排水措施在黄河中的实用性

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现用的排水措施按照排水方向可分为竖向排水和横向排水，在实际工程中常结合使用，竖向排水竖向排水根据排水方向不同，可以分为向上排水和向下排水两种方式，两者的排水工程措施基本相同。经分析发现，竖向排水体的种类主要有竖井和塑料排水带两大类[4,6]。竖井竖井现多用于土地的降渍工程和地基固结工程中，并且已经取得了良好的效果[5-8]。竖井包括集水井和排水井两种。集水井是用以汇集和存蓄地下水的水井，排水井主要用于将水抽出，多建于充填区域之外的土体中，一般是在集水井底部连接导水管，将水汇集到排水井，集中抽取排水。其中，用于汇水的竖井种类主要是普通砂井，袋装砂井等[5]。井间距、排水现状、水文地质条件和抽水条件等是影响井群布置的因素，其中井间距是井群布置的核心[6]。集水井存在一定的影响范围，在良好条件下外延控制范围概化为圆形，井群基本布置方式有梅花形、矩形、三角形等多种形式，其中梅花形较佳[7]。每个条块内部可以根据集水井影响半径布置集水井。考虑到施工区域一般为矩形，所以图1中的两种梅花布置方式是比较适合的布设形式。当单井的排水量较小时，可采用联井的办法，利用暗管将集水井连通起来[8]。根据暗管中集水量大小，在充填区域外或每个充填条块的交叉处设置一个抽水井，集中排水。竖井能快速排出充填泥沙的水分，并集中抽排，提高了水资源的再利用率，并且在充填区域形成耕地后能继续使用，起到控制地下水位，防止由于引黄灌溉引发的土壤次生盐碱化问题，储存雨水和灌溉水，建立潜水淡化水层等作用[5-8]。但是在沉陷的深积水区域，建立竖井的方式和时机是一个难题，制约了竖井的应用。并且竖井在地面高程低、总排水出路不畅、土壤透水性差的条件下并不实用，竖井一般投资较高，并且后期需要持续管理维护，经济上可能是不合理的。塑料排水带塑料排水带又称塑料排水板，由塑料制成的排水芯带外包土工织物滤膜组成，多用于软土地基的快速排水工程，将其打入地中，人为的在软土层内造成渗水通道[9]。塑料排水带现已在围垦、围海造陆、码头建筑、高速公路、铁路、机场、港口等工程中的软基处理项目中具有广泛应用[4]。塑料排水板通常与砂垫层联合使用，砂垫层作为横向排水体，用插板机等机械插入软土地基中，在上部预压荷载作用下，空隙水由塑料排水板排到上部的砂垫层中，然后集中排出，加速软基固结，属于向上排水[10]。塑料排水板可按等边三角形、梅花形、正方形布置[10,11]，间距根据实地情况进行选择。在黄河泥沙的排水处理中可用A型的排水带，用于深度在0~15m内的软土地基竖向排水。可以选用排水管铺设在充填区域的底部，代替砂垫层作为横向排水体，并且由重力作用改为向下排水方式，考虑到黄河泥沙的含水量较高，并且充填区域后期作为耕地使用时，不可在充填泥沙上方铺设较厚的砂垫层，故不能承受插板机等机械。此时，我们可以在充填前进行对排水带预处理，在充填过程中慢慢铺设起来，充填完成后不需要插板机等进行后期施工。也可以将排水带作为横向排水设施，在充填过程中逐层铺设，形成横向排水通道[12]，但要保证铺设区域相对平整，并且具有一定坡度以便塑料排水带排水顺利。为了确保排水效果，在各分区周边设置排水沟，排水沟深度低于初始充填面，排水沟每隔一定距离设一个集水井，确保不间断抽水。塑料排水带具有滤水性好、排水效率高、施工简单、对周围土层扰动较小、速度快、工期短、造价低、能在超软弱地基上施工等优点，具有一定的强度和延伸率，韧性好，不易折断，在可能压缩成S形后仍能保持正常通水[9-12]。但是，排水带存在一定的应用局限性，迎水面直接为无纺布，无大面积骨架支撑，随着充填土中孔隙水的不断排出以及土的固结程度的提高，导致有效排水断面不断缩小，充填土中孔隙水无法顺利排出。而且，充填黄河泥沙含水量较高，承重能力低，造成充填完成后插板机施工困难，并且在施工过程中会造成土壤压实，不利于以后的农作物耕种。明沟明沟是人工或机械在地面开挖沟道以排除地表积水、土壤中多余水分和过高的地下水的排水技术措施[13-15]。在改良盐碱地、农田水利和降低地下水位等方面有广泛的应用。排水明沟的深度和间距需要根据实地情况而定，但明沟的深度要低于排水设计要求的水位。

间距是指两排水沟中心线之间的距离，在排水能力范围之内跟深度成正比[15]。明沟按照排水范围和作用分为干、支、斗、农四级固定沟道和田块内临时性的或固定式的排水毛沟，垂直和平行于潜水流向构成排水网[13]，用于直接汇集地表水、排泄雨水、灌溉退泄水和控制地下水位。在充填区域划分条块的四周可以修筑明沟排水，明沟也可以与其他排水措施联合使用，将充填条块内竖井或排水板汇集的水由排水管集中到明沟中排出。当单条明沟排出的水较少时，可以在明沟交汇处修筑集水井，集水井的高程要比明沟底高程低，要保证足够的汇水量，满足水泵的抽水要求[14]。在充填区域内可以修筑一些密且浅的小型排水沟，加快土体的上部排水。明沟排水所用设备简单、排水方便、应用广泛、造价低廉，能有效排除田间积水，并且能降低影响带内的潜水位。但由于深度和间距限制，使得明沟对地下水位的降幅和影响范围都不大。并且大量开挖明沟增大成本，占用耕地多，运行管理费用高，影响交通方便。而且由于水流的作用，在运行过程中会造成明沟边坡失稳和沟底坑洼不平。暗管暗管排水技术在世界上许多国家的防止灌溉土地盐碱化、控制地下水位和改良中低产田等方面得到广泛应用，暗管排水正逐渐取代明沟排水方式；随着科学技术的发展，波纹塑料管已经取代粘土瓦管和混凝土管成为主要使用的排水管材[21]。暗管根据其作用可分为田间吸水管和集水管两类[22]，吸水管用以直接排除土壤中多余的水分，降低地下水位，集水管则汇集由吸水管排除的地下水，输送到排水明沟或集水井中去[17,18]。暗管排水可采用明暗结合的方式[19]，将暗管排出的水汇集到明沟或集水井进行排出。暗管在平坦地区宜等间距布设[16]。暗管铺设坡度不要太大，能满足自流排水并且排水流速不大为佳。暗管的排水口不易过低，且需要用草袋或沙袋保护，防止发生堵塞影响排水[20]。暗管管径大小应在自由流的状态下满足设计流量[16]，需要有多个指标综合考虑。暗管的埋深根据不同的应用以作物根深或潜水临界深度为主要依据，暗管间距受埋深、土壤渗透系数和排水强度而定[22]。暗管铺设时需要在排水管外包过滤材料，现在多用土工织物。还需要在暗管中装满中沙，支撑暗管[20]，避免暗管被压坏，影响排水通畅等，还可以减少泥土进入管道，造成管道的堵塞。适宜埋深的暗管在充填区域复垦为耕地后，具有有效控制地下水位、防止灌溉引起土壤盐碱化、改良土壤的物理性质、增加土壤肥力等作用[22]。所以，在充填过程中，可以埋设一定深度的暗管，既可以达到快速沉沙排水，还可以为了以后恢复耕地的耕作提供服务。排水暗管铺设在地下，具有不影响土地耕种和交通、排水效果较好、能有效控制地下水位、维护费用少等优点，并且波纹塑料管重量轻、强度高、柔性好、易于运输和施工、成本低和易于保证施工质量等，使得暗管排水深受欢迎。但是随着运行时间增加，会出现淤堵现象，甚至导致暗管无法使用，而且暗管在地下导致不易修护等缺点。盲沟盲沟又称暗渠或暗沟[24]，在土木、水利、矿山等方面有广泛的应用，能有效的排出地下水、降低地下水位，减少缝隙水，提高土体的承载能力。随着科学技术的发展，新型的土工合成材料塑料盲沟逐渐取代传统盲沟，克服了传统盲沟表面开孔率低、空隙率低、耐压耐用性能差、不方便施工等缺点，应用范围不断增大。塑料盲沟是由塑料芯体外包土工布滤膜构成。目前国内生产的塑料盲沟芯体主要有矩形、中空矩形、圆形、中空圆形、多孔圆形等多种结构形式[24]，可以根据实际工程中排水和耐压等要求选用适合的形式。塑料盲沟可根据充填区域划分小单元轮廓布置管网，根据实际排水要求选择合适的间距和铺设深度。在塑料盲沟的交汇处可布设竖井，集中排出盲沟集水[23]，也可以和明沟结合排水。

塑料盲沟具有表面开孔率大、吸水性强、集水性好、孔隙率大、柔韧性好、抗压抗老化、经久耐用、重量轻等优点，降低了施工的复杂度，提高了施工效率。但是随着使用时间的增长，塑料盲沟的排水量会下降，可能会发生堵管等情况，并且盲沟铺设在地下造成维修不便。临时排水管临时排水管多用于土地利用目标不明确的围垦工程中，一般在围垦工程中作为穿堤结构形成临时性的排水口，常与集水井联合用于围垦区内水位控制[25,26]。此时应注意排水管的力学性质，尽量避免在充填土壤排水下沉过程中的断裂损坏。当充填区域没有积水或积水较浅时，首先根据分区修筑围堰建筑，围堰建筑应坚实牢固，防止决堤、溃堤。按照设计要求，在围堰建筑修筑过程中加入若干排水管，形成排水口，并随着工程进度的推进，不断调整加高围堰和排水口[2]。泥沙不断充填，沉陷区中原有的积水和泥沙沉淀出的水一起由排水口排出。碎石垫层碎石垫层经常与塑料排水带结合使用，多用于滩涂围垦和软基处理等工程中[9]。在施工处理区域的表面要求抛填一层较厚的碎石垫层，提高土体的承载能力，为塑料排水带的施工提供条件[12]，也作为塑料排水带的横向排水体。要求铺设范围不小于塑料排水带的施工范围，厚度根据实际情况而定，碎石的顶面要相对平整。进行铺设的碎石要求质地坚硬，并且对其体积、粒径、含泥量等也有严格要求。

经比较可以看出，竖井和塑料排水带都是可用作充填区域的竖向排水设施，但考虑到现场的积水和泥沙排水后的变形沉降等，选用排水带比较好。盲沟、暗管、明沟、临时排水管作为水平排水体各有利弊，可以根据实际情况，多种措施结合使用，提高排水效率。为了确保排水效果，竖向排水体与水平排水体应构成一个完整的排水体系，并且应借助排水沟和集水井等将场地中的水及时排出，加快排水过程。在某些地区的湖泥充填排水中，采取在复垦小区中修筑互相交错小田埂，使充填的泥浆流经的路线尽可能长，便于淤泥充分沉淀的方法，在黄河泥沙充填排水中也可借鉴。

作者：邵芳 王培俊 李恩来 蒋知栋 乔志勇 刘东文 陈亚凯 单位：中国矿业大学（北京）土地复垦与生态重建研究所