濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)研究進(jìn)展

李佳

遼寧省市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 遼寧沈陽 110006

1 黃土中水的遷移規(guī)律

近年來，對黃土濕陷性入滲過程和特征的研究主要涉及黃土水分入滲規(guī)律、影響因素和理論方法。許多學(xué)者針對黃土中水的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了現(xiàn)場或室內(nèi)滲水試驗(yàn)。研究表明，對于濕陷性黃土場地，如果不采取導(dǎo)水入滲措施，水分入滲是有限的；同時，入滲特性與土壤參數(shù)有關(guān)，包括初始含水量、土壤飽和度和滲透系數(shù)等，不同初始條件（水頭、入滲時間和場地）下黃土的入滲規(guī)律不同。

第一、初始含水量、初始干密度等因素對黃土的濕陷性和滲透系數(shù)影響很大。第二、非飽和黃土試樣在不同溫度梯度、壓實(shí)度和初始含水量下的水分運(yùn)移規(guī)律：較大的溫差和較小的土壤密度會導(dǎo)致試樣兩端水分運(yùn)移更明顯，含水量差異更大；初始含水量大、小時，溫差引起的含水量差異小；但當(dāng)初始含水率適中時，溫度引起的含水率變化就大不相同了。第三、黃土在水分入滲過程中可分為濕層、不穩(wěn)定層和穩(wěn)定層。

同時，許多學(xué)者基于電子顯微鏡掃描、CT掃描和核磁共振技術(shù)研究了黃土浸水后的孔隙結(jié)構(gòu)特征。①黃土潤濕后，粘土骨料（水泥）的崩解，碳酸鹽水泥等粘合劑的分解，會導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的破壞。②長而不規(guī)則的大孔隙和中孔對黃土的滲透性有顯著影響。

2 黃土的濕陷特性和濕陷機(jī)理

黃土濕陷性的研究對黃土地區(qū)的工程安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。許多學(xué)者研究了浸水黃土的濕陷規(guī)律。黃土的濕陷性是地質(zhì)、物理和化學(xué)綜合作用的結(jié)果。目前，在黃土工程領(lǐng)域，對黃土濕陷性的成因和機(jī)理的認(rèn)識還沒有統(tǒng)一。一般認(rèn)為，黃土濕陷的必要條件有三：①黃土地層具有大孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)；②黃土骨架顆粒間膠結(jié)強(qiáng)度低，屬于水穩(wěn)定性膠結(jié)差的類型；③黃土浸水，導(dǎo)致黃土含水量或飽和度顯著增加，導(dǎo)致粒間接觸膠結(jié)斷裂。

其中，前兩個條件是內(nèi)部因素，最后一個是外部因素。濕陷性黃土是由粒徑為0.005-0.075mm的顆粒（粘土或粉）組成的大孔隙粒狀架空結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，單位體積內(nèi)顆粒間間接接觸點(diǎn)少，骨架顆粒流動性大，容易失去穩(wěn)定性，這是濕陷性的基本條件。除碎屑礦物外，構(gòu)成黃土結(jié)構(gòu)的一些骨架顆粒由內(nèi)部膠結(jié)強(qiáng)度高的集料組成。在壓力或浸沒作用下，構(gòu)造變形主要是由粒間接觸膠結(jié)斷裂引起的。

黃土濕陷機(jī)理是在浸水作用下，具有大孔隙結(jié)構(gòu)的黃土顆粒間的接觸膠結(jié)被破壞，導(dǎo)致大孔隙結(jié)構(gòu)被破壞，黃土的孔隙率降低的現(xiàn)象。同時，黃土骨架顆粒之間的膠結(jié)性質(zhì)復(fù)雜，可分為水穩(wěn)性膠結(jié)（氧化鐵膠結(jié)和老化碳酸鹽膠結(jié)等）兩種類型。）和非水穩(wěn)定膠結(jié)（毛細(xì)管膠結(jié)和鹽溶性結(jié)晶等。）.干旱條件下形成的膠結(jié)一般以非水穩(wěn)性膠結(jié)為主；潮濕條件下形成的膠結(jié)作用一般以水穩(wěn)性膠結(jié)為主。對于水穩(wěn)定膠結(jié)和非水穩(wěn)定膠結(jié)之間的粘膜膠結(jié)，取決于孔隙溶液中離子的濃度和組成以及水膜楔入后的膠體化學(xué)變化。如果黃土粒間膠結(jié)以非水穩(wěn)性膠結(jié)為主，水膜楔入有利于粘膜膠溶，則浸水后粒間膠結(jié)強(qiáng)度急劇下降，表現(xiàn)出較強(qiáng)的濕陷性。

3 濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)

在濕陷性黃土地區(qū)建設(shè)海綿城市，對城市雨洪控制、水資源管理和城市景觀環(huán)境有著積極的作用。關(guān)于海綿設(shè)施的徑流控制效果評價，很多城市新區(qū)作為我國濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)的集中區(qū)域，低影響開發(fā)設(shè)施改造后，降雨期間道路積水情況得到改善，年總徑流控制率和污染負(fù)荷率大幅降低；在監(jiān)測分析了黃土場地下入滲和防滲雨水兩年的徑流削減量和污染物削減量后，發(fā)現(xiàn)原狀土填充防滲雨水花園設(shè)施的減水率為69.14%，徑流污染物年減載率基本在70%以上[1]；通過分析雨水花園對屋頂和建筑小區(qū)雨水徑流的調(diào)節(jié)作用得到了類似的結(jié)果[2-3]。

同時，由于海綿設(shè)施的功能受土壤基質(zhì)條件、植被條件、設(shè)施結(jié)構(gòu)形式、降雨特性和阻塞狀態(tài)等因素的影響，在濕陷性黃土地區(qū)建設(shè)海綿城市的過程中，許多學(xué)者根據(jù)設(shè)施應(yīng)用場景和場地水文地質(zhì)條件，對典型海綿設(shè)施進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化研究。基于濕陷性黃土工程的實(shí)際背景，根據(jù)埋深、開孔率和壁厚的變化，對濕陷性黃土地區(qū)預(yù)制滲井結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；濕陷性黃土地區(qū)應(yīng)盡可能采用淺層和小型雨水滲透設(shè)施；并提出在濕陷性黃土場地下的市政道路底部鋪設(shè)PE防水土工布進(jìn)行全面防護(hù)，并在植草溝兩側(cè)澆筑混凝土擋土墻，以保證道路路基的安全；通過“L”型鋼筋混凝土擋土墻支護(hù)和人工更換生物滯留介質(zhì)的技術(shù)手段，解決了濕陷性黃土地質(zhì)和原土滲透性差等制約開發(fā)設(shè)施設(shè)計(jì)的不利因素。以上研究為濕陷性黃土地區(qū)海綿設(shè)施建設(shè)提供了幫助。然而，目前制約濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵因素之一是海綿設(shè)施的滯后功能與黃土洪水引發(fā)的次生災(zāi)害之間的矛盾，即雨水通過海綿設(shè)施的滲透容易引起地基塌陷變形，導(dǎo)致不均勻沉降，甚至建筑物變形破壞。

因此，濕陷性黃土場地海綿設(shè)施的設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)考慮雨水入滲對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié)語

從以上研究來看，國內(nèi)外對濕陷性黃土地區(qū)海綿城市的研究主要集中在雨水管理的有效性、海綿設(shè)施的設(shè)計(jì)參數(shù)、徑流控制、非點(diǎn)源污染凈化等方面。而對黃土地區(qū)海綿設(shè)施雨水滲透的影響范圍研究較少。現(xiàn)有對黃土地區(qū)雨水入滲影響的評價大多是從單層均質(zhì)土壤和連續(xù)降雨條件方面進(jìn)行的。由于海綿設(shè)施內(nèi)部結(jié)構(gòu)多為層狀結(jié)構(gòu)，不同降雨條件下土壤的入滲特性不同，因此層狀黃土中雨水的入滲機(jī)理和入滲范圍的研究仍需更加細(xì)致，設(shè)施中水入滲引起的滯流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)及防治措施的研究仍需加強(qiáng)。