落底式止水帷幕對地下徑流的阻礙影響分析

黃云浩， 唐紅， 楊彥子

(武漢科技大學城市建設學院， 武漢 430081)

近年來，“城市看海”的情況頻頻發生，對居民的正常生活，社會公眾的生命安全和財產安全都產生了巨大的威脅[1]。為解決城市內澇問題，2012年4月，在《2012低碳城市與區域發展科技論壇》中，“海綿城市”的概念被首次提出，其是指城市在適應環境變化和應對雨水帶來的自然災害等方面具有良好的“彈性”，也可稱之為“水彈性城市”[2]。海綿城市的命名是為了讓城市像海綿一樣，在降雨時能就地或就近吸收、存蓄、入滲和凈化雨水，從而補充地下水，實現城市雨水資源的有效利用; 在干旱缺水時將蓄存的水釋放出來，從而讓水在城市中更加“自然”地進行傳輸和循環[3]。

然而從2012年海綿城市的提出至2021年9年時間，城市內澇的問題依然嚴重，海綿城市的建設進度緩慢、成效不高。目前，海綿城市建設措施的研究方向多集中于解決路面硬化、打造“海綿體”等解決地表下滲問題，而對于地下水的排滲與地下徑流卻鮮有關注。張盼盼[4]和楊明悅[5]分別基于CNKI(中國知網)與Citespace通過文獻檢索的方式研究發現，低影響開發技術是目前海綿城市研究的熱點與重點，但是目前研究的技術全部為雨水花園、透水鋪裝、雨水調蓄池等促進雨水下滲或收集的設施，沒有關注地下環境的低影響開發措施。而楊默遠等[6]基于城市水循環提出“五水”轉換中，地下環境中的土壤水與地下水都是水循環過程中不可缺少的一環，并提出，目前針對深層入滲進入地下水系統的水量與輸出過程的關注不足，是今后海綿城市建設的研究要點與發展方向之一。李蘭等[7]則在分析海綿城市建設關鍵科學問題后表示，海綿城市的科學研究要在開發微觀尺度建設的同時，從宏觀、中觀等不同尺度來打造海綿系統，形成海綿體網絡，而作為紐帶連接各個海綿設施節點的地下水運移是海綿系統中不可或缺的部分。海綿城市的建設目標是改善和優化城市的水體循環，而城市的水體循環不僅包括地表徑流與管網排水還有重要的一環就是地表水的下滲與地下水的遷移，既然要改善城市的水體循環就要從全局考慮，優化水循環的每一個步驟，而不是只重視地表水的排滲而忽視地下水的匯流。

在高樓林立的現代城市中，地下空間充斥著大量的地下建筑與地下結構，數十米深的止水帷幕與地下連續墻猶如一個個“栓”阻塞了地下徑流的路線，影響地下水的流動，而“堵塞”的地下水勢必會影響地表水下滲的速度，加劇城市內澇。海綿城市的建設是要求改善城市的自然水體循環，其中減少地下結構的阻礙作用并恢復自然水體的地下徑流是不可或缺的一環。因此，現通過COMSOL有限元軟件，對地下結構的周邊地下環境進行數值模擬，進而研究地下結構對地下水的阻礙作用并在此基礎上找到解決措施。

1 海綿城市概述與城市水循環

1.1 低影響開發與海綿城市現狀

低影響開發(low impact development,LID)起源于20世紀70年代的美國。經過長期的發展，低影響開發的總體目標是尊重場地的地下水資源和自然水循環，降低城市開發對自然環境的影響，保護和恢復城市開發前的自然水文特征[8]。中國“十二五”重大水專項課題對低影響開發進行了專項研究，并在深圳、嘉興等城市陸續開展了大量的工程實踐[9]，之后在低影響開發的思想下提出了海綿城市的概念。2013年12月12日，習近平總書記在《中央城鎮化工作會議》講話中強調了要建設自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市，讓城市“彈性適應”環境變化與自然災害[10]，其建設目標與低影響開發的目標一致，因而在建設中國海綿城市時可用低影響開發作為指導思想和技術手段。

2014年11月，住建部出臺《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建》，明確“海綿城市”的概念、建設路線、基本原則和技術方法[11]。2015年4月，住建部、水利部和財政部共同確定濟南、武漢、廈門和常德等16個城市作為海綿城市建設試點城市[12]。之后，國家政策性的將海綿城市建設分為新建城區的建設和舊改區域的建設：以目標為導向，進行局部的海綿體綜合設計；以綜合治理為導向，整改老舊水網、凈化污染水體、創設綠色生態環境[13]。在此期間，海綿城市在建設技術上取得進展，推出了透水鋪裝、雨水花園、生態草溝、綠色屋頂、下沉式綠地、生物滯留帶、生態洼地等優秀地表下滲設施，取得初步成果。

然而海綿城市的建設并不樂觀，截至2020年，海綿城市建設試點工作已進行5年，期間曾發生過多次全國性強降雨事件，多數試點城市仍出現了較為嚴重的城市內澇現象[14]。5年時間，各個試點城市完成了多個海綿城市項目，但是在此期間，傳統城市化對地下空間的開發并未停止，地鐵、多層地下室、地下連續墻無一不在加劇破壞自然水循環，并逐步將影響向更深的地下帶入，而其造成的影響確未被重視。

1.2 城市水體循環規律

水循環是通過地表徑流和地下徑流將水導入江海，江海通過蒸發等將水通過水汽運輸以降雨的形式導回給地面。其中地下徑流是通過地表的植被、湖泊、濕地將降雨產生的非地表徑流水下滲到地下，形成地下水流向江海。

城市內澇的根源就在于傳統的城市化對雨水徑流的巨大阻礙。人們在改造自然的過程中大幅度改變了地表的物質組成與結構[15]，地面的大量硬化、鋼筋水泥取代河流、湖泊、濕地和綠地等都會造成不透水面的增加，使得地表積水難以排滲；地下建筑物與地下結構的大量修建則會阻斷自然匯流通路，造成地下匯流時間延長，進一步拖慢地表排水的過程，加劇城市內澇。

地下空間的開發利用對地質表層的自然環境會造成永久性破壞，特別是對于地下水資源有巨大的影響[16]。海綿城市作為地下水的自由遷移系統的體現，面對大規模的地基止水系統的建設，很大一部分作為地下障礙物阻礙海綿城市內部的水體聯通，減少了土壤補水的通量，嚴重影響了整個海綿城市的水循環。本文研究提供了一個新的海綿城市建設思路，不僅要重視地面硬化等地面雨水排滲問題，還要重視地下的水體循環，全局思考綜合對水系統進行整治與防護。在新時代基于韌性思維的海綿城市理念下，需要發展健康的巖土工程，秉持低影響開發的思想，為建設綠色先進的海綿城市做貢獻。

2 地下隔水結構對水體循環的阻礙影響研究

2.1 落底式止水帷幕止水特點

現階段面對復雜的基坑周邊環境，大型深基坑工程開始較多的采用TRD(trench cutting re-mixing deep wall method)或CSM(cutter soil mixing)工法在基坑周邊建立作為地下連續墻與止水帷幕的水泥土攪拌墻，以起到支護和防滲的作用。無特殊情況下，止水帷幕為圍繞基坑周圍的矩形四面連續墻壁，如圖1所示，高亮藍色區域為止水帷幕，其內部為基坑，外部為土體區域。

落底式止水帷幕是指水泥土攪拌墻的深度已達到不透水層的止水帷幕，在理論上落底式止水帷幕可以完全阻隔深基坑內外的水力聯系，因此在落底式止水帷幕建成后會在地下空間形成一個矩形范圍的不透水區域，影響其周圍的地下水流動。

圖1 基坑止水帷幕示意圖Fig.1 Schematic diagram of foundation pit water stop curtain

2.2 研究方案與模型建立

影響地下徑流的因素很多，其中包括復雜的土層因素(土體類別、土體分布、土層厚度)、地下徑流方向、地下或周邊河流因素等。由于影響因素復雜多變，實際工程中也很難找到相同的工程狀況，因此為找到較為普適的規律，本文的研究目標是：在不考慮其他因素的情況下，僅研究單一地下隔水結構對地下水徑流的阻礙影響。研究方案為采用COMSOL有限元軟件，建立二維地下隔水結構的繞滲模型，對一個落底式止水帷幕及其周邊區域進行數值模擬，計算出止水帷幕造成的流量阻礙。

模型物理場選用多孔介質和地下水流模塊的達西定律，研究類型選擇穩態。在達西定律模塊中，對一個邊長200 m，面積40 000 m2的落底式止水帷幕及其周邊1 000 m×800 m的矩形土體區域建模，默認厚度為1 m。流體材料為水，密度1 000 kg/m3，動力黏度0.001 Pa·s；多孔材料為細沙，孔隙率0.5，滲透率5×10-8m2。單向流動，入出口每1 000 m的壓強差為147 000 Pa(每10 m的水頭差為0.15 m)，入口壓強大于出口壓強，非壓強方向的邊界采用對稱邊界，即允許切向流動但無法向流動的邊界。止水帷幕采用內壁邊界，不允許任何方向的流動。

按物理場控制，較細化劃分網格，開始模擬研究。計算結果選擇達西速度場，計算完成后對模擬區域的流速進行積分，得到該區域地下水的瞬時總流量，即每秒的總流量；再對模擬區域上邊界與入口邊界的流速進行積分，得到邊界處的線流量。

2.3 止水帷幕極限影響范圍的確定

為完整表現單一止水帷幕對地下徑流的影響以及止水帷幕對地下水流動的極限影響范圍，模擬面積的選取應該足夠大，取到止水帷幕不再有影響的邊界面積。模擬區域為矩形，矩形的寬度方向為壓強方向，坐標軸中為x方向；矩形的高度方向為非壓強方向，坐標軸中為y方向。確定區域面積時，建立兩個除有無止水帷幕外其他完全相同的兩個模型，通過改變高度、寬度的值，計算后進行對比，最終確定不再對阻礙作用有影響的臨界面積。

2.3.1 模擬區域非壓強方向矩形高度的確定

止水帷幕對非壓強方向的影響相對較小，實驗中由于邊界條件選取為對稱邊界，不允許法向流動，而止水帷幕會使帷幕附近產生y方向的流速，即產生y方向流動的水流，因此模擬區域高度選取越小，數據顯示的止水帷幕產生的阻礙效果越強，即有止水帷幕和無止水帷幕的總流量差值越大，同時對上下邊界流速的影響也越大。

確定模擬區域高度時，由于上下邊界無法向流動，當高度取大于200 m時，上下線的線流量都將與無止水帷幕時一致，保持在7.35 m2，無法體現不同高度對阻礙作用的影響，因此確定高度對阻礙作用無影響的指標為：在與無止水帷幕模型的對比中，兩模型總流量的差值與上下邊界流速極值保持穩定不再變化。由于模型上下對稱，上下邊界的流速一致，故實驗記錄僅記錄上邊界流速極值。模擬時保持寬度為1 000 m，壓強為147 000 Pa，計算結果如圖2和圖3所示。

由數據可得，即使是影響較小的高度方向，邊長200 m的止水帷幕也將對4 500 m高度范圍內的地下水流動造成影響。在4 500 m范圍內，流量差值隨高度的增大而減小，且減小速度逐漸緩慢；上邊界的最高流速隨高度的增加而降低，最低流速隨高度的增加而增大，變化的幅度也在逐步減小。當高度達到4 500 m時，流量差值將降到最低值503 m3，并且該值將不會再隨著高度的增加而產生變化；上邊界最高流速與最低流速此時已交匯并等于同等條件下無止水帷幕的流速0.007 35 m/s，且隨著高度的再次增加，該流速保持不變。

圖2 高度變化流量差值圖Fig.2 Height change flow difference diagram

圖3 高度變化流速對比圖Fig.3 Comparison diagram of height change and velocity

由此得出如下結論：邊長200 m的止水帷幕在非壓強方向，會對附近土體中的地下水流動產生較大影響，但隨著距離的增大，該影響逐漸減小，在距離達到4 500 m左右時將不再有影響。

2.3.2 模擬區域壓強方向矩形寬度的確定

止水帷幕對壓強方向的影響更大，影響范圍更遠。確定模擬區域寬度時，保持高度為800 m不變，保持147 000 Pa/km的壓強差不變，通過改變寬度計算不同寬度對阻礙作用的影響，改變寬度后按同比例調整壓強。寬度變化時，出入口流量將不再保持一致，而是隨著寬度的增大而增大，并逐步逼近無止水帷幕時的流量，因此確定寬度對阻礙作用無影響的指標為：在與無止水帷幕模型的對比中，兩模型總流量的差值與出入口的流量保持穩定不再變化。由于模型左右對稱，出入口的流量一致，故實驗記錄僅記錄入口處的流量。計算結果如圖4和圖5所示。

圖4 寬度變化流量差值圖Fig.4 Flow difference diagram of width change

圖5 寬度變化入口流量對比圖Fig.5 Comparison of inlet flow with width change

數據表明，止水帷幕在壓強方向的影響范圍非常大，即使將寬度設置為20 000 m，在入口處，對比無止水帷幕時的情況，還是會造成入口0.54%的流量削減。在2 000 m的范圍內，止水帷幕對地下水流速的影響較大，隨著寬度的增加，入口處流量的增幅明顯，總流量的差值也快速增大。當寬度達到2 000 m后，止水帷幕的影響效果顯著減小，隨著寬度的增加，入口處流量緩慢增加，并逐步向無止水帷幕時的入口線流量11.76 m2靠近，在寬度達到20 000 m時，入口處流量達到11.7 m2，與無止水帷幕時相比，兩者相差0.54%；伴隨流速的緩慢增加，總流量的差值也緩慢上漲，峰值將達到578 m3。

由此可得出結論：邊長200 m的止水帷幕在壓強方向，會對地下水流動產生范圍非常大的阻礙影響，在2 000 m范圍內該影響較大且隨著距離的增加影響快速增大，之后影響的增加速度放緩，在20 000 m的邊界該影響的增長微小但依然存在。

2.4 阻礙影響分析

由2.2節可知，邊長200 m的止水帷幕將對周圍20 000 m×4 500 m范圍內的地下水流動產生影響。數據表明，在該實驗區域內，總流量差值會隨著高度的增加而減小，隨著寬度的增加而增大，并且變化速度隨著距離增加而逐漸減小，最后趨于穩定。總流量差值隨著寬度和高度的變化而變化，因此不同面積區域下的總流量差值不同。

為計算不同面積范圍內止水帷幕產生的流量減少，將寬度與高度分為400、600、800、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000 m的10組，分別組合為100種不同的面積，計算其流量差值，并將流量差值與無止水帷幕時的總流量之比作為阻礙影響的指標進行計算。計算結果如表1與表2所示。數據表明，止水帷幕產生的總流量差值的最大值為土體面積4 000 m×400 m時的726.83 m3，最小值為400 m×4 000 m時的452.48 m3，此時產生的阻礙影響分別為6.18%與3.85%。由于當面積增大時，無止水帷幕情況下總流量的增速較快，因此面積越大止水帷幕產生的阻礙影響百分比越小，其最大值為土體面積400 m×400 m時的39.56%，最小值為土體面積4 000 m×4 000 m時的0.46%，此時后者的總流量差值為539.65 m3大于前者的465.21 m3。

實際工程中，止水帷幕附近會有其他建筑影響，地下空間會有其他地下結構進行阻礙，這些地下結構會將較廣范圍的地下空間分割為不同范圍的區域，因此每組不同的范圍都可能有其對應的實際工程，本文選取建筑相距較為普遍的1 000 m作為分析范圍。在1 000 m的范圍內，止水帷幕將產生459.63～539.63 m3的流量削減，將會產生7.34%～39.56%的阻礙影響，這會對地下徑流產生較為嚴重的阻礙，從而影響城市的水體循環，加劇城市內澇，威脅社會公眾的生產生活。

2.5 倒角對阻礙影響的變化

在1 000 m×800 m的實驗區域中，分別對邊長200 m止水帷幕的4個角進行40 m的45°切角與倒圓角，保持面積40 000 m2不變，計算出不同倒角對止水帷幕阻礙作用的影響，計算結果如表3所示。

表1 不同面積總流量差值表Table 1 Flow difference of different areas

表2 不同面積阻礙影響百分比表Table 2 Percentage of impact of obstruction in different areas

表3 倒角模型數據表Table 3 Chamfer model data sheet

數據表明，在保持面積不變的情況下，適當倒角會降低止水帷幕對地下水流動的阻礙作用。對止水帷幕1/5處的4個角進行45°的切角，將會降低止水帷幕5.326%的阻水作用；對止水帷幕1/5處的4個角進行倒圓角，將會降低止水帷幕3.673%的阻水作用。其中45°切角的優化效果大于倒圓角的優化效果，主要原因是模型切角后的迎水面積要小于倒圓角后的面積，因此有效降低壓強方向止水帷幕迎水面積將會降低其對地下水流動的阻礙作用。

由此可得出結論，在實際工程中，可以選擇施工難度相對簡單，造價相對便宜的45°切角來降低止水帷幕的阻礙作用。

3 止水帷幕阻礙作用對海綿城市的影響

止水帷幕的阻礙作用對海綿城市的主要影響為：由于阻礙作用，使得地下水的排滲速度較慢，局部地下水水位更快上升，擠占地表水的入滲空間，降低地表水的下滲速度，最終導致止水帷幕附近海綿城市設施的效率下降。

目前，海綿城市設施的建設主要分為兩種，一種是使用透水混凝土、透水磚等透水材料鋪設透水路面；二是建設雨水花園、下沉式綠地、滲井、生物滯留帶等集中入滲設施，將附近不透水面(屋頂、路面等)導致的雨水徑流集中存蓄并入滲補給地下水。其中，雨水徑流集中入滲設施具有減緩城市內澇、凈化水質與涵養地下水的綜合功能，在海綿城市的建設中應用較為廣泛[17]。針對雨水花園等集中入滲設施的使用，唐雙成等[18]和賈忠華等[19]研究發現集中式雨水徑流入滲設施會提高局部地下水水位，并且該過程會在降雨后短時間內發生[20]。Machusick 等[21]在美國賓夕法尼亞州東南部地區的研究發現，當降雨量大于 18 mm時，雨水徑流通過滲蓄設施向下入滲補給地下水，局部得到補給的地下水會凸起形成小丘，造成地下水水位波動較大。止水帷幕的阻礙作用會使集中入滲后的地下水排滲難度加大，更易匯集成小丘，使地下水水位的波動更大，并且隨著水位的上升，地下水的頂托作用逐漸發揮作用，使得地表水的入滲空間不足、下滲速度下降，最終導致集中入滲設施效率降低，更易發生較嚴重的溢流。

地下結構對天然流場的阻隔或截斷會使得地下結構兩側地下水的水位局部上升或下降，造成兩側水力梯度增大[22]，阻礙地下水的流通，降低附近海綿城市設施的效率。同時，較大幅度的水位變化會造成建筑物內突水和增加附近建筑因浮托力而破壞的風險[23]，為城市的建設帶來隱患。

4 結論

海綿城市建設進展緩慢，在低影響開發的倡導下，要逐步恢復城市的自然水循環，這不僅要求我們關注地面硬化等地表排滲問題，還要關注地下水匯流等地下徑流問題。

影響地下徑流的因素有很多，但大體上可以得出如下結論：在相同情況下，相對于無落底式止水帷幕，落底式止水帷幕會對地下水的流動產生較大影響，邊長200 m的止水帷幕將對周圍20 000 m×4 500 m范圍內的地下水流動造成影響。在1 000 m的范圍內，落底式止水帷幕會造成地下徑流每秒7.34%～39.56%的流量削減，導致地下水匯流速度減慢，使得局部地下水水位提高，從而在降低附近海綿城市設施效率的同時增加附近建筑的安全隱患，不利于城市的健康發展。

實驗表明，倒角與切角可以優化止水帷幕，降低止水帷幕的阻礙影響，其中45°切角造價便宜、施工簡單、優化效果較好，對邊長200 m止水帷幕1/5處的4個角進行切角可以減低止水帷幕5.326%的阻水作用，因此在實際工程中對止水帷幕進行45°切角符合低影響開發，有利于海綿城市建設。