CN114575358A - 一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统，是由立体排渗系统、真空助排系统、虹吸/直排排水系统组合构成：立体排渗系统包括水平排渗花管(8)、竖向排渗花管(17)、集水井(5),真空助排系统由真空泵(11)和真空抽气管(10)组成，虹吸/直排排水系统包含自流直排方式和虹吸排水两种方式，直排排水系统包括导水孔、直排排水管(21)，虹吸排水系统包括深井泵(12)、虹吸管(15)、虹吸补水管(13)，深井泵(12)安装在集水井(5)底部，虹吸管(15)的进水端沿集水井(5)内壁伸入到集水井(5)下部。本发明能够有效实现弱渗透土层边坡地下水的顺利集中排出，防止坡面土层饱和与冲刷破坏，增加边坡持久稳定性。

Description

一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统

技术领域

本发明属于土质边坡治理技术领域，具体涉及一种土质边坡地下水排水系统,适用于各类土质边坡地下水治理，可在露天矿山、建筑、水利、交通等行业土质边坡排渗工程中推广应用，对于弱渗透性的土质边坡地下水排渗尤为适用。

背景技术

土层中水可降低土体抗剪强度，是土质边坡破坏的主要因素之一，该现象在低渗透性的土质边坡中更为突出，而排出边坡地下水是增加边坡稳定性的重要手段。在土质边坡开挖过程中，应力释放，出现坡向位移，土质相对变松，如果地下水丰富，边坡将处于饱和状态，若边坡潜在滑移面处于饱和土层中，边坡将失稳，出现滑坡，严重影响边坡的安全运行。为了土质边坡的安全稳定，急需将边坡潜在滑面以下的地下水排除坡外。

目前地下排渗技术很多，但能够在弱渗透性土质边坡中有效使用的技术很少。中国专利ZL201820898669.0公开了一种适用于边滑坡工程的串并联地下立体排水系统，该专利包括集水系统、泄水系统。集水系统包括集水井、井间导流管、仰斜排水管和出水口，相邻的集水井的底部之间通过井间导流管连接，井间导流管连接出水口；仰斜排水管的一端与集水井相连通，另一端位于坡体内部，仰斜排水管沿集水井的井壁向上倾斜设置；泄水系统包括泄水隧洞、渗流管和泄水孔。该发明装置埋于地下，主要用于防止和排除地表水下渗及基岩裂隙水渗流至滑坡区域，降低边(滑)坡区域的含水率，但该地下立体排水系统复杂，工程量大、造价高，主要适用于滑坡治理，不适用于弱渗透土层边坡地下水的集排。

目前，已公开的地下水集排技术尚未出现真空虹吸排渗措施，特别是弱渗透土层边坡地下水集排技术。

发明内容

本发明的目的主要是针对现有技术存在的排水系统结构复杂、工程量大、造价高或者不适合弱渗透土层边坡排水等问题，而提供一种施工工艺简单、结构紧凑、排水效率高、寿命持久、稳定牢固、使用方便、能够有效实现弱渗透土层地下水顺利排除、防止土层滞水、增加弱渗透土层边坡持久稳定性的适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统，该系统能够实现边坡弱渗透土层自然排渗和收集。

为实现本发明的上述目的，本发明一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统以加速土体排渗、提高土质边坡整体稳定为目的，并采用以下技术方案：

本发明一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统，弱渗透土层边坡自上而下分别设有上一级平台、集水井平台、截排水平台，其特点是所述的组合排渗系统是由立体排渗系统、真空助排系统、虹吸/直排排水系统组合构成：

所述的立体排渗系统包括水平排渗花管、竖向排渗花管、集水井，竖向排渗花管位于上一级平台内并自上而下穿过不同渗透性的弱透水层、透水层，竖向排渗花管作为土层竖向排渗通道；竖向排渗花管兼作地下水位观测孔时，在竖向排渗花管的管口加竖向排渗管密封盖密封；所述的集水井竖直设置在集水井平台内；所述的水平排渗花管按1～2％的坡度水平伸入到上一级平台下面之上游渗透性相对较好的地层内一定深度，水平排渗花管的上游与竖向排渗花管下端处于同一地层，水平排渗花管的下端与集水井下部联通，使竖向渗水通过水平排渗花管排往集水井内；所述的集水井由井筒和集水井密封盖组成，井筒和集水井密封盖为钢筋混凝土结构，集水井是整个系统的连接装置，肩负集水和形成真空空间的功能，在工作时，整个井筒是密封的。

所述的真空助排系统由真空泵和真空抽气管组成，真空泵固定在集水井密封盖上，真空抽气管上端与真空泵连接，真空抽气管穿过集水井密封盖，真空抽气管下端伸入集水井下部之水平排渗花管出口附近，真空助排系统主要工能是保持集水井内有设定水柱的真空度，真空抽气管与集水井密封盖密封连接。

所述的虹吸/直排排水系统包含自流直排方式和虹吸排水两种方式：当集水井底部与同标高边坡坡面水平距离较短时(小于80m)，采用自流直排方式时，其直排排水系统包括导水孔、直排排水管，所述的导水孔位于集水井底部靠近坡面一侧，所述的直排排水管位于集水井平台下部的边坡体内，直排排水管的进水口与导水孔连通，直排排水管的出水段自坡面向下至截排水平台再向外延伸至导出位置，集水井内的水克服真空阻力后从导水孔、直排排水管自流排出；当当集水井底部与同标高边坡坡面水平距离较远时(大于80m)，采用虹吸排水方式，其虹吸排水系统包括深井泵、虹吸管、虹吸补水管，深井泵安装在集水井底部，虹吸管的进水端沿集水井内壁伸入到集水井下部，在位于集水井密封盖外部的虹吸管上设有控制阀，虹吸管的出水段经集水井平台、坡面向下至截排水平台再向外延伸至导出位置，深井泵与虹吸补水管的补水口相连，虹吸补水管穿过集水井密封盖再通过控制阀与虹吸管在集水井密封盖附近连接。所述虹吸管的进水端距集水井底面一般在0.4～0.7m，以0.5m为佳。当虹吸管水量不足时，通过深井泵从集水井内补水，当虹吸管正常运行时，深井泵停止工作。

整个组合排渗系统的工作和转换均是在由传感器、单片机组成的自动控制系统下实现自动开启和关闭。

为便于排水，所述的导水孔坡度为2～5％，所述的直排排水管上安装单向阀或电动阀门，直排排水管的入口距离水平排渗花管的出口垂直距离不少于8m；集水井总高度H1应小于集水井的井口至直排排水管/虹吸管导出口的垂直高度H2，且两者垂直高度之差应大于15m。

水平排渗花管、竖向排渗花管、虹吸补水管、直排排水管采用钢管或工程塑料管，尺寸和强度由地层强度、排渗水头等由水力计算确定，根据目前的施工设备和工艺，竖向排渗花管管径不大于75mm，直排排水管管径不大于90mm；虹吸管长度由集水井的井深和导出位置决定，但虹吸管入口和导出口之间的高差由达到自流所需要的水头差确定，但不得小于15m。水平排渗花管、竖向排渗花管长度及集水井深度由施工工艺、土层性质、降水范围和需要达到的效果根据有限元法计算的渗流场确定。

进一步地，所述竖向排渗花管采用开孔率不低于10％的钢管、工程塑料管或排渗盲沟材料，竖向排渗花管的上端伸出地表，在距地表深2m范围内用密封胶或膨胀水泥浆密封构成竖向排渗管密封段；所述的水平排渗花管采用上半管开孔率不低于10％的钢管或工程塑料管，水平排渗花管处于集水井井壁段管的周围用结构胶或膨胀水泥浆进行密封。

进一步地，所述的虹吸管位于集水井内部分和穿过集水井密封盖部分采用钢管或工程塑料管，且与集水井密封盖密封连接。

本发明一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统采用以上技术方案后，具有下列积极效果：

(1)立体排渗系统可以在常压下自动排除渗透性较好土层中的水份；真空助排系统可以在负压下自动排除渗透性较差土层中的水份，从而解决了弱渗透性土层排水难的问题；

(2)虹吸管或直排排水管可以自动排除集水井中的水，节约了能源，降低了边坡排渗成本；

(3)弱渗透性土层边坡地下水的顺利排除，增加了边坡的稳定性，具有巨大的经济效益、社会效益和环境效益；

(4)工程应用试验及研究表明，本发明组合排渗系统结构紧凑、寿命持久、稳定牢固、实施方便、节约能源，能够有效实现弱渗透土层边坡地下水的顺利集中排出，防止坡面土层饱和与冲刷破坏，增加边坡持久稳定性，可在露天矿山、建筑、水利、交通等行业土质边坡弱渗透土层地下水治理工程中应用。

附图说明

图1为本发明一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统平面示意图；

图2为本发明一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统剖面示意图。

附图标记：1-上一级平台；2-坡面；3-集水井平台；4-截排水平台；5-集水井；6-透水层，渗透系数大于10^-4；7-弱透水层，渗透系数小于10^-4；8-水平排渗花管；9-集水井密封盖；10-真空抽气管；11-真空泵；12-深井泵；13-虹吸补水管；14-控制阀；15-虹吸管；16-虹吸调节阀；17-竖向排渗花管；18-竖向排渗管密封段；19-竖向排渗管密封盖；20-单向阀或电动阀门；21-直排排水管。

具体实施方式

为进一步描述本发明，下面结合附图对本发明一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统作进一步详细描述。

由图2所示的本发明一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统剖面示意图并结合图1看出，本发明一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统，所述的弱渗透土层边坡自上而下分别设有上一级平台1、集水井平台3、截排水平台4。所述的组合排渗系统是由立体排渗系统、真空助排系统、虹吸/直排排水系统组合构成：

所述的立体排渗系统包括水平排渗花管8、竖向排渗花管17、集水井5，竖向排渗花管17位于上一级平台1内并自上而下穿过不同渗透性的弱透水层7、透水层6；所述的集水井5竖直设置在集水井平台3内；所述的水平排渗花管8按1～2％的坡度水平伸入到上一级平台1下面地层内，水平排渗花管8的上游与竖向排渗花管17下端处于同一地层，水平排渗花管8的下端与集水井5下部联通；所述的集水井5由井筒和集水井密封盖9组成；竖向排渗花管17采用开孔率不低于10％的钢管、工程塑料管或排渗盲沟材料，竖向排渗花管17的上端伸出地表，在距地表深2m范围内用密封胶或膨胀水泥浆密封构成竖向排渗管密封段18；水平排渗花管8采用上半管开孔率不低于10％的钢管或工程塑料管，水平排渗花管8处于集水井5井壁段管的周围用结构胶或膨胀水泥浆进行密封。

所述的真空助排系统由真空泵11和真空抽气管10组成，真空泵11固定在集水井密封盖11上，真空抽气管10上端与真空泵11连接，真空抽气管10穿过集水井密封盖9，真空抽气管10下端伸入集水井5下部，真空助排系统保持集水井5内有设定水柱的真空度。

所述的虹吸/直排排水系统包含自流直排方式和虹吸排水两种方式：当采用自流直排方式时，其直排排水系统包括导水孔、直排排水管21，所述的导水孔位于集水井5底部靠近坡面2一侧，导水孔坡度为2～5％，所述的直排排水管21位于集水井平台3下部的边坡体内，直排排水管21的进水口与导水孔连通，直排排水管21上安装单向阀或电动阀门20，直排排水管21的入口距离水平排渗花管8的出口垂直距离不少于8m，直排排水管21的出水段自坡面2向下至截排水平台4再向外延伸至导出位置；当采用虹吸排水方式时，其虹吸排水系统包括深井泵12、虹吸管15、虹吸补水管13，深井泵12安装在集水井5底部，虹吸管15的进水端沿集水井5内壁伸入到集水井5下部，在位于集水井密封盖9外部的虹吸管15上设有控制阀14，虹吸管15的出水段经集水井平台3、坡面2向下至截排水平台4再向外延伸至导出位置，深井泵12与虹吸补水管13的补水口相连，虹吸补水管13穿过集水井密封盖9再通过控制阀14与虹吸管15在集水井密封盖9附近连接；集水井5总高度H1应小于集水井5的井口至直排排水管21/虹吸管15导出口的垂直高度H2，且两者垂直高度之差应大于15m。虹吸管15位于集水井5内部分和穿过集水井密封盖9部分采用钢管或工程塑料管，且与集水井密封盖9密封连接；在虹吸管15位于坡面2与截排水平台4交界处设有虹吸调节阀16。

整个组合排渗系统的工作和转换均是在由传感器、单片机组成的自动控制系统下实现自动开启和关闭。

在实际应用中，竖向排渗花管17管径不大于75mm，直排排水管21管径不大于90mm；虹吸管15长度由集水井5的井深和导出位置决定，但虹吸管15入口和导出口之间的高差由达到自流所需要的水头差确定，但不得小于15m。

本发明一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统的原理是：竖向排渗花管17将上部土层中渗透性较弱的弱透水层7的地下水和渗透性较强的透水层6的滞水排往水平排渗花管8或所在的土层，继而由水平排渗花管8排往集水井5，再由直排排水管21或虹吸管15排出坡外，从而实现弱渗透性土层的常压排渗。

在常压排渗的基础上，关闭虹吸管15上的控制阀14(或直排排水管21上的单向阀或电动阀门20)，开启安装在集水井5上端集水井密封盖9上的真空泵11，当集水井5内气压低于井外气压时，实现弱渗透性土层的负压排渗。

当竖向排渗花管17兼作地下水位观测孔时，在竖向排渗花管17的管口加竖向排渗管密封盖19密封。

当集水井5内气压接近真空时，开启深井泵12，打开虹吸管15上的控制阀14，当虹吸管正常排水时，关闭真空泵11和深井泵12，或打开直排排水管21上的单向阀或电动阀门20，实现整个系统的负压排渗和自流排水，以节约能源。

本发明一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统能够利用管内水头压力差或经过深井泵补偿的压力差实现自动排水，并在密封的立体排渗系统中保持一定的真空度，以达到节约能源的目的，该系统分为自流直排方式和虹吸排水方式。

当集水井5底部与同标高边坡坡面2水平距离较短(小于80m)时，在集水井5底部施工导水孔，导水孔坡度2～5％，并安装直排排水21管、单向阀或电动阀门20，集水井5内的水克服真空阻力后自流排出；当集水井5底部距边坡坡面2水平距离较远(大于80m)时，在集水井5底部安装深井泵12，当虹吸管15水量不足时，通过深井泵12补水，当虹吸管15正常运行时，深井泵12停止工作。

需要进行说明的是，本发明术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前”、“后”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的部件或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统以加速土体排渗、提高土质边坡整体稳定为目的，并已在某大型钒钛磁铁矿矿山冰碛土边坡排渗工程中得到应用，效果良好。应用结果表明，在同等条地质件下，相对于24m的原始水头差，出水量提高了15～25％，有效排除了弱渗透土层边坡地下水，保证了边坡的稳定性和采场的安全运行。

Claims (8)

1.一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统，所述的弱渗透土层边坡自上而下分别设有上一级平台(1)、集水井平台(3)、截排水平台(4)，其特征在于所述的组合排渗系统是由立体排渗系统、真空助排系统、虹吸/直排排水系统组合构成：

所述的立体排渗系统包括水平排渗花管(8)、竖向排渗花管(17)、集水井(5)，竖向排渗花管(17)位于上一级平台(1)内并自上而下穿过不同渗透性的弱透水层(7)、透水层(6)；所述的集水井(5)竖直设置在集水井平台(3)内；所述的水平排渗花管(8)按1～2％的坡度水平伸入到上一级平台(1)下面地层内，水平排渗花管(8)的上游与竖向排渗花管(17)下端处于同一地层，水平排渗花管(8)的下端与集水井(5)下部联通；所述的集水井(5)由井筒和集水井密封盖(9)组成；

所述的真空助排系统由真空泵(11)和真空抽气管(10)组成，真空泵(11)固定在集水井密封盖(11)上，真空抽气管(10)上端与真空泵(11)连接，真空抽气管(10)穿过集水井密封盖(9)，真空抽气管(10)下端伸入集水井(5)下部，真空助排系统保持集水井(5)内有设定水柱的真空度；

所述的虹吸/直排排水系统包含自流直排方式和虹吸排水两种方式：当采用自流直排方式时，其直排排水系统包括导水孔、直排排水管(21)，所述的导水孔位于集水井(5)底部靠近坡面(2)一侧，所述的直排排水管(21)位于集水井平台(3)下部的边坡体内，直排排水管(21)的进水口与导水孔连通，直排排水管(21)的出水段自坡面(2)向下至截排水平台(4)再向外延伸至导出位置；当采用虹吸排水方式时，其虹吸排水系统包括深井泵(12)、虹吸管(15)、虹吸补水管(13)，深井泵(12)安装在集水井(5)底部，虹吸管(15)的进水端沿集水井(5)内壁伸入到集水井(5)下部，在位于集水井密封盖(9)外部的虹吸管(15)上设有控制阀(14)，虹吸管(15)的出水段经集水井平台(3)、坡面(2)向下至截排水平台(4)再向外延伸至导出位置，深井泵(12)与虹吸补水管(13)的补水口相连，虹吸补水管(13)穿过集水井密封盖(9)再通过控制阀(14)与虹吸管(15)在集水井密封盖(9)附近连接。

2.如权利要求1所述的一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统，其特征在于：所述的导水孔坡度为2～5％，所述的直排排水管(21)上安装单向阀或电动阀门(20)，直排排水管(21)的入口距离水平排渗花管(8)的出口垂直距离不少于8m。

3.如权利要求2所述的一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统，其特征在于：集水井(5)总高度H1应小于集水井(5)的井口至直排排水管(21)/虹吸管(15)导出口的垂直高度H2，且两者垂直高度之差应大于15m。

4.如权利要求1、2或3所述的一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统，其特征在于：竖向排渗花管(17)管径不大于75mm，直排排水管(21)管径不大于90mm；虹吸管(15)长度由集水井(5)的井深和导出位置决定，但虹吸管(15)入口和导出口之间的高差由达到自流所需要的水头差确定，但不得小于15m。

5.如权利要求4所述的一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统，其特征在于：所述竖向排渗花管(17)采用开孔率不低于10％的钢管、工程塑料管或排渗盲沟材料，竖向排渗花管(17)的上端伸出地表，在距地表深2m范围内用密封胶或膨胀水泥浆密封构成竖向排渗管密封段(18)。

6.如权利要求5所述的一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统，其特征在于：所述的水平排渗花管(8)采用上半管开孔率不低于10％的钢管或工程塑料管，水平排渗花管(8)处于集水井(5)井壁段管的周围用结构胶或膨胀水泥浆进行密封。

7.如权利要求6所述的一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统，其特征在于：整个组合排渗系统的工作和转换均是在由传感器、单片机组成的自动控制系统下实现自动开启和关闭。

8.如权利要求7所述的一种适于弱渗透土层边坡排水的组合排渗系统，其特征在于：所述的虹吸管(15)位于集水井(5)内部分和穿过集水井密封盖(9)部分采用钢管或工程塑料管，且与集水井密封盖(9)密封连接。

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