毛細(xì)排水管排水性能試驗(yàn)與路基排水應(yīng)用研究

張棟 王寧 陳鋒 張杰，

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵路西安局集團(tuán)有限公司 閻良工務(wù)段，西安 710000；3.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 邯鄲工務(wù)段，河北 邯鄲 056001

針對路基水害，傳統(tǒng)整治方法有換填、封閉、施作橫向排水盲溝、設(shè)置PVC 梅花孔排水管等［1-4］。換填、封閉、施作橫向排水盲溝等方法工程量大且施工干擾大，效果不明顯。PVC 梅花孔排水管則極易短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生堵塞甚至完全喪失排水功能。利用傳統(tǒng)整治措施，難以達(dá)到預(yù)期的處理效果。采用毛細(xì)排水管治理路基排水不良可有效克服傳統(tǒng)排水管的缺點(diǎn)。毛細(xì)排水管依靠其毛細(xì)吸水、柔性變形、重力排水、虹吸排水特點(diǎn)，可長期保持優(yōu)良的排水效果。

毛細(xì)排水管的研究主要集中在我國。崔玉橋等［5］開展了毛細(xì)透排水帶制成的水釘研究，水釘與毛細(xì)排水管結(jié)構(gòu)類似，水釘周圍能形成天然的反濾層，其存在對天然反濾層的形成起催化作用。該研究為水釘排水效率評(píng)估和形成設(shè)計(jì)方法提供基礎(chǔ)。凌賢宗等［6］開展了毛細(xì)透排水帶排水試驗(yàn)研究，檢驗(yàn)其在不同滲透系數(shù)土體中的反濾效果，比較其不同布置形式的排水能力和抗淤堵性能，結(jié)果表明其抗淤堵性能優(yōu)良。阮清波等［7］開展了毛細(xì)透排水帶反濾性能試驗(yàn)研究，檢驗(yàn)其在不同土體中的最優(yōu)布置形式及反濾性能。毛細(xì)透排水帶的細(xì)小毛細(xì)槽溝能夠產(chǎn)生45.6 Pa 的毛細(xì)力，將對附近的孔隙水產(chǎn)生毛細(xì)作用，進(jìn)一步對土體內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，促使較遠(yuǎn)處的孔隙水向排水帶遷移［8］。嚴(yán)海明［9］通過某水庫大壩排水工程，系統(tǒng)介紹了毛細(xì)透排水帶的性能以及設(shè)計(jì)和施工方法。

上述研究多為初步試驗(yàn)，驗(yàn)證了毛細(xì)排水管的反濾和抗淤堵排水能力。毛細(xì)排水管在水利工程、鐵路隧道中都有成功應(yīng)用案例，其反濾抗淤堵、毛細(xì)和虹吸作用可有效解決既有鐵路路基水害問題，但目前在路基工程中少有應(yīng)用。毛細(xì)排水管的尺寸參數(shù)直接影響其排水性能，為此開展毛細(xì)排水管的結(jié)構(gòu)參數(shù)測試和虹吸排水性能試驗(yàn)研究。試驗(yàn)前調(diào)研國內(nèi)毛細(xì)透排水帶市場，選定7 種毛細(xì)試驗(yàn)排水帶開展相關(guān)試驗(yàn)。測試并對比分析不同類型的毛細(xì)試驗(yàn)排水帶的集水槽寬度、集水槽隔斷寬度、板厚、孔底板厚、排水孔徑等尺寸對流速和虹吸高度的影響。

1 毛細(xì)排水管透排水帶尺寸參數(shù)測試

毛細(xì)排水管（圖1）是用薄片式毛細(xì)透排水帶包裹PVC 管制成。PVC 管有匯水作用，用作路基內(nèi)部排水時(shí)排水量較小，PVC 管不起決定性作用。毛細(xì)透排水帶是毛細(xì)排水管的關(guān)鍵部件，主要依靠毛細(xì)透排水帶實(shí)現(xiàn)毛細(xì)和虹吸作用，這也是區(qū)別于其他排水管的最大特點(diǎn)。毛細(xì)透排水帶是指在軟質(zhì)薄塑膠片上開設(shè)形狀如Ω的密集導(dǎo)水槽孔［10］。

圖1 毛細(xì)排水管結(jié)構(gòu)

毛細(xì)透排水帶關(guān)鍵尺寸參數(shù)（圖2）主要包括集水槽隔斷寬度、集水槽寬度、板厚、孔底板厚度、排水孔徑。一般其軟質(zhì)薄塑膠片厚約2 mm，導(dǎo)水槽孔直徑約1 mm（間隔1.5 mm），毛細(xì)集水槽寬度約0.3 mm。

圖2 毛細(xì)透排水帶關(guān)鍵尺寸參數(shù)

尺寸參數(shù)測試參考Q/CR 549.6—2017《鐵路工程土工合成材料第6 部分：排水材料》外形尺寸測試方法。但是毛細(xì)透排水帶材質(zhì)偏軟，測量時(shí)固定困難，而測試精度要求均在0.1 mm 以內(nèi)，采用游標(biāo)卡尺、孔徑尺等機(jī)械測量手段，測量精度難以保證。鑒于此，根據(jù)GB/T 19863—2005《體視顯微鏡試驗(yàn)方法》，采用體視顯微鏡對7 種毛細(xì)透排水帶（編號(hào)分別為1 號(hào)—7號(hào)）的尺寸進(jìn)行了測量。體視顯微鏡觀察到的3種毛細(xì)透排水帶如圖3所示，測試結(jié)果見表1。

圖3 體視顯微鏡觀察到的3種毛細(xì)透排水帶

表1 毛細(xì)透排水帶尺寸測量結(jié)果

由表1 可知：1 號(hào)、2 號(hào)、7 號(hào)毛細(xì)透排水帶的排水孔徑較為均勻，排水孔徑、底板厚度和集水槽寬度尺寸更加貼近Q/CR 549.6—2017 中規(guī)格尺寸；3 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)排水帶的集水槽寬度較大、排水孔徑變異系數(shù)較大，均勻性較差。部分排水孔截面已非圓形，結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計(jì)尺寸差異較大，目測可判斷質(zhì)量存在問題，故不再對3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)排水帶開展試驗(yàn)研究。

2 排水性能試驗(yàn)

2.1 虹吸排水量試驗(yàn)

選取1 號(hào)、2 號(hào)、7 號(hào)毛細(xì)透排水帶進(jìn)行試驗(yàn)，如圖4所示。試驗(yàn)箱長75 cm，寬75 cm，高35 cm，出水口距箱內(nèi)底面10 cm。試樣寬度20 cm 為標(biāo)準(zhǔn)值，試樣裁取距樣品縱向邊緣不小于10 cm，長70 cm，且伸入試驗(yàn)箱內(nèi)的長度為40 cm，伸出試驗(yàn)箱的長度為30 cm。

圖4 毛細(xì)透排水帶虹吸試驗(yàn)

放入試驗(yàn)箱前，在毛細(xì)透排水帶與出水口接觸部分粘貼防水膠帶。將毛細(xì)透排水帶放入模型箱中，尾部用膠帶固定在模型箱底部，出水口用玻璃膠封堵。液面到出水口的高度差為測試水頭高度。

注入無氣水，初始注水水頭高度高于目標(biāo)測試水頭高度；待毛細(xì)透排水帶排水孔出水穩(wěn)定后，調(diào)控進(jìn)水量使水頭高度保持在目標(biāo)測試水頭，記錄10 min 的排水量；隨后停止注水，待停止出水后觀察測量虹吸液面高度，進(jìn)行5 次平行試驗(yàn)為一組試驗(yàn)。測試水頭高度分別為-2.5、-2.0、0、10.0、20.0 cm。

計(jì)算毛細(xì)透排水帶的虹吸排水量，最終結(jié)果取平均值。虹吸排水量計(jì)算式為

式中：q為虹吸排水量，L/min；Q為測試時(shí)間內(nèi)的平均排水量，L；t為測試時(shí)間，min。

2.2 覆土通水量試驗(yàn)

參考Q/CR 549.6—2017 附錄D 排水材料覆土通水量的試驗(yàn)方法，模型箱為邊長80 cm 立方體，包裹排水管的下層土為角礫土，超過毛細(xì)排水管頂部10 cm后填鋪粉砂10 cm，試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。在恒定水頭下測試單位時(shí)間內(nèi)通過排水材料試樣的水流量。

圖5 覆土通水量模型箱結(jié)構(gòu)（單位：cm）

本試驗(yàn)水頭高度指水面位置距離粉砂層表面的高度。測試了10、20 cm 水頭高度下，1 號(hào)和7 號(hào)毛細(xì)排水管的覆土通水量。

2.3 虹吸能力模擬驗(yàn)證

考慮到毛細(xì)排水管核心部件為表面的毛細(xì)透排水帶，為便于觀察和操作，單獨(dú)使用毛細(xì)透排水帶模擬毛細(xì)排水管埋入土中時(shí)毛細(xì)排水管半封閉狀態(tài)。測試有無毛細(xì)透排水帶情況下的虹吸排水效果，驗(yàn)證毛細(xì)透排水帶的虹吸作用，測試其虹吸高度極限。

模型箱共四節(jié)，每節(jié)長60 cm，寬30 cm，深25 cm，全部鋪設(shè)不透水兩布一膜，按10°傾角拼接成兩排。一側(cè)底部鋪設(shè)2號(hào)毛細(xì)透排水帶，毛細(xì)開槽面向下，上附碎石，另一側(cè)不鋪設(shè)毛細(xì)透排水帶。注水，使兩邊的水頭高度一致，排水口出水后停止注水，觀察兩邊模型箱中水隨時(shí)間變化的排出情況。

3 毛細(xì)透排水帶構(gòu)造參數(shù)的影響

3.1 虹吸排水量試驗(yàn)結(jié)果分析

虹吸排水流速見表2。1 號(hào)、2 號(hào)、7 號(hào)毛細(xì)透排水帶虹吸高度分別為3.0、2.0、2.7 cm。

由表2可知：7號(hào)透排水帶流速始終保持最高。水頭高度20 cm 時(shí)，2 號(hào)與7 號(hào)透排水帶流速比較接近，高于1 號(hào)透排水帶約0.5 L/min；水頭高度10 cm 時(shí)，2號(hào)與7 號(hào)透排水帶流速比較接近，高于1 號(hào)透排水帶約0.2 L/min；水頭高度在10 cm 以內(nèi)時(shí)，3 種透排水帶排水流速相差不大。

表2 虹吸排水流速

結(jié)合關(guān)鍵尺寸參數(shù)分析，對比三者的隔斷寬度、集水槽寬度、排水孔徑可知：7 號(hào)透排水帶排水孔徑最大，為1.123 mm；集水槽寬度最小，為0.508 mm；隔斷寬度最小為1.504 mm。7 號(hào)透排水帶孔徑大、隔斷窄，毛細(xì)透排水帶寬度相同條下開孔率最大、排水?dāng)嗝孀畲螅柿魉僮羁臁：缥饔门c排水孔徑和集水槽寬度比值相關(guān)性較大，雖然7號(hào)透排水帶孔徑較大，毛細(xì)作用減弱，但其集水槽寬度較小，封閉水的能力較強(qiáng)，故7號(hào)透排水帶虹吸作用居中。

當(dāng)毛細(xì)透排水帶集水槽寬度較小時(shí)，毛細(xì)作用增強(qiáng)，虹吸高度增加，排水流速會(huì)降低，不能在較短的時(shí)間內(nèi)將水迅速排出；集水槽過大時(shí)，排水流速雖然會(huì)增大，毛細(xì)透排水帶的毛細(xì)作用和虹吸作用因毛細(xì)溝槽的增大而降低，從而使得排水效果減弱。

毛細(xì)排水孔徑越大排水流速越大，當(dāng)排水孔徑過大即毛細(xì)孔徑過大時(shí)，毛細(xì)透排水帶的虹吸高度會(huì)降低。

3.2 覆土通水量試驗(yàn)結(jié)果分析

覆土通水量試驗(yàn)結(jié)果見表3。可知，兩種毛細(xì)排水管覆土通水量的差異較小。但試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)前期出水較為渾濁，后期出水較為清澈，證明毛細(xì)排水管具有阻止水土流失的作用。試驗(yàn)前后流量變化較小，表明毛細(xì)排水管并未淤堵，推測部分土顆粒在其表面形成了反濾層［8］。

表3 兩種排水管覆土通水量比較

3.3 虹吸能力模擬驗(yàn)證結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)束后狀態(tài)見圖6。可知：36 h 后，有無毛細(xì)透排水帶的排水槽排水效果相差明顯。有毛細(xì)透排水帶的一側(cè)，包括距出水口最遠(yuǎn)一節(jié)，水基本排凈；無毛細(xì)透排水帶的一邊，基本未排水。這表明毛細(xì)透排水帶具有很強(qiáng)的虹吸作用，且當(dāng)毛細(xì)透排水帶有溝槽一側(cè)被覆蓋時(shí)，部分毛細(xì)排水通道處于半封閉狀態(tài)，可以加強(qiáng)其毛細(xì)和虹吸作用，距離出水口2.0 m 處，其虹吸高度不低于20 cm。

圖6 36 h模型試驗(yàn)狀態(tài)

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

選取邯長線K77+100 —K77+200區(qū)段為試驗(yàn)段，根據(jù)市場調(diào)研結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果選擇排水性能較優(yōu)良的7號(hào)毛細(xì)排水管，進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用研究。

采用三維立體雷達(dá)檢測，探明路基病害深度和長度。對地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，并分析其回波信號(hào)，在本次檢測區(qū)域有效探測深度內(nèi)發(fā)現(xiàn)富水異常1處，土體疏松1處，結(jié)果見表4。

表4 地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果

在富水異常處路基面以下6 m 處鉆孔置管排水，排水管間距2 m，仰斜角度5°～ 10°。鉆孔直徑90 mm，大于毛細(xì)排水管外徑約24 mm，大于毛細(xì)排水管轉(zhuǎn)接頭外徑約14 mm。填料為粉質(zhì)黏土，天然含水率較高，成孔較好，直接打孔，未跟管。成孔后置入柔性毛細(xì)排水管。毛細(xì)排水孔出水管引出路基邊坡10 cm 左右，用水泥封孔，見圖7。

圖7 施工完成

為驗(yàn)證毛細(xì)排水管的排水效果，施工時(shí)施作兩孔傳統(tǒng)外包土工布PVC 排水管。成孔排水12 h 后，收集排出水24 h，見圖8。出水較為清澈，毛細(xì)排水管出水量明顯大于傳統(tǒng)PVC排水管。

圖8 封孔取水試驗(yàn)

5 結(jié)論

1）毛細(xì)排水管用于路基排水施工簡單，具有明顯反濾效果，排水性能優(yōu)良，可有效克服傳統(tǒng)排水管的缺點(diǎn)。

2）集水槽寬度和排水孔徑是影響虹吸高度和排水流速的關(guān)鍵因素，綜合考慮虹吸高度和排水流速的應(yīng)用技術(shù)要求，合理選取集水槽寬度和排水孔徑大小，可有效提升毛細(xì)排水管的整體性能。

3）毛細(xì)排水管表面處于覆蓋狀態(tài)半封閉條件下，虹吸作用明顯提升，此狀態(tài)下的虹吸高度遠(yuǎn)高于水中的虹吸高度，本文試驗(yàn)條件下虹吸高度可達(dá)到20 cm以上。