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(yáng) 110006

1 黃土中水的遷移規(guī)律

近年來(lái)，對(duì)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(duì)黃土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)滲水試驗(yàn)。研究表明，對(duì)于濕陷性黃土場(chǎng)地，如果不采取導(dǎo)水入滲措施，水分入滲是有限的；同時(shí)，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(shí)間和場(chǎng)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(duì)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(huì)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(shí)，溫差引起的含水量差異??；但當(dāng)初始含水率適中時(shí)，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(shí)，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(rùn)濕后，粘土骨料（水泥）的崩解，碳酸鹽水泥等粘合劑的分解，會(huì)導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的破壞。②長(zhǎng)而不規(guī)則的大孔隙和中孔對(duì)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(duì)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(duì)黃土濕陷性的成因和機(jī)理的認(rèn)識(shí)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(gè)條件是內(nèi)部因素，最后一個(gè)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(dòng)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(shí)，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(duì)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(duì)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(píng)價(jià)，很多城市新區(qū)作為我國(guó)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(cè)分析了黃土場(chǎng)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(duì)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(shí)，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(chǎng)景和場(chǎng)地水文地質(zhì)條件，對(duì)典型海綿設(shè)施進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化研究?；跐裣菪渣S土工程的實(shí)際背景，根據(jù)埋深、開孔率和壁厚的變化，對(duì)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(chǎng)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(chǎng)地海綿設(shè)施的設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)考慮雨水入滲對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

從以上研究來(lái)看，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(duì)黃土地區(qū)海綿設(shè)施雨水滲透的影響范圍研究較少?，F(xiàn)有對(duì)黃土地區(qū)雨水入滲影響的評(píng)價(jià)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)。