濕陷性黃土地區一種雨水收集裝置
——埋深對變形影響的試驗研究

2019-08-17 06:26:58張少英萬冰清于清高

水利學報 2019年7期

關鍵詞：變形

陶虎，張少英，萬冰清，石喜，于清高

（蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州 730070）

1 研究背景

隨著我國城市化速度的加快，建筑物改變了原下墊面入滲條件，引起城市地表徑流激增，城市內澇頻繁發生，甚至出現人員傷亡的事件，特別是2018年入夏以來，蘭州、鄭州等多個城市發生強降雨，引起嚴重的城市洪澇災害；另一方面則是城市化進程中大量使用混凝土等不透水材料阻礙了雨水的補充與遷移，造成地下水系統干枯和土壤干化，成為當前城市亟待解決的突出問題之一［1-2］。借鑒歐美等國成功經驗［3-5］，將低影響開放技術（LID）［6-7］雨水系統的概念引入我國海綿城市建設，2014年由住房城鄉建設部出臺了《海綿城市建設技術指南—低影響開發雨水系統構建（試行）》［8］，隨后國務院辦公廳于2015年10月印發了《關于推進海綿城市建設的指導意見》［9］，有濟南、武漢、北京、上海等30 個城市成為中央財政支持的海綿城市建設試點城市。

針對我國海綿城市建設內容，張建云等［10］認為海綿城市建設既存在共性，也存在特殊性和復雜性，需要對不同的城市進行規劃和設計，體現“一城一策”。韓煦等［11］認為“海綿體”的開發是海綿城市建設的關鍵問題。唐雙成等［12］在黃土地區開展了雨水花園削減徑流及海綿體填料的研究，根據砂土層及均質黃土兩種不同填料，實現了城市花園雨水、雨洪的攔蓄，增加了入滲量，有效削減了污染物輸出量，雨水花園解決了雨水的收集和利用，而對多余水量是否補充到地下未做進一步研究。王根緒、陸垂裕等［13-14］研究指出，土壤中長期得不到雨水補充，將影響地下水汽循環，造成生態環境系統逐漸惡化，而海綿城市建設也不能簡單的理解為將雨水直接導入地下［15］。

針對黃土地區海綿城市建設內容，收集的雨水直接下滲可能引起黃土濕陷變形等問題，設計了一種雨水收集補充地下水系統，通過現場試驗，驗證了結構的導水能力及埋深與增濕變形的關系，從而為黃土地區海綿城市建設提供一種新技術，豐富海綿城市建設內容。

2 黃土地區城市雨水收集系統的開發

我國46 個地州市約6.4 萬km2的土地被黃土所覆蓋，由于生成年代、成因、環境及生成后歷史變遷上的差別，不同年代的黃土表現出力學性質的差異性，老黃土（Q1、Q2）不具有濕陷性，被稱之為非濕陷性黃土。新黃土（Q3、Q4）在一定的附加壓力作用下，浸水后發生濕陷，稱之為濕陷性黃土，在自重壓力作用下，浸水后發生濕陷，稱之為自重濕陷性黃土，濕陷性是黃土特有的性質之一，自蘭州、西安至鄭州方向呈逐漸減弱的變化趨勢。

降雨是黃土增濕最為直接的一種方式，在反復浸潤土壤過程中，當超過前期濕陷含水量［16］時可能誘發新的濕陷變形。降雨增濕的影響深度與降雨量有關，楊小利［17］統計分析了甘肅省慶陽市西峰區45 a的氣象資料和近25 a的月降雨量與土壤含水率的變化關系，得出西峰區降雨的影響深度在0～100 cm 范圍內變化的結論。張常量等［18］在甘肅省正寧縣開展了降雨入滲深度的現場監測試驗，通過對地面10 m 范圍內含水率的原位監測，結果表明，在年降雨量630 mm 的影響下，雨水入滲最大深度為120 cm。

城市化進程中大量使用混凝土、瀝青等路面硬化技術，改變了原天然地面入滲途徑，導致地表徑流增大，并在低洼場地匯集，從而產生局部集中入滲，其下滲量與深度遠遠大于天然降雨時的值。對于濕陷性黃土場地，當某一深度含水量超過前期濕陷含水量時則發生濕陷變形，形成局部空腔，引起上部懸空土體逐漸失穩垮塌，這種變形發展最終引起城市地面塌陷。

黃土在干燥狀態下保持有較高的結構強度，只是在增濕后發生強度大幅降低現象。根據黃土力學特性，總結出了強夯、灰土擠密樁、置換和預濕陷等處理技術，以先破壞黃土結構，再變密的技術提高其強度。這些方法簡單易行，缺點是工程量大、費用高和周期長。基于對黃土力學特性的認識，邵生俊等［19］以薄膜水轉移理論和土水勢原理［20］提出的淺層阻水和深層導滲井散水的IDITI 綜合治理方案，在充分利用原狀黃土低濕度下固有高強度和低壓縮性力學特點，采用表層阻水，深層導水的技術方案避開濕陷性黃土層，有效減少了工程措施帶來的費用高、周期長等問題，在黃土地區開展工程建設具有借鑒性。

針對城市產流特征，采用源頭削峰的方式，在小區設置雨水收集系統，減少匯入管網的水量，避免洪峰的形成，同時利用截留的雨水進行花園灌溉，將多余雨水經二次過濾后下滲補充地下。雨水下滲過程中，水質一定要符合排放標準，國內學者［20-22］對城市雨水水質進行了研究，蘭州市小區道路和屋面徑流水質污染較小，能滿足直接下滲的要求；同時，集中入滲要避免出現淺層黃土的濕陷變形，蘭州市七里河區西津村是迄今為止發現的世界上黃土分布最厚的地區［23］之一。

針對蘭州市海綿城市建設，設計了一種雨水收集補充地下水系統［24］，兼有收集雨水、調節雨洪峰值和補充地下水的功能，系統包含了：收集滲透層、阻水層、蓄水結構和排導結構，其構造如圖1所示。

“收集滲透層”為圖1中的透水混凝土面層，由水泥、水、砂石料按一定的比例拌和碾壓后形成，具有良好的滲透性和強度。該層以收集地面雨水為主，兼有承受上部人群荷載的作用。

“阻水層”為圖1中三七灰土層和土工膜兩部分，“阻水層”位于“收集滲透層”的下部，三七灰土層為路面墊層，具有支撐上部載荷和阻水的功能。土工膜置于三七灰土的上、下兩層，上層可以阻止滲透層水分向灰土層滲透，下層可以防止地下水、毛細水的上升。“阻水層”結構能有效預防地面雨水進入黃土層，大大減少黃土被增濕的可能。

圖1 海綿體結構示意

“蓄水結構”為圖1中蓄水池部分，蓄水池進口段與路面透水混凝土層連接，透水混凝土層底部設一定的坡降，收集的雨水沿著透水混凝土流向蓄水結構。蓄水結構為兩個獨立的蓄水池，第一個蓄水池以收集和過濾雨水為主，若降雨量偏小，則前一個蓄水池處于非蓄滿狀態，收集的雨水可以用于小區花園灌溉；當降雨量大，持續時間長，或者兩場降雨間隔時間短，第一個蓄水池被蓄滿后，則多余雨水沿著過濾孔進入第二個蓄水池，蓄滿后雨水沿著過渡段進入砂井。

“排導結構”為圖1中砂井，砂井的直徑約0.6～0.8 m，豎向開挖，采用砂礫石填充。砂井最大開挖深度穿透濕陷性黃土層，收集的雨水沿著礫石孔隙向下遷移，在砂井底部形成不同深度的有壓水，并向土壤四周擴散，達到收集地表徑流和補充地下水的目的。

目前，透水鋪裝技術作為低影響開發措施之一，對于吸納、凈化降水徑流具有重要作用［25］，其良好的工作性能也得到認可，蓄水結構及過濾裝置可以單獨設計，然而排導結構的導水能力及埋置深度引起黃土的增濕變形需要進一步通過現場試驗驗證。

3 排導結構的現場試驗

3.1 排導結構的布置為了檢驗黃土地區排導結構收集雨水的效果及埋深與變形的關系，選擇蘭州市以東45 km 的三角城進行現場試驗。根據現場勘察資料顯示，地表以下依次為耕植土、濕陷性黃土和非濕陷性黃土，各層土的基本物性指標如表1所示。勘查結果顯示，濕陷性土位于地下0.5～18 m范圍，18 m 以下為非濕陷性黃土。

表1 土層分布及土的基本物性指標

分別將不同埋深的排導砂井置于濕陷性和非濕陷性土層內，對比不同埋深砂井增濕后的變形量，從而驗證排導砂井置于非濕陷性土層的合理性及埋深大小對變形的影響。試驗現場砂井直徑為0.8 m，濕陷性土層砂井的埋深依次為1.7、7.5 和15.6 m，編號為SJ1—SJ3；非濕陷性土層砂井的埋深為18.0和20.8 m，編號為SJ4、SJ5。砂井底部設置剛性沉降板，板中心外接剛性沉降桿，然后向砂井中回填直徑為0.5～5 cm 的砂礫石，直至砂礫石與地面齊平，砂井側壁1 m 深度范圍內鋪設塑料薄膜，預防注水后在地表淺層裂隙中的水平向滲透。砂礫石層剛性桿外圍套接PVC 管，減少摩阻力對豎向變形的影響，砂井外圍設置變形沉降監測，中心設置沉降桿，現場試驗照片見圖2。

圖2 砂井現場照片

3.2 砂井滲透濕潤鋒擴散時間與位移的關系為了監測排導砂井底部土壤中水分的入滲速率，尤其是浸水后豎向濕潤鋒行進時間，在SJ1 排導砂井側面開挖探槽，豎向每隔5 m 布置一個水分計，埋設前、后對水分計進行校核，然后采用素土分層夯實至頂部，避免探槽方向因局部薄弱而出現體積含水率突然增大的現象。排導砂井頂部設置采集卡，用于采集水分計變化數據，隨著砂井中水量的累計，濕潤鋒擴散速度加快，水分計讀數出現變化的瞬間即為濕潤鋒到達的時間，記錄注水開始時刻及各層水分計讀數開始增大至完全飽和的時間。水分監測點與砂井的關系見圖3。

圖3 排導結構示意圖

一個土體單元中的流體損失和補給率是守恒的。依據達西定律建立滲透系數和水力梯度的表達式為：

式中：qz為豎向的下滲速率，m/s；kz為豎向滲透系數，m/s；?h ?z 為水力梯度。由于豎向砂礫石的滲透系數較黃土的滲透系數大，因此，地面積水沿著滲透性強的礫石層下滲。忽略水平向滲透量的影響，豎直砂井中流入的水量為：

式中： qin為流入流量，m3/s；ρ為水的密度，kg/m3；Δx、Δy 為x、y 方向的微單元長度，m。流出土體單元的總流量進一步表示為：

式中：qout為流出流量，m3/s。

單元在瞬態流動過程中，水量損失或補給率可表示為

由質量守恒定律可知，式（4）所示土體單元在瞬間流動過程中儲存的水量必須等于凈流量（qin-qout），由此可得

進一步簡化為

式（6）描述了飽和或非飽和條件下砂井中流體瞬態流的控制方程。

在砂井底部土層中的水流仍然服從達西定律流動方程，砂礫石的滲透系數大于黃土的，因此在砂井底部出現流入量大于流出量現象，濕潤鋒在重力和靜水壓力的作用下向下推進。現做兩個基本假設：（1）濕潤峰前面的土體內的吸力水頭是一個不隨時間和空間變化的常量；（2）濕潤鋒后面的土體內的含水量與相應的滲透系數為不隨時間和空間變化的常量。在這些基本假定條件下，任意時刻t，黃土中單位截面的總入滲位移L 等于初始階段含水量的變化量與濕潤鋒擴散距離的乘積：

式中：L 為總入滲位移，m；θ0為濕潤鋒后面土體的體積含水量，增濕后水分計最大值，%；θi為濕潤鋒前面土體的體積含水量，水分計初始測定的值，%；z 為豎向濕潤鋒擴散距離，m。濕潤鋒上的總水頭為h=hi-z，入滲率等于進水邊界處的入滲率，可用達西定律近似的表示為：

式中：q 為飽和狀態時的入滲速率，m/s；hi為濕潤鋒前面土體的吸力水頭，m；h0為濕潤鋒后面土體的吸力水頭，m；k0為濕潤鋒后面土體的滲透系數，m/s，常采用飽和時的值。

將式（7）代入式（8）消除變量z，結合t=0 時，L=0 的初始條件，對公式進行積分，可得砂井底部黃土中濕潤鋒總入滲位移和時間的關系為

式（9）建立了砂井底部黃土層中總入滲位移和經歷時間的函數關系。

4 砂井現場浸水的滲透試驗

為了對比分析砂井不同埋深對變形的影響，將砂井埋置于濕陷性土層和非濕陷性土層內，采用人工供水方式注水，并讓水分自然入滲，當入滲量大于下滲量時，停止注水或減少水量，該階段暫定為注水期，停止注水后，讓水分自然消散，這一個階段定義為停水期。

4.1 砂井底部入滲規律的試驗分析砂礫石具有較大的孔隙，從而水、氣在孔隙中產生流動，隨著地面注水，水分沿著砂井砂礫層向下運動，試驗測得砂礫石、濕陷性黃土和非濕陷性黃土在飽和狀態下的滲透系數分別為1.53×10-3、3.25×10-6和2.09×10-6m/s。當砂礫石層的水分進入底部黃土層后，濕潤鋒向下發展，黃土也從非飽和狀態逐漸轉向飽和狀態，體積含水量增大，飽和帶黃土層的滲透系數進一步增大，其控制方程見式（6）。由于黃土和砂礫層的滲透系數相差較大，在砂礫石和黃土交界面出現水位升高現象，并形成一定的水壓力，總勢能增加成為控制黃土孔隙中水平衡和遷移的重要因素。在SJ1 砂井外圍布置4 個水分采集儀，距離井底分別為5、10、14.8 和20.5 m，注水后，采集卡記錄水分采集儀的值。假設水分計周圍的黃土為均質土，濕潤鋒到達時，水分計讀數增大，達到飽和狀態時水分計最大。建立濕潤鋒行進距離與時間二分之一次方的關系并預測時間與濕潤鋒行進距離關系的函數如圖4。

圖4中顯示，在井底以下5 m 范圍內，自重作用下，濕潤鋒行進距離Ls的速度隨時間增長而增大，5～16 m 范圍內，濕潤鋒行進距離Ls的速度最快，而大于16 m 厚度的黃土層中，濕潤鋒行進距離Ls的速度減緩。根據現場勘查資料顯示，濕陷性黃土層埋深18.0 m，下面為非濕陷性黃土，說明濕潤鋒行進距離Ls的速度與場地土層的滲透系數有關。

4.2 砂井中集水能力及增濕引起的變形分析現場布置5 座砂井，根據深度命名為SJ1、SJ2、SJ3、SJ4 和SJ5。砂井中填充直徑為0.5～5 cm 的砂礫石，孔隙率n=0.41，滲透系數k3=1.53×10-3m/s，由于砂礫石的滲透系數大，因此注水后，沿著排導砂井滲入井底，然后在井底向黃土層滲透，由于滲透系數的差異性，相對滲透系數較小的砂井底部黃土層逐漸出現水位升高現象，沿著砂井底部呈33°～45°的擴散角向外滲透，砂井側壁不設防水層時，隨著井底水位的上升，形成一個燈泡狀滲透擴散面，圖5為0、24、48 和72 d 砂井底部滲透等勢線變化值。

圖4 濕潤鋒行進距離Ls與時間二分之一次方的關系

圖5 濕潤鋒隨時間擴散斷面圖

圖6 砂井埋深與沉降量關系

分別進行SJ1—SJ5 砂井收集能力的監測，砂礫石層液體流動至砂井底部的時間通過水分采集儀的變化來反應。記錄不同埋深點水分計開始變化的時間，SJ1 砂井井底水分計在18.5 min 后開始增大，而埋深較大的SJ5 砂井在265 min 后出現上述現象。根據現場統計數據，在SJ1—SJ5 砂井中分別注入20 m3清水，注水采取間斷緩慢方式進行，歷時70 d，注水結束后為停水期，時間為40 d。礫石層滯后了水的行進時間，埋深越大，歷時越長。

試驗開始，注水期每天觀測兩次變形量，注水期結束后，每隔3 d 觀測一次變形量，圖6為SJ1—SJ5 砂井注水期和停水期的變形量監測值。圖6的監測數據顯示，砂井埋深越淺，浸水引起的豎向變形越大（SJ1），同時也引起較大范圍的塌陷；砂井埋深越深，變形則相對較小（SJ5），引起塌陷的范圍較小。

SJ1 砂井埋深置于濕陷性土層內，底部以下濕陷性黃土層厚16.3 m，注水期引起砂井底部土層的含水量增大，發生增濕變形約135.0 cm，變形速率2.25 cm/s，停水期后變形發展則較為緩慢，經過40 d 的變形監測，SJ1 砂井累積變形量為144.71 cm，注水期變形量占總變形量的93%，水平向影響半徑為5.2 m；SJ2 砂井也位于濕陷性土層內，砂井底部濕陷性黃土層厚10.5 m，注水期增濕變形量約104.74 cm，變形速率1.74 cm/d，停水期變形發展則較為緩慢，最終變形量為113.79 cm，注水期變形量占總變形量的92%，水平向影響半徑為3.6 m；SJ3 砂井井底濕陷性黃土厚度約2.4 m，注水期濕陷性變形量約16.42 cm，變形速率0.27 cm/d，停水期后的最終變形量為43.86 cm，注水期變形量占總變形量的37.4%，水平向影響半徑2.3 m；SJ4 砂井井底剛好置于非陷性土層，增濕僅僅引起非濕陷性土層的變形，注水期的變形量約6.44 cm，停水期后的最終變形量為34.09 cm，變形速率0.57 cm/d，注水期變形量占總變形量的26.7%，水平向影響半徑1.6 m；SJ5 砂井井底也置于非濕陷性土層內，增濕引起非濕陷性黃土的變形，注水期的變形量約3.17 cm，變形速率0.05 cm/d，停水期后的最終變形量為17.64 cm，注水期變形量占總變形量的18.0%，水平向影響半徑0.94 m。

因此，砂井底部濕陷性黃土厚度越厚，越容易引起增濕變形的發展，且注水期發生的變形量最大。SJ4、SJ5 砂井則全部置于非濕陷性黃土層內，注水引起非濕陷性黃土層的增濕變形，注水期變形量分別為6.44 cm 和3.17 cm，停水期分別增加了27.65 cm 和14.47 cm。圖6中，曲線越陡，變形速率越快，注水期間，SJ1 變形速率最大，而SJ5 的變形速率最小；停水期間，SJ3、SJ4、SJ5 的變形速率較注水期大。

砂井置于濕陷性土層和非濕陷性土層時，埋深是影響變形的重要因素，同時局部濕陷變形引起上部土體呈錐狀的變形，砂井中心變形量最大，隨著砂井埋深的變化，影響范圍也發生改變，豎向變形量愈大，錐形影響范圍也愈大，圖7為現場監測的砂井埋深與水平向距離變形的關系。

砂井下部濕陷性土層越厚，豎向變形越大，引起水平向變形的范圍也最大，圖7中SJ1 砂井豎向變形量144.71 cm，水平向影響半徑5.2 m；砂井位于非濕陷性土層時，埋深愈深，變形愈小，引起周圍變形的范圍也愈小，圖7中SJ5 砂井的豎向變形最小，為17.67 cm，水平向影響半徑0.94 m。

圖7 砂井沉降量與水平距離的關系

通過試驗可以得出如下結論，砂井埋置在濕陷性土層的增濕變形量遠大于非濕陷性土層的值，且濕陷性土層愈厚，增濕變形愈大，水平影響范圍也愈大；砂井底部埋置深度超過濕陷性土層時，增濕引起的變形較小，引起的水平影響范圍最小。

工程實踐中，雨水收集系統的砂井埋深應超過濕陷性黃土層，一方面可以有效收集地表雨水，延長滲透時間，另一方面可以降低增濕引起的豎向變形量和水平向影響范圍，減少變形對周邊建筑物的影響。

5 結論

針對黃土地區海綿城市建設設計了一種雨水收集系統，避開了淺層黃土強濕陷區域，充分利用天然狀態下黃土高強度的力學特性。通過蓄、排的方式緩解了地表徑流，利用透水混凝土收集雨水，三七灰土和土工膜阻水，蓄水池蓄水，多余水分簡單過濾后經過砂井導入非濕陷性土層之外。砂井底部位于濕陷性和非濕陷性土層表現出變形量和發展速率的較大差異性，通過現場試驗，研究了砂井埋深與變形量的關系。

結果表明：位于濕陷性土層和非濕陷性土層的砂井，砂井埋深對變形的影響較大，SJ1 底部黃土埋深厚度最大，注水期增濕變形約135.0 cm，變形速率2.25 cm/d；停水期后累積變形量為144.71 cm，水平向影響半徑為5.2 m；SJ2 砂井底部濕陷性黃土層厚10.5 m，注水期增濕變形量約104.74 cm，變形速率1.74 cm/d，停水期累積變形量為113.79 cm，水平向影響半徑為3.6 m；SJ3 砂井底部濕陷性黃土厚度約2.4 m，注水期濕陷性變形量約16.42 cm，變形速率0.27 cm/d，停水期后累積變形量為43.86 cm，水平向影響半徑2.3 m，砂井底部位于濕陷性黃土層時，增濕引起的變形量與濕陷性土層厚度有關，濕陷性土層越厚，變形、變形速率越大，水平影響半徑也越大。SJ4、SJ5 砂井位于非濕陷性土層內，埋深分別為18.0 和20.8 m，注水期SJ4、SJ5 砂井變形量分別為6.44 和3.17 cm，變形速率為0.11、0.05 cm/d，停水期累積沉降量為27.65 和14.47 cm，SJ4、SJ5 水平向影響半徑為1.6 和0.94 m，砂井埋深超過濕陷性土層時，埋深愈大，增濕引起的變形愈小，影響范圍也愈小，變形速率愈慢。