路基渗沟排水性能试验研究

李嘉薏，邹静蓉，王 刚，孙毅凯

(中南林业科技大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410004)

目前用于路基地下排水的设施主要是渗沟，主要以渗流的方式汇集水流，并就近排出路基外[1-2]，且大多使用的是管式渗沟，采用外有透水性材料(碎石或砾石)作为过滤层，过滤层再用土工布包裹起来的PVC传统排水盲管。此类PVC盲管本身没有孔洞，将管材运输到施工现场后自行钻孔，孔径难以达到一致，孔隙率较小，排水效率较低。土工布作为防止盲管被淤堵的第一道防线，在水流作用下，细小土颗粒渗进土工布，排水通道逐渐减少，排水效果越来越差。还出现有土工布被碎石刺破后，反滤层和排水盲管孔被堵塞，严重的导致渗沟失效。因此，提高渗沟的排水效果应从两个方面着手：一方面提高排水盲沟的排水效率；另一方面选择土工布与透水性材料组成渗流性更优的防护体系。

在道路工程中，土工合成材料由于自身多样性，无论是新建工程还是既有建筑，都已得到广泛应用[3]。其中土工管材有：塑料盲沟、硬式透水管等多种型式。塑料盲沟和网状PE硬式透水管都是一种由聚合物在热熔状态下，熔接成立体的排水芯体，两者都具有表面开孔率高，集排水性、耐腐蚀性好，且质量轻、施工方便[4-6]等优点，在排水工程中得到广泛应用。武良金等[5]通过通水量试验，得出塑料盲沟空隙率越大，通水量就越大的结论。刘建华等[6]将塑料盲沟与碎石盲沟的通水能力进行比较，塑料盲沟都比等截面面积的碎石盲沟排水能力大3倍～5倍。相关研究人员结合具体工程项目，论证塑料盲沟等土工合成排水材料代替原有传统碎石回填材料的可行性[7-8]，认为塑料盲沟优化后的渗沟施工便利性、工作质量及排水效果均优于传统渗沟[9]。曾平安等[10]将硬式透水管在路面基层运用，与未设置路段相比排水效果十分明显，且可节约养护费、减少因占道施工而引起的交通拥堵，具有较好的社会经济效益。综上所述，国内对土工合成排水管的排水特性开展一些研究，并取得一定成果，但仅局限于对渗沟传统型式下单一排水管的排水能力比较，没有考虑土工管材与透水性材料组成不同的渗沟型式对排水流量的变化影响规律。

本文通过室内模型试验，在两种渗沟模型下对塑料盲沟和硬式透水管与传统的打孔PVC管排水性能进行对比分析。揭示不同排水管材和填料对渗沟排水量的变化规律，提出一种改进渗沟使其具有最优排水效果，为改进渗沟应用提供科学依据。

1 土工排水管材的结构与特点

1.1 塑料盲沟的结构与特点

塑料盲沟是由塑料芯体外包裹透水土工布组成。塑料芯体是以热可塑性合成树脂为主要原料，经过改性，在热熔状态下，通过喷咀挤压出细的塑料丝条，再通过成型装置将挤出的塑料丝在结点上熔接，形成三维立体网状结构。塑料芯体有圆形中空、圆形多柱支撑、矩形中空、矩形实心、矩形双孔等多种结构型式。本次试验采用圆形中空的塑料盲沟，直径为150 mm，管壁厚32.5 mm，如图1所示。采用的PVC管直径为160 mm，按规范[11]要求打上4排对称的直径8 mm圆孔，纵向间距为75 mm，满足渗沟排水管要求，见图2。对比计算发现，塑料盲沟的表面开孔率85%是同等长度PVC管的表面开孔率17%的5倍。

1.2 硬式透水管的结构与特点

曲纹网状PE硬式透水管简称硬式透水管，是一种以高密度聚乙烯(HDPE)为主要原料，经高温挤出，冷却后成型的一种上半部分2/3带有小孔，下半部分1/3为不带孔的排水芯体。硬式透水管大多都是圆形中空的结构型式，底部为无孔部分，有利于集水迅速排出，防止二次渗漏。本次试验采用圆形中空的硬式透水管，直径为150 mm，壁厚为10 mm，如图3所示。通过计算得到，硬式透水管的表面开孔率70%是同长度PVC管的表面开孔率17%的4倍。

表1 试验排水管基本参数表

图1 塑料盲沟示意图

图2 PVC管示意图

由厂家提供塑料盲沟和硬式透水管的空隙率分别为70%和85%，表面开孔率分别为75%和88%，这也是其排水效果较好的重要原因。另外，由表1可知塑料盲沟和硬式透水管的的单位质量是PVC管的一半，在实际工程中运用时便于施工。

2 渗沟排水性能的初步试验研究

渗沟常用的过滤层为碎石外包上透水土工布，对于透水性好的中粗砂也可作为过滤层材料。为了更好地对比三种作为渗沟排水管的实际排水能力，以及不同回填材料对渗沟排水效果的影响，试验将模拟渗沟实际排水效果。

2.1 试验设计

2.1.1 试验设备

定制有机玻璃模型箱尺寸为600 mm×500 mm×850 mm，箱子正面预留排水管出水口。模型箱底部预留100 mm用黏土夯实作为渗沟垫层，上部覆盖防水膜。排水管和预留孔的间隙用中性硅酮防霉耐候胶、丁基自粘防水胶带和PVC冷缠胶带进行填补，防止水流从间隙中流出。试验时排水管排出的水用电子秤(量程为5 000 g，精度为0.1 g)进行称重，记录其重量。

2.1.2 试验方案

渗沟的回填透水性材料选用洁净的碎石、砂土和黏土填充。砂土的颗粒级配曲线如图4所示，计算出不均匀系数Cu为3.98，曲率系数Cc为0.79。根据规范[12]进行土的分类，判定砂土为中粗砂。黏土的颗粒级配曲线见图5，不均匀系数Cu为16.32，曲率系数Cc为1.47。试验所用碎石过16 mm孔径的筛盘进行筛分，选用粒径16 mm～40 mm的碎石。通过对材料进行基本物理性质试验，三者基本物理参数见表2。

图4 砂土级配曲线

图5 黏土级配曲线

表2 透水性材料基本物理参数

为了模拟不同回填材料对路基渗沟排水效果的影响，分别采用两种透水材料作为过滤层。方案1(装置a)是过滤层采用透水土工布外包碎石，两侧填黏土，上部回填砂土的渗沟型式，见图6。方案2(装置b)是过滤层全部采用砂土渗沟型式，如图7所示。通过计算模型箱大小换算最少加入水量为12 L，分别等量增加至16 L、20 L，比较在3组固定水量(12 L、16 L、20 L)下3种排水管的排水性能，试验方案见表3。

表3 试验方案表

2.2 分析排水管对渗沟排水性能的影响

按照设计方案1，装置a模型箱中排水管外的透水层为碎石，包上透水土工布后两侧回填黏土，黏土上方填砂土至渗沟高度，完成饱和后分别加入固定水量12 L、16 L、20 L进行排水试验，每0.5 h测量排水管排出的水量，直至排水结束。排水管纵坡为2%，变水头下流量随时间变化曲线见图8。

由图8可知：

(1) 塑料盲沟的排水量最多，其次是硬式透水管，PVC管不论是排水总量还是每0.5 h的排水量都是最少的。塑料盲沟的表面开孔率是PVC管的5倍，硬式透水管的表面开孔率是PVC管的4倍，且空隙率高，汇水通道相比PVC管的来说更广。因此，

图6 方案1试验装置a图(单位:cm)

图7 方案2试验装置b图(单位:cm)

在相同水量下前两者的排水量比后者的大得多。在1 h后每0.5 h硬式透水管排出的水量略高于塑料盲沟的排水量，是因为其独特的结构：下半部分1/3不透水，相比于塑料盲沟来说，有成型的过水通道。塑料盲沟芯体全部由长丝熔接，当水量排出一部分后，剩余较少水量汇集到排水管内，只能随着长丝纹路排出，因此当排水量较小时，塑料盲沟1.5 h后每0.5 h排出水量略低于硬式透水管，1.5 h后排出总水量约为加入水量的3%。

(2) 随着水量的增加，渗沟的排水效率随之增加。塑料盲沟的排水效率由84%增加至87%，硬式透水管的排水效率由70%增加至73%，PVC管的排水效率由28%增加至45%，由此得出塑料盲沟和硬式透水管的排水效率约为PVC管的两倍。由于水头差的作用，随着水量的增加，排水管排出水量随之增加，且0.5 h时排出水量也是整个排水期间排水量最多的阶段。

(3) 不论水量大小，PVC管排水时长只有1.5 h，且1.0 h～1.5 h时排水量极小。PVC管的排水时间短、排水量少，与水量大小无关。分析原因在于：其表面开孔率只有17%，且只有下半截打上了孔，水流需要汇集到最下排孔的高度才能顺利排出。而对于较小水量时，水流汇集量达不到底部孔的高度，只能积在渗沟内部。长期如此，路基下方的渗沟内部中积水会给路基带来一定危害。

2.3 分析透水性材料对渗沟排水性能的影响

图8显示了在碎石加中粗砂作为过滤层的渗沟型式下，三种排水管在相同水量下排水效果的对比。将透水性材料更换为砂土，完成试样制备、饱和后按照设计方案2进行排水试验。过滤层全为砂土的装置b中分别加入固定水量12 L、16 L、20 L，每0.5 h测量排水管排出的水量。模型箱中排水管纵坡依旧为2%，变水头下流量随时间变化曲线图，见图9。

图8 方案1装置a排水量随时间变化曲线

由图9可知：

(1) 对比排水总量来说，仍是塑料盲沟排出水量最多，其次是硬式透水管，PVC管排出水量依旧最少。但在排水1 h后的每0.5 h硬式透水管排水量略高于塑料盲沟，1 h后至排水结束硬式透水管排出总水量约为加入水量的13%，而塑料盲沟1 h后至排水结束排出总水量约为加入水量的8%，因此图9中2.5 h至排水结束期间，硬式透水管的排水量趋势升高明显。分析其原因：塑料盲沟芯体全部由长丝熔接，当水量排出一部分后，剩余较少水量汇集到排水管内，只能随着长丝纹路排出，因此水量较小时，排出水量略低于硬式透水管。而硬式透水管有其独特的结构——下半部分1/3不透水，相比于塑料盲沟来说，有成型的过水通道，因此水量较小时，排出水量略高于塑料盲沟。结合图8与图9，说明无论何种过滤层，三种排水管材的排水总量从大到小依次为塑料盲沟、硬式透水管、PVC管。

图9 方案2装置b排水量随时间变化曲线

(2) 过滤层全部为砂土的装置b排水总量比回填碎石加黏土加砂土的装置a多，其中PVC管的较为明显。在相同水量条件下，塑料盲沟的排水效率增加约3%，硬式透水管的排水效率增加约13%，PVC管的排水效率增加约33%。

PVC管在装置a和装置b中的排水量差异明显，说明不同回填材料对PVC管的影响较大。为了更好地分析其差异，在排水试验过程中记录排水量的同时，对同一位置测量其含水率，含水率随时间的变化关系见图10。从图10可以看出，装置a和装置b的初始含水率并不一致，分别为11.0%和13.4%，分析原因为水流路径存在差异，导致初始含水率不同，但开始排水后的含水率变化趋势亦能体现排水过程中回填材料对PVC管的影响。在装置a中，PVC管前1.5 h含水率随时间的增加近似呈线性减小关系，而1.5 h后含水率变化曲线变化极小。在装置b中，PVC管前1 h含水率线性减小，后1 h内含水率均匀减小。总体来说，PVC管式渗沟前1.0 h～1.5 h水流下渗很快，而1.5 h后装置a水流下渗速度很慢，装置b水流下渗速度均匀减小，与模拟排水试验结果对应。分析主要原因：装置a中在碎石层两侧填上黏土，其空隙率仅有18%，但其土颗粒排列紧密，颗粒间距小。由砂土下渗的水流到黏土层后，能很快汇集到碎石过滤层中。因此在排水试验过程中，装置a的出水时间比装置b的短。尽管碎石的空隙率大于50%，有较好的透水性。但碎石颗粒间距较大，汇水能力较差，碎石层中的水流路径较长，难以全部汇集至开孔率较小的PVC管中。而装置b中全为砂土，其空隙率有37%，土颗粒排列较紧密，透水性较好，且颗粒间距小，汇水能力好，且水流直接由砂土中的空隙下渗至PVC管中。

开始排水试验时水流浑浊，装置a比装置b更为浑浊，排水结束后水流清澈，装置a和装置b排出水的浑浊变化图见图11、图12。随着时间的增加，

图10 含水率随时间变化曲线

图11 装置a排出水的浑浊变化图

图12 装置b排出水的浑浊变化图

水流逐渐清澈，通过反复试验，亦是如此。这是因为在水压力的作用下，水流经过滤层汇流至排水管，部分细颗粒透过土工布从排水管道内排出，而较多无法透过土工布的粗颗粒与往后的细颗粒形成一层天然的过滤层。过滤层不仅减少了相邻土层的细颗粒的流失，还保证水流畅通，最终形成一种反滤结构[13]。排水试验结束后，塑料盲沟和硬式透水管芯体上附着细小颗粒和淤泥，但并未将排水管的孔堵塞，且两者空隙率高，即使有部分淤堵，对整个排水影响也较小。以上结果说明，不同回填材料对塑料盲沟和硬式透水管的影响较小，对PVC管的影响较大，PVC管更适合采用砂土等颗粒间距适中的透水性回填材料。

3 结 论

本文展开了一系列渗沟组成材料的基本性能试验和模拟渗沟排水的试验，对塑料盲沟、硬式透水管和PVC管三者进行比较，研究了在不同回填透水性材料组合的渗沟型式下的变化规律，所得结论如下：

(1) 塑料盲沟和硬式透水管由于表面开孔率和空隙率比PVC管的大得多，排水效率更大。模拟排水试验表明，塑料盲沟和硬式透水管按一定的纵坡埋设至渗沟中，能有效完成集水、排水的功能。塑料盲沟芯体为全长度透排水，硬式透水管芯体2/3透排水，两者自带孔隙，且有自动过滤、挡土的功能。

(2) 通过对三种排水管在不同透水性回填材料进行模拟排水试验，获得以下初步成果：

① 排水管自身的特性和透水性材料的渗透性影响渗沟的排水性能。排水能力从大到小依次为塑料盲沟、硬式透水管、PVC管。

② 水头对排水量影响起主控作用。无论是何种管材，何种透水性材料，随着水量、水头的增加，0.5 h的排水量随之增加。

③ 考虑到排水效果，对于地下水丰富的路基，推荐采用PVC管全回填砂土的渗沟类型，对于地下水较少的路基，推荐采用塑料盲沟和硬式透水管回填砂土和碎石的渗沟类型。

研究成果可为进一步研究三种排水管实际工程运用的排水效率评估及其长期淤堵性、耐久性的研究提供参考。