重塑黃土滲透性的影響因素及其對海綿城市建設的意義探討

張弘

北京市市政工程設計研究總院有限公司廣東分院 廣東 廣州 510075

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引言

近年來，極端的氣候環(huán)境帶來的大面積強降雨和洪水持續(xù)挑戰(zhàn)著中國部分城市的承受力，與此同時，城市也會面臨極端炎熱天氣帶來的干旱和缺水問題。海綿城市便是為了解決氣候變化產(chǎn)生的挑戰(zhàn)而提出的解決方案。

目前，我國正處在城市化快速發(fā)展的關鍵時期，城市不透水面積急劇增加。城市道路作為城市主要不透水下墊面之一，占建設用地的比例超過了30%。然而，傳統(tǒng)管道排水方式導致道路排澇壓力大、路面污染嚴重等突出問題，難以滿足現(xiàn)代城市建設對生態(tài)環(huán)境的需求。海綿城市設計策略在收集利用雨水徑流、控制污染排放等方面可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟、生態(tài)和美學效益。

海綿城市，指城市能夠像海綿一樣，在適應環(huán)境變化和應對自然災害等方面具有良好的“韌性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用，通過“滲、滯、蓄、凈、用、排”等多種技術，實現(xiàn)城市良性水循環(huán)，確保水環(huán)境和水生態(tài)安全?！昂＞d城市”在國外有很多前身，如美國的低影響開發(fā)技術、歐洲的可持續(xù)排水計劃、澳大利亞的水敏感性城市設計、日本的雨水調(diào)蓄設施等。但無論哪一種設計或計劃，均把加大地面雨水入滲做為首要考慮的手段。

我國西北黃土高原地區(qū)是個缺水的地方，建設海綿城市有著較為重要的戰(zhàn)略意義。但淺部黃土通常具有遇水濕陷的性質(zhì)，即具有受水浸濕后土的結構破壞而發(fā)生顯著沉陷變形的等特性。顯著增加雨水入滲后，會對建(構)筑物地基、路基等產(chǎn)生影響。因此，在黃土地區(qū)進行海綿城市建設中，能不能把增加雨水下滲做為海綿城市建設的技術手段，是目前亟待解決的課題。本文以第二批全國海綿試點建設城市——慶陽市海綿城市建設為例，通過室內(nèi)試驗，研究黃土的滲透性影響因素，從而對海綿建設的建議提出指導意見。

1 研究方法及試驗內(nèi)容

1.1 試驗用土的基本性質(zhì)

試驗分別選取慶陽海綿城市試點范圍內(nèi)均勻分布的三個點，分別位于慶陽市的北邊、中部和南部，采用人工開挖探井，采取自地表以下1.5m深度處人工切取土樣。試驗前將黃土試驗風干并過2mm篩子，經(jīng)輕型擊實試驗測得土樣最優(yōu)含水率為18.3%，最大干密度為1.89g·cm-3。由篩分法與密度計法分別測得到的三個點的顆分曲線如下：

圖1 慶陽濕陷性黃土級配曲線

可以看出，A、B、C三點黃土樣顆分曲線接近，其顆粒組成均以＜0.075mm的細顆粒為主。以A點為例說明，＜0.075mm的細顆粒含量為96.2%，平均粒徑d50為0.019mm，特征粒徑d60=0.025mm，d30=0.01mm，d10=0.003mm，不均勻系數(shù)Cu=8.3＞5，Cc=1.3＞1且＜3，級配良好，曲線連續(xù)。另外，根據(jù)聯(lián)合液塑限試驗得到的液限WL=32.8%，塑限Wp=21.3%，塑性指數(shù)Ip=11.5。土樣可定名為級配良好的低液限粘土。

1.2 重塑黃土的滲透性

原狀黃土由于雨水滲透，使地基土體表層含水量增大，土體飽和，抗剪強度大幅度下降，為了改善天然土的工程性質(zhì)，在工程中常采用壓實的方法使土顆粒重新排列壓實變密，以獲得新的結構強度。

對C點的土樣進行重塑黃土的壓實度與飽和狀態(tài)滲透性的研究，得出壓實系數(shù)η=0.79～1.00下，干密度ρd與滲透系數(shù)k的數(shù)值，并根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》劃分土的滲透性等級，詳見下表1。

表1 黃土壓實度與滲透性

由表1所得試驗結果可以繪出滲透系數(shù)與壓實度關系曲線，如圖2所示。

圖2 壓實度與滲透系數(shù)關系曲線

可以看出，隨著重塑黃土壓實度的不斷增大，重塑黃土飽和滲透系數(shù)呈非線性減小的趨勢。如η=0.82時，對應重塑黃土滲透

系數(shù)k值為η=0.90對應重塑黃土滲透系數(shù)的6.45倍，為η=0.95的45.45倍；當壓實度達到95%時（干密度為1.8g/cm3），滲透系數(shù)為4.4×10-6cm/s，此時土層為微透水層。

2 慶陽海綿城市建設措施體系

慶陽城區(qū)位于位于我國最大的塬面—董志塬上，黃土厚度大，具II～IV級濕陷性；滲透性隨壓實度的不斷增大呈線性減小的趨勢。慶陽市海綿城市建設應遵循“源頭控制、中途蓄滯、末端排放”的原則，結合自身條件，因地制宜的選用“滲、滯、蓄、凈、用、排”的措施，最大限度減少城市開發(fā)建設對生態(tài)環(huán)境的影響，實現(xiàn)90%的降雨就地消納和利用。綜合慶陽市海綿城市建設適宜性評價結果，最終確立“蓄、凈、用為主，滲、滯、排為輔”的海綿建設措施體系。

“蓄、凈、用為主”是慶陽海綿城市建設的核心。

五大湖是慶陽主要受納水體，是海綿城市海綿體主要組成部分，應加強“蓄用一體”的節(jié)水、調(diào)蓄工程建設，同時保證水質(zhì)潔凈，維護水環(huán)境和水生態(tài)，體現(xiàn)了慶陽海綿城市建設的主要特征。

“滲、滯、排為輔”是慶陽海綿城市建設的關鍵。

“滲”是海綿城市建設雨水源頭控制、降低面源污染的重要措施。基于慶陽市城市安全和濕陷性黃土特征等綜合考慮，提出因地制宜選用淺層、小型入滲設施，根據(jù)場地條件采取防滲措施，“適度滲透”。

通過“滯”減緩雨水流速，減少徑流峰值，從源頭上緩解城市內(nèi)澇；

針對慶陽市老城區(qū)內(nèi)澇災害嚴重等問題，提出有效組織超標雨水、地表水、污水等，合理“有序排放”，構建生態(tài)化、可持續(xù)的排水系統(tǒng)，保障城市水安全。

3 結論

（1）慶陽城區(qū)位于位于我國最大的塬面—董志塬上，黃土厚度大，具II～IV級濕陷性；隨著壓實度的不斷增大，重塑黃土的飽和滲透系數(shù)呈非線性減小的趨勢。

（2）當壓實系數(shù)達到0.95時，對應的干密度為1.8g/cm3，滲透系數(shù)為4.4×10-6cm/s，此時土層為微透水層。

（3）根據(jù)黃土的滲透性特點，最終確定慶陽市海綿城市建設以“蓄、凈、用為主，滲、滯、排為輔”的措施體系，因地制宜選用淺層、小型入滲設施，根據(jù)場地條件采取防滲措施，“適度滲透”。