虹吸式地下排水排涝性能研究

林杏传

（深圳市宝安排水有限公司,广东 深圳 518102）

1 引言

城市地下排水是解决洪水灾害和减轻洪涝压力的重要手段。城市地下排水系统可以提供更好地排水条件,利于降低洪涝对城市基础设施的损害[1]。且地表下排水系统具有占用土地少、便于维护等优点,是排除城市地表多余水、控制地下水位、减少地表径流的有效途径[2]。

然而,地下排水系统的流量是有限的。许多研究人员对排水能力的提高和地下水位的快速下降进行了研究。景升[3]比较了有无砾石沟槽的传统地下排水系统,结果表明,与传统地下排水系统相比,改进后的系统能更有效地提高流速,减少地表径流。吴显[4]等人通过室内实验发现,在完全饱和的细砂介质中,改良地下排水法比传统地下排水法具有更大的流量,并通过现场实验证实了这一研究成果。然而,这些方法在实际应用中通常成本高昂,操作繁琐。因此,为了提高传统地下排水系统的排水能力,有必要探索一种简单高效的新方法。目前,虹吸原理被广泛应用于排水领域,主要用于屋面排水、矿井排水、道路塌方排水、水库应急抢险以及其他排水工程[5]。随着进水口和出水口之间水头差的增加,排水效果也随之增加。然而,虹吸管尚未用于城市地下排水。因此,评估虹吸式地下排水的排水排涝效果非常重要。基于此,本文研究利用室内沙箱试验研究虹吸式地下排水的性能。在排水管（传统地下排水和改进型地下排水）的出口处连接了一根虹吸管,进一步研究虹吸管的不同地下排水措施的排水排涝性能。

2 虹吸式排水系统和试验材料设计

2.1 虹吸式地下排水系统

受土壤导水性的限制,地下排水的流量远低于明沟排水。在现有的地下排水工程中,为了获得较大的流量,在地下水位较高、易发生内涝灾害的地区,排水管道埋设较深。但也存在一些问题,如施工难度大、辅助设施多、造价相对较高等。浅层排水管可以缩短地表水的下渗路径,加速地表水的下渗。浅层排水管比深层排水管更容易接收地表渗透水,但其流量有限。虹吸排水是由入口和出口之间的水头差造成的。为了提高城市浅层排水的流量,提出了一种新的排水形式：使用虹吸管（称为虹吸式地下排水）。虹吸式浅层排水由浅层排水管和虹吸管两部分组成,只需在浅层排水管出口处安装虹吸管,降低出口标高,因此具有安装简单、成本低、易于提高现有浅层排水管排水能力等优点,其克服了浅层排水管流量小的缺点,利用了渗透路径小和水头差的优点,可以提高城市排涝除渍的效率。

2.2 室内测试

2.2.1 实验材料

本研究进行室内沙箱试验。根据渗流相似性原理,将排水管和排水深度缩小到1∶20 的比例。沙箱的净尺寸为50 cm×20 cm×30 cm（长×宽×高）。排水管直径为6.35 mm,孔均匀分布在管壁上,穿孔率为1.2%。试验土壤分为两种：一种是高渗透性砾石（直径为2 mm～4 mm 的石英砂）,铺设在砂罐底部,高度为4 cm；沿砂罐长度方向铺设直径为1cm 的开孔充填管,用于底部充水和排气。另一种土壤介质为80～120目石英砂,高度为22.5 cm,根据石英砂的体积密度逐层填充,以模拟城市土壤条件。使用石英砂是为了缩短试验时间,便于充水和排气,有效探索排水规律。在两种土壤的交界处直接铺上纱布,以避免上层土壤的流失。水通过底部的充水管逐渐注入,直到地下水位到达土壤表面。土壤饱和后,关闭底部注水管,将固定高度的水箱与上部注水管相连,以保持一定的积水高度。

2.2.2 实验设计

通过土壤表面的稳态积水和非稳态积水沉降,测试了虹吸式地下排水系统在土壤饱和状态下的性能。排水管布置在砂箱的一侧壁上,排水管间距（L）假定为常数。土壤为各向同性的均质介质。实验选择了三个因素。首先,选择了两种地下排水方式,即传统地下排水（CD）和改良地下排水（ID）。改进型地下排水采用两种过滤高度,1 cm 高的称为薄改进型地下排水（ID-1）,2 cm 高的称为厚改进型地下排水（ID-2）。由于管道位于砂缸侧壁,图1 中（b）和（c）所示的滤体采用了一半的底宽,即1 cm。第二,排水深度的选择。排水深度的选择主要考虑作物的耐涝深度和中国南方易涝地区的经济可行性。设定了三种排水深度方案：浅（2.5 cm）、中（4.0 cm）和深（5.5 cm）,分别对应50 cm、80 cm 和110 cm 的实际排水深度,用s、m 和d 表示。第三,选择出口标高,并将其分为两种情况：一种是非虹吸排水情况下的排水管出口标高,另一种是虹吸排水情况下的虹吸管出口标高。考虑到排水深度,虹吸管的设置是将浅层排水增加到中层排水和深层排水,中层排水增加到深层排水。图1 为常规、薄改良和厚改良地下排水系统的示意图。例如,s-ID-1 表示在浅层排水条件下无虹吸排水的薄改良地下排水,s-ID-1（d）表示在浅层排水条件下出口高程与深层排水一致时有虹吸排水的薄改良地下排水。

图1 常规和改进的地下排水系统示意图

3 结果与讨论

3.1 稳态积水情况下流量的影响

在稳态积水情况下,有无虹吸管的流量对比见图2。结果表明,与不带虹吸管的地下排水相比,在相同排水深度下,虹吸管可通过增加水头显著提高传统地下排水和改进地下排水的排水能力。对于传统的地下排水系统,在浅层排水系统下,虹吸管能比无虹吸管增加30.6%～60.4%的流量,在中层排水系统下,虹吸管能比无虹吸管增加27.1%的流量。对于薄改良地下排水系统,与浅层排水系统下的非虹吸管相比,虹吸管可使流量增加41.8%～89.8%,与中层排水系统下的非虹吸管相比,虹吸管可使流量增加50.5%。对于改进后的地表下排水系统,在中排水系统下,虹吸管可比非虹吸管增加39.3%的流量。

图2 流量变化

虹吸式地下排水系统可以缩短积水的渗透路径,从而在相同的出口高程下提高流量。与m-CD 和m-ID-1 相比,s-CD（m）和s-ID-1（m）的流量分别增加了 31.9%和16.7%。与d-CD 相比,s-CD（d）和m-CD（d）的流量分别提高了35.2%和19.6%。与d-ID-1 相比,s-ID-1（d）和 m-ID-1（d）的流量分别增加44.8%和23.3%。在厚改良地下排水系统中,m-ID-2（d）的流量比d-ID-2 高24.9%。

3.2 洪涝除涝效果

虹吸式地下排水对排涝和除涝的影响可以通过水头随时间的变化直观地表现出来（见图3）。将积水高度从2.0 cm降至0.0 cm 的时间定义为除涝时间,将地下水位从地表降至耕作层以下的时间定义为除涝时间。在传统的地下排水中,与s-CD 相比,s-CD（m）和s-CD（d）的排涝时间分别缩短10.3%和37.9%,排涝时间分别缩短25.0%和62.5%。与m-CD 相比,m-CD（d）可将淹水和除涝时间分别缩短15.2%和33.3%。对于薄层改良地下排水系统,与s-ID-1相比,s-ID-1（m）和s-ID-1（d）的排涝时间分别缩短了41.7%和57.9%。与m-ID-1 相比,m-ID-1（d）的排涝和除涝时间分别缩短了47.1%和 60.0%。与m-ID-2 相比,m-ID-2（d）可将淹水和除涝时间分别减少35.7%和30.0%。

图3 有无虹吸管的除涝效果

通常m-ID-2（d）消除洪水所花费的时间最少。当出水口高程与深排一致时,虹吸式暗排的除涝效果明显优于非虹吸式暗排水。由于有效地层内储存的土壤水分较少,虹吸改良地下排水的除涝时间略有差异。

4 结论

虹吸式地下排水可以提高传统地下排水和改良地下排水的流量。在相同排水深度下,虹吸管对流量的增加有明显效果,在相同出口标高下,虹吸管的流量明显高于非虹吸管。虹吸式地表下排水系统可大幅缩短排涝的排水时间。对于常规、薄改良地表下排水系统,虹吸式地表下排水系统可使排涝时间分别缩短10.3%～37.9%、41.7%～57.9%,排涝时间分别缩短25.0%～62.5%、40.0%～60.0%。虹吸式地下排水具有占用土地少、开挖深度浅、排水效果好、施工方便等优点。在减少土地开挖、提高地下排水效率的前提下,虹吸式地下排水对于易涝地区的排涝除渍和农田排水改造具有很好的应用和推广价值。