不同降雨條件下典型海綿城市滲流場特征研究

黎一禾， 馮文凱， 白慧林， 魏昌利

(1. 成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室， 四川 成都 610059；2.四川省地質調查院， 四川 成都 610081)

0 引 言

近年來，我國許多城市都飽受內澇災害的影響，最典型的是市政雨水管道堵塞和道路積水現象頻發，給城市管理與百姓生活造成不利影響.對此，一種以保護城市水循環的良好運行為主要目的，解決或減輕城市內澇現象的“海綿城市”概念應運而生，其關鍵就是通過建設系列海綿設施將雨水及時下滲排走.針對海綿設施滲流的相關問題，程樹斌等[1]將負孔隙水壓力與相對滲透系數及體積含水率三者關系簡化為指數函數，利用拉普拉斯變換求解非飽和滲流方程，給出了綠化帶雨水入滲的數學模型，分析了暴雨條件下植被土—碎石綠化帶雨水入滲特征；張建軍等[2]基于Biot理論研究非飽和道路結構在降雨時側向滲流問題；朱岳明等[3]提出降雨入滲邊界條件及非飽和逸出面邊界條件在滲流場求解中的數學表達式；吳禮舟等[4]基于Van Genuchten模型和Richards方程，建立了一維非飽和滲流數學模型，得到降雨入滲過程中孔隙水壓力分布情況和變化規律，發現土—水特征曲線對非飽和滲流有顯著影響；黃耀英等[5]采用等效連續介質模型研究了滲流場和應力場耦合對混凝土壩位移的影響.2015年，遂寧市入選國家首批海綿城市建設試點城市，隨著相關建設工程的開展，很有必要對工程區域復雜的排水狀況和洪澇原因等相關情況進行分析.對此，本研究利用二維仿真數值模擬軟件Geo-slope建立了研究區降雨入滲海綿設施后整個滲流場模型，得到監測點位孔隙水壓力的變化，了解在不同降雨工況條件下模型的滲流情況，分析了研究區消除內澇的能力.

1 研究區概況

1.1 地理位置

研究區地處遂寧市東北部河東新區，位于東經105°35′38.94″，北緯30°31′52.91″，建成區面積10 km2.其區位圖如圖1所示.

圖1研究區區位示意圖

1.2 地質巖性及特征

根據勘察資料，遂寧市河東新區位于涪江一級階地，表覆第四系沖積層巖性主要為粉土、粉質黏土、粉砂及砂卵礫石.涪江現河堤在原河堤位基礎上進行一定回填加高，其工程地質剖面圖如圖2所示.

圖2研究區工程地質剖面

研究區粉土層呈灰—灰黃色，稍密狀態，厚約1.3～8.7 m；粉質黏土層為灰褐色、褐黃色，可塑—軟塑，厚約2.2～5.7 m；粉砂層主要為淺黃色、灰褐色，厚約1.8～5.6 m；砂卵礫石層中，卵礫石含量約占95%，其中粒徑<2 cm的約占5%，粒徑為2～10 cm的約占75%，粒徑為10～20 cm的約占15%，偶見粒徑>20 cm的漂石，最大可見51 cm，密實度為中密—密實，厚約4～7 m.區內地下水位埋深約273～275 m.

1.3 典型海綿結構特征

經現場調研后，選取典型分析對象為五彩繽紛路多級別音樂公園—透水停車場(區位見圖1，結構示意見圖3).該新建公園項目建設時在充分發揮滲、滯功能的基礎上，優先考慮地表空間對徑流雨水進行蓄滲利用，可在滿足自身功能要求的前提下，結合微地形處理構建下沉式綠地、濕塘、濕地等形成所需的低影響開發設施調蓄容積，并通過有組織的匯流與轉輸使徑流雨水首先匯入下沉區域，實現雨水在源頭的積存、滲透和凈化，有效緩解“逢雨必澇、雨后即旱”問題.

圖3海綿結構示意

2 模型與參數

2.1 模型使用數據

本研究使用的數據主要包括地質勘察設計和水文等數據.地質勘查設計資料由項目的合作單位提供，包含研究區內典型海綿設施附近小區的地勘報告等相關資料.水文數據主要包括研究區內的近10年來的降雨數據，具體如圖4所示.

圖4研究區近10年降雨量趨勢

水文數據顯示，遂寧市年均降雨量為927.5～993.3 mm，降雨年際變幅較大，最大年降雨量為1 371.4 mm(1956年)，最小降雨量為736.7 mm(1976年).降雨年內分布不均，冬季降雨量占年降雨量的4～5%，春季占年降雨量的20～22%，夏季占年雨量的43～48%，秋季占年降雨量的27～30%，平均年際降水變幅為115.4～150.2 mm.通過對2007年至2017年城區實測暴雨頻率進行統計分析，24 h降雨量超過50 mm的降雨共發生48次、平均每年發生約4次，其中，降雨量為50～100 mm暴雨共發生42次，降雨量為100～200 mm的暴雨共發生9次，降雨量為超過200 mm的暴雨共發生3次；實測24 h降雨量的極大值為323.7 mm(發生時間為2013年6月30日)；暴雨多出現在6～9月，集中在7、8月，一次暴雨歷時時間約為3～5日，主雨峰歷時約為1～2日.

2.2 模型概化與建立

本研究基于Geo-slope軟件SEEP/W模塊.模型地層結構由地表往下概化分別為素填土、粉土、粉砂、卵礫石及泥巖.該模型的海綿設施主要包含雨水花園和透水混凝土等，能快速吸收地表水，整體滲透性較大.具體概化為滲透性較高的一個整體，其最大厚度為3 m.

模型位于一級階地，地下水位埋深淺，底部、兩側邊界以及部分水泥硬化后的頂面(地面)邊界均設為不透水邊界；部分土質地表與地下水連通，設置成自由滲透面，降雨可自由下滲，直至補給地下水.在海綿結構和地形線最高處分別設置兩條孔隙水壓力監測剖面線1-1'和2-2'，模擬分析計算得到剖面線上各監測點孔隙水壓力隨時間變化的數值，最終計算單元類型采用四邊形和三角形的非結構化網格.概化模型如圖5所示.

圖5停車場—音樂公園概化模型

2.3 模型參數

本研究通過室內外抽水試驗、滲透試驗等獲得一級階地區巖土體基本物理參數取值(見表1).根據降雨資料確定降雨工況為大雨(降雨強度50 mm/h，降雨持時24 h)和大暴雨(降雨強度141.9 mm/h，降雨持時12 h).在數值模擬過程中，采用的土水特征曲線模型為適用于所有質地土壤的Van Genuchten模型，該模型在土石混合體中的計算結果與實測值更接近.

將各個地層滲透系數等參數、降水數據、地下水位高度等數據導入SEEP/W軟件之后，利用軟件自帶錯誤檢查功能進行錯誤檢驗，無誤后運行模型，得到不同地層結構的基質吸力與體積含水量關系以及模擬計算結果，具體如圖6所示.

3 模擬結果分析

通常，當降雨強度大于巖土體滲透系數時，部分降雨將轉化為地表徑流.在海綿設施結構中，當降雨強度較大時，下滲量不足以消散降雨量，地表徑流將沿地下管道進入市政管網，在非雨季期可被合理利用.不同降雨強度下，模型計算如下：

1)大雨工況.在大雨工況下，短時間的降雨下滲對地下水滲流場構成一定影響，以大雨工況24 h持續降雨模擬，其1 h、12 h、24 h時間節點模擬結果如圖7所示.

圖6巖土體滲透系數與基質吸力關系曲線

圖7大雨工況下孔隙水壓力等值線

由圖7可知，在大雨工況下， 降雨初始階段地下水運動趨勢較為明顯，1 h時滲流矢量箭頭密集分布于海綿結構正下方，在12 h的降雨過程中，地表未出現局部暫態飽和區，僅在降雨結束后海綿結構附近巖土體孔隙水壓力有所提升，但仍處于非飽和狀態，其余地帶未見明顯變化跡象，未出現積水現象.整個過程中，地下水主要沿卵礫石層產生滲流運動，由于降雨時間短，總下滲量相對較小，且卵礫石層滲透系數較大，滲透性較好，地下水位線未出現明顯波動.

模擬分析大雨工況下，兩條孔隙水壓力監測剖面線(圖5)上各監測點孔隙水壓力隨時間變化的數值，得到結果如圖8所示.

圖8大雨工況下孔隙水壓力與時間關系

由圖8可知，地表附近的監測點數據波動比較大，變化范圍從-50～5 kPa；從地表往下各個監測點的孔隙水壓力變化范圍從20～60 kPa，基本維持在穩定的范圍，變化幅度約1～3 kPa.剖面線1-1'中孔隙水壓力變化較大的監測點(節點1、2)主要位于海綿設施的地表以下，經分析是因為海綿設施滲透系數較大，能短時間內將雨水下滲，孔隙水壓力隨降雨持時增加而增加.在地下水位附近的孔隙水壓力(節點3～12)基本無變化，是因為經海綿設施下滲以后少有雨水能匯入到此區域，故滲流量較小，孔隙水壓力也較小.剖面線2-2'中孔隙水壓力變化原理和1-1'類似，相對于1-1'變化較大的點(節點1)位于地表線附近，經分析是由于地形起伏較大，地表多為滲透系數相對較大的景觀草坪等，降雨入滲隨時間變化導致孔隙水壓力的變化較大.

2)大暴雨工況.大暴雨工況屬于極端降雨天氣，出現頻率相對較低，持續1 h、12 h大暴雨工況的模擬結果如圖9所示.

由圖9可知，與大雨工況具有相似性，當降雨1 h時，地下水出現明顯的滲流運移趨勢，滲流層主要位于卵礫石層.該工況下，地表各處仍未出現暫態飽和區，說明大暴雨下地表不會出現積水現象.此外，海綿設施附近孔隙水壓力同樣增長，雖然大暴雨工況引起的地下水滲流情況總體與大雨工況相似，但由于降雨強度的增大，海綿設施區降雨匯集、下滲量較大，促使孔隙水壓力增長速率加快.

圖9大暴雨工況下孔隙水壓力等值線

模擬分析大暴雨工況下，兩條孔隙水壓力監測剖面線(圖5)上各監測點孔隙水壓力隨時間變化的數值，得到結果如圖10所示.

圖10大暴雨工況下孔隙水壓力與時間關系

大暴雨工況下監測孔隙水壓力變化與大雨工況變化曲線類似，同樣維持在穩定的變化范圍.剖面線1-1'中孔隙水壓力變化較大的監測點(節點1～2)同樣位于海綿設施的地表以下，但明顯能看出在降雨的第1 h內孔隙水壓力就出現明顯增大，從-50 kPa增至-18 kPa，而后經海綿結構下滲、排放后，孔隙水壓力增加趨勢漸緩；地下水位附近及以下的孔隙水壓力(節點3～11)同大雨工況相比基本無變化.剖面線2-2'中孔隙水壓力變化明顯的節點1和1-1'類似，但變化趨勢較緩，經分析是由于降雨持續時間較大雨工況更短，雨水總下滲量較少所致.

4 結 論

本研究通過SEEP/W瞬態滲流分析得到典型的海綿設施結構在不同降雨強度下滲流場的變化過程，發現地表各處仍未出現暫態飽和區，說明雨水降落到地表不會出現積水現象，海綿設施設置效果較好.此外，海綿設施附近孔隙水壓力增長是由于降雨強度的增大使雨水匯集、下滲量較大促使孔隙水壓力增長速率加快所致.不同降雨持續時間下的海綿設施孔隙水壓力變化規律相同，即隨著降雨入滲，填方體表層基質吸力減小，暫態飽和區擴大，孔隙水壓力上升，在地下水位附近孔隙水壓力上升更為顯著，模型內部一定深度不受降雨影響.

本研究工作得到遂寧市自然資源和規劃局、遂寧市建設局海綿辦、遂寧市河東新區管委會建設局等部門的大力支持，并提供相關資料，幫助協調現場調研、取樣以及試驗.特此感謝!