一种边坡挡土墙排水孔的优化设计方法与流程

本发明适用于滑坡排水工程防治领域，具体涉及一种边坡挡土墙排水孔的优化设计方法。

背景技术：

在我国发生的各类地质灾害中，滑坡已成为仅次于地震的第二大地质灾害。大量滑坡统计数据表明，降雨是触发滑坡地质灾害的主要诱因。随着雨水的入渗，地下水位抬升，边坡土体饱和度逐渐增加，孔隙水压力明显上升，对应的基质吸力不断降低进而引起土体及潜在破裂面抗剪强度下降，当降雨强度和持时达到一定程度时，便会导致边坡失稳。因此，针对降雨对滑坡的作用机制与规律，及时采取相应的灾害防治措施并减小或根除降雨型滑坡灾害的风险在减灾防灾领域具有十分重要的科学意义和工程应用价值。

挡土墙是边坡失稳防治中经常采用的有效防治工程措施之一，对于大型滑坡来说，挡土墙是滑坡排水、抗滑等综合措施的一部分。但是在极端降雨条件下，挡土墙中地下水无法迅速向墙外排泄，使得地下水位骤然上升，其潜在滑动体饱水面积比会因此骤然增大，导致挡土墙的整体稳定性系数骤减，最终将导致挡土墙变形加大而产生滑移、鼓出等。所以在墙身设置足够排水孔是确保挡土墙稳定的关键所在。不管是对土质边坡还是岩质边坡，边坡渗流与排水工程的优化设计是边坡稳定性控制的关键，能否及时将坡体内地下水全面有效排出去是决定边坡稳定性与排水工程设计成败的关键。

在边坡治理工程中，挡墙上布设排水孔是经常采用的地下排水措施。然而在实际工程中，很少考虑遭遇强降雨尤其极端降雨时挡土墙的排水功能与排水设计等问题，排水孔布设与设计一般是照搬规范，或者根据经验计算公式简单布设，排水孔的布置设计方法存在一定的随意性与局限性，如排水孔往往在边坡下部简单布置两排、在边坡中间代表性部位小范围布置或者为保证排水效果而盲目加密等。当排水孔在边坡底部布置时，边坡上部的水不能及时排出，会积聚在土体中，使得边坡土体自重增大，从而加速了边坡向下滑动；当排水孔在边坡中间部位小范围布置时，边坡两侧的水不能及时排出，两侧土体会带动中间土体发生整体滑动；当排水孔盲目加密，增多数量时，会使得部分排水孔失效，造成工程浪费，同时挡土墙中排水孔的数量增多降低了挡土墙的自身结构的稳定性。因此，鉴于上述挡土墙的排水孔设计问题，需要对排水孔结构、密度及布设方法等进行优化设计。

技术实现要素：

针对当前边坡挡墙排水孔设计方法的缺陷与不足，本发明提供一种边坡挡土墙排水孔的优化设计方法，通过对极端降雨环境下边坡饱和土体进行渗流场分析，进而在降雨入渗的基础上对渗流场断面上的流量进行预测，根据单位时间内降雨平均入渗量与挡土墙后边坡断面流量间关系确定出挡墙排水孔最小孔径截面面积，进而通过设置适当数目的一定孔径排水孔来排出极端降雨情况下渗入土体中的地下水，从而达到减轻挡土墙后水压力，确保边坡与挡土墙稳定性的目的。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

一种降雨型滑坡挡土墙地下水排水孔的最优设计方法，包括如下步骤：

(1)坡体垂直埋深、长度、宽度的确定

对待测定的边坡，根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2013)和《边坡工程勘察规范》(YS5230—1996)等相关规定，在充分分析已有边坡资料及进行地质测绘调查的基础上，综合确定坡体垂直埋深H、长度L、宽度W。

(2)边坡土体水位值的监测及水力梯度i的确定

在雨季强降雨过后，运用高密度电阻率法选取待测定边坡坡面起伏不大的地段布设测线，在测线上布置电极，用多芯电缆将测线上的电极连接到电极转换装置上，再用电极转换装置将这些电极组合成指定的电极装置(见图2)，进而用数据采集仪测定该剖面下方电阻率分布情况，并根据电阻率与含水率具有负相关关系的原理，找到电阻率突变的测点，将这些点连接，即为地下水位线(见图3)。将地下水位线近似成折线，计算每段的水力梯度，即单位渗流路径上的水头损失。根据式(1)确定每段水力梯度i_m：

式中，ΔL_m—每段水位线的水平距离；

Δh_m—每段水位线对应的水位差。

然后取各段水力梯度的平均值作为边坡的水力梯度i：

(3)边坡坡体饱和渗透系数k的确定

1)饱和土体渗透系数的测定采用常水头试验法，装置见附图4，具体方法如下：

常水头试验法即在整个试验过程中保持水头为一常数，从而水头差也为常数。通过钻孔取样，并将试样放入试验仪器中，饱和试样的截面积为A，长度为l₁，试验时的水位差保持为h，用量筒和秒表测得时段t内流经试样的水量为V，则渗透系数根据式(3)确定：

2)对不能取样的砂层土，渗透系数采用原位试验中的注水钻孔试验测定，装置示意图见附图5，具体方法如下：

在钻孔按预定深度下套管，当遇到地下水位时，采用清水钻进，钻至预定深度后，采用栓塞或套管塞进行试段隔离；试段隔离以后，用带流量计的注水管或量筒向套管内注入清水，使管中水位高出地下水位一定高度并保持固定直至形成稳定的水位和注入量，进而依据式(4)、(5)确定土体渗透系数。

当l₂≤4r₀时，

当l₂＞4r₀时，

式中，l₂—试段或过滤器长度；

S—注水造成的水头高度；

q—稳定注水量；

r₀—钻孔半径或过滤器半径。

(4)单位时间降雨平均入渗量的确定

由于边坡的降雨入渗量会引起地下水位的上升。因此本发明运用步骤(2)中的高密度电阻率法分别测出m段强降雨前后时间差Δt_i(i＝1，2...m)及其对应的水位线变化量Δh_i。根据式(6)确定每段强降雨前后单位时间的降雨入渗量p_ri：

μ为水位变动带给水度，可根据待测边坡的土层性质，查阅《水文地质手册》得到给水度经验值；

进而根据式(7)确定边坡单位时间降雨平均入渗量

(5)边坡挡墙竖向截面水流速度v₂及流量Q的确定

1)假设边坡坡面的降雨入渗量与布置挡墙排水孔的竖向截面上流量近似相等，满足流体动力学的恒定总流连续性方程v₁A₁＝v₂A₂，且(详见原理1)，因此v₂可根据式(8)求出：

2)根据达西定律，挡墙竖向截面上的流量Q可根据式(9)确定：

Q＝kA₂i (9)

(6)边坡挡墙布置排水孔面积S₀的确定

依据布置排水孔的挡墙竖向截面上的水流速度v₂，则挡墙布置排水孔的总面积S₀可根据式(10)确定：

(7)挡墙排水孔数量N与排水孔直径d的确定

1)单元截面上排水孔的个数n₀的确定

为简化计算，把挡墙竖向截面H×L分成若干个小单元，每个小单元的单元截面为a×a。根据GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》，排水孔采用梅花型布置，截面为圆形，间距a₀取2m～3m。进而根据式(11)可确定每个小单元截面上排水孔的个数n₀(详见原理2)：

n₀＝(a/a₀+1)²+[(a-a₀/2)/a₀+1]² (11)

2)挡墙排水孔数量N与排水孔直径d的确定

确定每个小单元单元截面上排水孔的个数n₀后，根据式(12)可确定边坡挡墙竖向截面上排水孔总个数N：

由排水孔截面面积可根据式(13)求得排水孔的直径：

原理1：

本发明中取降雨入渗的边坡坡面为Ⅰ截面，布置挡墙排水孔的竖向断面为Ⅱ截面，对两个截面进行分析，把单位时间降雨平均入渗量看作v₁；把边坡降雨入渗的坡面面积看作A₁；把布置挡墙排水孔的竖向截面总面积看作A₂；把布置挡墙排水孔的竖向截面上的水流速度看作v₂，示意见附图6。

由于降雨量在边坡地表会产生径流损失，其入渗降雨量会小于其实际降雨量，降雨入渗量在边坡表面入渗后经土体流到布置挡墙排水孔的竖向截面处，在此截面上布置排水孔，排水孔的作用就是把降雨入渗量在规定时间全部排出，所以边坡坡面的降雨入渗量与布置挡墙排水孔的竖向截面上流量近似相等，满足流体动力学的恒定总流连续性方程v₁A₁＝v₂A₂，即流体流动时流经不同截面时的流量相同，其中v₁、v₂分别为流体流经Ⅰ截面、Ⅱ截面的速度；A₁、A₂分别为Ⅰ截面、Ⅱ截面的面积。

原理2：

排水孔采用梅花型布置时，相邻两排的排水孔是错位布置的，为准确求出排水孔的数量，可采用空、实圆圈计算法。取单元截面a×a进行分析，设间距为a₀，计算出单元截面上排水孔的个数。水平奇数排排水孔与垂直奇数排排水孔构成空心圆圈，水平偶数排排水孔与垂直偶数排排水孔构成实心圆圈，实心圆圈与空心圆圈相互错位，最后相加求得排水孔总个数，见附图7。

空心圆圈数(奇数排排水孔个数)n_k＝(a/a₀+1)²

实心圆圈数(偶数排排水孔个数)n_s＝[(a-a₀/2)/a₀+1]²

空、实圆圈总数(单元截面上排水孔的总个数)n₀＝n_k+n_s

本发明提供了一种极端降雨型滑坡挡土墙排水孔的最优设计方法，即在确定边坡的物理及渗透性质参数的基础上，利用高密度电阻率法确定地下水位，进而确定边坡水力梯度和单位时间降雨平均入渗量，进而根据恒定总流连续性方程求得边坡挡墙竖向截面水流速度；依据达西定律求出通过挡墙竖向截面上的渗流量，然后根据渗流量和流速确定排水孔的截面面积；最后根据排水孔截面面积和规范，按梅花形形式布置排水孔，确定排水孔的间距和直径，使之在排水良好的同时还要满足挡土墙稳定性要求，从而达到挡墙排水孔最优设计。

附图说明

图1本发明流程图；

图2高密度电阻率法温纳装置排列方式及观测值示意图；

图3边坡温纳装置排列方式及水位线示意图；

图4常水头试验法装置示意图；

图5钻孔注水试验装置示意图；

图6降雨入渗过程中恒流连续方程示意图；

图7单元截面上排水孔梅花形布置图。

具体实施方式

为了更好地阐述本发明，下面以某降雨型滑坡为例进行挡土墙排水孔的最优设计，以证明其实际意义与价值。该滑坡为长江沿岸堆积层滑坡，由于极端降雨的影响边坡容易发生失稳破坏，所以对边坡进行挡土墙排水孔的设计，来防治滑坡的产生。在强降雨的情况下，对边坡进行分析。

(1)坡体垂直埋深、长度、宽度的确定

对待测定的边坡，根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2013)和《边坡工程勘察规范》(YS5230—1996)等相关规范，在充分分析已有资料及进行地质测绘调查的基础上开展勘探工作，进而采用调查测绘、勘探与试验等手段综合确定坡体垂直埋深H、长度L、宽度W及排水孔的间距a₀、直径d的取值范围，见表1。

表1坡体设计参数

(2)边坡土体水位值的监测及水力梯度i的确定

在雨季强降雨过后，运用高密度电阻率法选取待测定边坡坡面起伏不大的地段布设测线，在测线上布置20个电极，用多芯电缆将测线上的电极连接到电极转换装置上，再用电极转换装置将这些电极组合成指定的电极装置(见图2)，进而用数据采集仪测定该剖面下方电阻率分布情况，并根据电阻率与含水率具有负相关关系的原理，找到电阻率突变的测点，将这些点连接，即为地下水位线，将地下水位线近似成折线，共七段(见图3)，根据测得的水位线统计各段的水位差Δh和水平距离ΔL，并计算每段的水力梯度如下：

最后取各段水力梯度的平均值作为边坡的水力梯度i：

(3)极端降雨条件下边坡坡体饱和渗透系数k的确定

在待测滑坡具有代表性的位置通过钻孔取多组土试样，发现边坡土体性质偏粘性土，无难以取样的砂性土，所以采用室内实验法的常水头法进行渗透系数的测定即可。

常水头试验法就是在整个试验过程中保持水头为一常数，从而水头差也为常数，其实验装置见附图3；已知渗透仪直径D＝100mm，在l＝100mm渗透途径上的水头损失h＝100mm，用量筒和秒表测得120min时段内流经试样的水量为V＝5cm³，则渗透系数：

(4)单位时间降雨平均入渗量P_r的确定

由于边坡的降雨入渗量会引起地下水位的上升，因此本发明运用步骤(2)中的高密度电阻率法分别测出3段强降雨前后时间差Δt_i(i＝1，2，3)及其对应的水位线变化量Δh_i并统计三组具体数值。该边坡由粘土、砂土、黄土等堆叠而成，其中大部分为粘性土，根据待测边坡的土层性质，查阅《水文地质手册》，给水度经验值可取μ＝0.025。把统计计算得到的数值代入式(6)，得3段强降雨前后单位时间的降雨入渗量p_ri如下所示：

进而根据式(7)确定边坡单位时间降雨平均入渗量

(5)边坡挡墙竖向截面水流速度v₂及流量Q的确定

1)假设边坡坡面的降雨入渗量与布置挡墙排水孔的竖向截面上流量近似相等，满足流体动力学的恒定总流连续性方程v₁A₁＝v₂A₂，且详见原理1，因此v₂可根据式(8)求出：

2)根据达西定律，挡墙竖向截面上的流量Q可根据式(9)确定：

Q＝kA₂i＝(8.84×10^-6×10)×(100×10³×50×10³)×0.492＝2.17×10⁵mm/s

(6)边坡挡墙布置排水孔面积S₀的确定

依据布置挡墙排水孔的竖向截面上的水流速度v₂，则挡墙布置排水孔的总面积S₀可根据式(10)确定：

(7)挡墙排水孔数量N与排水孔直径d的确定

1)排水孔的个数n₀的确定

为简化计算，把挡墙竖向截面100m×50m分成若干个小单元，每个小单元的单元截面为10m×10m。根据GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》，排水孔采用梅花型布置，截面为圆形，间距a₀取2m。进而根据式(11)可确定每个小单元截面上排水孔的个数n₀(详见原理2)：

n₀＝(a/a₀+1)²+[(a-a₀/2)/a₀+1]²

＝(10/2+1)²+[(10-2/2)/2+1]²

＝67个

2)挡墙排水孔数量N与排水孔直径d的确定

确定每个小单元单元截面上排水孔的个数n₀后，根据式(12)可确定边坡挡墙竖向截面上排水孔总个数N：

由排水孔截面面积由此可根据式(13)求得排水孔的直径：