大多數(shù)滑坡災(zāi)害是由于降雨引起坡體地下水位上升而誘發(fā)的，特別是堆積層邊坡，其穩(wěn)定性與地下水位變化關(guān)系極為密切。降雨引起坡體地下水位上升是一個(gè)累積的過(guò)程，單次強(qiáng)降雨過(guò)程一般不會(huì)導(dǎo)致坡體地下水位大幅上升。但當(dāng)有前期降雨積累時(shí)，邊坡巖土飽和度高，此時(shí)的強(qiáng)降雨過(guò)程會(huì)快速抬升坡體的地下水位，引起滑坡發(fā)生。如果能夠適應(yīng)坡體地下水位變化，及時(shí)排出坡體地下水，就能有效防止滑坡災(zāi)害發(fā)生。
虹吸排水具有免動(dòng)力實(shí)現(xiàn)水體的高效跨越輸送特征，流量和流動(dòng)過(guò)程由液位變化自動(dòng)控制，這些物理特性非常適合坡體地下水位控制的需要，理所當(dāng)然地受到人們的關(guān)注。
邊坡排水是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，需要保持虹吸過(guò)程長(zhǎng)期有效，一旦出現(xiàn)虹吸過(guò)程破壞，對(duì)于分散在邊坡環(huán)境中的虹吸排水孔，受交通條件等因素制約，人工恢復(fù)虹吸過(guò)程在管理維護(hù)上十分困難。大量滑坡的滑體厚度較大，為實(shí)現(xiàn)較大的地下水位降深，需要高揚(yáng)程虹吸，而降雨的間歇性使邊坡虹吸排水的過(guò)程也是間歇性，目前應(yīng)用的虹吸技術(shù)在邊坡高揚(yáng)程間歇性排水過(guò)程中，均易出現(xiàn)無(wú)法自動(dòng)恢復(fù)的虹吸過(guò)程中斷問(wèn)題。解決高揚(yáng)程間歇虹吸排水長(zhǎng)期有效保證條件，是邊坡虹吸排水技術(shù)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。
１. 虹吸過(guò)程氣泡形成特點(diǎn)的模型實(shí)驗(yàn)
當(dāng)虹吸管中出現(xiàn)空氣積累就會(huì)導(dǎo)致虹吸過(guò)程中斷，要保障虹吸過(guò)程長(zhǎng)期有效，首先要認(rèn)識(shí)虹吸管中出現(xiàn)空氣積累的原因。事實(shí)上，在虹吸過(guò)程中出現(xiàn)釋出空氣是必然的物理現(xiàn)象，因?yàn)樗腥芙庥锌諝�。定溫下，空氣在液體中的溶解度ｓａ與該氣體在液面上的平衡分壓ｐａ 成正比，其定量關(guān)系可由亨利定律描述：
ｓａ ＝ｐａ／Ｋ 。
其中，Ｋ 為亨利常數(shù)，與溫度、壓力等相關(guān)。
虹吸管水流上升運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，隨著上升高度的增加，管內(nèi)水的壓力ｐａ逐漸減小，從而使氣體在液體中的溶解度ｓａ 降低，必然引起溶解于水中的空氣因壓力降低而釋出形成氣泡。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
１）以進(jìn)水管的水面為基準(zhǔn)，距基準(zhǔn)面垂直高度３．５ｍ處，虹吸管內(nèi)開(kāi)始明顯有氣泡產(chǎn)生，且數(shù)量較多，直徑小，最大直徑小于０．５ｍｍ。
２）隨距基準(zhǔn)面垂直高度的增加，氣泡數(shù)量也快速增加，到距基準(zhǔn)面垂直高度５．４ｍ 處，看到氣泡呈現(xiàn)成串現(xiàn)象，氣泡的最大直徑達(dá)到１ｍｍ；隨虹吸高度位置的進(jìn)一步提高，氣泡數(shù)量也進(jìn)一步增加，到虹吸頂點(diǎn)７．３５ｍ 附近，氣泡成串為普遍現(xiàn)象，但氣泡的最大直徑仍不超過(guò)１ｍｍ。
３）經(jīng)過(guò)虹吸頂點(diǎn)后，虹吸管中的水流由上升轉(zhuǎn)為下降，氣泡的浮力方向與水流方向相反，氣泡隨著水流繼續(xù)流動(dòng)的同時(shí)，其上浮力導(dǎo)致氣泡相對(duì)于水流出現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)；在經(jīng)過(guò)虹吸頂點(diǎn)后的０．２ｍ長(zhǎng)度管段內(nèi)，氣泡發(fā)生強(qiáng)烈的兼并，氣泡數(shù)量減少，單個(gè)氣泡體積增大，并且由于大氣泡受水流的推動(dòng)作用大于小氣泡，出現(xiàn)氣泡的分段集中分布現(xiàn)象（圖２），每個(gè)較大氣泡的前端，集中分布大量小氣泡；經(jīng)過(guò)虹吸頂點(diǎn)０．３ｍ 長(zhǎng)度管段后，最大氣泡直徑可達(dá)４ｍｍ。
４）經(jīng)過(guò)虹吸頂點(diǎn)１ｍ長(zhǎng)度管段后，絕大多數(shù)小氣泡就只分布在大氣泡的前端，單獨(dú)分布的直徑小于２ｍｍ的氣泡極少。５）大量氣泡 兼 并 后，一般單個(gè)氣泡的直徑為 ３～５ｍｍ，它們以非均勻間隔（一般為０．３～０．８ｍ）分布于虹吸管內(nèi)，在隨水流動(dòng)過(guò)程中進(jìn)一步兼并，最后形成占滿(mǎn)整個(gè)虹吸管（８ｍｍ）的空氣段，并在水頭壓力差推動(dòng)下隨水流一起運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步兼并前方較小的氣泡，在管內(nèi)形成更長(zhǎng)的空氣段，最終流出虹吸管或停留在管內(nèi)并上升到虹吸管頂點(diǎn)附近集聚。
２. 虹吸出水管段氣泡運(yùn)動(dòng)速度影響因素
經(jīng)過(guò)虹吸管頂點(diǎn)以后，由于氣泡的上浮力方向與水流方向相反，氣泡在隨著水流向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還因?yàn)樽陨淼纳细×ψ饔卯a(chǎn)生與水流方向相反的向上相對(duì)運(yùn)動(dòng)。已有研究［１０］表明，在１～５ｍｍ直徑區(qū)間的氣泡上浮速度隨體積的增大而增大；因此，小氣泡沿虹吸管隨水流向下運(yùn)動(dòng)的速度小于大氣泡，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中小氣泡有被相對(duì)快速運(yùn)動(dòng)的大氣泡追上的趨勢(shì)。
對(duì)于虹吸管流，引起氣泡運(yùn)動(dòng)速度差異更重要的因素，還在于不同大小氣泡受到的水流推力的差異。管中氣泡的受力特征如圖３所示，包括氣泡的上浮力ｆａ、水流Ｑ在氣泡上下水頭損失引起的壓力差 Δｐ 及其沿氣泡和管壁間流動(dòng)引起的切應(yīng)力τ。考慮層流的情況，τ可用牛頓內(nèi)摩擦定律表達(dá)：
式中：μ 為動(dòng)力黏度；ｕ 為流速；ｙ 為垂直管壁的距離。
根據(jù)管道流的一致性，各管段截面的流量相同。因此，氣泡越大，氣泡所在截面的過(guò)水?dāng)嗝婢驮叫�，相�?yīng)的流速ｕ就越大。假設(shè)實(shí)驗(yàn)采用的直徑８ｍｍ虹吸管的平均水流為ｕ０，則２ｍｍ 直徑氣泡占據(jù)虹吸管１／１６的截面積后的平均流速為１．０７ｕ０，４ｍｍ直徑氣泡占據(jù)虹吸管１／４的截面積后的平均流速為１．３３ｕ０。顯然，對(duì)于所研究的虹吸管流，氣泡的直徑和虹吸管徑處于同一數(shù)量級(jí)，大氣泡占虹吸管截面積較大，受水流的推動(dòng)作用十分顯著。
試驗(yàn)觀察中清晰可見(jiàn)，氣泡占管徑的比例越大，氣泡就越能隨水流一起接近同步運(yùn)動(dòng)，直至氣泡直徑達(dá)到虹吸管的內(nèi)徑，就基本隨水流同步運(yùn)動(dòng)，其上浮力完全成為水流的阻力。
受壓力變化的影響，氣泡沿虹吸管向下流動(dòng)的過(guò)程中，體積逐漸減小，相應(yīng)的向下運(yùn)動(dòng)速度也逐漸減小。如圖４所示，假定Ｚ１高度處有一直徑為６ｍｍ 的氣泡在隨水流向下移動(dòng)的過(guò)程中，一方面因?yàn)閴毫υ黾佣箽馀莸捏w積減小，另一方面又因?yàn)榕c其他氣泡兼并而使其體積增大。氣泡在低壓力區(qū)域形成后，隨管內(nèi)的水流向下流動(dòng)，由于氣泡的體積（Ｖ）與氣壓相關(guān)，有
Ｖ１ｐ１ ＝Ｖ２ｐ２。
以０平面為基點(diǎn)，假設(shè)氣泡高度Ｚ１＝６ｍ，Ｚ２＝２ｍ，則壓力ｐ１≈４０ｋＰａ，ｐ２≈８０ｋＰａ。氣泡從Ｚ１流動(dòng)到Ｚ２，將使氣泡的體積減小到一半。也就是說(shuō)，一個(gè)直徑４ｍｍ 的氣泡從Ｚ１ 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到Ｚ２ 點(diǎn)后，其直徑減小到約３．２ｍｍ。隨著氣泡直徑的減小，運(yùn)動(dòng)速度也相應(yīng)降低，容易被后來(lái)的大氣泡追上，并發(fā)生兼并。
３.虹吸管內(nèi)氣泡的兼并與積累
邊坡地下水位受降雨影響，干旱季節(jié)的地下水位可能很低，此時(shí)坡體沒(méi)有地下水需要通過(guò)虹吸排出，所安裝的虹吸排水系統(tǒng)處于停止工作狀態(tài)。當(dāng)下次降雨過(guò)程發(fā)生時(shí)，降雨入滲引起坡體地下水位上升，需要虹吸排水系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)恢復(fù)工作狀態(tài)。即邊坡虹吸排水系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)間歇性虹吸的持續(xù)性不被破壞，實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)不僅需要虹吸管具有密封性和進(jìn)出水管內(nèi)始終有滿(mǎn)管水面，而且需要虹吸過(guò)程形成的氣泡不發(fā)生積累。以往研究中對(duì)前者探討較多，但對(duì)虹吸管內(nèi)空氣積累問(wèn)題缺乏研究。
經(jīng)過(guò)虹吸管頂點(diǎn)后，氣泡隨水流向下流動(dòng)過(guò)程中進(jìn)一步兼并，形成水彈和氣泡相間的彈狀流。圖５所示為虹吸揚(yáng)程７．７ｍ、虹吸管直徑４ｍｍ的氣泡兼并運(yùn)動(dòng)觀察結(jié)果。當(dāng)大�。矀�(gè)氣泡與水流一起向下流動(dòng)時(shí)，氣泡受到水流推力和氣泡上浮力的共同作用。因大氣泡基本占據(jù)虹吸管斷面，受到強(qiáng)烈的水流推力作用，實(shí)驗(yàn)觀察到如圖５ａ所示的結(jié)果：從ｔ１到ｔ２ 時(shí)刻，接近虹吸管直徑的大氣泡的流動(dòng)距離Δｈ１ 大于小氣泡的流動(dòng)距離 Δｈ２。２個(gè)氣泡經(jīng)歷一段時(shí)間運(yùn)動(dòng)后出現(xiàn)圖５ｂ所示的結(jié)果，２個(gè)氣泡兼并形成更大的氣泡。這一大氣泡又會(huì)與前方的小氣泡兼并，最后形成占滿(mǎn)管徑的氣泡段（圖５ｃ）。
氣泡兼并過(guò)程發(fā)展的最后結(jié)果是在虹吸管內(nèi)形成氣泡和水彈的間隔分布，此時(shí)由于氣泡占據(jù)了整個(gè)虹吸管斷面，氣泡的表面張力能夠維持氣泡形態(tài)的穩(wěn)定，水流基本無(wú)法從氣泡邊緣通過(guò)，成為彈狀流（圖５ｄ）。穩(wěn)定彈狀流的水彈能夠推動(dòng)氣泡同步運(yùn)動(dòng)，氣泡最終與虹吸水流一起排出而不會(huì)在虹吸管內(nèi)積累。因此，確保虹吸管能夠形成穩(wěn)定的彈狀流是保障虹吸管不產(chǎn)生空氣積累的條件。
對(duì)垂直向上流動(dòng)的彈狀流已有較多的研究，存在２種類(lèi)型：穩(wěn)定的長(zhǎng)液彈及發(fā)展中的短液彈。許多研究者在液彈長(zhǎng)度方面做了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究，得出垂直上升流動(dòng)中最小穩(wěn)定液彈長(zhǎng)度為８ｄ～２５ｄ（ｄ為管徑）［１１］。但在靜態(tài)環(huán)境中，需要的穩(wěn)定液彈長(zhǎng)度還會(huì)更長(zhǎng)，Ｔａｌｖｙ等［１２］利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)相鄰２個(gè) Ｔａｙｌｏｒ氣泡在靜止液體中上升運(yùn)動(dòng)的相互作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)液彈長(zhǎng)度５０ｄ時(shí)，還存在氣泡合并現(xiàn)象，液彈長(zhǎng)度還沒(méi)有穩(wěn)定下來(lái)�？梢酝茰y(cè)，在垂直下降流中，因浮力方向與水流方向相反，形成穩(wěn)定彈狀流將更困難。
４. 穩(wěn)定彈狀流的管徑條件
當(dāng)坡體地下水位高形成虹吸的水頭差較大時(shí)，管內(nèi)流速較大，水彈容易推動(dòng)氣泡繼續(xù)向前流動(dòng)，并使氣泡從出水口排出。虹吸流速越大，氣泡發(fā)生積累作用就越小。對(duì)于邊坡工程，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間虹吸排水后，坡體地下水位下降，虹吸流速極其緩慢；此時(shí)能否由水彈將氣泡穩(wěn)定地封存在虹吸管中，確保氣泡和水流同步流動(dòng)，是虹吸管內(nèi)不發(fā)生空氣積累的基礎(chǔ)條件。如果水彈不能推動(dòng)氣泡同步向前流動(dòng)，氣泡因浮力作用逐漸向虹吸管頂點(diǎn)附近集中，最后將破壞虹吸過(guò)程。
為了揭示垂直向下穩(wěn)定彈狀流的形成條件，進(jìn)行了虹吸揚(yáng)程３．５ｍ不同管徑的虹吸試驗(yàn)。取圖４所示的虹吸形式，分別取虹吸管直徑 ３、４、５ 和 ８ｍｍ。保持水桶 Ａ 的水位高于水桶 Ｂ。根據(jù)伯努利方程可知，管內(nèi)流速與水頭差成正比。為了便于量測(cè)，試驗(yàn)中取水頭差ΔｈＡＢ作為測(cè)量參數(shù)。
８ｍｍ直徑虹吸管試驗(yàn)開(kāi)始的水頭差取為２０ｃｍ，利用虹吸作用使水桶Ａ 的水逐漸流入水桶 Ｂ， ΔｈＡＢ逐漸減小。在開(kāi)始階段 ΔｈＡＢ較大，虹吸流速較快，盡管虹吸管中產(chǎn)生微小氣泡，但由于小氣泡的上升速度較慢，它們均受水流推動(dòng)進(jìn)入到水桶Ｂ中，氣泡不在 虹吸 管 內(nèi)積 累；隨著虹吸過(guò)程的發(fā)展，ΔｈＡＢ下降到１０ｃｍ 后，可見(jiàn)大量小氣泡在出水管內(nèi)停留，并在虹吸管頂點(diǎn)附近出現(xiàn)一個(gè)直徑約３ｍｍ的大氣泡；ΔｈＡＢ降到８ｃｍ后，虹吸管頂點(diǎn)附近出現(xiàn)的大氣泡已經(jīng)基本占滿(mǎn)整個(gè)虹吸管，并受水流推動(dòng)緩慢下移；當(dāng)其接近到達(dá)水桶 Ｂ 時(shí)，ΔｈＡＢ下降到５ｃｍ，虹吸過(guò)程繼續(xù)，但氣泡停止下移，并在經(jīng)歷短暫的停留后，在浮力作用下反水流方向緩慢上升，氣泡呈彈狀，長(zhǎng)約４ｃｍ；ΔｈＡＢ下降到４ｃｍ后，氣泡上升速度明顯加快，不同直徑的氣泡逐漸在虹吸管頂點(diǎn)附近集聚；保持 ΔｈＡＢ為４ｃｍ，虹吸管頂點(diǎn)附近的氣泡長(zhǎng)度隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，變化過(guò)程見(jiàn)圖６，氣泡長(zhǎng)度（ｌ）隨時(shí)間（ｔ）近于線(xiàn)性增長(zhǎng)；之后不再保持 ΔｈＡＢ，使其在虹吸過(guò)程中逐漸接近于０，虹吸水流最后停止；再經(jīng)歷２４ｈ后，虹吸管內(nèi)所有氣泡全部上升到虹吸管的頂點(diǎn)附近，氣泡段長(zhǎng)度達(dá)到了３０ｃｍ。由此可見(jiàn)，當(dāng)虹吸管直徑達(dá)到８ｍｍ時(shí)，在低水頭差的邊坡虹吸排水過(guò)程中，會(huì)發(fā)生管內(nèi)氣泡的積累，無(wú)法形成穩(wěn)定的彈狀流，最終將破壞虹吸過(guò)程。
以往的研究［１１－１２］結(jié)果表明，能否形成穩(wěn)定的彈狀流與管徑有關(guān)。為了考察這種關(guān)系，開(kāi)展了３、４和５ｍｍ管徑的間歇性虹吸試驗(yàn)。為保持試驗(yàn)條件的一致性，將４根虹吸管捆在一起，一端放入水桶Ａ，另一端放入水桶 Ｂ中。試驗(yàn)開(kāi)始的水頭差取２０ｃｍ，利用虹吸作用使水桶 Ａ 的水逐漸流入水桶Ｂ中，使 ΔｈＡＢ逐漸減小到接近０。在第１天每間隔１～２ｈ從水桶Ｂ舀水到水桶 Ａ，使ΔｈＡＢ出現(xiàn)４ｃｍ 左右的水頭差，反復(fù)該過(guò)程。觀察虹吸管氣泡分布情況。經(jīng)歷８ｈ后，３、４和５ｍｍ虹吸管均在虹吸頂點(diǎn)附近出現(xiàn)集中的氣泡，但集聚的氣泡長(zhǎng)度不同，分別為２．５、４．０和５．０ｃｍ。也就是說(shuō)，虹吸管頂點(diǎn)附近氣泡的集聚速度與管徑成正比。此時(shí)在３ｍｍ和４ｍｍ 虹吸管中，其他部位還可以看到氣泡分布，而５ｍｍ 虹吸管的氣泡則全部分布在頂部。在繼續(xù)實(shí)驗(yàn)到第５天，３、４和５ｍｍ 虹吸管在虹吸頂點(diǎn)附近出現(xiàn)的氣泡長(zhǎng)度不同，分別為４．５、７．５和１０ｃｍ，３ｍｍ和４ｍｍ 虹吸管的其他部位仍有氣泡分布，但５ｍｍ 虹吸管僅在頂部有氣泡。其后經(jīng)歷３０ｄ停止虹吸流動(dòng)過(guò)程后，３、４和５ｍｍ 虹吸管頂部的氣泡長(zhǎng)度不同，分別為８、１５和１８ｃｍ，且３ｍｍ和４ｍｍ虹吸管的其他部位仍有占滿(mǎn)管徑封閉的氣泡分布。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：當(dāng)虹吸管的直徑大于等于５ｍｍ時(shí)，在低水頭差的緩慢虹吸條件下，不能形成穩(wěn)定的垂直向下彈狀流，氣泡會(huì)集中分布到虹吸管的頂部；當(dāng)虹吸管的直徑小于等于４ｍｍ 時(shí)，可以形成基本穩(wěn)定的彈狀流，雖然虹吸管頂部壓力小，虹吸管內(nèi)未占滿(mǎn)管徑的氣泡全部集中到頂部，但先前形成的已經(jīng)占滿(mǎn)管徑的氣泡，受水彈封閉能穩(wěn)定存在。
在邊坡虹吸排水實(shí)踐中，需要選擇適當(dāng)?shù)暮缥苤睆�，才能保持虹吸過(guò)程長(zhǎng)期有效。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)虹吸管的直徑大于等于５ｍｍ時(shí)，在低水頭差的緩慢虹吸條件下，會(huì)發(fā)生氣泡集中到虹吸管頂部的作用，而且這種作用是隨管徑的增大而加強(qiáng)。另一方面虹吸管直徑過(guò)小，排水的效率就低。綜合考慮空氣積累條件和排水效率，考慮到５ｍｍ管徑條件下空氣積累的程度仍然很低，對(duì)于經(jīng)常性降雨并且坡體地下水豐富的地區(qū)，可選用直徑為５ｍｍ的虹吸管；但對(duì)于非經(jīng)常性降雨的地區(qū)，為保持虹吸過(guò)程的長(zhǎng)期有效，應(yīng)選擇小于等于４ｍｍ的虹吸管。
５. 結(jié)論
邊坡虹吸排水是處于探索應(yīng)用階段的新技術(shù)。基于廣義達(dá)西定律與滲流場(chǎng)分析的基本原理，將“以管代孔”法與解析單元法相結(jié)合，提出針對(duì)虹吸排水系統(tǒng)的數(shù)值模擬方法。
１）虹吸排水具有免動(dòng)力和流動(dòng)過(guò)程由液位變化自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)，其物理特性非常適合邊坡排水的需要。但因虹吸管頂部附近處于近真空狀態(tài)，溶解于水中的空氣會(huì)釋出形成氣泡，如果發(fā)生管內(nèi)空氣積累，虹吸過(guò)程就可能被破壞。
２）虹吸進(jìn)水管距水面以上垂直高度３．５ｍ處就出現(xiàn)明顯的氣泡，垂直高度５．４ｍ 處就出現(xiàn)成串氣泡，它們經(jīng)過(guò)虹吸管頂點(diǎn)后，因氣泡浮力方向與水流方向相反，管內(nèi)氣泡會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的兼并形成大氣泡，并在隨著水流向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還因?yàn)樽陨淼纳细×ψ饔卯a(chǎn)生與水流方向相反的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
在極其緩慢的虹吸流動(dòng)條件下，當(dāng)虹吸管直徑大于４ｍｍ 時(shí)，在出水管段不能形成穩(wěn)定的彈狀流，會(huì)發(fā)生管內(nèi)氣泡的積累。因此，為保持邊坡虹吸過(guò)程長(zhǎng)期有效，除非坡體地下水豐富需要大直徑虹吸管以滿(mǎn)足大排水量要求外，一般邊坡排水應(yīng)選擇小于等于４ｍｍ的虹吸管。
