一種具有快速入滲裝置的新型雨水花園

丁飛，徐家豪，張魯魯，汪東林 （.中煤第三建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 合肥 007；.天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 0084；.安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 060)

1 引言

城市排水系統(tǒng)的好壞、排水設(shè)施是否健全、排水管網(wǎng)是否完善，直接決定了強降雨情況下是否會發(fā)生內(nèi)澇。從目前情況來看，我國大多數(shù)城市的排水系統(tǒng)不足以勝任強降雨時的城市排水工作。加上城市硬鋪裝如瀝青、混凝土路面非常普遍且其透水性較差，城市內(nèi)澇在我國非常普遍[1-3]。

通過城市和農(nóng)村的對比發(fā)現(xiàn)，不僅城市的植被遠(yuǎn)少于農(nóng)村，而且水塘、河流等水域面積也較少。因此，短時間內(nèi)的大量降雨無法下滲和儲存，很容易出現(xiàn)匯水現(xiàn)象，并形成大面積積水。

目前，除了試點城市區(qū)域外，我國有許多城區(qū)需要進(jìn)行海綿城市建設(shè)[4-6]。海綿城市建設(shè)下一步的工作重點是將試點得到的海綿城市建設(shè)經(jīng)驗與模式進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

雨水花園[7-9]是海綿城市建設(shè)諸多方法中的一種，具有廣泛的應(yīng)用和生態(tài)效益。然而傳統(tǒng)的雨水花園具有滲透能力差、難以疏解強降雨時的大量來水。本文給出了一種在常規(guī)雨水花園下部布置濾芯滲井的新型海綿化方法，該方法采用天津城建大學(xué)專利產(chǎn)品濾芯滲井技術(shù)。研究表明，該新型雨水花園具有滲水效率高、綠色環(huán)保等綜合效能，是一種具有較高社會價值和經(jīng)濟(jì)價值的設(shè)施。

2 工程概況

空港國際小鎮(zhèn)寶教寺湖生態(tài)修復(fù)工程，所處區(qū)域?qū)俦眮啛釒駶櫦撅L(fēng)性氣候區(qū)，四季分明，冷熱適中，年平均溫度在16°～18°，年平均蒸發(fā)量838mm，年相對濕度76%。無霜期長，平均為220d，常年主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)。6-9 月期間的降雨量約占年降雨量的60%～70%，降雨季節(jié)分配不均。

合肥市水資源短缺，市域范圍全年降水時空分布不均，項目所在區(qū)域降雨量較合肥市域年平均降雨量略低。

空港經(jīng)濟(jì)示范區(qū)大部分位于淮河流域，屬瓦埠湖主要支流東淝河流域范圍內(nèi)。境內(nèi)天然水系主要有王橋小河、唐小河，匯流后流入天河，再于壽縣三覺寺東入東淝河。

空港國際小鎮(zhèn)位于空港經(jīng)濟(jì)示范區(qū)北部，區(qū)域內(nèi)主要水系有焦湖水庫、焦湖支河、寶教寺水庫、寶教支河等，最終匯入王橋河。河道斷面普遍偏小，不能滿足排洪防洪要求。

寶教寺湖生態(tài)修復(fù)工程設(shè)有3 號長廊，長廊中布置有透水路面、生態(tài)停車位、植草溝、雨水花園等海綿設(shè)施，還布置有小料石、混凝土、大理石等不透水路面，如圖1所示。

圖1 空港3號綠色生態(tài)廊道雨水花園位置示意圖

3 有限元模型的建立

以項目中的雨水花園為依據(jù)，利用MIDAS GTS 建立其有限元模型。根據(jù)圖紙得知，圖1 中的雨水花園下凹0.3m。由于需要對比優(yōu)化方案，這里建立2個長寬高均為5m 的雨水花園模型。濾芯長1.5m，直徑0.1m，埋深均為水平面下0.5m處，布置方案如表1所示。

表1 濾芯布置情況(單位：m)

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，影響范圍內(nèi)的土層包括三層，各土層及濾芯參數(shù)如表2所示。

表2 各土層及濾芯參數(shù)

在MIDAS 軟件中分別建立濾芯間距為1.0m、1.5m 和3.0m 的線框，如圖2所示。

圖2 線框示意圖

利用擴(kuò)展將線框擴(kuò)展為各土層，并移動到相應(yīng)深度，如圖3所示。

圖3 擴(kuò)展模型示意圖

其中濾芯與粘土層交接的部分需要通過布爾運算中的鑲嵌部分來處理，處理完畢后刪除多余的單元即可。頂層曲面可以通過擴(kuò)展初始線框，再建立一個球體，通過布爾運算中的差集，即可得到。

按照表2 中的各項數(shù)據(jù)來定義材料，其中素填土、粘土1 與粘土2 土層按各向同性-莫爾-庫倫模型建立，濾芯按各向同性-彈性模型建立。并且素填土、粘土1與粘土2土層需要考慮非飽和特性的影響。定義3D 屬性與材料中的各項一一對應(yīng)即可。

使用混合網(wǎng)格生成器生成尺寸為0.29 的網(wǎng)格，如圖4 所示。注意土層屬性一定要與網(wǎng)格劃分一一對應(yīng)。

圖4 網(wǎng)格劃分示意圖

圖5 不同階段的施工定義

圖6 孔隙水壓力云圖

在滲流/固結(jié)分析欄中找到節(jié)點水頭選項，建立一個新的節(jié)點水頭，其實就是地下水位。在網(wǎng)格模型地下3m 處選擇一整層的3D 單元面作為目標(biāo)，并賦予-3m 的值。勾選“如果總水頭＜潛水頭，則Q=0”選項，這樣地下水位就建立完成。

在滲流/固結(jié)分析欄中找到曲面流量選項，建立一個新的曲面流量，即確定降雨面和降雨量。選擇網(wǎng)格模型的最頂面，也就是雨水花園的頂面作為降雨面。此次模擬的降雨量選擇暴雨的平均降雨量，即3×10-7m/sce。勾選“如果q＞Ksat，那么總水頭=位置水頭”選項，并命名為降雨。

定義一個滲流類型的施工階段，共分為兩個階段。第一階段是穩(wěn)態(tài)階段，將各網(wǎng)格組、節(jié)點水頭和設(shè)置的焊接接觸數(shù)據(jù)移動到激活數(shù)據(jù)即可。第二階段是降雨階段，是一個瞬態(tài)滲流階段，只需將降雨激活，在時間步驟中設(shè)置14400sec，并設(shè)置四個步驟，即一小時記錄一次即可。

4 模擬結(jié)果分析

在同一平面含濾芯土層不同深度分別取兩個點，即較近點記作素填土（近）和粘土（近），較遠(yuǎn)點記作素填土（遠(yuǎn)）和粘土（遠(yuǎn)）。

由于頂層存在凹面，且在重力作用下雨水會向凹面中心匯集，兩個模型模擬時的降雨量相同，所以這里著重分析內(nèi)圈數(shù)據(jù)。

在兩個模型中，素填土層的取點均在中心處和邊緣較高處。可以看出，位于凹面中心點的土體孔隙水壓力明顯大于模型邊緣較高處的孔隙水壓力。這說明雨水會匯集在頂層凹面處。

觀察總水頭云圖和表中數(shù)據(jù)，均無異常，說明兩個模型都具可行性。

對比各模型在同一土層上濾芯附近和遠(yuǎn)離濾芯土體的孔隙水壓力變化，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 模型1孔隙水壓力隨時間變化曲線

圖8 模型2孔隙水壓力隨時間變化曲線

由圖7、圖8 可以看出，兩個模型中濾芯附近土體孔隙水壓力始終大于遠(yuǎn)離濾芯的土體，土體孔隙水壓力由負(fù)趨向于0 的過程說明土體在吸水，孔隙水壓力達(dá)到0 時土體飽和，濾芯附近的土體相較于遠(yuǎn)離濾芯的土體吸水更早。水流在素填土中滲流時，通過濾芯滲井可以更早更快地將水下滲至下一土層。兩個模型中的濾芯都能起到非常好的效果。

5 結(jié)語

基于傳統(tǒng)雨水花園的特點和不足，本文提出了一種設(shè)置有濾芯滲井的新型雨水花園。根據(jù)合肥寶教寺生態(tài)修復(fù)工程，建立了該新型雨水花園的數(shù)值模型，著重研究了兩種中心濾芯滲井雨水花園方案。通過分析孔隙水壓力變化情況，發(fā)現(xiàn)二者均具有很強的雨水下滲能力，可以作為附屬設(shè)施應(yīng)用于傳統(tǒng)海綿城市建設(shè)方法中的雨水花園方案。