汪磊，尚岳全，呂俊俊，徐浩迪

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虹吸排水抗淤堵能力模型試驗與理論分析

汪磊，尚岳全，呂俊俊，徐浩迪

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州，310058)

針對不同虹吸管布置方式和不同虹吸揚程高度，模擬不同粒徑砂粒在虹吸管中的流動特性及其對虹吸過程的影響，并通過理論分析加以驗證。研究結(jié)果表明：粒徑小于1.00 mm的砂粒均會在虹吸作用過程中被水流帶出，不發(fā)生孔底泥沙淤積或堵塞虹吸管，虹吸排水過程具有抗淤堵能力；在虹吸過程中，管內(nèi)水流速度大于砂粒的下沉速度，證明砂粒進入虹吸管能夠隨水流流動。

邊坡；虹吸排水；抗淤堵能力；臨界揚程；模型試驗

滑坡地下水位上升是一個降雨累積的過程，如果能及時有效地排出坡體地下水，控制地下水位上升幅度，就能減少滑坡的發(fā)生[1?6]。滑坡的排水方法可分為地表排水和地下排水2大類，地表排水常常效果不佳，更多的情況需要采用地下排水。目前地下排水方法主要有排水洞系統(tǒng)、水平排水孔和虹吸排水孔，其中排水洞系統(tǒng)的排水效率最高，但是建設(shè)成本高，施工周期長；水平排水孔極易淤堵，長期可靠性差，導(dǎo)致排水效果不好[7?9]；虹吸排水孔是近年來發(fā)展的新技術(shù)，以其孔位易選擇、孔深淺，集水能力強，經(jīng)濟性好以及工程建設(shè)速度快等優(yōu)勢，受到了眾多研究者的重視，并得到了較廣泛的應(yīng)用[10?15]。尚岳全等[10, 16?18]對虹吸排水的排水管管徑、空氣積累等關(guān)鍵問題進行了較為系統(tǒng)的研究，但尚未對其是否會發(fā)生孔底泥沙淤堵及虹吸排水的抗淤堵能力等進行研究。為了保證邊坡虹吸排水過程中不發(fā)生空氣積累，需要在虹吸管內(nèi)形成段塞流，這就決定了邊坡虹吸排水只能采用內(nèi)徑較小的細管[19]，例如常用的內(nèi)徑為4 mm虹吸管。雖然在虹吸排水系統(tǒng)建設(shè)時，首先會在鉆孔插入帶管靴的透水管，將虹吸排水管保護在透水管中[20]，但總會有細小土砂粒進入透水管內(nèi)。目前虹吸排水常用的透水管是采用打孔聚氯乙烯(PVC)管外裹土工布，正常情況下，透水管在保證地下水能順利進入管內(nèi)的同時能夠阻止砂粒石塊進入，而在實際應(yīng)用中，土工布在插入鉆孔過程中可能會發(fā)生松動、破碎等問題，從而導(dǎo)致細小的砂粒進入透水管內(nèi)，而虹吸排水管內(nèi)徑較小，最終可能出現(xiàn)淤堵。目前工程上采用打孔波紋管外織土工布的透水管，打孔波紋管采用長×寬為10 mm×1 mm的孔眼，可以隔離直徑大于1.00 mm的砂粒進入透水管，外織濾布則可隔離更小直徑的砂粒進入透水管[21]。對于虹吸排水系統(tǒng)，安裝透水管時外裹的土工布可能產(chǎn)生破損，而打孔波紋管一般不會發(fā)生破損。因此，在泥沙淤堵現(xiàn)象中，可能進入透水管的顆粒直徑應(yīng)≤1.00 mm。本文通過室內(nèi)模型試驗和理論分析，研究不同揚程以及不同虹吸管布置方式條件下，砂粒在虹吸管中的流動特性及其對虹吸的影響。

1 模型試驗裝置與試驗方案

1.1 試驗裝置

虹吸排水試驗裝置如圖1所示(其中1為揚程即管靴內(nèi)水面到虹吸管的最頂端之間的高度差，2為水面到虹吸管出水口處的高度差)。由圖1可知：虹吸試驗裝置由上水管、下水管和水桶A及水桶B組成。選用透明的尼龍管作為實驗的虹吸管，頂點曲率半徑為0.1 m。

為了最大程度地模擬實際工程，進水處水桶選擇實際治理滑坡時用到的管靴，使試驗條件更貼近工程實踐。為了保持管靴內(nèi)水面高度不變，安裝軟管2作為補水管。分別調(diào)節(jié)圖1中水桶A和B相對虹吸管頂部的高度位置以實現(xiàn)不同參數(shù)的改變。

在實際工程中，2一般大于5.0 m，若2太小則虹吸速率太慢，嚴重影響虹吸效率。MEI等[22]的研究表明，當虹吸管長保持不變，虹吸揚程大于8.0 m，2大于5.0 m時，虹吸速率保持不變，并不隨著高度差2的改變而改變。本文2設(shè)定為中間值7.0 m，虹吸管長保持50.0 m不變，通過改變揚程1和砂粒粒徑進行實驗。

揚程1的改變主要通過改變管靴中水面的高度，從而使水面與虹吸管最高點之間的長度發(fā)生不同程度的變化，同時可以保證試驗中不同揚程的虹吸管管長保持不變。

圖1 虹吸實驗裝置

試驗中虹吸管的布置選擇豎向和斜向2種方式，考慮到在實際工程中，虹吸管的布置很難保證完全拉直，局部彎曲的情況不可避免，設(shè)置斜向拉直中間打彎和豎向拉直中間打彎2種情況，用來模擬斜孔和豎孔中虹吸管有一定打彎甚至打圈的實際情況，以期實現(xiàn)更真實的模擬，得到更加完備的結(jié)果。斜向布置時，下水管與上水管呈30°角度保持不變。打彎的位置均為下水管的正中間，彎直徑均為15 cm。本文中上水管布置方式共有4種，如圖2所示。由于虹吸管的流速與管徑成正比，管徑越小，流速越小，因此本文選擇管徑為4 mm的虹吸管[23?25]，如果泥沙可以通過 4 mm虹吸管，那么管徑大于4 mm虹吸管也不會出現(xiàn)虹吸流動過程中的淤堵問題。

(a) 斜向拉直狀態(tài)；(b) 豎向拉直狀態(tài)；(c) 斜向拉直中間打彎狀態(tài)；(d) 豎向拉直中間打彎狀態(tài)

1.2 試驗方案

用篩分法分別選取粒徑為0.25~0.50 mm和0.50~1.00 mm的2組級配砂，分別放入到管靴中進行實驗。在管靴內(nèi)鋪厚度為3 cm的砂土，分別采用4種不同的上水管布置方式進行實驗。通過改變虹吸的揚程，觀察虹吸過程中砂土的流動現(xiàn)象，并測量虹吸穩(wěn)定后一定時間內(nèi)的出沙流量。不斷增大虹吸揚程，探尋虹吸排砂的臨界揚程，從而確定不同揚程、不同布置方式下，虹吸可以通過的最大粒徑砂粒以及 流量。

2 模型試驗結(jié)果

2.1 虹吸管中砂粒的流動

上水管中出現(xiàn)的砂粒隨水流流動現(xiàn)象如圖3所示。在虹吸水流上升過程中，砂粒具有旋轉(zhuǎn)上升的流動特點，這反映出管內(nèi)水流是紊流。隨著虹吸水流上升高度增加，虹吸管壓力降低，溶解在水中的空氣逐漸釋放并形成氣泡，管內(nèi)形成水、氣、砂的更為復(fù)雜的流動方式。越過虹吸頂點后，管流中的氣泡迅速合并形成大氣泡，出現(xiàn)氣泡與水彈相間的段塞流，水、氣、砂運動方式發(fā)生根本性改變。由于砂粒自身重力作用的方向與水流方向一致，而此時氣泡運動方向與水流方向相反，因此出現(xiàn)下水管中水、氣、砂呈規(guī)律的交替下降現(xiàn)象，如圖4所示。由圖4可知砂粒在重力作用下常常集中在氣泡的頂部。

(a) 大粒徑砂粒流動；(b) 小粒徑砂粒流動

(a) 多氣泡流動；(b) 少氣泡流動

砂粒的流動與砂粒粒徑、揚程以及虹吸管布置方式相關(guān)。較小粒徑砂粒上升速度比大粒徑砂粒的更快(見圖3(b))，并且管流中的砂粒密度更大，規(guī)模更大，但同時也可能出現(xiàn)一定程度的淤堵；較大粒徑砂粒上升速度較慢，砂粒密度小(見圖3(a))。當揚程不斷變大時，流動速度減小，砂粒全部流出的時間變長；當虹吸管豎向布置時，水、沙兩相分布均勻，同時向上運動，當虹吸管斜向布置時，砂粒在虹吸管中多集中在下邊緣，從進水口新進入虹吸管的砂粒更易從管的上緣通道隨水流通過，速度較快，水、砂兩相分布不均勻，如圖5所示。

2.2 不同布置方式的虹吸排砂能力

表1所示為不同布置方式下不同粒徑的砂粒流量。由表1可見：在高度差、砂粒粒徑以及虹吸管布置方式一定的情況下，砂粒流量與揚程1呈負相關(guān)；隨著揚程增大，砂粒流量降低。例如，在2為7.0 m，豎向拉直情況下，對于粒徑為0.50~1.00 mm的砂粒，當揚程為9.0 m時，流量為0.856 cm3/min；當揚程為8.5 m時，流量為1.556 cm3/min。由此可見，增大揚程不利于砂粒的排出；在高度差2、揚程以及虹吸管布置方式一定的情況下，砂粒流量與粒徑呈負相關(guān)，隨著粒徑增大，砂粒受到的阻力增大，砂粒流量降低，增大粒徑不利于砂粒的排出。

在高度差2、揚程以及砂粒粒徑一定的情況下，砂粒流量與虹吸管布置方式有著一定的關(guān)系。各種布置方式的排砂能力僅表現(xiàn)為單位時間上的輸砂量，粒徑小于1.00 mm的砂粒均可通過虹吸排出。當虹吸管豎向布置時，帶砂粒虹吸臨界揚程為9.2 m；斜向布置時，臨界揚程為9.3 m，由此可知當虹吸管斜向布置時，砂?？梢栽趽P程范圍更大的條件下排出，更有利于砂粒的排出。比較虹吸管是否打彎的2種情況，可以得知在虹吸管打彎的條件下，砂粒流量更大，排出速度更快，無論是豎向還是斜向布置，虹吸管打彎都增大了砂粒的流量，對砂粒排出起著促進作用。

表1 不同布置方式下不同粒徑的砂粒流量Q

圖5 斜向布置虹吸管中水砂兩相分布

當虹吸管豎向布置時，砂粒流量在揚程達到9.0 m時出現(xiàn)驟降現(xiàn)象，分析其原因：當虹吸管豎向布置時，小粒徑顆粒上升速度較快，隨著揚程不斷增大，顆粒上升速度逐漸降低，當揚程達到9.0 m的臨界值時，顆粒會在虹吸管中發(fā)生部分堵塞，速度減慢，但隨著時間的延長，堵塞的砂粒仍然能夠在虹吸作用下通過虹吸管。由此可知，當砂粒密度不大時，虹吸速度會提高，砂粒流量也會增加。

分析對比不同粒徑砂粒實驗結(jié)果可知：當現(xiàn)場土質(zhì)條件未知時，可以根據(jù)現(xiàn)場實際揚程對透水管打孔孔徑進行嚴格控制。目前工程實踐中主要采用長×寬為10 mm×1 mm的長方形孔眼，隔絕粒徑大于 1.00 mm的砂粒進入虹吸管，如果技術(shù)條件允許，可以再適當縮小孔徑，隔絕偏大砂粒，同時減少砂粒的密度，防止虹吸管因泥沙速度過快而出現(xiàn)部分堵塞，導(dǎo)致虹吸速度下降，從而更好地控制和避免泥沙淤堵 問題。

3 理論分析結(jié)果與試驗結(jié)果對比

虹吸排水過程中的砂粒排出主要取決于水流速度與砂粒下沉速度。理論上，若水流速大于砂粒下沉速度，則砂粒能夠排出，反之則會造成淤堵。

不同揚程下虹吸流體流速如表2所示。

表2 不同揚程下虹吸流體流速(H2=7.0 m)

研究單顆粒砂在清水中的下沉速度是研究泥沙沉速最簡單的方式。STOKES[26]提出了滯流區(qū)球體的沉速公式，但該公式主要適用于圓球體對象，而本文試驗對象是阻力更大的泥沙顆粒，因此本文采用崗恰洛夫紊流區(qū)沉速公式[27]。

計算砂粒沉速，需要首先判斷管道中流體的流動狀態(tài)，通過計算雷諾數(shù)確定虹吸管中流體的流型。

式中：為雷諾數(shù)；為流體流速；為流體密度；為流體黏度；為管道直徑。

計算出雷諾數(shù)之后便可根據(jù)雷諾數(shù)判斷管道中流體流型。本文=1 000 kg/m3，當揚程為8.5~9.3 m時，流體速度為0.102~0.188 m/s；由=0.03 m，=0.001 Pa?s，計算得到雷諾數(shù)為3 060~5 640。當＞3 000時，流型為紊流，因此本文管道流型可以確定為紊流。

適用于紊流流型條件下的崗恰洛夫紊流區(qū)沉速公式[27]如下：

式中：為砂粒沉速；s為砂粒的重度；為水的重度；為重力加速度；s為砂粒直徑。

由式(2)可以計算出0.25≤s≤0.50 mm的砂粒沉速為0.047 m/s，0.50＜s≤1.00 mm的砂粒沉速為0.069 m/s。

不同虹吸揚程下砂粒沉速與水流流速對比如圖6所示。由圖6可以看出：在揚程小于9.5 m的情況下，水流上升流速始終大于砂粒沉速，由此推測，砂粒均可以通過虹吸排水方法排出，不會出現(xiàn)泥沙淤堵問題。

1—水流上升速度；2—0.25≤ds≤0.50 mm砂粒沉速；3—0.50＜ds≤1.00 mm砂粒沉速。

4 結(jié)論

1) 隨著虹吸揚程增大，水流速度逐漸降低，通過虹吸管排出的砂粒流量逐漸減??；當虹吸揚程低于9.3 m時，粒徑小于1.00 mm的砂粒均可以通過虹吸方法排出，且虹吸管不會出現(xiàn)淤堵；虹吸揚程達到 9.3 m后，單根虹吸管的砂粒流量降到0.35 cm3/min，此時0.50＜s≤1.00 mm的砂粒不再通過虹吸管排出，因此虹吸揚程為9.3 m可看作是小砂粒(0.50＜s≤1.00 mm)能否排出的臨界揚程。

2) 虹吸過程具有帶出砂粒的能力，通常情況下管內(nèi)水流速度大于小砂粒(0.50＜s≤1.00 mm)的下沉速度。在實際工程中，邊坡地下水位總是發(fā)生上下波動，控制虹吸揚程始終低于9.3 m，可以使砂粒流出虹吸管。因此，可以認為在實際工程中小砂粒均可以通過虹吸排出，虹吸具有很強的抗淤堵能力。

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Model test and theoretical analysis of anti clogging capacity of siphon drainage

WANG Lei, SHANG Yuequan, Lü Junjun, XU Haodi

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

For different siphon arrangement and different siphon lift, flow simulation of sand particles with different sizes was conducted. The influence of sand particles on the siphon process was studied, and was then verified by theoretical analysis. The results show that sand particles smaller than 1.00 mm in diameter are brought out of the water under the action of siphon, with no hole bottom sediment or blockage of the pipe. It is thus proved that siphon drainage has the ability of anti-clogging. The water velocity in the pipe is larger than the sand velocity during the siphon process, which indicates that sand particles can enter the siphon and flow with the water.

slope; siphon drainage; anti clogging capacity; critical lift; model test

10.11817/j.issn.1672?7207.2019.02.018

TU43

A

1672?7207(2019)02?0384?06

2018?03?17；

2018?05?17

國家自然科學(xué)基金資助項目(41772276)；浙江省重點研發(fā)計劃項目(2017C03006)(Project(41772276) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017C03006) supported by Key Research and Development Program of Zhejiang Province)

尚岳全，教授，博士生導(dǎo)師，從事地質(zhì)災(zāi)害防治研究；E-mail：syq@zju.edu.cn

(編輯 伍錦花)