可用于边坡工程和地下工程排水的一种新技术.pdf

工程地质学报 1 0 0 49 6 6 5 2 0 0 7 1 5 ( 0 3 ) - 0 3 9 5 - 0 4 可用 于边 坡工程和地 下工程排水 的一种新技术 张路青 杨志法 刘大安 尚彦军 ( 中国科学院地质与地球物理研究所北京1 0 0 0 2 9 ) 摘要 岩土工程中广泛采用的普通排水孔技术常常会出现泥砂堵孔现象 ， 相应的排水孔随之也失去应有的排水功能。为 此， 作者提出了一种具有长期排水效果的新技术， 即纤维束导渗排水孔技术。通过对比试验可 以发现： 即使发生泥砂堵孔的 现象 ， 利用该项新技术也可以实现长期有效排水的目的。与普通排水孔相比， 新型排水孔的造价也不高， 可望在岩土工程领 域得到广泛应用。 关键词 边坡工程地下工程排水纤维束导渗方法及装置 中图分类号 ： T D 8 2 4 6 2 文献标识码 ： A A NEW DRAI NAGE T EC HN I QUE oF LoNG T ER M E F F I C I E NC Y F OR S LoP E AND UNDERGRoUND ENGI NEERI NG Z H A N G L u q i n g Y A N G Z h i f a L I U D a a n S H A N G Y a n j u n ( 呦e o fG e o l o g y a n d G e o p h y s i c s ， C h i n e s e A c a d e m y of S c i e n c e s ， B e ij i n g 1 0 0 0 2 9 ) Ab s t r a c t Co n v e n t i o na l d r a i n a g e ho l e t e c h ni q ue us e d i n g e o t e c h n i c al e n g i n e e r i n g i s o fte n e nc o un t e r e d wi t h mu d o r s a n di n d u c e d d r a i n a g e j a mm i n g A f t e r j a mm e d w i t h m u d o r s a n d ， t h e d r a i n a g e h o l e w i l l n o t h a v e i t s n o r m a l f u n c t i o n o f l o n gt e rm a n d e ff e c t i v e d r a i n a g e F o r t h i s r e a s o n，the a u tho r s p r e s e n t a n e w d r a i n a g e t e c h n i q u e o f l o n g t e rm d r a i n a g e e ffic i e n c y，i efib e r b u n d l e s e e p a g eg ui di n g dr a i na g e h o l e t e c h n i q ue S e e n f r o m l a b o r a t o r y t e s t s o f c o mp a r i s o n s ，the p u r p o s e o f l o n gt e rm a n d e f f e c t i v e d r a i n a g e c a n b e r e ali z e d b y u s i n g the n e w t e c h n i q u e ，e v e n f o r a n o c c u r r e n c e o f m u d o r s a n di n d u c e d d r a i n a g e j a m m i n g C o m p a r e d w i t h c o n v e n t i o n a l d r a i n a g e h o l e ， t h e n e w t y pe d r a i n a g e ho l e ha s the a l mo s t s a me c o s t ，h a v i n g a b r o a d a pp l i c a t i o n f o r e g r o u n d i n g e o t e c h n i c al e n g i n e e rin g Ke y wo r d s S l o p e e n g i n e e r i n g，Un de r gro u n d e n g i ne e r i n g，Dr a i n a g e，Fi b e r b u n dl e s e e pa g egu i d i n g me t h o d a n d s e t t i n g 1 引 言 地下水不仅会加大岩土体内部的静水压力和动 水压力， 还会削弱岩土体的强度及冲刷坡脚。对于 边坡工程( 特别是大型的高陡边坡工程) 和地下工 程( 特别是大型的高边墙地下工程) 而言， 地下水是 诱发滑坡、 塌方等工程事故的主要因素 ， 对于边坡工 程来说， “ 治坡先治水” 是一条重要的经验。对于地 下工程设计来说， “ 先治水” 的经验同样重要。通过 排水 ， 不仅可以减 小 因水渗入 而引起软 岩、 软弱夹 层、 松散岩体、 土体等强度的削弱程度， 而且还可降 低动水压力和静水压力， 进而可使工程岩土体向稳 定程度高 的方 向转化。 收稿 日 期： 2 0 0 6 - 0 8 1 7 ； 收到修改稿日 期 ： 2 0 0 6 - 0 9 1 6 基金项目： 国家重点基础研究发展规划9 7 3 项 目( 2 0 0 2 C B 4 1 2 7 0 1 ) 和中科院知识创新项目( K Z C X 3一 S W 一 1 3 4 ) 的资助 第 一作者简介 ： 张路青 ， 主要从事地质工程专业 E ma l l ： z h a n g l u q in g ma i l ig g c a c c n 维普资讯 3 9 6 J o u r n a l o fE n g i n e e r i n g G e o l o g y 工程地质学报2 0 0 7 边坡工程和地 下工程 的排水方法很 多， 包括在 地表设置截水沟、 地下排水洞 ( 排水廊道 ) 、 利用钻 孔排水的排水孔等。其 中， 常用 的排水孔 主要是 由 钻孔 内的排水管和为了防止泥砂直接进入管内而在 管外包裹的土工布所组成( 图 1 ) 。 图 1 普通排水孔结构示意图 F i g 1 S t r u c t u r a l s k e t c h f o r c o n v e n t i o n al d r a i n a g e h o l e 1 用于固定的砂浆； 2 喷层或砂浆； 3 排水管； 4 土工布； 5 捆扎 土工布 的塑料绳 ； 6 安装排水孔 用的钻孔 ； 7排水管管壁上 的小孔 ； 8 孔底 板 ； 9 岩 土体 在实际工程 的施工和运行过程 中， 发现普通排 水孔技术并不完美， 有时甚至还出现各种严重影响 排水效果的问题 。例如 ， 在砂页岩地 区不少排水孔 在使用若干年后 被泥砂堵塞 ， 甚 至在孔 口长草 ( 图 2 ) 。 图2 某边坡排水孔被堵塞 并在孔口长草的情形 F i g 2 J a mme d d r a i n age h o l e a n d g r a s s g r o w i n g f r o m t h e h o l e o n a s l o p e 排水孔 的堵塞 不可避免地会带来一些 严重 问 题。一般而言， 在进行排水孔设计时肯定认为所用 的排水孔可以起到排水、 降低静水压力和动水压力 作用 ， 而且在许多工程施工竣工时或运行后一段时 间内也确实如此。然而在经过一段更长时间后， 却 发现排水孔被流水携带 的泥砂所堵塞 ， 进 而不再起 到排水作用。结果 ， 静水压力和动水压力就不可能 降到设计所要求的水平， 软岩和软弱结构面的强度 也将因水的存在而继续下降。在这种情况下， 如果 未作监测 ， 也不到工程现场进行实地回访 ， 则将因排 水失效而使边坡工程或地下工程向不稳定的方向发 展 ， 甚至处于危险 的境地。对于边坡工程 和地下工 程来说 ， 很有必要发展不怕堵塞的新型排水孔技术 。 为此 ， 作者提出了一种在被堵塞的情况下仍可继续 起到排水功能的纤维束导渗排水孔技术。 2 纤维束导渗排水孔的基本原理及 实施方法 对于纤维束导渗排水孔来说 ， 即使发生泥砂堵 孔 的情形 ， 也可使岩土体 内的水 不断地从纤维束与 泥砂之间的界面上渗出 ， 从而达到长期有效排水 的 目的。这种新型排水孔 的安装可以通过以下步骤来 实现 ： ( 1 ) 根 据边坡工程 或地下 工程 的排水 系统设 计 ， 用钻机按规定 的口径和长度在指定 的位置上钻 出相应 的钻孔 ； ( 2 ) 根据排水孔 的设计 ， 在用于排水孔制作 的 管上按梅花形打上小孔 ， 制成花管 ； ( 3 ) 在花管内布设纤维束， 使它们沿着排水管 的轴向分布， 且将其一端穿系在排水管的小孔上； ( 4 ) 用土工布包裹已系上纤维束的花管， 再用 尼龙绳将土工布和花管捆扎紧 ； ( 5 ) 将捆扎好 的花管送人 预选 的钻孔 中， 并在 孔 口用砂浆将靠孔 口一侧的花管与钻孔孔壁粘结起 来 ， 以固定花管 ； ( 6 ) 等粘结砂浆坚硬后， 将管内伸出孔口的多 余纤维束再次拉直 ， 并剪去。 图3是上述新型排水孔的基本结构示意图。由 于花管 内的纤维束被平行布置 ， 地下水携带的泥砂 颗粒将大致按照孔轴方向排列。即使泥砂颗粒进入 花管并完全将之堵塞 ， 地下水也会沿着纤维与泥砂 颗粒之间的界面渗出。由于水可以不断地沿着纤维 向外渗出， 可以大幅度减少岩土体内的动水压力和 静水压力， 进而长期有效地保持工程岩土体的稳定 性 。 还应说明， 上述纤维束导渗排水孔的花管是通 过砂浆和边坡表面喷射混凝土层而被 固定在钻孔 中 的 ， 仅 固定孔 口附近的一段花管 ( 长约 2 03 0 c m) 就 已足够 ) 。在花管外侧 同样设有土工布层 ， 并在 维普资讯 1 5 ( 3 ) 张路青等： 可用于边坡工程和地下工程排水的一种新技术 图 3 纤维束导渗排水孔的基本结构示意图 F i g 3 B a s i c s t r u c t u r e s k e t c h f o r fi b e r b u n d l e s e e p a g eg u i d i n g d r a i n a g e h o l e 1 固定砂浆 ； 2 喷层或砂浆 ； 3 按梅花形打小孔的排 水管( 花管) ； 4 包裹排水管的土工布； 5 捆扎土工 布的塑料绳； 6 钻孔； 7 排水管管壁上的小孔； 8 纤维束 ； 9 孔底板 ； 1 0 岩体 管壁小孔之间有尼龙绳将土工布层与花管缠紧， 以 便达到防堵塞的双重保险。据研究， 由尼龙丝或普 通塑料丝制造的纤维束十分便宜， 以致新型排水孔 的造价与普通排水孔的造价十分接近。 排水效果的室内试验证 明 3 1 排水效果的对 E 匕 试验 为了证明新型排水孔的排水效果， 作者在实验 室内专门设计了纤维束导渗排水装置和普通排水装 置之间排水效果 的对 比试验 。在试验 中共设置了 2 个排水模拟装置 ， 以作对 比( 图4 ) ， 其中左侧和右侧 分别为纤维束导渗排水装置和普通排水装置， 即 1 号和2号装置， 不含纤维束 的2号装置示意图。2 个装置中都设有一根水压管、 钻孔模拟管、 橡皮弯 管、 土样、 滤布、 接水量杯等组成。为了观察水在土 样中渗透 的情况 ， 钻孔模拟管采用透明的有机玻璃。 1 号装置在土样中按钻孔模拟管的轴向方向布设塑 料纤维丝 2 0 根， 而2号装置的土样中未设置任何纤 维。有关试验材料的规格列于表 1 ， 以供参考。另 外 ， 上述两个装置都采用了完全相同的等量亚粘土 将模拟管填紧( 密度为2 3 5 g c m ) ， 以模拟钻孔 已被堵塞的情况。对于 1号装置 ， 在 土样 中预先加 入 2 0 根纤维。但土样的密度却不受纤维布设的影 响 ， 仍为2 3 5 g c m ) 。这一点可以通过严格的土 样制作来保证。 图4 新型排水装置与普通排水装置的对比试验 F i g 4 C o mp a r i s o n t e s t s for n e w t y p e a n d c o n v e n ti o n a l d r a i n a g e h o l e s e t t i n g s 1 水压管 ； 2 水压管中的水； 3 滤布； 4 钻孔模拟管； 5 不含纤维的土体 ； 6 橡皮弯管； 7 量杯； 8 水体 a 1号装置( 左侧 ) 和 2号装置 ( 右侧)； b 不含纤维束 的 2号装置示意 图 维普资讯 3 9 8 J o u r n a l o fE n g i n e e r i n g G e o l o g y 工程地质学报2 0 0 7 3 2 排 水 效果 分析 4 结 论 上述两个试验都在 2 m高的水头压力下进行。 考虑到水会向土样中渗透， 小部分水还会从钻孔模 拟管口部滴人量杯中而使水压管中的水量有所损 失 ， 在试验过程中以滴水的方式不断地给水压管加 水， 以保证所模拟的水头压力不变。以下为对比试 验结果及排水效果的分析。 3 2 1 土样中埋设有纤维束的1 号试验装置 试验开始后仅 1 m i n ， 就可以从透明的钻孔模拟 管中观察到水以较快的速度 向土样中渗透。2 m i n 后钻孔模拟管的口部开始向外排水。排出的水先 以 滴的方式滴人下方的量杯 ， 而后形成水流不断地流 出。2 0 m i n后 ， 即排 出了第 1个 4 0 0 c m 的水量。之 后 ， 不再 向水压管 内补充水 ， 在大约 3 h后水压管 内 的水被全部排完。 3 2 2 土样 中未设纤维束的 2号试验装置 试验开始后 ， 从透明的钻孔模拟管 中观察到水 以极慢的速度向土样中渗透。该装置试验持续了 3 0 d ， 仍未见滴水从钻孔模拟管口部滴 出。 3 2 3 纤维束导渗排水孔的排水效果分析 从上述对 比分析 中可以看 出， 纤维束导渗排水 孔的排水效果是很显著的。这种新型排水孔不仅因 设有土工布而具有 防止泥砂堵孔 的功能 ， 即使在泥 砂堵孔的条件下水也可沿着纤维渗出， 从而达到长 期有效排水 的目的。 ( 1 ) 利用排水孔进行排水是防治滑坡和地下工 程塌方的重要工程措施之一 。但实 际调查表明， 普 通排水孔在一定条件下会被泥砂堵塞。如果发生这 种情况 ， 则将危害边坡和地下工程的稳定性 ， 有时甚 至会引起严重的工程事故 。 ( 2 ) 纤维导渗排水孔技术不仅具有防止泥砂堵 塞 的功能 ， 而且即使发生泥砂堵孔也可 以使水沿着 纤维与泥砂颗粒之间的界面继续渗出， 进而达到长 期有效排水 的目的。另外 ， 这一新 型排水孔技术还 具有造价低廉的优点 ， 可望在在各类岩土工程 中得 到广泛的应用。 值得说明的是， 该项新技术于 2 0 0 4年 2月 1 1 E t 被授权为国家发明专利( 专利号： Z L 0 0 1 1 2 4 7 7 8 6 ) 。 参考文献 1 杨志法， 刘大安， 刘英， 尚彦军， 张路青， 等 排水孔纤维束导渗 方法及装置 J 中华人们共和国国家知识产权局发明专利公 报， 2 0 0 1 ， 1 7 ( 9 ) ： 5 3 Ya n g Z h i f a，L i u Da a n，I j u Yi n g e t a1 F i b e r b u n d l e s e e p a g e g u i d i n g me t h o d a n d s e t tin g I n v e n ti o n P a t e n t s Bu l l e t i n o f S t a t e In t e l l e c t u a l P r o p e r t y Of fi c e o f the P e o p l e s Re p u b l i c o f Ch i n a， 2 0 0 1 ， 1 7 ( 9 ) ： 5 3 维普资讯