大多数滑坡灾害是由于降雨引起坡体地下水位上升而诱发的，特别是堆积层边坡，其稳定性与地下水位变化关系极为密切。降雨引起坡体地下水位上升是一个累积的过程，单次强降雨过程一般不会导致坡体地下水位大幅上升。但当有前期降雨积累时，边坡岩土饱和度高，此时的强降雨过程会快速抬升坡体的地下水位，引起滑坡发生。如果能够适应坡体地下水位变化，及时排出坡体地下水，就能有效防止滑坡灾害发生。
虹吸排水具有免动力实现水体的高效跨越输送特征，流量和流动过程由液位变化自动控制，这些物理特性非常适合坡体地下水位控制的需要，理所当然地受到人们的关注。
边坡排水是一个长期的过程，需要保持虹吸过程长期有效，一旦出现虹吸过程破坏，对于分散在边坡环境中的虹吸排水孔，受交通条件等因素制约，人工恢复虹吸过程在管理维护上十分困难。大量滑坡的滑体厚度较大，为实现较大的地下水位降深，需要高扬程虹吸，而降雨的间歇性使边坡虹吸排水的过程也是间歇性，目前应用的虹吸技术在边坡高扬程间歇性排水过程中，均易出现无法自动恢复的虹吸过程中断问题。解决高扬程间歇虹吸排水长期有效保证条件，是边坡虹吸排水技术推广应用的基础。
１. 虹吸过程气泡形成特点的模型实验
当虹吸管中出现空气积累就会导致虹吸过程中断，要保障虹吸过程长期有效，首先要认识虹吸管中出现空气积累的原因。事实上，在虹吸过程中出现释出空气是必然的物理现象，因为水中溶解有空气。定温下，空气在液体中的溶解度ｓａ与该气体在液面上的平衡分压ｐａ 成正比，其定量关系可由亨利定律描述：
ｓａ ＝ｐａ／Ｋ 。
其中，Ｋ 为亨利常数，与温度、压力等相关。
虹吸管水流上升运动过程中，随着上升高度的增加，管内水的压力ｐａ逐渐减小，从而使气体在液体中的溶解度ｓａ 降低，必然引起溶解于水中的空气因压力降低而释出形成气泡。
实验结果表明：
１）以进水管的水面为基准，距基准面垂直高度３．５ｍ处，虹吸管内开始明显有气泡产生，且数量较多，直径小，最大直径小于０．５ｍｍ。
２）随距基准面垂直高度的增加，气泡数量也快速增加，到距基准面垂直高度５．４ｍ 处，看到气泡呈现成串现象，气泡的最大直径达到１ｍｍ；随虹吸高度位置的进一步提高，气泡数量也进一步增加，到虹吸顶点７．３５ｍ 附近，气泡成串为普遍现象，但气泡的最大直径仍不超过１ｍｍ。
３）经过虹吸顶点后，虹吸管中的水流由上升转为下降，气泡的浮力方向与水流方向相反，气泡随着水流继续流动的同时，其上浮力导致气泡相对于水流出现反向运动；在经过虹吸顶点后的０．２ｍ长度管段内，气泡发生强烈的兼并，气泡数量减少，单个气泡体积增大，并且由于大气泡受水流的推动作用大于小气泡，出现气泡的分段集中分布现象（图２），每个较大气泡的前端，集中分布大量小气泡；经过虹吸顶点０．３ｍ 长度管段后，最大气泡直径可达４ｍｍ。
４）经过虹吸顶点１ｍ长度管段后，绝大多数小气泡就只分布在大气泡的前端，单独分布的直径小于２ｍｍ的气泡极少。５）大量气泡 兼 并 后，一般单个气泡的直径为 ３～５ｍｍ，它们以非均匀间隔（一般为０．３～０．８ｍ）分布于虹吸管内，在随水流动过程中进一步兼并，最后形成占满整个虹吸管（８ｍｍ）的空气段，并在水头压力差推动下随水流一起运动，进一步兼并前方较小的气泡，在管内形成更长的空气段，最终流出虹吸管或停留在管内并上升到虹吸管顶点附近集聚。
２. 虹吸出水管段气泡运动速度影响因素
经过虹吸管顶点以后，由于气泡的上浮力方向与水流方向相反，气泡在随着水流向下运动的同时，还因为自身的上浮力作用产生与水流方向相反的向上相对运动。已有研究［１０］表明，在１～５ｍｍ直径区间的气泡上浮速度随体积的增大而增大；因此，小气泡沿虹吸管随水流向下运动的速度小于大气泡，运动过程中小气泡有被相对快速运动的大气泡追上的趋势。
对于虹吸管流，引起气泡运动速度差异更重要的因素，还在于不同大小气泡受到的水流推力的差异。管中气泡的受力特征如图３所示，包括气泡的上浮力ｆａ、水流Ｑ在气泡上下水头损失引起的压力差 Δｐ 及其沿气泡和管壁间流动引起的切应力τ。考虑层流的情况，τ可用牛顿内摩擦定律表达：
式中：μ 为动力黏度；ｕ 为流速；ｙ 为垂直管壁的距离。
根据管道流的一致性，各管段截面的流量相同。因此，气泡越大，气泡所在截面的过水断面就越小，相应的流速ｕ就越大。假设实验采用的直径８ｍｍ虹吸管的平均水流为ｕ０，则２ｍｍ 直径气泡占据虹吸管１／１６的截面积后的平均流速为１．０７ｕ０，４ｍｍ直径气泡占据虹吸管１／４的截面积后的平均流速为１．３３ｕ０。显然，对于所研究的虹吸管流，气泡的直径和虹吸管径处于同一数量级，大气泡占虹吸管截面积较大，受水流的推动作用十分显著。
试验观察中清晰可见，气泡占管径的比例越大，气泡就越能随水流一起接近同步运动，直至气泡直径达到虹吸管的内径，就基本随水流同步运动，其上浮力完全成为水流的阻力。
受压力变化的影响，气泡沿虹吸管向下流动的过程中，体积逐渐减小，相应的向下运动速度也逐渐减小。如图４所示，假定Ｚ１高度处有一直径为６ｍｍ 的气泡在随水流向下移动的过程中，一方面因为压力增加而使气泡的体积减小，另一方面又因为与其他气泡兼并而使其体积增大。气泡在低压力区域形成后，随管内的水流向下流动，由于气泡的体积（Ｖ）与气压相关，有
Ｖ１ｐ１ ＝Ｖ２ｐ２。
以０平面为基点，假设气泡高度Ｚ１＝６ｍ，Ｚ２＝２ｍ，则压力ｐ１≈４０ｋＰａ，ｐ２≈８０ｋＰａ。气泡从Ｚ１流动到Ｚ２，将使气泡的体积减小到一半。也就是说，一个直径４ｍｍ 的气泡从Ｚ１ 点运动到Ｚ２ 点后，其直径减小到约３．２ｍｍ。随着气泡直径的减小，运动速度也相应降低，容易被后来的大气泡追上，并发生兼并。
３.虹吸管内气泡的兼并与积累
边坡地下水位受降雨影响，干旱季节的地下水位可能很低，此时坡体没有地下水需要通过虹吸排出，所安装的虹吸排水系统处于停止工作状态。当下次降雨过程发生时，降雨入渗引起坡体地下水位上升，需要虹吸排水系统能够实时恢复工作状态。即边坡虹吸排水系统要求实现间歇性虹吸的持续性不被破坏，实现该目标不仅需要虹吸管具有密封性和进出水管内始终有满管水面，而且需要虹吸过程形成的气泡不发生积累。以往研究中对前者探讨较多，但对虹吸管内空气积累问题缺乏研究。
经过虹吸管顶点后，气泡随水流向下流动过程中进一步兼并，形成水弹和气泡相间的弹状流。图５所示为虹吸扬程７．７ｍ、虹吸管直径４ｍｍ的气泡兼并运动观察结果。当大小２个气泡与水流一起向下流动时，气泡受到水流推力和气泡上浮力的共同作用。因大气泡基本占据虹吸管断面，受到强烈的水流推力作用，实验观察到如图５ａ所示的结果：从ｔ１到ｔ２ 时刻，接近虹吸管直径的大气泡的流动距离Δｈ１ 大于小气泡的流动距离 Δｈ２。２个气泡经历一段时间运动后出现图５ｂ所示的结果，２个气泡兼并形成更大的气泡。这一大气泡又会与前方的小气泡兼并，最后形成占满管径的气泡段（图５ｃ）。
气泡兼并过程发展的最后结果是在虹吸管内形成气泡和水弹的间隔分布，此时由于气泡占据了整个虹吸管断面，气泡的表面张力能够维持气泡形态的稳定，水流基本无法从气泡边缘通过，成为弹状流（图５ｄ）。稳定弹状流的水弹能够推动气泡同步运动，气泡最终与虹吸水流一起排出而不会在虹吸管内积累。因此，确保虹吸管能够形成稳定的弹状流是保障虹吸管不产生空气积累的条件。
对垂直向上流动的弹状流已有较多的研究，存在２种类型：稳定的长液弹及发展中的短液弹。许多研究者在液弹长度方面做了大量的实验和理论研究，得出垂直上升流动中最小稳定液弹长度为８ｄ～２５ｄ（ｄ为管径）［１１］。但在静态环境中，需要的稳定液弹长度还会更长，Ｔａｌｖｙ等［１２］利用数字图像处理技术对相邻２个 Ｔａｙｌｏｒ气泡在静止液体中上升运动的相互作用进行了研究，发现液弹长度５０ｄ时，还存在气泡合并现象，液弹长度还没有稳定下来。可以推测，在垂直下降流中，因浮力方向与水流方向相反，形成稳定弹状流将更困难。
４. 稳定弹状流的管径条件
当坡体地下水位高形成虹吸的水头差较大时，管内流速较大，水弹容易推动气泡继续向前流动，并使气泡从出水口排出。虹吸流速越大，气泡发生积累作用就越小。对于边坡工程，经过一段时间虹吸排水后，坡体地下水位下降，虹吸流速极其缓慢；此时能否由水弹将气泡稳定地封存在虹吸管中，确保气泡和水流同步流动，是虹吸管内不发生空气积累的基础条件。如果水弹不能推动气泡同步向前流动，气泡因浮力作用逐渐向虹吸管顶点附近集中，最后将破坏虹吸过程。
为了揭示垂直向下稳定弹状流的形成条件，进行了虹吸扬程３．５ｍ不同管径的虹吸试验。取图４所示的虹吸形式，分别取虹吸管直径 ３、４、５ 和 ８ｍｍ。保持水桶 Ａ 的水位高于水桶 Ｂ。根据伯努利方程可知，管内流速与水头差成正比。为了便于量测，试验中取水头差ΔｈＡＢ作为测量参数。
８ｍｍ直径虹吸管试验开始的水头差取为２０ｃｍ，利用虹吸作用使水桶Ａ 的水逐渐流入水桶 Ｂ， ΔｈＡＢ逐渐减小。在开始阶段 ΔｈＡＢ较大，虹吸流速较快，尽管虹吸管中产生微小气泡，但由于小气泡的上升速度较慢，它们均受水流推动进入到水桶Ｂ中，气泡不在 虹吸 管 内积 累；随着虹吸过程的发展，ΔｈＡＢ下降到１０ｃｍ 后，可见大量小气泡在出水管内停留，并在虹吸管顶点附近出现一个直径约３ｍｍ的大气泡；ΔｈＡＢ降到８ｃｍ后，虹吸管顶点附近出现的大气泡已经基本占满整个虹吸管，并受水流推动缓慢下移；当其接近到达水桶 Ｂ 时，ΔｈＡＢ下降到５ｃｍ，虹吸过程继续，但气泡停止下移，并在经历短暂的停留后，在浮力作用下反水流方向缓慢上升，气泡呈弹状，长约４ｃｍ；ΔｈＡＢ下降到４ｃｍ后，气泡上升速度明显加快，不同直径的气泡逐渐在虹吸管顶点附近集聚；保持 ΔｈＡＢ为４ｃｍ，虹吸管顶点附近的气泡长度随时间逐渐增长，变化过程见图６，气泡长度（ｌ）随时间（ｔ）近于线性增长；之后不再保持 ΔｈＡＢ，使其在虹吸过程中逐渐接近于０，虹吸水流最后停止；再经历２４ｈ后，虹吸管内所有气泡全部上升到虹吸管的顶点附近，气泡段长度达到了３０ｃｍ。由此可见，当虹吸管直径达到８ｍｍ时，在低水头差的边坡虹吸排水过程中，会发生管内气泡的积累，无法形成稳定的弹状流，最终将破坏虹吸过程。
以往的研究［１１－１２］结果表明，能否形成稳定的弹状流与管径有关。为了考察这种关系，开展了３、４和５ｍｍ管径的间歇性虹吸试验。为保持试验条件的一致性，将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。试验开始的水头差取２０ｃｍ，利用虹吸作用使水桶 Ａ 的水逐渐流入水桶Ｂ中，使 ΔｈＡＢ逐渐减小到接近０。在第１天每间隔１～２ｈ从水桶Ｂ舀水到水桶 Ａ，使ΔｈＡＢ出现４ｃｍ 左右的水头差，反复该过程。观察虹吸管气泡分布情况。经历８ｈ后，３、４和５ｍｍ虹吸管均在虹吸顶点附近出现集中的气泡，但集聚的气泡长度不同，分别为２．５、４．０和５．０ｃｍ。也就是说，虹吸管顶点附近气泡的集聚速度与管径成正比。此时在３ｍｍ和４ｍｍ 虹吸管中，其他部位还可以看到气泡分布，而５ｍｍ 虹吸管的气泡则全部分布在顶部。在继续实验到第５天，３、４和５ｍｍ 虹吸管在虹吸顶点附近出现的气泡长度不同，分别为４．５、７．５和１０ｃｍ，３ｍｍ和４ｍｍ 虹吸管的其他部位仍有气泡分布，但５ｍｍ 虹吸管仅在顶部有气泡。其后经历３０ｄ停止虹吸流动过程后，３、４和５ｍｍ 虹吸管顶部的气泡长度不同，分别为８、１５和１８ｃｍ，且３ｍｍ和４ｍｍ虹吸管的其他部位仍有占满管径封闭的气泡分布。
从实验结果可以看出：当虹吸管的直径大于等于５ｍｍ时，在低水头差的缓慢虹吸条件下，不能形成稳定的垂直向下弹状流，气泡会集中分布到虹吸管的顶部；当虹吸管的直径小于等于４ｍｍ 时，可以形成基本稳定的弹状流，虽然虹吸管顶部压力小，虹吸管内未占满管径的气泡全部集中到顶部，但先前形成的已经占满管径的气泡，受水弹封闭能稳定存在。
在边坡虹吸排水实践中，需要选择适当的虹吸管直径，才能保持虹吸过程长期有效。从实验结果可以看出，当虹吸管的直径大于等于５ｍｍ时，在低水头差的缓慢虹吸条件下，会发生气泡集中到虹吸管顶部的作用，而且这种作用是随管径的增大而加强。另一方面虹吸管直径过小，排水的效率就低。综合考虑空气积累条件和排水效率，考虑到５ｍｍ管径条件下空气积累的程度仍然很低，对于经常性降雨并且坡体地下水丰富的地区，可选用直径为５ｍｍ的虹吸管；但对于非经常性降雨的地区，为保持虹吸过程的长期有效，应选择小于等于４ｍｍ的虹吸管。
５. 结论
边坡虹吸排水是处于探索应用阶段的新技术。基于广义达西定律与渗流场分析的基本原理，将“以管代孔”法与解析单元法相结合，提出针对虹吸排水系统的数值模拟方法。
１）虹吸排水具有免动力和流动过程由液位变化自动控制的优点，其物理特性非常适合边坡排水的需要。但因虹吸管顶部附近处于近真空状态，溶解于水中的空气会释出形成气泡，如果发生管内空气积累，虹吸过程就可能被破坏。
２）虹吸进水管距水面以上垂直高度３．５ｍ处就出现明显的气泡，垂直高度５．４ｍ 处就出现成串气泡，它们经过虹吸管顶点后，因气泡浮力方向与水流方向相反，管内气泡会发生强烈的兼并形成大气泡，并在随着水流向下运动的同时，还因为自身的上浮力作用产生与水流方向相反的相对运动。
在极其缓慢的虹吸流动条件下，当虹吸管直径大于４ｍｍ 时，在出水管段不能形成稳定的弹状流，会发生管内气泡的积累。因此，为保持边坡虹吸过程长期有效，除非坡体地下水丰富需要大直径虹吸管以满足大排水量要求外，一般边坡排水应选择小于等于４ｍｍ的虹吸管。
