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累積的過程，單次強降雨過程一般不會導(dǎo)致坡體地下水位大幅上升。但當(dāng)有前期降雨積累時，邊坡巖土飽和度高，此時的強降雨過程會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。
虹吸排水具有免動力實現(xiàn)水體的高效跨越輸送特征，流量和流動過程由液位變化自動控制，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。
邊坡排水是一個長期的過程，需要保持虹吸過程長期有效，一旦出現(xiàn)虹吸過程破壞，對于分散在邊坡環(huán)境中的虹吸排水孔，受交通條件等因素制約，人工恢復(fù)虹吸過程在管理維護上十分困難。大量滑坡的滑體厚度較大，為實現(xiàn)較大的地下水位降深，需要高揚程虹吸，而降雨的間歇性使邊坡虹吸排水的過程也是間歇性，目前應(yīng)用的虹吸技術(shù)在邊坡高揚程間歇性排水過程中，均易出現(xiàn)無法自動恢復(fù)的虹吸過程中斷問題。解決高揚程間歇虹吸排水長期有效保證條件，是邊坡虹吸排水技術(shù)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。
１. 虹吸過程氣泡形成特點的模型實驗
當(dāng)虹吸管中出現(xiàn)空氣積累就會導(dǎo)致虹吸過程中斷，要保障虹吸過程長期有效，首先要認識虹吸管中出現(xiàn)空氣積累的原因。事實上，在虹吸過程中出現(xiàn)釋出空氣是必然的物理現(xiàn)象，因為水中溶解有空氣。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)。
虹吸管水流上升運動過程中，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。
實驗結(jié)果表明：
１）以進水管的水面為基準，距基準面垂直高度３．５ｍ處，虹吸管內(nèi)開始明顯有氣泡產(chǎn)生，且數(shù)量較多，直徑小，最大直徑小于０．５ｍｍ。
２）隨距基準面垂直高度的增加，氣泡數(shù)量也快速增加，到距基準面垂直高度５．４ｍ 處，看到氣泡呈現(xiàn)成串現(xiàn)象，氣泡的最大直徑達到１ｍｍ；隨虹吸高度位置的進一步提高，氣泡數(shù)量也進一步增加，到虹吸頂點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１ｍｍ。
３）經(jīng)過虹吸頂點后，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)流動的同時，其上浮力導(dǎo)致氣泡相對于水流出現(xiàn)反向運動；在經(jīng)過虹吸頂點后的０．２ｍ長度管段內(nèi)，氣泡發(fā)生強烈的兼并，氣泡數(shù)量減少，單個氣泡體積增大，并且由于大氣泡受水流的推動作用大于小氣泡，出現(xiàn)氣泡的分段集中分布現(xiàn)象（圖２），每個較大氣泡的前端，集中分布大量小氣泡；經(jīng)過虹吸頂點０．３ｍ 長度管段后，最大氣泡直徑可達４ｍｍ。
４）經(jīng)過虹吸頂點１ｍ長度管段后，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)，在隨水流動過程中進一步兼并，最后形成占滿整個虹吸管（８ｍｍ）的空氣段，并在水頭壓力差推動下隨水流一起運動，進一步兼并前方較小的氣泡，在管內(nèi)形成更長的空氣段，最終流出虹吸管或停留在管內(nèi)并上升到虹吸管頂點附近集聚。
２. 虹吸出水管段氣泡運動速度影響因素
經(jīng)過虹吸管頂點以后，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動的同時，還因為自身的上浮力作用產(chǎn)生與水流方向相反的向上相對運動。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動的速度小于大氣泡，運動過程中小氣泡有被相對快速運動的大氣泡追上的趨勢。
對于虹吸管流，引起氣泡運動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：
式中：μ 為動力黏度；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，氣泡所在截面的過水?dāng)嗝婢驮叫�，相�?yīng)的流速ｕ就越大。假設(shè)實驗采用的直徑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，大氣泡占虹吸管截面積較大，受水流的推動作用十分顯著。
試驗觀察中清晰可見，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動，直至氣泡直徑達到虹吸管的內(nèi)徑，就基本隨水流同步運動，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的過程中，體積逐漸減小，相應(yīng)的向下運動速度也逐漸減小。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的過程中，一方面因為壓力增加而使氣泡的體積減小，另一方面又因為與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，由于氣泡的體積（Ｖ）與氣壓相關(guān)，有
Ｖ１ｐ１ ＝Ｖ２ｐ２。
以０平面為基點，假設(shè)氣泡高度Ｚ１＝６ｍ，Ｚ２＝２ｍ，則壓力ｐ１≈４０ｋＰａ，ｐ２≈８０ｋＰａ。氣泡從Ｚ１流動到Ｚ２，將使氣泡的體積減小到一半。也就是說，一個直徑４ｍｍ 的氣泡從Ｚ１ 點運動到Ｚ２ 點后，其直徑減小到約３．２ｍｍ。隨著氣泡直徑的減小，運動速度也相應(yīng)降低，容易被后來的大氣泡追上，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，此時坡體沒有地下水需要通過虹吸排出，所安裝的虹吸排水系統(tǒng)處于停止工作狀態(tài)。當(dāng)下次降雨過程發(fā)生時，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恢復(fù)工作狀態(tài)。即邊坡虹吸排水系統(tǒng)要求實現(xiàn)間歇性虹吸的持續(xù)性不被破壞，實現(xiàn)該目標不僅需要虹吸管具有密封性和進出水管內(nèi)始終有滿管水面，而且需要虹吸過程形成的氣泡不發(fā)生積累。以往研究中對前者探討較多，但對虹吸管內(nèi)空氣積累問題缺乏研究。
經(jīng)過虹吸管頂點后，氣泡隨水流向下流動過程中進一步兼并，形成水彈和氣泡相間的彈狀流。圖５所示為虹吸揚程７．７ｍ、虹吸管直徑４ｍｍ的氣泡兼并運動觀察結(jié)果。當(dāng)大�。矀�氣泡與水流一起向下流動時，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，受到強烈的水流推力作用，實驗觀察到如圖５ａ所示的結(jié)果：從ｔ１到ｔ２ 時刻，接近虹吸管直徑的大氣泡的流動距離Δｈ１ 大于小氣泡的流動距離 Δｈ２。２個氣泡經(jīng)歷一段時間運動后出現(xiàn)圖５ｂ所示的結(jié)果，２個氣泡兼并形成更大的氣泡。這一大氣泡又會與前方的小氣泡兼并，最后形成占滿管徑的氣泡段（圖５ｃ）。
氣泡兼并過程發(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，此時由于氣泡占據(jù)了整個虹吸管斷面，氣泡的表面張力能夠維持氣泡形態(tài)的穩(wěn)定，水流基本無法從氣泡邊緣通過，成為彈狀流（圖５ｄ）。穩(wěn)定彈狀流的水彈能夠推動氣泡同步運動，氣泡最終與虹吸水流一起排出而不會在虹吸管內(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。
對垂直向上流動的彈狀流已有較多的研究，存在２種類型：穩(wěn)定的長液彈及發(fā)展中的短液彈。許多研究者在液彈長度方面做了大量的實驗和理論研究，得出垂直上升流動中最小穩(wěn)定液彈長度為８ｄ～２５ｄ（ｄ為管徑）［１１］。但在靜態(tài)環(huán)境中，需要的穩(wěn)定液彈長度還會更長，Ｔａｌｖｙ等［１２］利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對相鄰２個 Ｔａｙｌｏｒ氣泡在靜止液體中上升運動的相互作用進行了研究，發(fā)現(xiàn)液彈長度５０ｄ時，還存在氣泡合并現(xiàn)象，液彈長度還沒有穩(wěn)定下來�？梢酝茰y，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，管內(nèi)流速較大，水彈容易推動氣泡繼續(xù)向前流動，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。對于邊坡工程，經(jīng)過一段時間虹吸排水后，坡體地下水位下降，虹吸流速極其緩慢；此時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，是虹吸管內(nèi)不發(fā)生空氣積累的基礎(chǔ)條件。如果水彈不能推動氣泡同步向前流動，氣泡因浮力作用逐漸向虹吸管頂點附近集中，最后將破壞虹吸過程。
為了揭示垂直向下穩(wěn)定彈狀流的形成條件，進行了虹吸揚程３．５ｍ不同管徑的虹吸試驗。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，試驗中取水頭差ΔｈＡＢ作為測量參數(shù)。
８ｍｍ直徑虹吸管試驗開始的水頭差取為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，它們均受水流推動進入到水桶Ｂ中，氣泡不在 虹吸 管 內(nèi)積 累；隨著虹吸過程的發(fā)展，ΔｈＡＢ下降到１０ｃｍ 后，可見大量小氣泡在出水管內(nèi)停留，并在虹吸管頂點附近出現(xiàn)一個直徑約３ｍｍ的大氣泡；ΔｈＡＢ降到８ｃｍ后，虹吸管頂點附近出現(xiàn)的大氣泡已經(jīng)基本占滿整個虹吸管，并受水流推動緩慢下移；當(dāng)其接近到達水桶 Ｂ 時，ΔｈＡＢ下降到５ｃｍ，虹吸過程繼續(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附近集聚；保持 ΔｈＡＢ為４ｃｍ，虹吸管頂點附近的氣泡長度隨時間逐漸增長，變化過程見圖６，氣泡長度（ｌ）隨時間（ｔ）近于線性增長；之后不再保持 ΔｈＡＢ，使其在虹吸過程中逐漸接近于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附近，氣泡段長度達到了３０ｃｍ。由此可見，當(dāng)虹吸管直徑達到８ｍｍ時，在低水頭差的邊坡虹吸排水過程中，會發(fā)生管內(nèi)氣泡的積累，無法形成穩(wěn)定的彈狀流，最終將破壞虹吸過程。
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，開展了３、４和５ｍｍ管徑的間歇性虹吸試驗。為保持試驗條件的一致性，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。試驗開始的水頭差�。玻埃悖恚煤缥饔檬顾� 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附近出現(xiàn)集中的氣泡，但集聚的氣泡長度不同，分別為２．５、４．０和５．０ｃｍ。也就是說，虹吸管頂點附近氣泡的集聚速度與管徑成正比。此時在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)實驗到第５天，３、４和５ｍｍ 虹吸管在虹吸頂點附近出現(xiàn)的氣泡長度不同，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停止虹吸流動過程后，３、４和５ｍｍ 虹吸管頂部的氣泡長度不同，分別為８、１５和１８ｃｍ，且３ｍｍ和４ｍｍ虹吸管的其他部位仍有占滿管徑封閉的氣泡分布。
從實驗結(jié)果可以看出：當(dāng)虹吸管的直徑大于等于５ｍｍ時，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，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)未占滿管徑的氣泡全部集中到頂部，但先前形成的已經(jīng)占滿管徑的氣泡，受水彈封閉能穩(wěn)定存在。
在邊坡虹吸排水實踐中，需要選擇適當(dāng)?shù)暮缥苤睆剑拍鼙３趾缥^程長期有效。從實驗結(jié)果可以看出，當(dāng)虹吸管的直徑大于等于５ｍｍ時，在低水頭差的緩慢虹吸條件下，會發(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。另一方面虹吸管直徑過小，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；但對于非經(jīng)常性降雨的地區(qū)，為保持虹吸過程的長期有效，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)。基于廣義達西定律與滲流場分析的基本原理，將“以管代孔”法與解析單元法相結(jié)合，提出針對虹吸排水系統(tǒng)的數(shù)值模擬方法。
１）虹吸排水具有免動力和流動過程由液位變化自動控制的優(yōu)點，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釋出形成氣泡，如果發(fā)生管內(nèi)空氣積累，虹吸過程就可能被破壞。
２）虹吸進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)過虹吸管頂點后，因氣泡浮力方向與水流方向相反，管內(nèi)氣泡會發(fā)生強烈的兼并形成大氣泡，并在隨著水流向下運動的同時，還因為自身的上浮力作用產(chǎn)生與水流方向相反的相對運動。
在極其緩慢的虹吸流動條件下，當(dāng)虹吸管直徑大于４ｍｍ 時，在出水管段不能形成穩(wěn)定的彈狀流，會發(fā)生管內(nèi)氣泡的積累。因此，為保持邊坡虹吸過程長期有效，除非坡體地下水豐富需要大直徑虹吸管以滿足大排水量要求外，一般邊坡排水應(yīng)選擇小于等于４ｍｍ的虹吸管。
