重塑黃土滲透性的影響因素及其對海綿城市建設的意義探討

張弘

北京市市政工程設計研究總院有限公司廣東分院 廣東 廣州 510075

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引言

近年來，極端的氣候環境帶來的大面積強降雨和洪水持續挑戰著中國部分城市的承受力，與此同時，城市也會面臨極端炎熱天氣帶來的干旱和缺水問題。海綿城市便是為了解決氣候變化產生的挑戰而提出的解決方案。

目前，我國正處在城市化快速發展的關鍵時期，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，占建設用地的比例超過了30%。然而，傳統管道排水方式導致道路排澇壓力大、路面污染嚴重等突出問題，難以滿足現代城市建設對生態環境的需求。海綿城市設計策略在收集利用雨水徑流、控制污染排放等方面可產生巨大的經濟、生態和美學效益。

海綿城市，指城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“韌性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用，通過“滲、滯、蓄、凈、用、排”等多種技術，實現城市良性水循環，確保水環境和水生態安全。“海綿城市”在國外有很多前身，如美國的低影響開發技術、歐洲的可持續排水計劃、澳大利亞的水敏感性城市設計、日本的雨水調蓄設施等。但無論哪一種設計或計劃，均把加大地面雨水入滲做為首要考慮的手段。

我國西北黃土高原地區是個缺水的地方，建設海綿城市有著較為重要的戰略意義。但淺部黃土通常具有遇水濕陷的性質，即具有受水浸濕后土的結構破壞而發生顯著沉陷變形的等特性。顯著增加雨水入滲后，會對建(構)筑物地基、路基等產生影響。因此，在黃土地區進行海綿城市建設中，能不能把增加雨水下滲做為海綿城市建設的技術手段，是目前亟待解決的課題。本文以第二批全國海綿試點建設城市——慶陽市海綿城市建設為例，通過室內試驗，研究黃土的滲透性影響因素，從而對海綿建設的建議提出指導意見。

1 研究方法及試驗內容

1.1 試驗用土的基本性質

試驗分別選取慶陽海綿城市試點范圍內均勻分布的三個點，分別位于慶陽市的北邊、中部和南部，采用人工開挖探井，采取自地表以下1.5m深度處人工切取土樣。試驗前將黃土試驗風干并過2mm篩子，經輕型擊實試驗測得土樣最優含水率為18.3%，最大干密度為1.89g·cm-3。由篩分法與密度計法分別測得到的三個點的顆分曲線如下：

圖1 慶陽濕陷性黃土級配曲線

可以看出，A、B、C三點黃土樣顆分曲線接近，其顆粒組成均以＜0.075mm的細顆粒為主。以A點為例說明，＜0.075mm的細顆粒含量為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Cu=8.3＞5，Cc=1.3＞1且＜3，級配良好，曲線連續。另外，根據聯合液塑限試驗得到的液限WL=32.8%，塑限Wp=21.3%，塑性指數Ip=11.5。土樣可定名為級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，抗剪強度大幅度下降，為了改善天然土的工程性質，在工程中常采用壓實的方法使土顆粒重新排列壓實變密，以獲得新的結構強度。

對C點的土樣進行重塑黃土的壓實度與飽和狀態滲透性的研究，得出壓實系數η=0.79～1.00下，干密度ρd與滲透系數k的數值，并根據《水利水電工程地質勘察規范》劃分土的滲透性等級，詳見下表1。

表1 黃土壓實度與滲透性

由表1所得試驗結果可以繪出滲透系數與壓實度關系曲線，如圖2所示。

圖2 壓實度與滲透系數關系曲線

可以看出，隨著重塑黃土壓實度的不斷增大，重塑黃土飽和滲透系數呈非線性減小的趨勢。如η=0.82時，對應重塑黃土滲透

系數k值為η=0.90對應重塑黃土滲透系數的6.45倍，為η=0.95的45.45倍；當壓實度達到95%時（干密度為1.8g/cm3），滲透系數為4.4×10-6cm/s，此時土層為微透水層。

2 慶陽海綿城市建設措施體系

慶陽城區位于位于我國最大的塬面—董志塬上，黃土厚度大，具II～IV級濕陷性；滲透性隨壓實度的不斷增大呈線性減小的趨勢。慶陽市海綿城市建設應遵循“源頭控制、中途蓄滯、末端排放”的原則，結合自身條件，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發建設對生態環境的影響，實現90%的降雨就地消納和利用。綜合慶陽市海綿城市建設適宜性評價結果，最終確立“蓄、凈、用為主，滲、滯、排為輔”的海綿建設措施體系。

“蓄、凈、用為主”是慶陽海綿城市建設的核心。

五大湖是慶陽主要受納水體，是海綿城市海綿體主要組成部分，應加強“蓄用一體”的節水、調蓄工程建設，同時保證水質潔凈，維護水環境和水生態，體現了慶陽海綿城市建設的主要特征。

“滲、滯、排為輔”是慶陽海綿城市建設的關鍵。

“滲”是海綿城市建設雨水源頭控制、降低面源污染的重要措施。基于慶陽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、小型入滲設施，根據場地條件采取防滲措施，“適度滲透”。

通過“滯”減緩雨水流速，減少徑流峰值，從源頭上緩解城市內澇；

針對慶陽市老城區內澇災害嚴重等問題，提出有效組織超標雨水、地表水、污水等，合理“有序排放”，構建生態化、可持續的排水系統，保障城市水安全。

3 結論

（1）慶陽城區位于位于我國最大的塬面—董志塬上，黃土厚度大，具II～IV級濕陷性；隨著壓實度的不斷增大，重塑黃土的飽和滲透系數呈非線性減小的趨勢。

（2）當壓實系數達到0.95時，對應的干密度為1.8g/cm3，滲透系數為4.4×10-6cm/s，此時土層為微透水層。

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