一種新型排水結構的排水性能試驗研究

郭一鵬，冷伍明，聶如松，趙春彥，崔玉橋

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.中南大學 高速鐵路建造技術國家工程實驗室, 湖南 長沙 410075；3.山東省交通規劃設計院，山東 濟南 250031)

排水失效是引發鐵路路基邊坡滑塌、擋墻開裂等病害的主要原因之一[1-3]，設置完善的排水系統是邊坡擋墻設計和變形控制的重要組成部分，而排水系統的工作性能主要受排水結構和服役環境等因素的影響。目前的排水結構主要為土工布包裹的PVC花管、盲溝、滲溝等。盡管上述排水結構取材方便，經濟性好，但在實際工程中存在諸如土工布淤堵，未設置或設置的反濾料粒徑不符，反濾料的級配、厚度無明確要求等問題。其結果是上述排水結構在服役一定年限后，大多被堵塞甚至完全喪失排水功能[4-6]。采用疏干或更換排水結構等方法整治后，上述病害仍存在，且屢治無效。為解決傳統排水結構排水失效的難題，一種排水效率高、不易堵塞且鋪設安裝便捷的毛細排水帶在新建路基排水工程中得到運用。然而對于既有構筑物，特別是行車密度大、施工空間狹窄、維修天窗短的既有鐵路路基邊坡，重新開挖并鋪設毛細排水帶并不現實。

為解決既有鐵路路基邊坡及其支擋結構內部的排水問題，本文將一種毛細透排水帶[7]制成的管狀結構運用于既有鐵路路基邊坡排水。該新型排水管的設置方法與土釘類似，即先在邊坡上用鉆機成孔，在孔內插入這種新型排水管并鎖定完成；土釘主要用于加固土體，而這種新型排水管主要用于邊坡土體內部排水。從另外一個角度講，將邊坡內的富余水排出來，有卸除水壓、提高土體抗剪強度、增加邊坡穩定性的作用，所以將其取名為排水釘[1]，其結構如圖1所示。排水釘由特制的PVC或PE管外裹一層毛細透排水帶，其排水通道橫截面形如字母Ω，不僅能主動排水，還能有效防止土顆粒流失，如圖2所示。毛細透排水帶與PVC管(或PE管)的配套使用，使得原本柔性的排水帶具備了一定的剛度，可在無需大挖大填且不影響線路正常運營的條件下，僅通過鉆孔安裝的方式解決既有鐵路路基邊坡的內部排水問題。

圖1 排水釘結構

圖2 毛細透排水帶結構與排水示意

毛細透排水帶投入使用以來，不少國內學者團隊就其排水性能做了系統深入的研究，結果表明其抗淤堵、排水性能優異。文獻[1]的試驗和工程應用表明排水釘比PVC管排水功能強、效率高，已在既有鐵路路塹邊坡水害整治中逐步推廣使用，但目前對其排水性能及反濾機制的研究尚處于起步階段，排水釘的設計和施工大多依靠經驗進行[1,8-10]，因此開展這方面的研究具有重要的現實意義和理論價值。本文借助室內試驗方法，在砂土中開展同條件下傳統PVC排水管和排水釘的排水對比試驗，分析新舊排水結構的性能特點，同時對比研究排水釘在不同排水間距、排水長度下的排水性能，系統地探討排水釘的排水性能。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

1.1.1 排水釘

排水釘長300 mm，直徑66.16 mm(圖3(a))。構成排水釘結構的毛細透排水帶參數見表1。

圖3 排水釘及水流路徑示意

參數取值寬 度/cm10厚 度/mm2滲透系數/(cm·s-1)0.27拉伸強度(縱向)/kPa600毛細槽溝寬度/mm0.3導水槽孔直徑/mm1

排水釘主要由排水釘節段和接頭組成。其中，節段的作用是收集水分，接頭將2個節段對接起來，并將上一排水釘節段收集起來的水通過接頭縫隙排入PVC管內。此外，排水釘節段的起始端用堵頭堵住，防止泥土進入PVC內管，如圖3(b)所示。

1.1.2 傳統排水管

傳統排水管采用PVC管制作而成，長300 mm，直徑63 mm，在其上部和兩側按梅花狀間隔5 cm開φ10的圓孔用于滲水(圖4)，管外出水口外包裹一層土工布，土工布參數見表2。

圖4 傳統排水管

參數參數規 格/(g·m-2)100拉伸強度/kPa2.5有效孔徑/mm0.13厚 度/mm1.0滲透系數/(cm·s-1)0.41

1.1.3 試驗土樣

為了使試驗效果明顯并提高試驗效率，試驗用土選用滲透系數較大的砂性土——湘江河砂，顆粒級配曲線如圖5所示，為粗砂，其基本物理性質見表3。

圖5 砂土級配曲線

參數取值emax0.71emin0.42ds2.60cc0.48cu0.51k/(cm·s-1)0.022

1.2 模型制備及土樣飽和

為確保模型自上而下具有較好的均勻性，模型制作時將孔隙比和含水率作為控制指標，采用分層夯實的方法進行模型制作。為防止顆粒流失和試樣飽和，在箱底鋪一層土工布，土樣填筑到出水管位置時安裝出水管，并密封試驗箱處的縫隙。

根據文獻[11]，直接在試驗箱內對試樣進行浸水飽和：水面高出試樣頂面10 cm，原則上試驗用水為蒸餾水，本次試驗用水量較大，采用自來水替代。根據文獻[11]，土樣應采用自下而上、逐層緩慢的飽和方式。但自下而上飽和的方式易擾動土樣，且試樣橫截面較大，不易均勻飽和。由于本文試驗采用粗砂，滲透系數大，為排除水孔隙中的空氣，采用自上而下的飽和方式，同時打開箱底均勻分布的4個閥門，排除孔隙中的氣體。具體浸水飽和方法為：堵住出水管出口，向試驗箱內加水，同時打開箱底的排水開關，進行脫氣飽和，當排水總量接近加水量時以及試樣不同位置的基質吸力接近1 kPa時可視為基本飽和[1]。隨后關閉箱底的排水開關，打開出水口，調節加水量，使水位面高出試樣頂面10 cm，并保持此高度不變，隨即開展常水頭試驗，10 min后停止加水，開展變水頭試驗。

1.3 試驗內容

1.3.1 排水釘與傳統PVC排水管的排水對比試驗

采用的試驗模型箱尺寸為60 cm×60 cm×80 cm(長×寬×高)，試驗箱底安裝4個水龍頭用于砂土排氣、排水飽和，在箱底以上100 mm開φ63的圓孔安裝出水管。排水管設置角度為10°，出水孔高度(出水管中心到箱底的距離)為10 cm，埋深(排水管中心至砂土頂面的距離)為50 cm。排水系統由排水管(排水釘/PVC排水管)、接頭、出水管組成，如圖6所示。

圖6 排水系統和模型箱

為對比兩種排水結構的排水性能，在室內砂土中開展了為期約4個月的干濕循環排水試驗(每天進行一次加水、排水過程)，排水試驗過程如圖7所示。

圖7 加水、排水過程

1.3.2 確定排水釘合理間距的排水試驗

排水釘置入路基邊坡進行排水時，其設置間距是路基邊坡水害整治設計的關鍵參數之一。首先，為研究排水釘的有效排水半徑，開展單排排水釘在不同設置角度(5°、15°、30°)下的排水試驗(測試不同位置水位)；隨后，為驗證排水釘的排水半徑，開展2排排水釘的排水試驗(測試不同位置水位)，此時，排水間距為2.0 m, 設置角度為10°；最后，為研究排水釘排水影響范圍的規律，開展不同的排水間距(1.5、2.0、2.5 m)時兩排排水釘排水試驗。

采用的試驗模型箱尺寸為300 cm×60 cm×67 cm(長×寬×高)，試驗箱底安裝9個水龍頭用于排氣、排水飽和，在箱底以上7 cm處開φ63的圓孔安裝排水管。試驗過程中排水釘及水位管的布置位置如圖8所示。

圖8 排水釘及水位管布置

1.3.3 排水釘長度對排水性能影響的排水試驗

排水釘的設置長度是路基邊坡水害整治設計的關鍵參數之一。為研究排水釘長度對排水性能的影響規律，設計不同排水長度(L=0.5、1.0 m，設置角度5°)下的排水試驗，如圖9所示。

圖9 考慮排水釘長度效應的排水試驗布置

2 排水釘與傳統PVC排水管排水性能

2.1 開孔率

開孔率k0是指篩面上有效篩理面積A0占篩孔總面積A1的比例。本試驗排水釘的開孔率k0為

( 1 )

式中：A0為排水釘全部毛細槽溝面積，mm2；A1為排水釘表面積，即長度與圓周長的乘積，mm2；n為排水釘毛細槽溝的數量；a為毛細槽溝寬度，mm；l為排水釘長度，mm；D為排水釘直徑，mm。

同理，根據式( 1 )得到PVC排水管表面開孔率k0為1.98%。

2.2 流速

試樣制備完成、飽和后按設計進行常水頭、變水頭排水試驗，通過出水孔測量單位時間內滲流量。流速v的計算公式為[12]

( 2 )

式中：v為流速，cm/s；q為單位時間內出水量，cm3/s；A為排水管與土樣接觸面積，即排水管表面積，等于排水管長度與橫截面周長的乘積，對于排水釘A=623.23 cm2，PVC排水管A=593.46 cm2。

歷時4個月,在室內開展同直徑、同長度的排水釘與PVC排水管的干濕循環排水試驗，流速隨時間的變化如圖10所示。

圖10 砂土中水的流速

由圖10可知：

(1)排水釘能持續保持良好的排水性能，而PVC排水管排水性能則逐漸下降，流速最大降幅達35%。

(2)對比兩種排水結構，發現PVC排水管初期流速明顯大于排水釘的流速，前者約為后者的2倍。其原因是：盡管排水釘表面開孔率為19.2%，遠大于PVC排水管表面開孔率1.98%，但排水釘進水端是封閉的，而PVC排水管包裹了土工布，進水端土工布的滲透系數為0.41 cm/s，遠大于構成排水釘的毛細透排水帶的滲透系數0.27 cm/s，故前者排水效率更高。

(3)試驗發現，每一次干濕循環排水試驗中，PVC排水管水流由渾濁變為清澈的時間約為5 min，排水釘耗時約為3 min，且觀測到的PVC排水管水流先渾濁后清澈的次數明顯多于排水釘，說明PVC排水管中細顆粒流失較排水釘多。

(4)排水試驗完成后，包裹PVC排水管的土工布堆積大量細顆粒，土工布孔眼被堵住，而排水釘表面的毛細槽溝孔隙無大量細顆粒，如圖11所示。

圖11 排水管

試驗發現，包裹PVC排水管的土工布發生了一定程度的淤堵，細顆粒在水流作用下，一部分進入土工布孔眼，一部分吸附在纖維上或形成土餅淤積在土工布表層，阻礙了水流流入PVC排水管。盡管PVC排水管開孔率較大，土工布的淤堵仍使得排水性能減弱，最終失效。相比PVC排水管，排水釘特殊的Ω結構有效地阻礙了細顆粒淤堵在毛細槽孔上，排水性能較好，其機制將在本文第5章詳細介紹。

3 排水釘設置角度對排水效果的影響

3.1 排水半徑

排水過程中不同位置水位隨時間的變化規律如圖12所示。

圖12 水位隨時間的變化曲線

由圖12可知：

(1)匯水區域呈漏斗狀：距離排水釘越近，水位變化較快，排水效果較好；隨著距離的增加，水位變化逐漸減慢。

(2)盡管不同工況下排水釘對周邊水位的影響存在一定差異，但總體上排水釘對其兩側1.0 m范圍內水位的影響較大，隨著距離的增加，影響逐漸減弱。排除測試誤差的影響，推算出排水釘的排水半徑約為1.0 m。

(3)盡管在不同設置角度下，水位變化有一定差異，但排水過程中匯水區域形狀并無明顯差異，表明排水釘設置角度對其匯水區域形狀的影響較小。

3.2 排水半徑驗證

兩排排水釘試驗中，排水過程中不同位置水位隨時間的變化規律如圖13所示。

圖13 雙排排水釘試驗中水位隨時間的變化曲線

由圖13可知，排水釘間形成了明顯的分水嶺，即中心處水位最高，其與排水釘間的水平距離為1.0 m,表明排水釘的排水半徑推算值(1.0 m)是合理的。

3.3 排水釘排水影響區域

不同排水間距下，流速隨時間的變化規律如圖14所示。

圖14 不同設置間距下流速隨時間的變化曲線

由圖14可知：

(1)不同設置間距下，流速變化的趨勢相同：試驗初期，水位穩定，流速基本不變，停止加水后，水頭壓力逐漸減小，流速隨之降低，呈線性變化；當砂土頂面水頭壓力為0時，土樣進入非飽和階段，流速隨排水時間非線性變化，最終變為0。

(2)隨著排水釘間距的增加，流速逐漸降低：間距為1.5 m時，初始流速最大，排水能力最強，而后流速下降較快，其原因是初期排水速度較快，在相同時間內水位降低較快，土中含水量較少后流速較低。

(3)當排水釘間距為2.5 m時，其排水效率接近排水釘單排設置，排水能力受試驗箱尺寸的影響。

根據以上現象可知：當排水釘由單排變為雙排時，隨著設置間距的增加，排水效果呈現先增強后逐漸減弱的趨勢，可以認為排水影響區域存在交叉重疊、相切以及分離等特征，如圖15所示。由圖15可知，合理設置間距對充分發揮排水釘的排水、減壓性能尤為關鍵。

圖15 排水釘排水影響區域(單位：m)

4 排水釘長度對排水效果的影響

排水釘長度不同時，排水過程中不同位置水位隨時間的變化規律如圖16所示。

圖16 水位隨時間的變化曲線(不同排水釘長度)

由圖16可知：

(1)隨著排水釘長度的增加，排水釘排水能力增強。

(2)盡管排水釘長度不同，但距排水釘進水端超過1.5 m處水位變化并不明顯，表明排水釘對縱向的直接影響范圍為排水釘進水端向外延伸1.5 m(水平距離)，隨著距離的增加，水位變化逐漸減慢。

(3)試驗完成后，水位均低于排水釘的設置高度，表明排水釘能夠排走其下方一定范圍內的水分，其原因是排水釘的毛細槽溝產生了一定的毛細力，土顆粒之間的自由水能夠進入毛細槽溝中，其產生的毛細力為45.6 Pa[10]。

綜上所述，排水釘對遠離其進水端水位的影響較弱，在工程運用中，為充分發揮排水釘排水、減壓的作用，保障邊坡穩定，其置入邊坡應穿過最危險滑動面至少1.5 m。

5 反濾機制分析

5.1 反濾層的形成

由文獻[13-17]可知：試樣是否發生滲透破壞可由兩個因素判定：一是滲透系數是否趨于穩定，由文獻[1]可知，常水頭階段流速不變，可推斷滲透系數不變；二是水流是否一直渾濁，排水過程中水流均呈現由渾濁變清澈的現象，表明試驗初期有部分細顆粒流失，但后期水流變清，無細顆粒流失，表明土層未發生滲透破壞。

水頭的變化就是水力梯度的變化[14]，因此也是滲透系數的變化。試驗開始時，排水釘的滲透系數遠大于相鄰土層的滲透系數，導致土中的水力梯度遠大于排水釘中的水力梯度。若在這一水力梯度的作用下，滲透力足夠把土中細顆粒推動，則部分顆粒將進入排水釘中，隨水流流出。相對較大的顆粒和部分細顆粒將堆積在排水釘表面，導致排水釘表面部分孔徑變小，排水釘的滲透系數會有所下降，相應的水力梯度增加。由于總水頭損失保持不變，土中的水力梯度將會有所下降，當土中的水力梯度下降到其滲透力不足推動細顆粒移動時，細顆粒將會沉積，隨著這個過程的繼續發展，推力不足的區域細顆粒將會有所增加，可以自由移動的細顆粒將會減少，這一結構將會阻礙天然土中細顆粒的移動，最終形成天然濾層。這一論斷可由排水釘排出的水先渾濁后清澈以及顆粒級配加以論證，如圖17所示。

圖17 試驗前后顆粒級配曲線

由圖17可知，試驗前后，距排水釘不同位置的顆粒級配發生了一定的變化：與試驗前相比，在粒徑0.7～40 mm范圍內，距排水釘2、5 cm處顆粒質量較試驗前大；在粒徑0.075～0.7 mm范圍內，土質量含量較試驗前小。與試驗前相比，在粒徑1～40 mm范圍內，距排水釘10 cm處顆粒級配基本無變化；在粒徑0.075～1 mm范圍內，土料質量分數較試驗前小，表明排水釘周邊一定范圍內細顆粒流失，流失的粒徑上限為1 mm。砂土向排水釘的Ω形毛細槽溝流失時，顆粒同時移動，相互夾擠，在毛細槽溝處可能形成拱架而阻止其他顆粒繼續流失，可能形成拱架時的顆粒數量一般不會超過3個[17]。

5.2 反濾層的驗證

盡管針對構成排水釘結構之一的毛細排水帶的反濾準則鮮有研究，但不同的反濾準則均遵循了太沙基“排水、反濾”這兩條基本原則[18-20]。本節依照常用、簡便、具有代表性的反濾準則[14]對排水釘周圍形成的天然反濾層進行驗證。反濾準則見表4。

表4 反濾準則

排水釘的孔徑與其周邊砂土的某特征粒徑之間，若滿足一定關系，形成的天然反濾層就能發揮排水、擋土和防淤堵的功能。

(1)擋土準則：砂土中粒徑小于0.075 mm的顆粒少于50%，判別式為O95≤d85：排水釘的孔徑O95=0.3 mm，砂土d85=3.68 mm,則O95≤d85滿足要求。

(2)滲透準則：砂土的滲透系數為0.022 cm/s，排水釘的滲透系數為0.27 cm/s[1]，則ks≥(1～10)kg，滿足要求。

(3)淤堵準則：排水釘在滲透過程中是否產生淤堵現象，目前還不能像擋土和滲透準則那樣有成熟的適用準則。同時，排水釘不是柔性材料，既有滲透儀無法滿足其測試要求。文獻[21]指出淤堵準則以直觀的試驗結果為依據，能夠真實評價排水釘反濾層淤堵的情況。本文排水試驗完成后，卸樣時未發現排水釘毛細槽溝被堵塞，且多次干濕循環后，排水性能良好，表明其未被堵塞，滿足要求。

綜上所述，形成的天然反濾層能發揮排水、擋土和防淤堵的作用。

6 結論

通過在室內砂土中開展PVC排水管和排水釘的長周期排水試驗，得到如下結論：

(1)歷時4個月的干濕循環排水試驗中，排水釘能持續保持良好的排水性能，而PVC排水管排水性能逐漸下降，流速最大降幅達35%，且呈持續下降的趨勢;排水管外裹的土工布質量明顯增加，發生了一定程度的淤堵。

(2)在砂土中，排水過程中匯水區域呈漏斗狀，即靠近排水釘區域，水位變化較快，兩邊較慢。排水釘對其兩側1.0 m范圍內的水位影響較大，隨著距離的增加，影響逐漸減弱。排水釘的有效排水半徑約為1.0 m。

(3)在工程運用中，為充分發揮排水釘排水、減壓的作用，其置入邊坡應穿過最危險滑動面至少1.5 m。

(4)在砂土中，排水釘周圍形成天然的反濾層，能發揮排水、擋土和防淤堵的作用。

現場觀測及本次試驗結果表明，與傳統的PVC排水管相比，排水釘的排水效率高,長期排水性能好，為路基邊坡水害整治提供了一種新的方法。