王健偉 祁孜威 王高磊

1.鐵科院（深圳）研究設計院有限公司，廣東 深圳 518060；2.中國國家鐵路集團有限公司鐵路安全研究中心，北京 100081；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道科學技術研究發(fā)展中心，北京 100081

城市建設過程中為處理淤泥渣土形成大量的填土邊坡，因缺少有效的疏排水措施，易產生滑坡事故。邊坡工程中內部疏排水措施主要是設置淺層仰斜排水管和深層排水孔。淺層仰斜排水管耐久性較低，易發(fā)生淤堵現(xiàn)象［1］；深層排水孔鉆進過程中遇硬巖或地層突變易使鉆孔路徑偏移過大造成塞管困難，且邊坡變形可導致排水孔彎折失效。排水隧洞與井點降水排水降壓效果顯著［2-6］，但工程實施難度大、造價高，適用性較差。

本文提出一種仰斜排水管與1.2 m常規(guī)孔徑降水井組合的排水措施，實現(xiàn)邊坡內部自流排水，并應用于深圳市某受納場邊坡以補強其邊坡排水系統(tǒng)，通過現(xiàn)場試驗驗證其有效性。

1 工程概況

深圳市一高邊坡原始場地為一采石場，改造為填土受納場，堆填后地貌呈溝腦狀殘丘坡地，邊坡高約100 m、寬約200 m，整體坡度為20°～30°。邊坡上部為填土區(qū)，原采石場開挖后順坡堆填而成；坡體兩側山脊逐步收窄，在邊坡中部形成鎖口區(qū)，地勢較低，地下水匯集，水量豐富；邊坡下部為原狀土區(qū)，因工程建設需要，經分級開挖至強～中風化地層，后采用錨桿（索）框架支護。邊坡場地平面如圖1所示，場地地層（自上而下）物理力學性能指標見表1。

圖1 邊坡場地平面示意

表1 場地地層物理力學性能指標

2 排水位置選擇

地下水自東北向西南行進，由高向低，沿強弱透水地層交界斜坡面排放。其中，鎖口區(qū)為地形低洼凹地，此處山地徑流匯集，地表水經雜填土層入滲，加之后緣山體裂隙水源補給，地下水豐富，一部分地下水直接向原狀土區(qū)臨空面溢出。

張?zhí)惖龋?］研究發(fā)現(xiàn)，滑坡前坡腳水位會先抬升產生溢流。以該受納場為例，若鎖口區(qū)前緣土體由非飽和土轉化為飽和土，抗剪強度降低，加之滲透力作用，可能導致邊坡前緣先啟動變形，再逐級傳遞至后緣拉裂，從而形成牽引式滑坡，且上部填土區(qū)勢能匯聚，若形成滑坡并在前鋒鎖口區(qū)釋放，將加劇填土區(qū)堆填體噴發(fā)，進一步增大滑坡影響范圍。利用GeoStudio仿真軟件進行滲流及穩(wěn)定性計算得知，地下水位每下降1 m，鎖口區(qū)安全系數(shù)可提高0.02。因此，本試驗將降水井設置在鎖口區(qū)前緣水量豐富位置，由原狀土區(qū)臨空面接仰斜排水管，排出鎖口區(qū)前緣地下水，限制鎖口區(qū)水位上升，降低鎖口區(qū)滲透壓力，提高前緣土體強度。

3 排水試驗方案

原設計共3處采用井管組合排水措施，其中2處降水井（1#和2#井）已先行安裝。施工過程中在低位使用潛孔鉆機直接鉆入降水井底部，采用全站儀調整鉆機初始位置及方位偏角，但因坡體內部地質條件復雜及鉆頭重力牽引，導致成孔路徑發(fā)生側偏、下垂［8］，經數(shù)次嘗試，無法將鉆孔準確連通至降水井中，后期僅能通過抽水泵井內抽排水。

為解決井管準確對接問題，井管組合排水試驗井（3#井）采用“先安裝仰斜排水管，后開挖降水井”的方式，如圖2所示。使用可發(fā)射位置信息的鉆進設備先成孔，后插入排水管，最后在定位出的成孔路徑之上坡面或平臺開挖降水井至仰斜管［9］。

圖2 井管組合實施排水步驟

1）確定降水井參數(shù)。根據(jù)仰斜排水孔鉆進過程中出水量及坡面作業(yè)空間，確定終孔位置，在排水孔路徑正上方選取降水井點位。降水井采用人工挖孔形式，其內徑過大會造成作業(yè)空間不足及資源虛耗，過小將影響井管組合排水性能，且人工挖孔必須有足夠作業(yè)面，故降水井設計內徑為1.2 m。實施過程中嚴格控制垂直度［10］，設置鋼筋混凝土護壁以防止塌孔，開挖至仰斜管后立即硬化降水井底板，再將井壁均布鉆透水孔或局部破開護壁，仰斜排水管做接口保護后在井內作填礫處理。

2）確定排水孔參數(shù)。坡體內部地下水匯至降水井后，經底部排水管流出。假設降水井單日最大排水量Q1為60 m3，井內水面與仰斜排水孔出水口高差h為0.5 m，排水孔長度為22 m。Q2為仰斜排水管的每日出水量，當Q1=Q2，即降水井匯水量與排水管出水量相等時，蓄排水平衡，由式（1）—式（3）［11］可求得排水管匹配最小尺寸d為49 mm。結合鉆孔設備鉆桿尺寸要求，排水管尺寸取90 mm。

式中：hL為總水頭損失；v為井內地下水從仰斜排水管流出時的流速；g為重力加速度；λ為排水管沿程水頭損失系數(shù)，取0.027；l為仰斜排水管長度；ξ為井管連接位置局部水頭損失系數(shù)，取0.5；A為仰斜排水管內徑；t為排水時間。

3）接口保護。為確保井內匯水皆從仰斜排水管排出，將排水管端頭用土工濾布包裹；仰斜排水管與井壁、出水口與坡面縫隙處均用防水砂漿封堵，防止在管外形成排水通道。

4 邊坡排水分析

試驗場地平面布置如圖3所示，井口標高94.5 m；仰斜排水管內徑鉆孔設備放置在底部平臺，標高為84.1 m，初始仰角10°，排水管直徑90 mm、長度22 m。同時在2 m外設置一根同角度、同長度的常規(guī)仰斜排水孔作對比試驗，該孔未接降水井。

圖3 試驗場地平面布置（單位：m）

為有效評價井管組合排水效果，在兩仰斜排水管出口位置布設流量計進行排水量監(jiān)測，如圖4所示。

圖4 排水量監(jiān)測

4.1 排水量對比

2021年12月2日至2022年1月6日，開展了井管組合排水工程及水位監(jiān)測現(xiàn)場試驗，常規(guī)仰斜排水管與井管組合排水量對比見圖5?？芍涸囼炇兹粘Ｒ?guī)仰斜排水管與井管組合排水量相近，實測分別為19.03、19.79 m3；試驗期間兩者日均排水量總體皆呈下降趨勢，其中常規(guī)仰斜排水管排水量衰減迅速，試驗后期日排水量僅在1.5～2.0 m3，而井管組合排水量仍能維持在13.0～15.0 m3，衰減量減少88%。試驗初期兩仰斜排水出水端皆位于水位以下，隨著水位下降，常規(guī)仰斜排水管排水量迅速回落，而降水井井壁導水面積大，與浸潤面以上的非飽和土產生水力聯(lián)系，使得井管組合排水量保持穩(wěn)定。

圖5 常規(guī)仰斜排水管與井管組合排水量對比

4.2 降雨量、排水量與水位的關系

本試驗在旱季進行，試驗期間水位、降雨量及仰斜排水管、井管組合排水量監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2和圖6。由表2和圖6可知，距離降水井較遠的水位監(jiān)測孔SW1、SW2，試驗期間其水位變化極小，說明試驗期間場地水位受自然水位影響較小，驗證了本試驗的有效性，且降水井并未引起SW1和SW2的水位變化；兩自動化水位監(jiān)測孔（SW3、SW4）受井管組合排水影響，水位持續(xù)下降，試驗期間分別由89.39、89.37 m降至88.65、88.63 m，水位均下降0.74 m，充分說明井管組合排水有效降低了邊坡的地下水位；場地水位變化與仰斜管的排水量存在同步耦合關系，但井管組合排水對水位的影響是一個持續(xù)過程，并非短時間內完成。

表2 自動化水位監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖6 試驗期間降雨量及仰斜管、井管組合排水量監(jiān)測數(shù)據(jù)

在2021年12月20、21日分別有6.6、14.0 mm的降雨，均引起常規(guī)仰斜排水管單日排水量迅速回升，常規(guī)仰斜排水管排水量增加0.8、2.0 m3/d，井管組合排水量增加1.40、1.71 m3，其水位并未隨之反彈，有效限制了水位上升。而12月15、16、24、26日降雨量均小于4 mm，雨量較小，并未達到改變排水量變化趨勢的閾值。

5 結論

1）根據(jù)場地地形及地層分布，選取地形收窄且水量豐富區(qū)域作為井管組合排水措施的應用位置；采用先安裝仰斜排水孔，后在定位出的成孔路徑上方開挖降水井的試驗工藝，思路正確、布置合理，可應用于其他類似排水工程。

2）根據(jù)井管組合排水措施的初期運營成果，相比于常規(guī)仰斜排水管，排水功能顯著，適應性強，其衰減量減少88%。

3）應用井管組合排水措施后，有效降低了邊坡地下水位。場地水位變化與仰斜排水管的排水量存在同步耦合關系，地下水位以平均20 mm/d的速度平緩下降，排水量同步減少。

4）受降雨影響，井管組合排水量迅速響應增加，有效限制了水位的上升，但降雨量對排水量的影響存在閾值效應，具體數(shù)值仍需進一步試驗數(shù)據(jù)驗證。