俯傾孔負壓排水法在公路邊坡治理中的應用

趙 薦，鄭文俊，江 浩，陳中軒，帥飛翔

(1.浙江省衢州市公路管理局，浙江 衢州 324000；2.浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021)

0 引言

大量滑坡災害與降雨直接相關，降雨入滲引起邊坡地下水位的上升和土體飽和度的增加[1-3]，因此，實時排出坡體的地下水從而降低地下水位，可以有效減少滑坡災害[4-5]。經過長期的努力，形成當前邊坡的主要排水措施有：地表截水溝和排水盲溝、集水井抽水、水平排水孔、虹吸排水法、地下排水洞等[4-10]。雖然這些排水措施的應用成功疏排了大量滑坡的地下水，但也暴露了問題和不足，主要表現為：地表排水方法如截水溝、盲溝等，其排水效果有限，無法排出地下水；集水井抽水需要依靠動力實現以及經常性的管理，只適用于臨時短期排水；水平排水孔容易發生淤堵失效，長期應用可靠性差；虹吸排水孔克服了水平排水孔的基本缺陷，但為保證虹吸管不產生空氣積累，必須控制虹吸管徑形成段塞流，常常導致排水能力不足；地下排水洞施工周期長、費用高，隧道開挖存在安全風險，且放炮對環境影響大。

由于截排水措施的有效性和可靠性等問題，導致許多滑坡因排水工程失效而復活，造成嚴重損失。因此，采用經濟有效的邊坡排水新技術，達到邊坡排水的安全可靠，對于公路邊坡的防災減災，具有十分重要的意義。

1 俯傾排水孔負壓排水方法

鉆孔排水法布置靈活，造價相對低廉，很多治理工程已表明該方法能夠有效地大幅降低地下水位[11-12]。如果能夠克服鉆孔排水的淤堵問題和排水能力問題，將從根本上實現邊坡地下水位的有效控制。水平排水孔是開放式的鉆孔，孔內地下水在重力作用下被排出邊坡體外。研究表明，水流流速慢、孔內-外界相通的水化學環境以及生物淤堵問題是造成排水孔淤堵的主要原因，這與水平排水孔的工作原理直接相關。然而，為解決淤堵問題目前一般通過人工維護疏通等延長使用壽命，無法從根本上解決問題。針對排水孔的淤堵問題和探索長久高效的排水方法需要，浙江大學孫紅月等提出了“俯傾排水孔負壓排水法”[13]，如圖1所示，先朝坡體內部打設下傾式的鉆孔，B點為孔口，通過在孔口段注漿將鉆孔分為注漿封閉孔段和透水孔段。注漿之前將排水管進水口插入透水孔段的底部，而將排水管出水口放置于邊坡的下部。使用水泥砂漿充填排水管和孔壁之間的空隙，以隔斷邊坡地表與鉆孔透水段之間的水氣聯系。同時根據實際需要選擇合適管徑的排水管，其排水能力須大于邊坡地下水入滲進透水段內的流量。

圖1 俯傾式水平鉆孔負壓排水

俯傾孔負壓排水法利用了邊坡地下水位線總是隨坡體地形變化的客觀實際，即如圖1所示的A點地下水位總是高于B點。該方法的排水原理是：隨著邊坡地下水位上升，排水管進水口的壓力水頭逐漸升高，直至高于鉆孔的孔口高程時，透水段內的地下水基于液壓原理會經由排水管自然流出并形成虹吸排水。由于虹吸排水的速度遠大于地下水入滲到透水孔段的流量，因而在透水孔段形成空腔和真空負壓，坡體內的地下水可加速流向空腔內[14-15]。當透水孔段內的地下水被完全排干時，鉆孔周圍的地下水入滲進鉆孔空腔并使孔底水頭高度重新上升，當水頭高度再次大于鉆孔的孔口高程時，排水過程再次進行。

因此，俯傾排水孔負壓排水法是一個蓄水-排水-蓄水的間歇性排水過程。利用虹吸排水在進水口產生的負壓抽吸作用，避免鉆孔內產生機械淤堵。因鉆孔的孔口段被水泥漿封堵，故不存在生物淤堵的問題。此外，透水孔段與外界的水-氣聯系被隔離，因而避免了孔內地下水的化學環境變化，減少了化學淤堵的問題。

2 工程概況

浙江省S315 K92路基邊坡位于江山段與衢江段的交界處。邊坡的削坡工程項目于2014年完工，但2015年3月左右遇強降雨，導致邊坡發生多處滑塌，滑坡所涉及的樁號為K92+070～K92+290。如圖2所示為開挖邊坡及地貌環境，現狀邊坡分為兩級，一級坡和二級坡的坡率分別為1:1.5和1:1.75，中間設4m寬的平臺及水平排水溝。

圖2 開挖邊坡及地貌環境

邊坡所在區域為亞熱帶季風氣候區，降雨季節集中在3～6月份梅雨期以及7～9月份臺風期，而其它時間少雨干燥。如圖2所示，邊坡后緣的降雨入滲補給區域面積廣，且邊坡表層坡積土的滲透性良好，因而邊坡在降雨期有良好的地下水補給條件。同時，開挖邊坡處的殘積土土層厚度大，而滲透性相對較差，導致邊坡地下水的排泄疏干過程緩慢。因此，邊坡同時具備良好的降雨入滲條件和良好的儲水條件，而地下水排泄條件較差。受年內降雨分布不均影響，邊坡地下水位變化幅度大，雨季時地下水位較高，邊坡地下水的滲出點最大高度位于二級邊坡的坡腳附近。

2015年3月左右，邊坡區域遇雨季強降水，在約為220m長的邊坡上發生了大于100m3的滑坡2處和小于100m3的滑坡共5處，滑坡的典型特征如圖3所示。

圖3 滑坡特征

滑坡體限于1級邊坡，且滑坡后緣位于一級邊坡和二級邊坡之間的平臺排水溝處，在平臺范圍內出現明顯的剪切裂縫帶或弧形張拉裂縫帶。滑坡后緣的滑動面呈圈椅狀，滑坡前緣的剪出口位于坡腳擋墻的頂部；滑坡體厚度較小，局部最大厚度不超過8m，平均厚度不超過5m。現場勘查顯示，滑坡后緣的位置接近地下水滲出點的最大高度，且從滑坡后壁流出的地下水在滑體表面形成地表徑流。

綜合以上分析，該滑坡是降雨誘發型淺層滑坡，邊坡地下水向外的滲流作用是滑坡形成的直接原因。因此，控制該邊坡地下水位的上升高度，對提高坡體的穩定性具有重要作用。

3 鉆孔布置與結構

在邊坡一級坡平臺上布置俯傾式負壓排水孔，剖面布置如圖4所示。透水鉆孔段內置透水管，透水管采用內撐HDPE雙壁打孔波紋管外織濾布，具有良好的透水性，并防止泥砂進入透水管內。HDPE打孔波紋管性能指標要求：外徑50±3mm、最小壁厚≥0.5mm、最小進水面積≥25cm2/m、環剛度≥8kN/m2、扁平試驗壓至1/2不壞、落錘沖擊不破裂、墜落試驗不破裂；外包濾布性能指標要求：縱向抗拉強度≥1 000N/5cm、縱橫向伸長率 ≥12.0 %、橫向抗拉強度≥800N/5cm、頂破強度≥1 100N、滲透系數K20≥0.10 cm/s、等效孔徑O95=0.06～0.25mm。透水管的孔底端設置HDPE管帽，進行底部密封，防止泥砂進入透水管。透水管與孔底管帽固定連接。

圖4 邊坡俯傾鉆孔負壓排水剖面

排水管采用10×5mm的PU管，將排水管插入透水管內到達孔底端管帽附近約10cm處。在透水管的孔口端綁扎土工布，并設置止漿膠囊，防止注漿封閉孔段注漿過程中漿液流入透水孔段內。

成孔后，拔出套管前，立即安裝已經插入排水管的透水管。完成透水管和排水管安裝后，拔出套管，然后注漿封閉孔口段。漿液采用純水泥，用攪拌機拌和均勻，隨拌隨用。

4 排水孔施工與排水效果

該工程于2019年11月13日現場鉆孔施工開孔，2020年5月13日完成全部鉆孔施工，期間因春節和新冠疫情停工4個多月。采用地質鉆機進行鉆孔施工(圖5)，鉆孔直徑大于90mm，共完成鉆孔12個，總進尺315m，各鉆孔的施工情況見表1。

圖5 現場鉆孔施工

表1 鉆孔深度及注漿封孔情況

ZK11沒有進行孔口段注漿封孔，用于監測坡體地下水位變化情況，主要觀察坡體地下水是否會自然流出孔口。監測結果表明，ZK11鉆孔內的地下水位距孔口始終大于1m以上，始終沒有地下水流出孔口。其他鉆孔均有地下水流出孔口，多表現為間歇性循環排水。圖6所示為ZK7的孔內地下水位變化過程及排水情況。根據表1可知，ZK7的孔底-孔口高差為2m，因此當孔底水頭高度達到2m時排水啟動，直至排完鉆孔內的地下水，隨后進入下一個排水周期。

圖6 ZK7孔內地下水位隨時間變化過程

5 結語

實時排出坡體地下水，降低孔隙水壓力，可以減少大量滑坡災害的發生。俯傾排水孔負壓排水方法是一種新的鉆孔排水方法，將鉆孔分為下部透水孔段和上部注漿封閉孔段，利用邊坡地下水位分布特點，采用虹吸管從透水孔段中自然排出地下水，徹底改變鉆孔排水的工作方式。該方法在浙江省S 315省道K92邊坡工程排水中得到了成功應用，所完成的11個俯傾排水孔均產生間歇性排水，排水孔的透水孔段內的地下水位表現隨時間過程提高，當壓力水頭高度達到孔口高程時，自然啟動虹吸排水過程，迅速降低孔內的地下水位，然后重新進入地下水位上升過程和排水過程，發生周期性排水。俯傾排水孔負壓排水方法的現場測試結果，表明該方法具有較好的工程應用價值。