海綿城市入滲設施淤堵研究進展及長期性能改進方案探討

張家發(fā)，吳慶華，朱國勝

(長江科學院 a.水利部巖土力學與工程重點實驗室；b.國家大壩安全工程技術研究中心，武漢 430010)

海綿城市入滲設施淤堵研究進展及長期性能改進方案探討

張家發(fā)a, b，吳慶華a, b，朱國勝a, b

(長江科學院 a.水利部巖土力學與工程重點實驗室；b.國家大壩安全工程技術研究中心，武漢 430010)

針對海綿城市滲井、滲透管和滲透塘等典型入滲設施，闡述了淤堵機理和性能改進研究的意義。將淤堵影響因素分為淤堵物源性質(zhì)、水動力條件和濾層特性3個方面，分別圍繞這3個方面概述了淤堵研究進展。將我國海綿城市入滲設施淤堵問題研究的不足和需要加強研究的方面歸納為：淤堵物源特征仍然不夠明確，水流條件研究不夠全面，間歇運行的影響研究不夠，實際組合濾層結構缺乏研究，時間效應研究不夠，主要作用機制認識存在分歧,結構形式和運行維護方案研究不夠，缺乏原型試驗和實際工程研究。針對我國海綿城市建設，提出急需針對典型城市區(qū)域監(jiān)測實際雨洪，尤其是久未下雨后暴雨中的第1波雨洪，研究入滲設施的淤堵物源性質(zhì)?；陬愃茊栴}的研究工作，分析了入滲設施濾層性能改進的途徑，認為可更換濾層方案可以突破入滲設施淤堵問題，促進入滲設施的更廣泛運用，從而保障海綿城市建設的長期效果。

海綿城市；淤堵；懸浮物；水動力條件；土工合成材料；砂石濾層；可更換濾層

隨著城市化的加速發(fā)展，越來越多的區(qū)域被建筑物、道路和其他設施所覆蓋，顯著地改變了降雨入滲和產(chǎn)流條件，使得產(chǎn)流增加，入滲減少，其結果是洪水頻率更高，洪量更大，流速更快。若上述情況恰恰又發(fā)生在人口密集的城市區(qū)域，其危害性更大。針對如何減輕城市建設增加的洪水威脅，美國率先提出了“低影響開發(fā)”(LID)的理念，澳大利亞、新西蘭、日本以及歐洲一些國家隨即接受和不斷發(fā)展了這一理念[1]。進入21世紀以后，國內(nèi)城市洪澇災害越來越頻繁，災害防治的任務越來越緊迫和繁重[2]。同時城市化發(fā)展加劇了水資源供需不平衡狀況，雨洪資源利用是可以緩解這種不平衡狀況的途徑之一。文松霖等[3]較早地嘗試引入這些先進理念，提出以雨水入滲和雨水貯存為核心的解決方案。

最近幾年，一些城市洪澇災害造成了較大規(guī)模的人員傷亡悲劇[4]，使得政府相關部門更加意識到了問題的嚴重性，在吸收相關國家的理念和發(fā)展成果基礎上，提出了海綿城市建設的戰(zhàn)略，并已經(jīng)選取30個城市進行示范建設。美國國防部2016年發(fā)布的統(tǒng)一設施標準[5]將LID行動概括為尋求采取有效措施恢復工程區(qū)開發(fā)前的入滲率；將可采取的途徑概括為攔截、入滲、儲存、蒸發(fā)蒸騰等；設定的理想目標是實現(xiàn)開發(fā)后徑流量的零增長。我國住房和城鄉(xiāng)建設部2015年發(fā)布試行的《海綿城市建設技術指南》[6](以下簡稱“指南”)，副標題為低影響開發(fā)系統(tǒng)構建。該指南將海綿城市建設概括為：遵循生態(tài)優(yōu)先等原則，將自然途徑與人工途徑相結合，在確保城市排水防澇安全的前提下，最大限度地實現(xiàn)雨水在城市區(qū)域的積存、滲透和凈化，促進雨水資源利用和生態(tài)環(huán)境保護。指南特別強調(diào)海綿城市建設過程中應統(tǒng)籌自然降水、地表水和地下水的系統(tǒng)性，協(xié)調(diào)給水、排水等水循環(huán)利用各環(huán)節(jié)，并考慮其復雜性和長期性。

增強雨洪入滲是海綿城市建設采取的措施之一，但入滲設施的淤堵會影響其長期性能。本文主要概括和評述與滲井、滲透管和滲透塘等典型入滲設施淤堵有關的研究進展，探討進一步開展淤堵機理研究和入滲設施長期性能改進的方向。

1 入滲設施淤堵研究的意義

我國海綿城市示范建設正在進行，其常用的設施中，雨洪入滲設施主要包括透水鋪裝、滲井、滲透管和滲透塘。這些入滲設施功能的發(fā)揮取決于3個方面的條件：設施的布置是否有利于匯集雨水和地表徑流；設施自身和下伏地層的入滲能力；地下水位決定的地下蓄存空間?！逗＞d城市建設技術指南》所強調(diào)的建設效果的長期性，對于雨洪入滲設施來說，體現(xiàn)為設施自身和下伏地層入滲能力的長期性，以及地下水位動態(tài)允許的蓄存空間。

城市“雨洪”可定義為城市區(qū)域以雨水形成的地表徑流為主的洪水， 這一定義與城市開發(fā)造成大量不透水區(qū)域的實際情況相適應。 與直接進入入滲設施的雨水不同， 雨洪經(jīng)過一段距離的徑流后， 水質(zhì)發(fā)生了改變， 懸浮物會顯著地增加， 進入入滲設施后， 懸浮物的沉積和淤堵作用會降低設施自身和下伏地層的滲透性， 從而影響到設施的長期性能。

滲井、滲透管和滲透塘等這些典型入滲設施都需要設置完善的滲濾系統(tǒng)，目的就是防止對含水層造成淤堵和污染，但通常會造成自身的淤堵。淤堵降低系統(tǒng)的滲透性和入滲率，增加系統(tǒng)的溢流和積水周期，結果造成的不利影響涉及到公共安全(如洪水災害、蚊蠅繁殖)，環(huán)境美觀，處理效率，甚至系統(tǒng)的最終失效[7]。

可見海綿城市建設的成效，尤其是長期效果，有賴于對這些典型入滲設施設置合理的滲濾系統(tǒng)，并且能夠提供有效的維護。

國際上對于滲濾系統(tǒng)淤堵開展了一些研究工作，但是還很不夠。我國的海綿城市建設剛剛興起，尚處于示范建設階段，針對性的研究工作更少。以廣西南寧海綿城市工程設計圖集中的入滲設施結構形式為例[8]，滲井和滲透管的外圍及滲透塘底都采用了砂、碎石或礫石、透水土工布(土工織物)作為濾層。雨洪直接進入滲井或者滲透管，或者經(jīng)過前置塘等設施預處理后進入入滲設施，都攜帶著一定含量的懸浮物。這些懸浮物或者沉積在井底，井、管壁面，塘底；或者進入濾層甚至含水層，其結果都將是滲濾系統(tǒng)的入滲能力下降。清理這些沉積物不易于操作，甚至不可行，而對這些濾層和含水層更沒有可以操作的維護和恢復措施。

濾層是人類處理水問題的一項重要手段。濾層淤堵又是這一手段通常遇到的棘手問題，因而各行業(yè)都一直在著力研究和解決。海綿城市入滲設施的濾層淤堵問題，是與特有的雨洪懸浮物性質(zhì)和水動力條件相對應的。深入開展濾層作用機制研究，揭示淤堵機理，才能取得可以指導評價和改進濾層長期性能的理論成果。

2 入滲設施淤堵研究進展

針對海綿城市典型入滲設施的特點，可以將淤堵的影響因素概括為淤堵物源、水動力條件和濾層特性3類。這3大類因素的共同作用，決定濾層作用機制和淤堵機理。以下圍繞這3個方面概述國內(nèi)外的最新研究方法與手段，以及已取得的認識，分析存在的不足，探討需要發(fā)展的方向。

2.1 淤堵物源性質(zhì)研究

淤堵物源性質(zhì)研究是揭示淤堵機理和改進滲濾系統(tǒng)的重要基礎。淤堵物源是由滲濾系統(tǒng)處理的對象和所處的環(huán)境所決定的。

進入滲濾系統(tǒng)的水質(zhì)和懸浮物成分，以及在進入滲濾系統(tǒng)后可能發(fā)生的化學和生物作用，共同決定了淤堵物源的形式、成分及其性質(zhì)與含量，也就決定了在淤堵過程中的物理、化學和生物作用[9]。在一些物源條件下，可能物理、化學和生物作用都扮演著重要的角色；在另一些環(huán)境下，可能主要發(fā)生其中1種或者2種作用，其他作用可以忽略。例如，針對邊坡、含水層的排水井或者減壓井，水質(zhì)和懸浮物主要決定于地層性質(zhì)，如果地層的內(nèi)部結構不穩(wěn)定，就可能在滲透比降的驅(qū)動下有小顆粒啟動；如果地層中含有易溶解的成分，就可能在接近井管的過程中發(fā)生化學、生物作用。當然，如果管理不善造成了洪水倒灌，那就有雙向水流和淤堵物源，物源的性質(zhì)和淤堵過程會更加復雜。對于污水處理的滲濾系統(tǒng)以及垃圾填埋場滲濾液排放系統(tǒng)來說，淤堵物源將有高濃度的化學和生物成分。

本文中滲濾系統(tǒng)的處理對象是城市雨洪，所處環(huán)境是人類和動物活動頻繁、具有綠化和生態(tài)與景觀要求的城市區(qū)域，這些共同影響著雨洪水質(zhì)和懸浮物的性質(zhì)。

Kandra等[10]研究雨洪特征對入滲淤堵的影響時，認為相對于污水來說，雨洪的有機質(zhì)含量低，一般都假設雨洪入滲系統(tǒng)最可能發(fā)生的是物理淤堵。Kandra等[10]依據(jù)Francey等[11]和Deletic等[12]的研究成果，采用了半人工的暴雨洪水成分，模擬人口密集城區(qū)的典型污染物濃度。懸浮物顆粒采用了2種方案：方案1最大粒徑75 μm，平均粒徑31 μm；方案2最大粒徑1 000 μm，平均粒徑391 μm。入滲試驗表明，雨洪中懸浮物濃度是較高入滲率條件下影響濾層水力和過濾特性的重要因素，而雨洪所含有的營養(yǎng)物和重金屬，對于滲濾系統(tǒng)水力特性和運行效果的影響有限。該文作者也注意到另有研究表明，其他污染物在雨洪淤堵過程中起很重要的作用。筆者認為，如果試驗采用干濕相間的模式，或者雨洪污染物濃度更高的話，化學和生物淤堵就會凸顯。淤堵試驗研究的所有結論對應的條件包括：懸浮物顆粒濃度及其粒徑，其他污染物的成分和濃度，雨洪補給方式、強度、持續(xù)時間、間歇時間，濾層自身的顆粒組成和孔隙性，等等。

路瑩等[13]運用土柱試驗研究石英砂濾層堵塞規(guī)律時，采用路面雨后沉積的表層細粒土(直徑<75 μm)按照50 g/L的濃度配制試驗用水，以模擬回灌水的淤堵物源性質(zhì)。這樣的雨洪入滲淤堵物源性質(zhì)代表性還不夠。黃修東等[14]在進行人工回灌的土柱模擬試驗時，將取自某蓄滯洪區(qū)的雨洪水沉積物于烘箱干燥后壓碎，通過0.3 mm過濾網(wǎng)過濾后，加入自來水攪拌混合形成試驗用水,濃度范圍為10～400 mg/L。童坤等[15]采用了北京平谷盆地雨洪水懸浮物濃度，其最大值達273 mg/L，50%雨洪樣品濃度在15 mg/L以上，平均為35 mg/L，但是未見該項成果的直接報道。

趙樹旗等[16]對北京工業(yè)大學校園內(nèi)的降雨徑流污染進行了監(jiān)測，結果表明，冬季過后第1場降雨徑流水樣為劣Ⅴ類水質(zhì)，之后的水樣污染程度有所減輕；不同取樣點水質(zhì)污染程度不同。對于海綿城市入滲設施來說，這種時間和空間上的水質(zhì)和懸浮物的差異同樣會存在。

試樣的代表性是研究雨洪入滲淤堵物源性質(zhì)的關鍵。只有從入滲設施中直接取水樣和沉淀物試樣，才能夠真正揭示雨洪入滲淤堵物源的性質(zhì)。降雨間歇期，尤其是長時間無雨天氣中，地面會產(chǎn)生和累積粉塵、垃圾和動植物殘片。降雨發(fā)生后，第1波雨洪沖刷地面，會攜帶更多的懸浮物至入滲設施，并對滲濾系統(tǒng)的淤堵產(chǎn)生關鍵作用，所以第1波雨洪水樣的性質(zhì)更具有控制意義。

進入滲濾系統(tǒng)的雨洪，至少可以分為2類：經(jīng)過植草溝、沉淀池、前置池等預處理的雨洪；沒有經(jīng)過預處理的天然雨洪。這2類的水質(zhì)和懸浮物性質(zhì)與含量應該有差別，差別的程度與預處理效果有關。為了揭示淤堵機理并針對性地改進滲濾系統(tǒng)，需要分別研究這2類雨洪的入滲淤堵物源性質(zhì)。

目前，國內(nèi)外從淤堵物源角度研究雨洪水質(zhì)和懸浮物成分的成果有限，而且我國的城市和社會發(fā)展現(xiàn)狀也會造成雨洪水質(zhì)和懸浮物成分與其他發(fā)達國家有一定差別。

采用合適的取樣方法，取得具有代表性的水樣，適當取得沉積物試樣，開展物理、化學和生物成分分析，是研究識別淤堵物源性質(zhì)的重要基礎。

2.2 水動力條件研究

水動力條件是滲濾系統(tǒng)運行的重要條件，與淤堵物源一起作用于濾層，研究水動力條件對入滲設施淤堵的影響規(guī)律，也是全面揭示淤堵機理的基礎。

已有的室內(nèi)淤堵試驗研究大都是一維滲流試驗，可以滿足從材料性質(zhì)角度研究的需要。長江科學院在研究減壓井淤堵時[9,17]，采用了多種試驗方法，其中包括徑向滲流模型試驗，實現(xiàn)了減壓井運行期間徑向匯流條件。

不同入滲設施的水流條件各有不同，滲透塘的入滲可以概括為積水壓力垂向入滲；滲井中則包括井底的以垂向為主的入滲，以及井壁的徑向入滲和輻射水流條件；滲透管中則為管壁徑向入滲和輻射水流條件。雨洪入滲研究可以垂向壓力入滲試驗為主，開展濾層性質(zhì)與淤堵物源和大部分水動力條件的組合研究，但同時還應該針對滲井和滲透管的實際水流條件，適當開展徑向流模型試驗，以研究其與滲透塘淤堵機理的差別。

城區(qū)的典型入滲設施，尤其是位于生活區(qū)的入滲設施，應該在雨后經(jīng)過較短時間的入滲就能夠干涸見底，這樣能夠避免蚊蟲繁殖，有利于環(huán)境衛(wèi)生。于是，入滲設施中的水流條件是動態(tài)的：雨洪入流開始后水深逐漸增大，水位達到溢流條件后會維持穩(wěn)定，雨洪入流停止后水深又開始減小，干涸見底直至下次雨洪入流之前水深為0。大多數(shù)淤堵試驗研究都忽略了水深增減或者水位升降過程，僅模擬接近實際運行條件的最大水深或者水力比降，這種條件簡化是允許的。但是運行間歇期對于淤堵的影響非常重要。長江科學院在研究減壓井淤堵時發(fā)現(xiàn)，正是地下水位下降、井口不再溢流時，井內(nèi)水位變動帶氧化還原條件發(fā)生了改變，低價鐵變成高價鐵并沉淀吸附于井壁和濾層上，并可能向濾層內(nèi)部溯源擴展[18]。

Kandra等[10]開展了不同頻率(每天、隔天和每周一次)雨洪的試驗，結果顯示了相似的入滲率衰減模式，不同雨洪頻率對于濾層影響的差異有限。該文作者注意到另有研究表明，間歇運行有利于淤堵的逆轉。然而實際工程運行條件下，雨洪入滲間歇期，入滲設施內(nèi)酸堿性、光照、氧化還原等系列條件發(fā)生了改變，動植物活動和作用也發(fā)生了改變，容易結垢，生長細菌和藻類，留下動植物碎屑和排泄物等等，這些對淤堵規(guī)律的影響將是復雜的。

為了揭示雨洪入滲淤堵機理，室內(nèi)模型試驗的入滲間歇期需要足夠長，盡可能模擬實際條件；在此基礎上，開展適當?shù)脑驮囼炇欠浅１匾摹?/p>

2.3 濾層特性及淤堵規(guī)律研究

正確認識濾層特性是揭示淤堵機理和改進滲濾系統(tǒng)的另一個重要基礎。濾層特性包括材料特性和結構特性。

水利水電工程中傳統(tǒng)砂石濾層的作用是提供一種水力過渡，既能夠防止被保護土的細顆粒流失，自身又具有足夠的排水能力，使得滲流場得到有效控制，滲透穩(wěn)定性得到滿足，同時還能夠促進結構變形的控制及其穩(wěn)定性。砂石濾層影響淤堵的材料特性包括由顆粒形狀、級配、密實度等共同決定的孔隙特性，表現(xiàn)為排水性、保土性和自身的滲透穩(wěn)定性。砂石反濾層特性及其合理選用長期占據(jù)水利水電工程設計研究課題中的重要位置[19-22]。朱崇輝等[23]采用試驗中壓力測值的時程線說明反濾層防止其上游防滲層裂縫受到進一步?jīng)_刷的效果。郭愛國等[24]通過試驗中流速和滲透系數(shù)隨比降和時間的變化分析了反濾層的作用效果和分散性黏土心墻料裂縫自愈的時間效應。鄒玉華等[25]針對高土石心墻壩開展了加載條件下的心墻料與反濾料組合抗?jié)B試驗研究，結果表明單向壓縮條件下，隨著應力的增加，防滲料滲透系數(shù)減小，破壞比降增大；而水平應力增加則使得滲透系數(shù)先減小后增大，破壞比降先增大后減小。這些都屬于宏觀研究。反濾設計準則一直是業(yè)界關心的問題。我國老一輩水利工作者借鑒了國外的反濾設計準則，并在后續(xù)的研究與實踐中不斷地發(fā)展和完善[20]。孫君實等[26]對反濾級配進行了較全面的討論，將反濾設計依據(jù)歸納為9項條件，也就是其提出的設計過程和方法。

長江科學院通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗研究[9,17]，揭示了機械淤堵和化學淤堵的形成原因和機理，證明了淤堵主要產(chǎn)生在減壓井運行間歇期，首次揭示了淤堵的出口特性、間歇特性和溯源特性。

土工合成材料的出現(xiàn)，帶來了巖土工程中的一場革命[27]。其中，土工織物在反濾與排水中的應用已經(jīng)很普遍。用土工織物代替?zhèn)鹘y(tǒng)砂石料作反濾層時，人們?nèi)菀缀茏匀坏匾詾槎呤强梢缘刃У?，甚至以為原理一樣。實際應用的工程效果又一再提醒人們，二者各有其特殊性。1998年長江流域大洪水期間，筆者在當時形勢最為吃緊的洪湖長江干堤指導防汛搶險工作，發(fā)現(xiàn)當?shù)丶夹g人員很愿意在管涌口的倒濾堆中使用土工布，筆者要求揭開一處土工布后發(fā)現(xiàn)，青沙淤積在土工布與先已投放的砂石濾料之間，土工布已經(jīng)變得非常重，因為土工布朝下的那一面也是積滿了青沙，這也就難怪倒濾堆的出水流量逐漸減少，險情并沒有得到控制，實際上潛伏著更大的危險。筆者當即要求去掉土工布，恢復使用砂石濾料，保障倒濾堆排水的通暢，并要求在其他險情的處理中使用土工布也要保持謹慎。

束一鳴[28]利用針刺織物孔徑與粉土粒徑關系滿足規(guī)范要求的組合，開展梯度比試驗，并結合實際工程長達10 a的運行情況，說明針刺織物對于粉土反濾的有效性。這一結論是可信的。然而實際工程應用條件往往更加復雜。堤防、護岸、渠道工程，甚至大壩下游排水溝工程，都會延伸很長距離，對于土性的認識只能依賴于從有限的取樣點或鉆孔芯樣獲得的資料。實際土層的級配和密度是有空間變化的，工程施工中選購土工織物時也難以做到根據(jù)實際土性的變化頻繁地變換規(guī)格，往往是針對一項工程選用統(tǒng)一的規(guī)格，造成反濾關系實際上可能沒有得到滿足，這就是土工織物應用中與其便利性伴隨的問題，會直接影響到工程安全。

關于土工織物系統(tǒng)的反濾機理，陳輪等[29]總結了早期的觀點，即把土工織物的過濾作用等同于傳統(tǒng)的砂石材料，實際上許多工程技術人員至今仍然是這樣簡單認為的；后來流行一種新的機制解釋，即認為土工織物濾層主要起到一個“催化劑”的作用，誘發(fā)附近被保護土層依次形成架空層和天然濾層，天然濾層阻擋上游土顆粒流失，而土工織物只要能保持架空層的骨架顆粒不流失即可維持反濾系統(tǒng)的滲透穩(wěn)定性。一些文獻支持了“催化劑”作用的機理一說[29-30]，不過都屬于宏觀層面的邏輯推理，還沒有提供微觀層面的直接證據(jù)。

與水利水電工程的反濾不同，雨洪入滲設施的淤堵物源是隨雨洪的進入而來自于外界，濾層主要是起過濾的作用，是防止含水層淤堵的一項重要措施，同時也起到一定程度的水流凈化作用，在這一點上與地下水回灌以及水處理設施是相似的。

城市污水處理凈化池的水流條件與海綿城市入滲設施在某種程度上相似，但是污水的水質(zhì)和懸浮物[31-32]比起一般城市雨洪有很大差別，淤堵過程和規(guī)律性也就不同。

Coulon等[33]通過實驗室的土柱試驗，用9周時間再現(xiàn)了雨洪滯滲盆地的3 a運行過程。以達到400 mg/L的濃度為目標在土柱頂面人工投放懸浮物顆粒，試驗使用的懸浮物顆粒取自盆地現(xiàn)場的沉積物，并用5 mm篩子去除植物、塑料等碎屑。盆地入滲土層試樣取自現(xiàn)場的河流沉積層。36個月的模擬結束后，土柱頂面形成了3 cm厚的沉積層。通過反演計算得出，從入滲開始后的第6個月到結束時的第36個月，飽和滲透系數(shù)從24.9×10-6m/s降至3.3×10-6m/s，平均等效孔徑從606 μm減小至380 μm。試驗結束后土樣截面成像的圖像分析表明，沉積物顆粒由開始的孤立狀態(tài)逐漸演變?yōu)橄嗷ソ佑|狀態(tài)。其圖像分析尚屬于細觀層面。

Alem等[34]采用粒徑為315～630 μm的砂粒拋填形成土柱，分別開展去離子水和高嶺土顆粒懸浮液的入滲對比試驗，高嶺土顆粒的粒徑為1.7～40 μm。試驗供水包括定水頭和定流量2種條件，結果表明定水頭條件下土柱頂面積水更多，孔隙介質(zhì)淤堵更快。而在同一供水方式下，懸浮物濃度的增加導致滲透系數(shù)更快地降低。由進出水流懸浮物顆粒分析成果對比認為，入滲試驗初期，大顆粒主要留存在土柱內(nèi)；隨著入滲總量的增加，大顆粒更容易運移，出流液中可見的顆粒尺寸逐漸增大。這與大多數(shù)研究取得的認識相悖，一般地，隨著濾層淤堵的演進，其孔隙空間會變小，顆粒在其中的運移受到的限制應該越來越大?？梢妰H憑宏觀現(xiàn)象推理，沒有微細觀的直接證據(jù)是難以揭示真實機理的。

童坤等[15]分別在400，200，100 mg/L懸浮物濃度下，通過土柱試驗模擬了雨洪回灌堵塞含水層的過程，通過分析堵塞層的滲透系數(shù)和滲濾速率的變化，以及回灌前懸浮物和回灌后淤泥層的級配對比，揭示物理堵塞特征，認為堵塞過程中形成的淤泥層和砂層上部淤堵層2個區(qū)域，是濾層失效的主要原因。

黃修東等[14]在進行人工回灌的砂柱模擬試驗時，主要通過出流速率的變化分析系統(tǒng)滲透性減弱的規(guī)律，并提出了負指數(shù)形式的預測模型，關于砂柱頂面淤泥層的形成可以直接觀察到，而該文關于砂柱表層孔隙中進入的懸浮物顆粒則主要是基于分析推斷。

Thompson等[35]針對一種低成本的含水層回灌措施開展了淤堵試驗研究。這種措施是采用直接推進法建造小直徑的回灌井，依靠靜力水頭作用進行回灌。在實驗室采用砂和礫石制備土柱，分別使用經(jīng)過處理的地表水和地下水，在3種入滲速率下開展了17 d的入滲試驗。結果顯示，最低一種入滲速率試驗的滲透系數(shù)比初始值降低了至少一個量級，從出流管觀察到了中、低速率地表水入滲試驗有細菌淤堵現(xiàn)象。而黏土顆粒的擴散有利于逆轉細菌淤堵。該文所稱低速率入滲，與海綿城市雨洪入滲相似，后者入滲設施中積水不深，也是依靠靜力水頭驅(qū)動入滲水流。

Kararzyna[36]采用砂柱開展黏土顆粒懸浮液的非飽和入滲試驗，試驗結束后分段對砂柱試樣進行顆粒分析，并對樹脂固化試樣切片在顯微鏡下分析。成果顯示了滲透系數(shù)隨入滲量增加而衰減的規(guī)律，并將淤堵物在孔隙內(nèi)砂粒之間結構關系劃分為5種形式：厚覆蓋，常常連接相鄰顆粒且大部分覆蓋于顆粒頂面；完全填滿孔隙；覆蓋于顆粒頂面；顆粒間的新月形橋；聚集于顆粒的不規(guī)則凹面上。該文[36]沒有進一步開展機理分析。

長江科學院在研究減壓井淤堵問題時[18]，將反濾料摻入10%的硫酸亞鐵鹽，拌合均勻后倒入量筒內(nèi)，加入不同數(shù)量的水浸泡，觀察到硫酸亞鐵鹽溶解于水并逐步將低價鐵氧化為高價鐵，水呈現(xiàn)出紅色的過程。高價鐵鹽達到一定濃度后開始沉淀，3 d后水中高價鐵沉淀完成，水基本無色，反濾料表面形成了一層紅色沉淀物。對脫水和未脫水的試樣進行了掃描電鏡測試，結果顯示，脫水后的反濾料顆粒之間產(chǎn)生了明顯膠結，而沒有脫水的反濾料沒有發(fā)現(xiàn)顆粒間的膠結，只有表面沉淀的纖維狀物質(zhì)。這一微觀研究不是針對濾層結構，而只是針對濾料開展的。

綜上所述，在與滲濾有關的不同應用領域，淤堵都是重要的研究課題，也都取得了一些成果，許多方法可以為海綿城市雨洪入滲設施淤堵機理研究參考借鑒。但是海綿城市入滲設施有很多特點將影響淤堵作用，例如，有特定的淤堵物源性質(zhì)和濃度；有經(jīng)過預處理的雨洪和天然雨洪2種情況；靜水壓力入滲，為積水深度較淺的垂向入滲或者徑向入滲；入滲過程之間可能存在間歇期；入滲設施處于人類和動植物頻繁活動的環(huán)境之中；采用的是組合濾層；等等。相對于海綿城市建設的需要，尤其是對設施長期性能的要求來說，相關的研究工作還遠遠不夠。

3 入滲設施長期性能改進方案探討

由淤堵引起的滲濾系統(tǒng)長期性能衰減一直是令人頭疼的問題。對于深埋于土體內(nèi)的反濾層，幾乎沒有可用的維護手段。排水孔和減壓井的維護措施一直在得到研究和發(fā)展。除了各種洗井措施外，長江科學院最早開展可拆換濾芯的研究，并首先在葛洲壩樞紐大壩基礎排水孔中得到應用[37]。而后，長江科學院進行過跟蹤檢測，結果表明應用效果良好。這為在大壩基礎排水孔壁對軟弱地層的保護提供了長效手段，在后續(xù)其他工程中得到了應用[38]，并激發(fā)了長江科學院對堤防工程可拆換減壓井的研究。

長江科學院基于研究揭示的減壓井淤堵機理，提出新的減壓井結構形式，包括外部固定部分和內(nèi)部可拆換濾芯[39]。固定部分與傳統(tǒng)濾層結構類似，只是有意使用粒徑偏粗的砂石濾料，僅提供對于地層的支撐作用。內(nèi)部可拆換濾芯主要采用泡沫塑料制作，既能透水，又能夠防止地層中細顆粒的大量流失，還能夠接受溯源淤堵物質(zhì)，并在性能衰減到一定程度后，通過拆換而恢復減壓井的功效。這一成果經(jīng)過現(xiàn)場試驗的檢驗，得到水利部的支持并予以推廣，成為一項實用技術[40]。

長江航道工程建設中，在許多二元和多元結構地基的岸坡上，傳統(tǒng)的盲溝排水措施作用效果有限，使得岸坡排水速度遠遠跟不上江水降落的速度，從而造成岸坡中滲流沖刷作用，并影響到岸坡的結構穩(wěn)定。借鑒大壩基礎排水孔和堤防工程可拆換減壓井的研究成果，長江科學院又研究提出了航道岸坡組合式水平排水孔方案，既能夠?qū)崿F(xiàn)岸坡深部的排水，又能夠在一旦淤堵后通過拆換濾芯恢復排水孔的功效。其濾芯也采用了泡沫塑料。這一技術已經(jīng)獲得專利，并已經(jīng)得到工程應用[41]。

陶同康等[42]研究提出的搶護堤防管涌濾墊，采用了針刺土工織物作為濾層，該設備即使僅用于應急和臨時搶險，仍然會有快速淤堵和性能衰減的可能。

趙堅等[43]也研究提出了可置換濾芯新型減壓井管方案，不過使用了土工織物過濾層，沒有給出織物的規(guī)格，按照一般的土工織物特性考慮，仍然擔心顆粒積聚于濾層表面，使得性能衰減過快。

為應對淤堵問題和盡可能保障長期性能，海綿城市建設針對入滲設施采取了一些方式：

(1) 井箅，用于減少進入滲井的雨洪懸浮物。

(2) 前置塘等預處理設施，主要用于減少進入入滲設施的雨洪懸浮物。

(3) 濾層，用于減少進入含水層的雨洪懸浮物。

上述3方面在減少入滲設施淤堵方面都能夠起到一定的作用。相對來說井箅的作用更加有限，而且改進的空間也有限。設置前置塘等預處理設施的目的是使雨洪懸浮物沉降，通過對雨洪的初級處理減緩入滲設施的淤堵。其作用取決于減緩水流流速的效果，以及雨洪在預處理設施內(nèi)停留的時間，這些都跟預處理設施的體形、面積和水深，以及匯流量有關。改進預處理設施的布置和設計，能夠起到更好的效果，但是僅僅依靠預處理設施內(nèi)的自然沉降作用，效果仍然是有限的。例如，超過設計標準的暴雨洪水，就沒有充裕的時間讓懸浮物在預處理設施中沉降。況且，預處理設施的應用還受到占地條件的限制。

濾層重要功能之一就是防止含水層的淤堵。改進傳統(tǒng)砂石料濾層設計方案，可以提高入滲設施長期性能，但是砂石料濾層自身的淤堵是必須解決的問題。土工合成材料的使用效果，面臨著懸浮物組成復雜條件下材料規(guī)格的針對性問題?，F(xiàn)有的方案中，一旦濾層自身淤堵了，設施就會降低功效，甚至喪失功能，而且沒有可行的維護手段。

我國城市居民的生活衛(wèi)生習慣在不斷地改善、城市基礎設施建設的管理水平、企事業(yè)單位的環(huán)境保護意識在不斷地提高，但是與一些LID起步較早的發(fā)達國家相比還存在一定差距，這就使得雨洪水質(zhì)和懸浮物造成的淤堵問題會更嚴重，入滲設施長期性能面臨的挑戰(zhàn)更大，甚至可能造成入滲設施在有些條件下過早失效。解決這一問題的突破性方案是濾層可更換方案。

研究這一方案的可行思路是，借鑒長江科學院研究的堤防工程可拆換減壓井和航道岸坡組合式排水孔技術，針對雨洪入滲淤堵物源的性質(zhì)，研究泡沫塑料的濾層作用機制，提出合適的孔隙性要求，通過材料和發(fā)泡工藝的調(diào)整，生產(chǎn)出規(guī)格合用的材料；針對滲井、滲透管研究提出合適的可更換濾芯結構方案，針對滲透塘的沉泥區(qū)與入滲區(qū)之間的溢流堰提出合適的可更換濾板結構方案；通過實際工程應用和跟蹤監(jiān)測、檢測，驗證其效果和可操作性，并提出運行維護方案。

4 結 語

(1) 根據(jù)海綿城市典型入滲設施的特點，可以將淤堵的影響因素概括為淤堵物源性質(zhì)、水動力條件和濾層特性3類，圍繞這3個方面深入研究濾層作用機制，揭示淤堵機理，才能針對性地研究入滲設施長期性能的改進方案。

(2) 當前，我國海綿城市入滲設施淤堵問題研究的不足及今后需加強的方面主要在：淤堵物源性質(zhì)和特征仍然不夠明確；水流條件研究不夠全面；間歇運行的影響研究不夠；實際組合濾層結構缺乏研究；時間效應研究不夠；主要作用機制認識存在分歧；結構形式和運行維護方案研究不夠；缺乏原型試驗和實際工程研究。

(3) 我國社會發(fā)展現(xiàn)狀決定了城市雨洪水質(zhì)和懸浮物組成會與西方發(fā)達國家不同。當前，特別需要加強典型城市區(qū)域?qū)嶋H雨洪的監(jiān)測取樣，并著重于久未下雨后暴雨中第1波雨洪的取樣。同時為適應海綿城市建設的緊迫形勢，有必要借助原型試驗，通過對自然降雨和人工降雨產(chǎn)生的雨洪取樣，盡快取得淤堵物源性質(zhì)的成果，以推進淤堵機理和入滲設施性能改進的研究。

(4) 可更換濾層方案可望突破性地解決雨洪入滲設施的淤堵問題，也可以促進入滲設施的更廣泛運用，只要技術可靠、成本合理、操作便利，就可以有效地提升和保障海綿城市建設的長期效果。

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(編輯：羅 娟)

Research Advances in the Clogging of Infiltration Facilities of SpongeCity and Discussions on Improving Its Long-term Performance

ZHANG Jia-fa1,2, WU Qing-hua1,2, ZHU Guo-sheng1,2

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China; 2.National Research Center on Dam Safety Technology,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

The significance of researches on the clogging mechanism and performance improvement was expounded for typical infiltration facilities of sponge city, such as well, tube, and pond. Factors of clogging were classified as three kinds: clogging material properties, hydrodynamic conditions and filter properties. In this article, the advances of research on clogging mechanism were summarized and discussed in terms of these three kinds of factors. The drawbacks which need to be overcome by further studies were summarized: the characteristics of clogging material is unclear, the simulation of hydrodynamic condition is non-holistic, studies on real filter structures, intermittent operation and time effects are inadequate, understandings of the clogging mechanism are inconsistent, attention on new filter structures and filter maintenance is insufficient, and prototype and in situ studies are in lack. According to the status of sponge city construction in China, it is urgent to monitor the storm water for typical urban areas, especially the first storm water after a long dry period. On the basis of research on similar problems, the approaches of improving the performance of infiltration facilities were analyzed. It was proposed that replaceable filters would be a practical solution to break through clogging problem and to promote the application of infiltration facilities and would guarantee the long-term efficiency of sponge city construction.

sponge city; clogging；suspended substance; hydrodynamic conditions; geotextile; sand and gravel filter; replaceable filter

2016-04-26；

2016-06-28

國家自然科學基金項目 (51279016，41402213)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費項目(CKSF2016021/YT)

張家發(fā)(1960-)，男，安徽安慶人，教授級高級工程師，碩士，主要從事巖土工程和水工滲流研究，(電話)027-82820029(電子信箱)zhangjf@mail.crsri.cn。

10.11988/ckyyb.20160400

2016,33(12):78-85

TV139.1

A

1001-5485(2016)12-0078-08