排的除澇效果明顯優(yōu)于非虹吸式暗排水。由于有效地層內(nèi)儲(chǔ)存的土壤水分較少,虹吸改良地下排水的除澇時(shí)間略有差異。

4 結(jié)論

虹吸式地下排水可以提高傳統(tǒng)地下排水和改良地下排水的流量。在相同排水深度下,虹吸管對(duì)流量的增加有明顯效果,在相同出口標(biāo)高下,虹吸管的流量明顯高于非虹吸管。虹吸式地表下排水系統(tǒng)可大幅縮短排澇的排水時(shí)間。對(duì)于常規(guī)、薄改良地表下排水系統(tǒng),虹吸式地表下排水系統(tǒng)可使排澇時(shí)間分別縮短10.3%～37.9%、41.7%～57.9%,排澇時(shí)間分別縮短25.0%～62.5%、40.0%～60.0%。虹吸式地下排水具有占用土地少、開(kāi)挖深度淺、排水效果好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。在減少土地開(kāi)挖、提高地下排水效率的前提下,虹吸式地下排水對(duì)于易澇地區(qū)的排澇除漬和農(nóng)田排水改造具有很好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。