松散堆積土邊坡充氣排水方法

杜麗麗，孫紅月，尚岳全

1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310058

2.浙江大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，杭州 310058

0 引言

大多數(shù)滑坡災(zāi)害是由于降雨引起坡體地下水位上升而引發(fā)的。坡體地下水位上升是一個(gè)降雨入滲的累積過程，如果前期降雨累積到警戒水位線［1］，一次強(qiáng)降雨過程將會(huì)導(dǎo)致坡體地下水位大幅上升，引起滑坡啟動(dòng)。對(duì)于地下水位接近或達(dá)到警戒水位線的邊坡，如果能夠在下次強(qiáng)降雨之前及時(shí)排出坡體地下水，就能有效防止多數(shù)滑坡災(zāi)害的發(fā)生，從而有效提升丘陵山區(qū)地質(zhì)環(huán)境安全。

土是三相體，氣和水在土體中的分布影響著土的物理力學(xué)特性。目前，主要有非飽和土理論［2］和土壤學(xué)理論［3］研究土中氣和水之間的相互影響，探索氣、水的運(yùn)移規(guī)律，但這些研究中一般不涉及氣體壓力傳遞問題。利用飽和巖土體的封氣特性，采用高壓氣體改變巖土體的氣、水分布研究，目前還只限于地下儲(chǔ)氣庫的建造和地下水位以下壓氣隧道法施工，其中的氣驅(qū)水理論是指把氣體作為動(dòng)力源推動(dòng)水體運(yùn)動(dòng)直至平衡，之后在排開水的土體孔隙中形成儲(chǔ)氣空間或者防止水進(jìn)入隧道開挖施工區(qū)域。劉輝等［4］采用有限元法模擬了在地下水位以下壓氣隧道法施工中氣體的運(yùn)移規(guī)律；Javadi等［5］針對(duì)壓氣法施工隧道中的空氣損失問題建立了一個(gè)數(shù)值計(jì)算模型，用于預(yù)報(bào)隧道內(nèi)的空氣損失；林成功和吳德倫［6］通過在水位以下進(jìn)行現(xiàn)場透氣試驗(yàn)測得了透氣壓力與透氣率的關(guān)系，并且推導(dǎo)出了導(dǎo)氣系數(shù)與漏氣系數(shù)公式。雖然氣驅(qū)水理論在隧道施工和地下儲(chǔ)氣庫建造方面已經(jīng)進(jìn)行了應(yīng)用研究，并且取得了初步的成功，但將氣驅(qū)水理論應(yīng)用到邊坡排水工程中目前國內(nèi)外尚未見有報(bào)道。

1 當(dāng)前邊坡排水的技術(shù)方法

邊坡排水工程措施經(jīng)歷了從地表到地下、從單一到綜合的發(fā)展過程。排水工程用于滑坡治理的發(fā)展初期是以地表排水為主，有截水溝、排水溝、疏通自然溝等形式。為提高排水效果，在工程實(shí)踐中逐漸引入了地下排水措施，有盲溝、支撐盲溝、滲溝、地下排水洞和水平排水孔等。隨著人們對(duì)排水工程重要性認(rèn)識(shí)的提高，各種排水工程措施的耦合使用研究日益受到人們的重視，洞、孔、井相結(jié)合的立體排水思想得到了發(fā)展［7－9］，地下排水洞和水平排水孔得到了推廣應(yīng)用。水平排水孔是一種通過濾水管將滑坡體內(nèi)地下水排出以穩(wěn)定滑坡的方法，但由于水平鉆孔容易塌孔和使用過程中容易堵塞，目前的使用仍局限于一些特殊的滑坡治理工程。在各種排水措施中，排水隧洞體系效率最高，對(duì)提高滑坡的穩(wěn)定性起到了很好作用，許多大型滑坡采用了排水洞排水，如麗龍高速公路的官家村滑坡、杭金衢高速公路K103滑坡等，都采用了排水洞進(jìn)行滑坡排水。隧洞排水最主要的問題是施工周期長、費(fèi)用高。

當(dāng)前滑坡的排水措施都是利用水的重力勢特性，使坡體的地表水和地下水向低水位區(qū)排泄。存在的主要問題有：1）排水措施對(duì)坡體的排水環(huán)境要求較高，許多邊坡往往缺乏有利的地形條件，導(dǎo)致排水措施的有效性難以保證；2）排水過程利用地下水的重力勢，無法加載提高水力梯度，排水的速度慢，各排水點(diǎn)的控制區(qū)域范圍小。因此，研究建立一種主動(dòng)排水方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，也是滑坡災(zāi)害治理技術(shù)研究領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。

2 高壓充氣排水技術(shù)方案的可行性

2.1 土中氣、水的相互作用

土屬于三相體，即土顆粒、水和空氣，飽和土只有固相和液相，無論連通通道還是封閉通道中都充滿水。對(duì)于細(xì)粒土，由于土體中孔隙通道很小，在空氣和水的分界面上存在表面張力，土具有毛細(xì)作用（圖1a），表面張力作為動(dòng)力使水上升。

在飽和土體中充氣，由于氣、水黏度相差很大，而且飽和土體中連通的孔隙通道斷面大小不一，在外來壓差的情況下，氣體總是優(yōu)先選擇阻力最小的通道通過［10－11］。當(dāng)氣體進(jìn)入飽和土體之后，在氣水界面上同樣存在表面張力，與毛細(xì)作用機(jī)理不同的是充氣氣壓作為動(dòng)力將水排開，而表面張力成為阻力（圖1b），若水在氣體壓力作用下能夠及時(shí)從土體中流出，則起到了排水的作用。從微觀方面可認(rèn)為，水在土體中流動(dòng)是沿毛細(xì)管運(yùn)動(dòng)，受力如圖1b所示。

圖1 毛細(xì)作用（a）與毛細(xì)排水作用（b）Fig.1 Capillary action（a）and drain in capillary（b）

2.2 飽和土體在高壓充氣作用下的排水滲流理論

氣體在土體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須考慮其壓縮性，R.E.科林斯［12］很早就給出了考慮氣體壓縮性的Darcy定律。因此，充氣作用下的水在土體中運(yùn)動(dòng)仍可采用Darcy定律描述，充氣氣壓可等效為水頭以制造水頭差驅(qū)使地下水流動(dòng)。見圖1b，假設(shè)氣壓力穩(wěn)定，此時(shí)氣壓力能夠驅(qū)動(dòng)毛細(xì)管內(nèi)水流動(dòng)，則合力方向與氣壓力方向一致，合力ΔF為

式中：T為表面張力（kN／m）；α為孔道管壁與彎液面切線夾角（°）；r為孔隙通道半徑（m）；h為氣水界面以上的水頭高度（m）；p為充氣氣壓（kPa）；γw為水的重度（kN／m3）。

將ΔH等效為水頭差：

在整個(gè)排水過程中，排水路徑始終為水頭且是變化的，將水頭差代入Darcy定律并整理得

式中：v為速度，m／s；k為滲透系數(shù)，m／s。

由式（3）可知：充氣排水速度與水頭成反比，且隨著水的排出（即水頭的減?。┧俣戎饾u增大至無窮大（即氣竄發(fā)生時(shí)，也就是氣體與大氣聯(lián)通時(shí)），速度增長率也不斷增大；速度與滲透系數(shù)和氣壓都成正比例關(guān)系；速度與孔隙通道半徑成正比，并且氣壓一定時(shí)，小于某孔徑的孔道內(nèi)水不能排出，只能排出部分孔道內(nèi)的水。由于孔隙通道半徑越大，速度越大，并且隨著水頭減小，速度也增大，因此，在土體大孔隙通道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生優(yōu)先流現(xiàn)象；充氣氣壓越大，排水波及的孔徑范圍越大，但速度越大而使發(fā)生氣竄的時(shí)間越短，相反，充氣氣壓越小，排水波及的孔徑范圍越小，發(fā)生氣竄的時(shí)間越長。所以充氣排水的充氣氣壓是需要合理控制的，且存在使排水量最多時(shí)的最優(yōu)充氣氣壓。

2.3 高壓充氣排水起始?xì)鈮旱拇_定

根據(jù)公式（3），可將充氣排水起始速度等于0時(shí)對(duì)應(yīng)的氣壓定義為臨界充氣氣壓pc，即

通常認(rèn)為，對(duì)土中硅酸鹽礦物、純水和大氣來說，接觸角為0°［13］，土體中的表面張力值如圖2所示。常溫20℃下，根據(jù)公式（4）給出在初始水頭（h0）為10 m時(shí)飽和土體中充氣排水孔隙半徑和臨界氣壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系（表1）。

圖2 溫度與表面張力的關(guān)系（據(jù)文獻(xiàn)［14］修改）Fig.2 Relationship between temperature and surface tension（modified after reference［14］）

從表1可以看出：在飽和土體中同一水頭高度下（h0為10m）充氣，孔徑越大，臨界充氣氣壓越??；所以把土體中最大孔徑對(duì)應(yīng)的氣壓稱為該土體的氣排水起始?xì)鈮?。不同的土類在粒徑和孔徑上的差別很大。例如：砂土的最大孔徑在100μm，起始充氣氣壓為101.5kPa；粉土的最大孔徑在10μm左右，對(duì)應(yīng)的起始充氣氣壓為115kPa；另外，對(duì)于黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高的黏土，最大孔徑在5μm左右，對(duì)應(yīng)的起始充氣氣壓為129kPa。若上述起始充氣氣壓除去水壓（10m水頭對(duì)應(yīng)的水壓為100kPa）的影響，則值分別為1.5kPa（砂土）、15kPa（粉土）和29 kPa（黏土），這與各種土的進(jìn)氣值較為接近［14－15］。因此，充氣法排水起始?xì)鈮旱扔谒畨号c進(jìn)氣值之和。另外，采用林成功和吳德倫［6］現(xiàn)場試驗(yàn)的地層資料（不確定數(shù)據(jù)都取平均值），應(yīng)用上述結(jié)論所得的排水起始?xì)鈮杭s為97～107kPa，與現(xiàn)場試驗(yàn)所得的透氣壓60～81kPa較接近；上海淤泥質(zhì)黏土原狀土樣加載800kPa時(shí)孔隙半徑多集中在0.02～1μm［16］，應(yīng)用上述結(jié)論所得的排水起始?xì)鈮杭s為146kPa，此值與葉為民等［2，17］通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)所得的上海飽和黏土氣體滲透起始?xì)鈮狠^接近。

表1 臨界氣壓和孔隙半徑的關(guān)系Table 1 Relationship between critical pressure and pore radius

綜合以上分析可知，應(yīng)用上述理論對(duì)土體中氣驅(qū)水過程進(jìn)行分析所得的結(jié)論與室內(nèi)外試驗(yàn)所得的結(jié)論一致，表明利用高壓充氣進(jìn)行坡體排水在理論上是可行的。

3 氣壓上限的確定

3.1 物理模型試驗(yàn)

在松散堆積土邊坡中應(yīng)用高壓充氣法排水，保障充氣過程對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，是需要關(guān)注的另一方面問題。當(dāng)在水位以下某個(gè)位置充氣時(shí)，如果氣壓過大將會(huì)把上方的土體抬起，為了驗(yàn)證這種設(shè)想，設(shè)計(jì)了一個(gè)物理模型試驗(yàn)，模型箱采用透明的高強(qiáng)度材料制作，模型內(nèi)土樣為高70cm，直徑23cm的粉土，進(jìn)氣孔設(shè)在模型箱底部，孔徑5mm，見圖3。

圖3 高壓充氣排水物理模型Fig.3 Physical model for draining with compressed air

試驗(yàn)前首先飽和土樣，然后進(jìn)氣壓設(shè)為70kPa充氣，土體即可被抬起；觀察發(fā)現(xiàn)，抬空區(qū)干燥，且在排水孔不斷有水流出，分析可知，此流出的水是由于裂縫以上土體中的水被擠壓排出的。另外，制備完全相同的第2個(gè)模型，首先充氣氣壓設(shè)為20kPa，小于按照式（4）計(jì)算確定的粉土的起始充氣氣壓22 kPa，由于施加的氣壓小于驅(qū)動(dòng)試樣中水流動(dòng)所需的起始充氣氣壓，此時(shí)無水排出，加壓至40kPa就有水排出，且試樣沒有被抬空。此試驗(yàn)驗(yàn)證了高壓充氣能夠驅(qū)排地下水，且存在起始?xì)鈮?，但氣壓過大時(shí)會(huì)產(chǎn)生土體內(nèi)部裂縫。

3.2 不產(chǎn)生裂縫的充氣氣壓上限值分析

氣體總是優(yōu)先沿著阻力最小的孔隙通道通過，單孔氣體影響區(qū)域有限，且影響比較明顯的區(qū)域主要分布在進(jìn)氣口正上方位置［4］。為便于分析，假設(shè)氣體影響區(qū)域?qū)挾葹?a且簡化為如圖4所示的計(jì)算模型，研究在氣體作用下土體的抬起作用。土體都具有一定的黏聚力，當(dāng)充氣氣壓作用時(shí)，黏聚力則起到阻止土體變形的作用；另外，未受到氣體影響的周圍土體對(duì)影響區(qū)域土體也會(huì)起到阻止其變形的作用。借用Terzaqhi理論進(jìn)行受力分析（圖4）。

圖4 充氣排水太沙基理論計(jì)算簡圖Fig.4 Terzaqhi theory for draining with compressed air

如圖4所示，取地面以下深度z處，取抬動(dòng)體為寬2a，厚為dz的單元土體，進(jìn)氣口以上土體厚H，由垂直方向的平衡條件可以得到

即

式中：γsat為土體飽和重度（kN／m3）；λ為靜止土壓力系數(shù)；c為飽和土的內(nèi)聚力（kPa）；φ為飽和土的內(nèi)摩擦角（°）。

代入式（5）可求得進(jìn)氣氣壓上限：

從式（6）可以看出，c、φ、λ、γsat參數(shù)與土性有關(guān)，可通過相應(yīng)的試驗(yàn)方法確定，H可以根據(jù)需要人為控制，假定適當(dāng)?shù)腶值就可確定氣壓上限。對(duì)于a值的具體確定將通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬做進(jìn)一步研究。

4 邊坡充氣排水法的優(yōu)點(diǎn)及適用條件

4.1 高壓充氣排水法的優(yōu)點(diǎn)

當(dāng)前的邊坡排水方法或多或少地存在缺陷，要么受地形環(huán)境條件的限制，要么受施工技術(shù)的限制等等，并且排水速度也較慢。然而高壓充氣排水法是一種主動(dòng)排水方式，排水路徑和排水水頭差可根據(jù)邊坡排水要求人為控制，從而可以加快排水速度；不受地形條件的限制；高壓充氣排水的基本設(shè)備簡單，除一般的地質(zhì)鉆機(jī)外，需要增加的設(shè)備是空壓機(jī)和配套的柴油發(fā)電機(jī)（一般也可接入民用電網(wǎng)）及輸氣管道系統(tǒng)。另外，高壓充氣排水法的提出，為滑坡災(zāi)害處置贏得時(shí)間方面也具有重要的意義。

4.2 適用條件

從表1可以看出，孔徑小于0.5μm時(shí)，隨著孔徑的減小，臨界氣壓急劇增加。分別以0.5、1.0和5μm孔徑的飽和土體為例，從安全方面考慮，為簡化計(jì)算，以飽和自重應(yīng)力為上限進(jìn)行分析。如圖5所示，通常土體的飽和密度是1.8～2.3g／cm3［18］，本例取飽和密度為2.3g／cm3。

圖5 各孔徑排水起始?xì)鈮号c飽和自重應(yīng)力比較圖Fig.5 Comparison between saturated gravity stress and initiative air pressure

從圖5可以看出：5.0μm孔徑的土體幾乎在深約2m以下位置處的充氣排水起始?xì)鈮盒∮陲柡妥灾貞?yīng)力；1.0μm孔徑的土體只有在深約11m以下位置處的充氣排水起始?xì)鈮盒∮陲柡妥灾貞?yīng)力；而0.5μm孔徑的土體則在深約22m以下位置處的充氣排水起始?xì)鈮盒∮陲柡妥灾貞?yīng)力；并且在同一深度處充氣，孔徑越大，邊坡越安全。所以，對(duì)于實(shí)際邊坡工程，土體最大孔徑大于5.0μm時(shí)采用充氣排水法較為合理。

5 結(jié)論

1）在飽和土體中充氣，氣壓可等效為水頭，氣排水速度與土體滲透系數(shù)和充氣氣壓成正比、與水頭高度和孔隙通道半徑成反比關(guān)系，并且推導(dǎo)出了相關(guān)計(jì)算公式。

2）氣排水過程中，在土體大孔隙通道內(nèi)產(chǎn)生優(yōu)先流現(xiàn)象。

3）高壓充氣排水法的充氣氣壓存在上、下限值，實(shí)際邊坡排水工程中土體最大孔徑大于5.0μm時(shí)采用充氣排水法較為合理。

4）在松散堆積土邊坡中采用高壓充氣排水是可行的，可作為在邊坡水位達(dá)到危險(xiǎn)水位時(shí)或強(qiáng)暴雨之前的一種應(yīng)急排水方法。

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