俯倾孔负压排水法在公路边坡治理中的应用

赵 荐，郑文俊，江 浩，陈中轩，帅飞翔

(1.浙江省衢州市公路管理局，浙江 衢州 324000；2.浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021)

0 引言

大量滑坡灾害与降雨直接相关，降雨入渗引起边坡地下水位的上升和土体饱和度的增加[1-3]，因此，实时排出坡体的地下水从而降低地下水位，可以有效减少滑坡灾害[4-5]。经过长期的努力，形成当前边坡的主要排水措施有：地表截水沟和排水盲沟、集水井抽水、水平排水孔、虹吸排水法、地下排水洞等[4-10]。虽然这些排水措施的应用成功疏排了大量滑坡的地下水，但也暴露了问题和不足，主要表现为：地表排水方法如截水沟、盲沟等，其排水效果有限，无法排出地下水；集水井抽水需要依靠动力实现以及经常性的管理，只适用于临时短期排水；水平排水孔容易发生淤堵失效，长期应用可靠性差；虹吸排水孔克服了水平排水孔的基本缺陷，但为保证虹吸管不产生空气积累，必须控制虹吸管径形成段塞流，常常导致排水能力不足；地下排水洞施工周期长、费用高，隧道开挖存在安全风险，且放炮对环境影响大。

由于截排水措施的有效性和可靠性等问题，导致许多滑坡因排水工程失效而复活，造成严重损失。因此，采用经济有效的边坡排水新技术，达到边坡排水的安全可靠，对于公路边坡的防灾减灾，具有十分重要的意义。

1 俯倾排水孔负压排水方法

钻孔排水法布置灵活，造价相对低廉，很多治理工程已表明该方法能够有效地大幅降低地下水位[11-12]。如果能够克服钻孔排水的淤堵问题和排水能力问题，将从根本上实现边坡地下水位的有效控制。水平排水孔是开放式的钻孔，孔内地下水在重力作用下被排出边坡体外。研究表明，水流流速慢、孔内-外界相通的水化学环境以及生物淤堵问题是造成排水孔淤堵的主要原因，这与水平排水孔的工作原理直接相关。然而，为解决淤堵问题目前一般通过人工维护疏通等延长使用寿命，无法从根本上解决问题。针对排水孔的淤堵问题和探索长久高效的排水方法需要，浙江大学孙红月等提出了“俯倾排水孔负压排水法”[13]，如图1所示，先朝坡体内部打设下倾式的钻孔，B点为孔口，通过在孔口段注浆将钻孔分为注浆封闭孔段和透水孔段。注浆之前将排水管进水口插入透水孔段的底部，而将排水管出水口放置于边坡的下部。使用水泥砂浆充填排水管和孔壁之间的空隙，以隔断边坡地表与钻孔透水段之间的水气联系。同时根据实际需要选择合适管径的排水管，其排水能力须大于边坡地下水入渗进透水段内的流量。

图1 俯倾式水平钻孔负压排水

俯倾孔负压排水法利用了边坡地下水位线总是随坡体地形变化的客观实际，即如图1所示的A点地下水位总是高于B点。该方法的排水原理是：随着边坡地下水位上升，排水管进水口的压力水头逐渐升高，直至高于钻孔的孔口高程时，透水段内的地下水基于液压原理会经由排水管自然流出并形成虹吸排水。由于虹吸排水的速度远大于地下水入渗到透水孔段的流量，因而在透水孔段形成空腔和真空负压，坡体内的地下水可加速流向空腔内[14-15]。当透水孔段内的地下水被完全排干时，钻孔周围的地下水入渗进钻孔空腔并使孔底水头高度重新上升，当水头高度再次大于钻孔的孔口高程时，排水过程再次进行。

因此，俯倾排水孔负压排水法是一个蓄水-排水-蓄水的间歇性排水过程。利用虹吸排水在进水口产生的负压抽吸作用，避免钻孔内产生机械淤堵。因钻孔的孔口段被水泥浆封堵，故不存在生物淤堵的问题。此外，透水孔段与外界的水-气联系被隔离，因而避免了孔内地下水的化学环境变化，减少了化学淤堵的问题。

2 工程概况

浙江省S315 K92路基边坡位于江山段与衢江段的交界处。边坡的削坡工程项目于2014年完工，但2015年3月左右遇强降雨，导致边坡发生多处滑塌，滑坡所涉及的桩号为K92+070～K92+290。如图2所示为开挖边坡及地貌环境，现状边坡分为两级，一级坡和二级坡的坡率分别为1:1.5和1:1.75，中间设4m宽的平台及水平排水沟。

图2 开挖边坡及地貌环境

边坡所在区域为亚热带季风气候区，降雨季节集中在3～6月份梅雨期以及7～9月份台风期，而其它时间少雨干燥。如图2所示，边坡后缘的降雨入渗补给区域面积广，且边坡表层坡积土的渗透性良好，因而边坡在降雨期有良好的地下水补给条件。同时，开挖边坡处的残积土土层厚度大，而渗透性相对较差，导致边坡地下水的排泄疏干过程缓慢。因此，边坡同时具备良好的降雨入渗条件和良好的储水条件，而地下水排泄条件较差。受年内降雨分布不均影响，边坡地下水位变化幅度大，雨季时地下水位较高，边坡地下水的渗出点最大高度位于二级边坡的坡脚附近。

2015年3月左右，边坡区域遇雨季强降水，在约为220m长的边坡上发生了大于100m3的滑坡2处和小于100m3的滑坡共5处，滑坡的典型特征如图3所示。

图3 滑坡特征

滑坡体限于1级边坡，且滑坡后缘位于一级边坡和二级边坡之间的平台排水沟处，在平台范围内出现明显的剪切裂缝带或弧形张拉裂缝带。滑坡后缘的滑动面呈圈椅状，滑坡前缘的剪出口位于坡脚挡墙的顶部；滑坡体厚度较小，局部最大厚度不超过8m，平均厚度不超过5m。现场勘查显示，滑坡后缘的位置接近地下水渗出点的最大高度，且从滑坡后壁流出的地下水在滑体表面形成地表径流。

综合以上分析，该滑坡是降雨诱发型浅层滑坡，边坡地下水向外的渗流作用是滑坡形成的直接原因。因此，控制该边坡地下水位的上升高度，对提高坡体的稳定性具有重要作用。

3 钻孔布置与结构

在边坡一级坡平台上布置俯倾式负压排水孔，剖面布置如图4所示。透水钻孔段内置透水管，透水管采用内撑HDPE双壁打孔波纹管外织滤布，具有良好的透水性，并防止泥砂进入透水管内。HDPE打孔波纹管性能指标要求：外径50±3mm、最小壁厚≥0.5mm、最小进水面积≥25cm2/m、环刚度≥8kN/m2、扁平试验压至1/2不坏、落锤冲击不破裂、坠落试验不破裂；外包滤布性能指标要求：纵向抗拉强度≥1 000N/5cm、纵横向伸长率 ≥12.0 %、横向抗拉强度≥800N/5cm、顶破强度≥1 100N、渗透系数K20≥0.10 cm/s、等效孔径O95=0.06～0.25mm。透水管的孔底端设置HDPE管帽，进行底部密封，防止泥砂进入透水管。透水管与孔底管帽固定连接。

图4 边坡俯倾钻孔负压排水剖面

排水管采用10×5mm的PU管，将排水管插入透水管内到达孔底端管帽附近约10cm处。在透水管的孔口端绑扎土工布，并设置止浆胶囊，防止注浆封闭孔段注浆过程中浆液流入透水孔段内。

成孔后，拔出套管前，立即安装已经插入排水管的透水管。完成透水管和排水管安装后，拔出套管，然后注浆封闭孔口段。浆液采用纯水泥，用搅拌机拌和均匀，随拌随用。

4 排水孔施工与排水效果

该工程于2019年11月13日现场钻孔施工开孔，2020年5月13日完成全部钻孔施工，期间因春节和新冠疫情停工4个多月。采用地质钻机进行钻孔施工(图5)，钻孔直径大于90mm，共完成钻孔12个，总进尺315m，各钻孔的施工情况见表1。

图5 现场钻孔施工

表1 钻孔深度及注浆封孔情况

ZK11没有进行孔口段注浆封孔，用于监测坡体地下水位变化情况，主要观察坡体地下水是否会自然流出孔口。监测结果表明，ZK11钻孔内的地下水位距孔口始终大于1m以上，始终没有地下水流出孔口。其他钻孔均有地下水流出孔口，多表现为间歇性循环排水。图6所示为ZK7的孔内地下水位变化过程及排水情况。根据表1可知，ZK7的孔底-孔口高差为2m，因此当孔底水头高度达到2m时排水启动，直至排完钻孔内的地下水，随后进入下一个排水周期。

图6 ZK7孔内地下水位随时间变化过程

5 结语

实时排出坡体地下水，降低孔隙水压力，可以减少大量滑坡灾害的发生。俯倾排水孔负压排水方法是一种新的钻孔排水方法，将钻孔分为下部透水孔段和上部注浆封闭孔段，利用边坡地下水位分布特点，采用虹吸管从透水孔段中自然排出地下水，彻底改变钻孔排水的工作方式。该方法在浙江省S 315省道K92边坡工程排水中得到了成功应用，所完成的11个俯倾排水孔均产生间歇性排水，排水孔的透水孔段内的地下水位表现随时间过程提高，当压力水头高度达到孔口高程时，自然启动虹吸排水过程，迅速降低孔内的地下水位，然后重新进入地下水位上升过程和排水过程，发生周期性排水。俯倾排水孔负压排水方法的现场测试结果，表明该方法具有较好的工程应用价值。