边坡排水工程设计与施工

第10章排水工程设计与施工§10.1概述§10.1.1滑坡中的水及其对稳定性的影响产生滑坡的因素是多种多样的，其内因(如岩性、土性、地质构造、地形和风化状态等)一般起着控制作用，但外因(如降雨、融雪等气象条件和挖方、填土引起的应力变化等因素)往往加剧滑坡的运动，有时甚至是引起滑坡发生的主要直接原因。在产生滑坡的自然外因中，降雨、融雪和地下水的渗透水作用则是最大的外因。降雨、融雪形成的地表水下渗到土体的孔隙和岩石的裂隙中，一方面增加岩土的重度，加大滑坡体的重量，使下滑距离增加，另一方面使土石的抗剪强度降低；同时，降雨、融雪形成的渗透水补给到地下水中，使地下水位或地下水压(在受压状态下)增加，其结果也将造成岩土体的抗剪强度降低。此外，渗透到地下的渗透水以一定的流速通过透水层到不透水的面层(此层与上层的结合层一般是滑动面或滑动带)上滞留，这样便形成了一个在均质斜坡中不可能有的具有很大孔隙水压的含水层，这种孔隙水压力一方面在透水层中将引起流砂或砂层剪切破坏，另一方面在不透水层上的结合层(滑动层或滑动带)中，土颗粒将因之发生塑性破坏。因此，滑坡中的水将加剧滑坡的发生。§10.1.2排水工程在滑坡处治中的地位和作用从上述分析可知，大气降雨、融雪形成地表水，它经过地面裂缝或孔隙渗入滑坡体，并到达滑动面(带)，造成滑面(带)岩土强度的降低，促使和加剧滑坡形成和滑动。水是产生滑坡的主要原因之一。要防止岩(土)体抗剪强度降低，就必须控制地表水和地下水。所以，排水工程是整治滑坡病害中一项极其重要的内容，一切滑坡地区的防治措施，都必须修建排除地表水的工程和排出地下水的工程。排水不仅对土质滑坡是十分必须的，对岩质滑坡，譬如破碎岩石滑坡，也应考虑排水措施。对塑性牵引式滑坡，尤为重要。当然，任何排水工程的设计和施工及其方案的确定，必须进行地表水和地下水的调查，搞清楚地下水补给、迳流和排泄条件以及地质状况，尤其必须弄清楚如前所述的使滑动面产生孔隙水压的地下水含水体的分布，并测定其压力，以便用稳定计算所需求的安全系数来制定排水方案。否则，不能收到预期效果。地下水的调查工作可分为初查和详查两个阶段(图10.1)。在初查阶段，根据地下水的水质、地质和地质构造等推断含水层的平面和垂直位置；而后通过详查对初查结果加以验证和明确确定。《排水工程应使其尽量做到排泄地表水和疏导地下水，以减少引起滑动土体的重量，增加组成斜坡物质的强度洞时，还应该考虑排水系统的完整性和总体性。通过排水工程，使水不再渗透到或滞留在滑坡体内，并排出和疏干滑坡体内已有的水，从而增加滑坡的稳定性，达到处治滑坡的目的。§10.1.3滑坡处治中常见的排水措施滑坡处治中，对于滑坡体内的水应以“截、排和引导”为原则修建排水工程。通常，排水工程中所修建的排水建筑物可分为地表排水建筑物和地下排水建筑物两大类型。对于地表水采用多种形式的截水沟、排水沟、急流槽来拦截和排引；对地下水则用截水渗沟、盲沟、纵向或横向渗沟、支撑渗水沟、汇水隧洞、立井、渗井、砂井－平孔、平孔排水、垂直钻孔群等排水措施来疏干和排引。通过这些排水措施，使水不再进入或停留在滑坡范围内，并排除和疏干其中已有的水，以增加滑坡的稳定性。1.排除地表水从大气降雨后，水浸湿土壤，使土壤容重增大，而强度降低；如果汇聚成为迳流，可以引起地面的冲刷；渗入地下，又成为地下水的补给来源。由于气温的变化，土中水分发生干湿循环和冻融，可以加速土壤风化。所以，在滑坡区，排除地表水是处理路基病害不可缺少的辅助措施，而且是首先应当采取的措施，对整治滑坡更为如此。排除地表水的目的在于：拦截、引离滑坡范围外的地表水，使其不致进入滑坡区；将降落或出露在滑坡范围内的雨水及泉水尽速排除，使其不致渗入滑坡体。所以，修建地表排水建筑物工程措施，按其分布的相对位置可分为滑坡体内和滑坡体外的两种。在滑坡体内的排水建筑物，为了使降落在滑坡体上的雨水能迅速排走，防止渗入滑坡体内，应以防渗、汇集和尽快引出为原则。在滑坡体外的地表排水建筑物，应使所有的水不流入滑坡区，故以拦截、引离为原则。要求达到“水随人意，沟沟皆通，有水必流，涓涓不渗”。在透水性特强的地区，或在地表水特别丰富、渗透量也大的地区，则可做防渗工程。在地基上发生裂缝的地方，进行防渗，用粘土或水泥浆充填裂缝，在滑坡未采取工程措施稳固前，并用聚乙烯布等不透水材料将滑坡区域覆盖，以防止滑坡的发生。选择地表水排水工程，应根据滑坡地貌，地形条件，利用自然沟谷，在滑坡体内外修筑环形截水沟、排水沟和树叉状、网状排水系统，以迅速引走坡面雨水。在滑坡区范围内则设树枝状排水沟等。同时，对滑坡体表面的土层应进行整平夯实，并采用粘土等夯填裂缝，使地表水尽快归沟，防止或减少地表水下渗；对滑坡体范围内的泉水、封闭洼地积水，应引向排水沟予以排除或疏干；对浅层和渗水严重的粘土滑坡，可在滑坡体上植树、种草、造林等措施来稳定滑坡。2.排除地下水对一般滑坡来讲，地下水常是诱发滑坡的重要因素，而地下水的存在往往亦是形成滑坡的主要条件，所以疏干滑坡体内以及截断和引出滑坡面附近的地下水，常常是整治滑坡的根本措施，显得十分必要。由于滑动面(带)常常积聚了大部分地下水，因此，排除滑面(带)积水又是滑坡地下排水的主要目的。因为排除地下水可使滑坡体土体干燥，从而提高其强度指标，降低土壤的重度，并可消除地下水的水压力，以提高滑坡体的稳定性。排除地下水是一项比较复杂、艰巨，而且投资较大的工程。设计中必须搜集足够的水文地质资料，注意施工质量，确保施工安全。治理地下水的原则是“可疏而不可堵”。应该根据水文地质条件，特别是滑面(带)水分布类型，补给来源及方式，合理采用拦截、疏干、排引等排水措施，达到：“追踪寻源，截断水流，降低水位，晾干土体，提高岩土抗剪强度，稳定滑坡”的目的。§10.2地表排水工程设计与计算§10.2.1地表水汇流量的确定进行地表排水工程设计时，要确定排水量大小，以合理确定排水工程的有效断面。根据上述介绍，地表排水工程主要是拦截、引离滑坡范围外的地表水和排除降落或出露在滑坡范围内的雨水和出露的泉水以及封闭洼地积水。对于出露的泉水和封闭洼地积水等地表水可以通过实际调查，方便确定。对于雨水等降水形成的地表水则需根据当地的气象条件、地形地质状况等因素，通过相关计算方法确定其汇流量。本节仅介绍后者的确定方法。地表水汇流量的计算方法很多，可用推理法、统计分析法、地区分析法或现场评判法等方法。这里仅介绍采用推理法确定地表水汇流量的有关计算公式。1.地表水汇流量的计算公式滑坡体外或滑坡体内的地表水设计汇流量可按下式计算确定：16.67QqF(10.1)式中：Q——设计地表水汇流量，m2／s；q——设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度，mm／min；φ——径流系数；F——汇水面积，km2。2.地表水汇流量的计算公式相关参数的确定(1)设计降雨的重现期设计降雨重现期的确定，一方面会影响到滑坡的稳定性措施，另一方面则会影响到排水设施的有效断面尺寸。因此设计降雨的重现期应根据滑坡类型及其受水影响的程度、滑坡区域处建筑等级和排水设施等因素综合分析确定。参照我国《公路排水设计规范》(JYJ018—97)，建议：对重要性建筑物处的滑坡，设计时降雨重现期可取l5年，对一般性建筑物处的滑坡，设计时降雨重现期可取l0年。但对多雨地区或特殊地区，可根据需要适当提高降雨重现期。(2)降雨历时降雨历时通常按汇流时间计，包括汇水区内的坡面汇流历时和截流排水沟内的汇流历时。①坡面汇流历时的计算坡面汇流历时的计算方法很多，此处介绍形式简单、计算方便的柯毕(Kerby)公式及其相应的地表粗度系数(m1)。坡面汇流历时可按下式计算确定：0.467111.445ssmLti(10.2)式中：t1——坡面汇流历时，min；Ls——坡面流的长度，m；is——坡面流的坡降；m1——地面粗度系数，可按地表情况查表10.1确定。②截流排水沟内汇流历时的计算截流排水沟内汇流历时需在排水设施或构造物的过水断面和出水口确定后才能计算得到。而设计排水量尚未确定，过水断面和出水口又元法确定。因此，需采用试算法，先假定一个截流排水沟内的汇流历时，计算汇流历时和设计汇流量，确定截流排水沟的过水断面和出水口；然后按满宁公式计算设计排水沟内的平均流速，再计算汇流历时，并同假设的汇流历时进行比较。若相差较大时，则调整假设值，重新计算，直至满足设计精度要求为止。具体计算如下：先在断面尺寸、坡度变化点或有支沟汇入处分段，分别计算各段的汇流历时后再叠加而得，即：2160niiiltv(10.3)式中：t2——截流排水沟汇流历时，min；n和i——截流排水沟分段数和分段序号；li——第i段的长度，m；vi——第i段的平均流速，m／s。排水沟内的平均流速可按下式计算确定：21321vRIn(10.4)式中：n——排水沟壁的粗糙系数，按表l0.2选用；R——水力半径，m，R=A／ρ，各种排水沟的水力半径计算式可按表10.3计算；ρ——过水断面湿周，m；I——水力坡度，可取用排水沟的底坡。排水沟壁的粗糙系数表l0.2排水沟类别粗糙系数(n)地表状况粗糙系数(n)岩石质明沟0.035浆砌片石明沟0.032植草皮明沟(流速0.6m／s)0.035～0.050水泥混凝土明沟(镘抹面)0.0l5植草皮明沟(流速l.8)0.050～0.090水泥混凝土明沟(预制)0.012浆砌片石明沟0.025各种排水沟的水力半径和过水断面积计算用表表10.3初步设计时，排水沟内的平均流速可按下式估算0.620gvi(10.5)式中：ig——该段排水沟内的平均坡度。③降雨强度的计算当地气象部门有10年以上自记雨量记录资料时，可利用气象部门的观测资料按下式整理分析得到设计重现期的降雨强度：aqtb(10.6)式中：t——降雨历时，min；a和b——地区性参数。若当地缺乏自记雨量记录资料时，可利用标准降雨强度等值线图和有关转换关系，按下式计算降雨强度：5,10ptqCCq(10.7)式中：q5，10——表示5年重现期和10min降雨历时的标准降雨强度，mm/min，可按地区，根据，我国5年一遇10min降雨强度(q5，10)等值线图查取。CP——重现期转换系数，为设计重现期降雨强度qt同标准重现期降雨强度q5的比值(qP／q5)，可按地区，根据我国5年一遇10min降雨强度(q5，10)等值线图查取。Ct——降雨历时转换系数，为降雨历时t的降雨强度qt同10min降雨历时的降雨强度q10的比值(qt／q10)，可按地区的60min转换系数(C60)，根据我国60min降雨强度转换系数(C60)等值线图查取。④径流系数的确定径流系数按汇水区域内的地表种类由表10.4确定。当汇水区域内有多种地表时，应分别为每种类型选取径流系数后，按相应的面积大小取加权平均值。3.地表水汇流量的计算程序地表水汇流量的计算程序可参照图10.2所示进行。§10.2.2地表排水体系设计及结构形式进行地表水排水体系设计，应根据滑坡区域地貌、地形特点，充分利用自然沟谷，在滑坡体内外修筑截水沟、排水沟和树叉状、网状排水系统，以迅速引走坡面雨水。1.滑坡体外截水沟设置及其结构型式为防止滑坡体外坡面汇水进入滑坡体，通常在滑坡体外修筑截水沟和排水沟。滑坡体外截水沟：可以沿滑坡体周围，根据水流汇聚情况及滑坡在可以发展的边界以外不小于5m处，设置环形截水沟。图10.2设计汇流量计算框图环形截水沟可以根据山坡汇水面积、降雨量(尤其是暴雨量)和流速等计算而得的汇水量大小，设置一条或多条，以拦截引离地表径流，不使坡面雨水流入滑坡体范围之内。环形截水设计数条截水沟时，其间距一般以50～60m为宜，每条截水沟的断面尺寸，应按山坡沟间汇水面积和汇流量计算确定。其断面形式，应根据当地所引起的作用及土质等因素而定，多用倒梯形、矩形等型式。截水沟铺砌时应先砌沟壁，后砌沟底，以增加其坚固性。迎水面沟壁应设泄水孔(10cm×20cm)，以渲泄土中渗水。沟壁应嵌入边坡内，如图10.3所示。图10.3截水沟铺