重塑黃土滲透性的影響因素及其對(duì)海綿城市建設(shè)的意義探討

張弘

北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司廣東分院 廣東 廣州 510075

正文：

引言

近年來(lái)，極端的氣候環(huán)境帶來(lái)的大面積強(qiáng)降雨和洪水持續(xù)挑戰(zhàn)著中國(guó)部分城市的承受力，與此同時(shí)，城市也會(huì)面臨極端炎熱天氣帶來(lái)的干旱和缺水問(wèn)題。海綿城市便是為了解決氣候變化產(chǎn)生的挑戰(zhàn)而提出的解決方案。

目前，我國(guó)正處在城市化快速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，城市不透水面積急劇增加。城市道路作為城市主要不透水下墊面之一，占建設(shè)用地的比例超過(guò)了30%。然而，傳統(tǒng)管道排水方式導(dǎo)致道路排澇壓力大、路面污染嚴(yán)重等突出問(wèn)題，難以滿足現(xiàn)代城市建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的需求。海綿城市設(shè)計(jì)策略在收集利用雨水徑流、控制污染排放等方面可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和美學(xué)效益。

海綿城市，指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“韌性”，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用，通過(guò)“滲、滯、蓄、凈、用、排”等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市良性水循環(huán)，確保水環(huán)境和水生態(tài)安全。“海綿城市”在國(guó)外有很多前身，如美國(guó)的低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)、歐洲的可持續(xù)排水計(jì)劃、澳大利亞的水敏感性城市設(shè)計(jì)、日本的雨水調(diào)蓄設(shè)施等。但無(wú)論哪一種設(shè)計(jì)或計(jì)劃，均把加大地面雨水入滲做為首要考慮的手段。

我國(guó)西北黃土高原地區(qū)是個(gè)缺水的地方，建設(shè)海綿城市有著較為重要的戰(zhàn)略意義。但淺部黃土通常具有遇水濕陷的性質(zhì)，即具有受水浸濕后土的結(jié)構(gòu)破壞而發(fā)生顯著沉陷變形的等特性。顯著增加雨水入滲后，會(huì)對(duì)建(構(gòu))筑物地基、路基等產(chǎn)生影響。因此，在黃土地區(qū)進(jìn)行海綿城市建設(shè)中，能不能把增加雨水下滲做為海綿城市建設(shè)的技術(shù)手段，是目前亟待解決的課題。本文以第二批全國(guó)海綿試點(diǎn)建設(shè)城市——慶陽(yáng)市海綿城市建設(shè)為例，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究黃土的滲透性影響因素，從而對(duì)海綿建設(shè)的建議提出指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 研究方法及試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)用土的基本性質(zhì)

試驗(yàn)分別選取慶陽(yáng)海綿城市試點(diǎn)范圍內(nèi)均勻分布的三個(gè)點(diǎn)，分別位于慶陽(yáng)市的北邊、中部和南部，采用人工開(kāi)挖探井，采取自地表以下1.5m深度處人工切取土樣。試驗(yàn)前將黃土試驗(yàn)風(fēng)干并過(guò)2mm篩子，經(jīng)輕型擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得土樣最優(yōu)含水率為18.3%，最大干密度為1.89g·cm-3。由篩分法與密度計(jì)法分別測(cè)得到的三個(gè)點(diǎn)的顆分曲線如下：

圖1 慶陽(yáng)濕陷性黃土級(jí)配曲線

可以看出，A、B、C三點(diǎn)黃土樣顆分曲線接近，其顆粒組成均以＜0.075mm的細(xì)顆粒為主。以A點(diǎn)為例說(shuō)明，＜0.075mm的細(xì)顆粒含量為96.2%，平均粒徑d50為0.019mm，特征粒徑d60=0.025mm，d30=0.01mm，d10=0.003mm，不均勻系數(shù)Cu=8.3＞5，Cc=1.3＞1且＜3，級(jí)配良好，曲線連續(xù)。另外，根據(jù)聯(lián)合液塑限試驗(yàn)得到的液限WL=32.8%，塑限Wp=21.3%，塑性指數(shù)Ip=11.5。土樣可定名為級(jí)配良好的低液限粘土。

1.2 重塑黃土的滲透性

原狀黃土由于雨水滲透，使地基土體表層含水量增大，土體飽和，抗剪強(qiáng)度大幅度下降，為了改善天然土的工程性質(zhì)，在工程中常采用壓實(shí)的方法使土顆粒重新排列壓實(shí)變密，以獲得新的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

對(duì)C點(diǎn)的土樣進(jìn)行重塑黃土的壓實(shí)度與飽和狀態(tài)滲透性的研究，得出壓實(shí)系數(shù)η=0.79～1.00下，干密度ρd與滲透系數(shù)k的數(shù)值，并根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》劃分土的滲透性等級(jí)，詳見(jiàn)下表1。

表1 黃土壓實(shí)度與滲透性

由表1所得試驗(yàn)結(jié)果可以繪出滲透系數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 壓實(shí)度與滲透系數(shù)關(guān)系曲線

可以看出，隨著重塑黃土壓實(shí)度的不斷增大，重塑黃土飽和滲透系數(shù)呈非線性減小的趨勢(shì)。如η=0.82時(shí)，對(duì)應(yīng)重塑黃土滲透

系數(shù)k值為η=0.90對(duì)應(yīng)重塑黃土滲透系數(shù)的6.45倍，為η=0.95的45.45倍；當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到95%時(shí)（干密度為1.8g/cm3），滲透系數(shù)為4.4×10-6cm/s，此時(shí)土層為微透水層。

2 慶陽(yáng)海綿城市建設(shè)措施體系

慶陽(yáng)城區(qū)位于位于我國(guó)最大的塬面—董志塬上，黃土厚度大，具II～I(xiàn)V級(jí)濕陷性；滲透性隨壓實(shí)度的不斷增大呈線性減小的趨勢(shì)。慶陽(yáng)市海綿城市建設(shè)應(yīng)遵循“源頭控制、中途蓄滯、末端排放”的原則，結(jié)合自身?xiàng)l件，因地制宜的選用“滲、滯、蓄、凈、用、排”的措施，最大限度減少城市開(kāi)發(fā)建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)90%的降雨就地消納和利用。綜合慶陽(yáng)市海綿城市建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，最終確立“蓄、凈、用為主，滲、滯、排為輔”的海綿建設(shè)措施體系。

“蓄、凈、用為主”是慶陽(yáng)海綿城市建設(shè)的核心。

五大湖是慶陽(yáng)主要受納水體，是海綿城市海綿體主要組成部分，應(yīng)加強(qiáng)“蓄用一體”的節(jié)水、調(diào)蓄工程建設(shè)，同時(shí)保證水質(zhì)潔凈，維護(hù)水環(huán)境和水生態(tài)，體現(xiàn)了慶陽(yáng)海綿城市建設(shè)的主要特征。

“滲、滯、排為輔”是慶陽(yáng)海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵。

“滲”是海綿城市建設(shè)雨水源頭控制、降低面源污染的重要措施。基于慶陽(yáng)市城市安全和濕陷性黃土特征等綜合考慮，提出因地制宜選用淺層、小型入滲設(shè)施，根據(jù)場(chǎng)地條件采取防滲措施，“適度滲透”。

通過(guò)“滯”減緩雨水流速，減少?gòu)搅鞣逯担瑥脑搭^上緩解城市內(nèi)澇；

針對(duì)慶陽(yáng)市老城區(qū)內(nèi)澇災(zāi)害嚴(yán)重等問(wèn)題，提出有效組織超標(biāo)雨水、地表水、污水等，合理“有序排放”，構(gòu)建生態(tài)化、可持續(xù)的排水系統(tǒng)，保障城市水安全。

3 結(jié)論

（1）慶陽(yáng)城區(qū)位于位于我國(guó)最大的塬面—董志塬上，黃土厚度大，具II～I(xiàn)V級(jí)濕陷性；隨著壓實(shí)度的不斷增大，重塑黃土的飽和滲透系數(shù)呈非線性減小的趨勢(shì)。

（2）當(dāng)壓實(shí)系數(shù)達(dá)到0.95時(shí)，對(duì)應(yīng)的干密度為1.8g/cm3，滲透系數(shù)為4.4×10-6cm/s，此時(shí)土層為微透水層。

（3）根據(jù)黃土的滲透性特點(diǎn)，最終確定慶陽(yáng)市海綿城市建設(shè)以“蓄、凈、用為主，滲、滯、排為輔”的措施體系，因地制宜選用淺層、小型入滲設(shè)施，根據(jù)場(chǎng)地條件采取防滲措施，“適度滲透”。