单向排水管在库岸边坡模型中的实验研究

许年春，罗照鑫，蔡文意，曾天奇

（重庆科技学院建筑工程学院，重庆 401331）

0 引言

由于防洪和发电需要，三峡库区水位每年都会反复上涨与消落，库水位的消落对库岸边坡稳定造成十分不利的影响[1-4]。

排水管是边坡支挡结构体系中一个不可或缺的组成部分，排水管的作用是及时排出坡体内的水流，减小坡体内外水头差，边坡支挡结构设计时，一般要求按2m的间距梅花形布置排水管[5]。

常规排水管为直通PVC管，当库水位上升时，其恰恰成为了水流进入坡体的最顺畅通道，因此大量的水得以进入坡体孔隙内，而当库水位迅速下降时，孔隙水不能及时排走，边坡内外形成较高的水头差，水头差在坡体内产生动水压力，大幅降低边坡的稳定性系数，在很多情况下边坡的失稳就是由于水头差引起。

因此，在坡体外水位升降无法改变的情况下，设计出一种经济、耐用、可靠的单向排水管，使坡体外水位上升时，进入坡体内的水减少，同时保证坡体外水位下降时坡体内孔隙水能及时排走，这将能明显提高边坡的稳定性，降低边坡支挡费用。

1 单向排水管的制作

1.1 设计图

图1为单向排水管的设计图，为保证在水中不锈蚀，套管、盖板和合页的材质均为不锈钢，合页的两片页板采用氩弧焊分别与不锈钢套管和盖板连接，磁铁7、8采用环氧树脂分别固定在盖板内侧和套管内壁，硅胶垫圈采用硅胶粘接在盖板上。

图1 单向排水管设计图

在实际工程应用中，将单向排水管埋入混凝土挡墙中，由于7、8磁铁的吸力，套管口通常处于闭合状态，当由于降水引起边坡中孔隙水压力增大时，在内水头的作用下，克服磁铁吸力，盖板绕合页转动，下缘打开，坡体内的水流通过水管排出；当库水位上升时，在外水压力作用下，盖板更加牢固地盖住管口，有效阻止水流进入坡体。

当库水位上升较大时，盖板将承受较大的压力，盖板的设计厚度为3mm，以承受至少40m深的水头压力。为了防止水压下硅胶垫圈被套管切破，采用粘接环氧树脂的方法，使套管口壁厚增加至5mm以上。

1.2 成品图

图2为单向排水管的成品图，与常规排水管相比，单向排水管主要是前部增加了防进水的盖板和套管，套管长度120mm，内径90mm，盖板厚度2mm，可见制作盖板和套管所需的不锈钢量很少，材料成本增加不多，主要成本为人工成本。经估算，实验合格后批量化生产，盖板和套管的制作成本可控制在40元/个以内，按每4m2布置一个单向排水管计算，排水管成本增加值为10元/m2，对于抗滑桩、重力式挡墙等库岸边坡支挡结构来说，几乎微不足道。

图2 单向排水管成品图

2.3 单向排水效果检验

将制作好的单向排水管浸入水池，检验封水效果，在磁铁的吸力和外水压力作用下，盖板与套管始终处于闭合状态，经过一段时间有少量水渗入管内。将单向排水管取出后，用毛巾擦拭干净，从PVC管口向里面灌水，当水量较少时，盖板与套管仍处于闭合状态，观察到缝隙处有缓慢漏水现象，当最大积水深度达到约5cm时，盖板下缘被突然冲开，水全部流出。

有少量、缓慢渗水或漏水是因为硅胶垫圈与套管口没有完全密封。实际上，当外水头增加时，盖板上的作用力增大，密封效果会增强，渗水现象会减少直至消失，而漏水现象对于坡体内水流排出是有利的。

因此，通过检验，制作出的单向排水管满足要求。

3 库岸边坡室内模型

为了验证单向排水管对库岸边坡稳定性的提高效果，在实验室制作库岸边坡模型，图3为库岸边坡室内模型图，模型采用砖墙砌筑而成，模型分为I室、II室，I室填土用于模拟边坡体，II室灌水用于模拟库水，通过水位增加和减少来模拟库水位的升降。模拟图3(a)为砖墙砌筑平面尺寸图，I室、II室之间为370砖墙，用于模拟边坡挡墙，将制作好的单向排水管埋置于370砖墙的下部。

I室先填土至单向排水管口以下5cm处，在排水管口设置

过滤网，网后堆放碎石，按其粒径由大到小依次放置，作为过滤层，然后填土将过滤层覆盖，再在填土表面安放土压力盒，如图3(b)所示，同时在I室中心位置处安放水压力计，土压力盒和水压力的数据线均须引出室外。继续填土，分层压实，直至将I室填满。

图3 库岸边坡室内模型图

4 实验测试

图4 实验测试现场

测试所使用的土压力盒为振弦式压力计，如图5所示，直径约10cm，量程1.0MPa。振弦式压力计根据土压力作用前后振弦频率的变化来计算出土压力值，当不考虑温度修正时，土压力计算公式如式（1）所示。

式中：k为振弦系数，测试所用土压力盒k=3.98×10-4kPa/Hz2；

f0为初始频率值，在填土前已测得为1398.64Hz。

图5 测试所用土压力盒

第一次测试时，单向排水管处于正常工作状态，对II室灌水，观察土压力盒与水压力计的数值，均没有明显的变化，与前面的单向排水效果检验一致，可以判定没有水流入I室。

第二次测试时，为模拟常规排水管，将单向排水管盖板人为打开（用绳子拉住），并对II室不断加水，随着水流进入I室，水压力计读数增大，当水压力计读数最终稳定后（达到最大值），从II室舀水，使水位下降，水流从I室流出。记录水位下降过程中土压力盒的读数值。

图6 两次测试土压力值

图6为两次测试记录的土压力值，图中的土压力值系根据式（1）计算得出，由图可见，第一次测试时，因为没有水流入I室，II室水位下降时墙背土压力值一直为4.45kPa，第二次测试时，因水流的进入，土压力值增大到5.05kPa，当II室水位下降时土压力值出现了明显的增加，土压力值峰值为7.05kPa，之后随着水位的进一步下降，土压力值开始减小，最终仍然稳定在5.05kPa左右。

5 结论

通过排水效果检验，制作出的单向排水管能有效实现单向排水。库岸边坡室内模型的实验测试结果表明，当采用常规排水管时，随着库水位的上升，作用挡墙背的土压力值会有一定的上升。当库水位下降时，由于产生了动水压力，作用挡墙背的土压力值增加了约40%。采用单向排水管，能有效阻止库水进入边坡体，对于减小挡墙背的土压力值，降低边坡支挡费用有显著的效果。

[1]罗红明，唐辉明，章广成，等.库水位涨落对库岸滑坡稳定性的影响 [J].地球科学 (中国地质大学学报)，2008（05）:687-692.

[2]李晓，张年学，廖秋林，等.库水位涨落与降雨联合作用下滑坡地下水动力场分析[J].岩石力学与工程学报，2004，21:3714-3720.

[3]柳群义，朱自强，何现启，等.水位涨落对库岸滑坡孔隙水压力影响的非饱和渗流分析[J].岩土力学，2008（S1）:85-89.

[4]蒋秀玲，张常亮.三峡水库水位变动下的库岸滑坡稳定性评价[J].水文地质工程地质，2010（06）:38-42.

[5]重庆市城乡建设委员会.GB50330-2013建筑边坡工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.