砂石滲井在黏土地區(qū)海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用

劉燁璇， 李順群， 胡鐵馨， 夏錦紅, 王彥洋， 李 巖

(1.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院， 天津 300384； 2.新鄉(xiāng)學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院， 河南 新鄉(xiāng) 453003； 3.天津市建設(shè)工程技術(shù)研究所， 天津 300204)

1 研究背景

城市是地區(qū)經(jīng)濟(jì)、文化、交通和政治的中心，其發(fā)展離不開水資源的有效供給[1]。隨著社會的高速發(fā)展，與水資源相關(guān)的各種問題日漸突出[2]。在各種問題中，水資源嚴(yán)重短缺和城市內(nèi)澇日益嚴(yán)重并存，越來越受到各級政府和人民群眾的關(guān)注。

天津市水資源公報顯示，2015年全市總供水量25.6750×108m3，比上年增加1.5881×108m3。其中引灤調(diào)水4.5130×108m3，引江調(diào)水3.9991×108m3[3]。實(shí)際上，天津市當(dāng)年平均降水量536.2 mm，折合降水總量為63.91×108m3?？梢姡镜貐^(qū)總降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于總供水量，理論上能滿足各種需水要求，但事實(shí)是該年度像往年一樣嚴(yán)重缺水而不得不花費(fèi)巨資從別處調(diào)水。

與此同時，天津市的城市內(nèi)澇越來越嚴(yán)重。拒不完全統(tǒng)計，2016年7月19日、2017年7月15日、2018年8月6日，天津市均遭遇了嚴(yán)重的城市內(nèi)澇，直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)十億元。此外，我國北方的其他城市，比如北京、石家莊、鄭州、沈陽等，同樣面臨著嚴(yán)重缺水與內(nèi)澇并存的類似問題[4-6]。

城市缺水和內(nèi)澇并存的原因是多方面的，主要包括用水量的日益增大、降水的季節(jié)不均勻性、市政設(shè)施建設(shè)滯后以及路面地面的過多硬化等[7-8]。

建設(shè)海綿城市是緩解水資源短缺和城市雨洪災(zāi)害，推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[9-10]。既有方法主要是利用植草溝[11]、滲水磚[12]、雨水花園[13]、下沉式綠地[14]等措施組織排水和蓄水。然而，這些方法的特點(diǎn)是造價高、工期長、覆蓋面小、運(yùn)行成本高、舊城區(qū)難應(yīng)用、對生態(tài)的影響大、難以推廣等。

本文基于低影響開發(fā)理念[15-16]和多孔介質(zhì)理論[17]，提出了一種構(gòu)造簡單、施工方便、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)適用的加速入滲裝置。該裝置能充分利用土層較大的橫向滲透系數(shù)，將強(qiáng)降雨引起的地表徑流快速誘導(dǎo)至豎向滲透性差的土層中并儲存起來，從而起到減輕城市內(nèi)澇和涵養(yǎng)地下水的雙重作用。

2 砂石滲井的結(jié)構(gòu)形式和相關(guān)參數(shù)

所謂加速入滲裝置是一種埋設(shè)于土體中的豎向滲透增強(qiáng)裝置，是一種由砂石作為內(nèi)置填充材料的滲井裝置，本文稱之為砂石滲井。

2.1 黏土在不同方向上的滲透系數(shù)研究

黏土的形成過程是一個一維壓縮過程，即在三個主方向上的壓力并不相等，從而形成土微觀結(jié)構(gòu)的各向異性。一般情況下，黏性土的滲透系數(shù)與滲流方向是相關(guān)的，即不同方向上的滲透系數(shù)是不同的。為此，進(jìn)行滲流方向與滲透系數(shù)的試驗(yàn)研究是必要的。

用環(huán)刀在原始場地取土，取樣的方向由環(huán)刀軸線方向與水平方向的夾角控制，如圖1所示。

圖1 滲透性試驗(yàn)的取樣方向

取土的角度θ分別設(shè)置為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。每個角度取3個試樣分別進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，并取3個滲透系數(shù)的平均值作為該方向的滲透系數(shù)。由上述試驗(yàn)得到的不同方向上的滲透系數(shù)如表1所示。

表1 黏土在不同方向上的滲透系數(shù)

由表1可知，當(dāng)取土角度θ為0°時，土樣的滲透系數(shù)最大；當(dāng)取土角度θ為90°時，土樣的滲透系數(shù)最小。即該土層在水平方向上的滲透系數(shù)最大，在豎直方向上的滲透系數(shù)最小，前者是后者的3.4倍?？梢?，該土層在不同方向上的滲透系數(shù)差別很大，充分利用這一性質(zhì)能大幅度提高該土層的下滲能力。基于上述不同方向上滲透系數(shù)的差別，在該黏性土層中鉆取一定尺寸的滲井孔，并在井孔內(nèi)填置高透水性填料，即可形成能大幅度改善土體滲透性能的小型滲水裝置。

2.2 砂石滲井的結(jié)構(gòu)

砂石滲井的施工過程如下：(1)通過人工或機(jī)械方法在地面上成孔，孔的直徑、深度和間距根據(jù)降雨參數(shù)、土層的滲透性由計算確定；(2)選取滲透系數(shù)足夠大的砂石材料，去除雜質(zhì)和過大的顆粒；(3)將符合要求的砂石材料填筑在各滲井孔內(nèi)，并進(jìn)行必要的密實(shí)。當(dāng)強(qiáng)降雨來臨時，地表徑流就可以沿著砂石滲井由地表迅速流入井內(nèi)，并沿著井壁向四周土層中快速入滲，從而大幅度提高土層的表觀滲水能力。

2.3 井孔內(nèi)的填充材料

在選擇滲井填充材料時，應(yīng)著重考慮其滲透性能，以選擇滲透系數(shù)大的礫、粗砂等粗顆粒材料為宜，本文采用天然河砂作為填充材料。為研究填充材料的水力學(xué)參數(shù)對滲井功能的影響，先后進(jìn)行了所用河砂的顆分試驗(yàn)和滲透性試驗(yàn)。

采用篩分法對河砂的顆粒級配進(jìn)行分析。樣品經(jīng)烘干、碾碎后稱取500 g進(jìn)行篩分。標(biāo)準(zhǔn)篩的孔徑由上而下分別為5、2、1、0.5、0.25、0.125和0.075 mm。通過篩分試驗(yàn)，得到了試驗(yàn)用砂樣各號篩的篩余質(zhì)量，如表2所示。

表2 試驗(yàn)用砂樣各號篩的篩余質(zhì)量

在此基礎(chǔ)上，得到了表3所示該天然河砂的顆粒組成參數(shù)指標(biāo)。

表3 試驗(yàn)用天然河砂的顆粒組成參數(shù)

由表3可知，Cu=8.2>5，Cc=1.0(介于1～3之間)?？梢?，所選填充材料為良好級配砂。

為充分認(rèn)識填充材料的滲透性能，進(jìn)行了不同粒組的常水頭試驗(yàn)。根據(jù)表2的篩分成果，將砂樣分成不同的粒組，然后制備成與原始河砂密度相同的試樣，并測試其滲透系數(shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 密度相同時不同粒組的滲透系數(shù)

可見，粗顆粒單一粒組(粒徑大于1 mm)的滲透系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原狀砂的滲透系數(shù)；而細(xì)顆粒單一粒組(粒徑小于1 mm)的滲透系數(shù)小于原狀砂的滲透系數(shù)。即粒徑越大，滲透系數(shù)也越大。

在方案對比后，確定了砂石滲井的設(shè)計方案：(1)在黏性土層上開挖圓柱形滲井孔，其直徑和深度分別為20和100 cm；(2)井孔內(nèi)填充去除了1mm以下粒組的河砂并分層密實(shí)，這樣就完成了一個適用于黏土地層的滲水裝置。該裝置能充分利用土層的水平滲流能力，將盡可能多的地表徑流快速滲入土層并儲存起來。可以達(dá)到減少暴雨災(zāi)害和補(bǔ)充地下水的雙重作用，且符合低影響開發(fā)理念。

3 砂石滲井的原位試驗(yàn)

為便于對比，以下所有滲井的內(nèi)置材料和幾何尺寸都一樣。

3.1 作用機(jī)理和試驗(yàn)方案

土體中含有大量不同尺寸的孔隙，這些孔隙既是存水的空間又是過水的通道[18]。作為一種豎向滲水構(gòu)件，砂石滲井不僅提高了豎向滲透能力，而且也提升了土體在水平方向滲透性能的使用效率。雨水引起的地表徑流經(jīng)砂石滲井時，徑流將沿其內(nèi)部填充料發(fā)生自上而下的豎向滲流，隨后填料中的雨水流出滲井壁并向周圍土體中發(fā)生橫向滲流[19-20]。通過研究不同土層含水率的變化，即可揭示砂石滲井對改善土體滲透能力的作用機(jī)理。故在原始場地上進(jìn)行了砂石滲井滲透性試驗(yàn)，試驗(yàn)包括單井井口注水試驗(yàn)、單井區(qū)域滲水試驗(yàn)和群井區(qū)域滲水試驗(yàn)3個類型。

3.2 單井井口注水試驗(yàn)

單井井口注水試驗(yàn)為只對井口進(jìn)行注水的試驗(yàn)，其目的在于研究單井的滲水效果。

在井口注水3次，每次注水的時間間隔為2 h，注水量分別為22、14、11 kg。在每次注水1 h后，用洛陽鏟在預(yù)定位置取土樣并測試其含水率。3次取樣的平面位置各不相同，即3次取樣在平面上的角度間隔為120°，如圖2所示。其中，黑色球體為取土點(diǎn)，L為水平間距等于25 cm，H為豎向間距等于20 cm。

圖2 單口滲井自滲水試驗(yàn)現(xiàn)場布置示意圖

限于篇幅限制，本文給出了第3次取土得到的含水率，其結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出：(1)當(dāng)?shù)綕B井軸線的水平間距相同時，土樣的含水率隨深度的增加而增大；(2)當(dāng)距離地表的深度相同時，土層的含水率隨著到滲井中心水平間距的增大而明顯減??；(3)從取樣的含水率變化幅度看，靠近滲井土樣的含水率變化最為顯著。

圖3 單井口注水試驗(yàn)第3次注水后各測試點(diǎn)土體含水率

由此可見，砂石單滲井能顯著提高地表水的下滲能力。下滲的水可用于補(bǔ)充滲井周圍的地下水資源，提高周圍土體的含水率且距離滲井軸線越近含水率提高的幅度越大。

3.3 單井區(qū)域滲水試驗(yàn)

單井區(qū)域滲水試驗(yàn)指同時對滲井口和周圍土體進(jìn)行注水以測試滲井滲水效果的試驗(yàn)。本次測試設(shè)置的注水面積為2.5 m×2.5 m，如圖4所示。

圖4 單井區(qū)域注水試驗(yàn)

注水分3次進(jìn)行，每次注水量均為180 kg，3次注水后的滲畢時間分別為30 min、85 min、150 min。待入滲完畢后，用洛陽鏟取土，取土點(diǎn)位置如圖2所示。取土后進(jìn)行含水率測試，其中第3次注水后各測點(diǎn)的含水率如圖5所示。

圖5 單井區(qū)域注水試驗(yàn)第3次注水后各測試點(diǎn)土體含水率

由圖5可知：(1)距離滲井軸線相同的各點(diǎn)，其含水率隨深度的增加而減??；(2)在相同深度處，土體的含水率隨著水平間距的增大而減小。由此可見，滲井對地表水入滲能力的提高非常明顯。

3.4 群井區(qū)域滲水試驗(yàn)

群井區(qū)域滲水試驗(yàn)是指3口相同的砂石滲井分別處于邊長為100 cm的等邊三角形的3個頂點(diǎn)，而等邊三角形的中心位于矩形區(qū)域中心，如圖6所示。注水同樣分3次進(jìn)行，每次注水量與單井區(qū)域滲水試驗(yàn)相同即180 kg，3次注水后的滲畢時間分別為27、60、100 min。

圖6 群井滲水試驗(yàn)和含水率測試

含水率測試的取樣點(diǎn)位如圖7中的豎向圓點(diǎn)所示。取樣點(diǎn)的橫向間距為0.25 m，縱向間距為0.2 m。

圖7 砂石滲井和取土點(diǎn)的位置

通過烘干法可以測得不同位置點(diǎn)的含水率，其中第3次注水后的含水率如圖8所示。

圖8 群井區(qū)域注水試驗(yàn)第3次注水后各測試點(diǎn)土體含水率

比較3.3和3.4兩個試驗(yàn)的滲畢時間可知，每次注水后，群井的滲畢時間均小于單井的滲畢時間。隨著累計注水量的增大，群井的入滲速度越來越快，但并非等比例加快。所以注水量越多，群井入滲效率越高，入滲效果也越明顯。

綜上可知，當(dāng)水平間距相同時，滲井入滲效果隨深度的增加而增大。當(dāng)深度相同時，滲井入滲效果隨到滲井中心水平間距的增大而減小。滲井周邊土層的增濕最為顯著，且群井效果好于單井效果。

4 數(shù)值模擬

為進(jìn)一步研究砂石滲井的入滲功能，本節(jié)基于黏土飽和與非飽和特性及其滲透各向異性，對上述群井的入滲效果進(jìn)行了模擬。

4.1 飽和與非飽和滲流

在飽和土中，引起水分遷移的主要動力是水的重力和壓力；而在非飽和土中，引起水分遷移的作用還包括表面張力引起的基質(zhì)吸力。降雨入滲對地下水補(bǔ)給的過程既包括飽和滲流又包括非飽和滲流，均屬于典型的非穩(wěn)態(tài)流[21-23]。

4.2 建模過程

計算模型的尺寸設(shè)置為8 m×8 m×5 m。砂石滲井按圖9和10所示的等邊三角形進(jìn)行布置，其尺寸與前文所述一致。為進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)布置在兩個相互垂直的平面上，其中一個為三角形底邊的垂直平分面，即剖面1-1；另一個為通過三角形重心且垂直于剖面1-1的平面，即剖面2-2。

在Property功能模塊中，根據(jù)前文測試結(jié)果，設(shè)置滲井的滲透系數(shù)，以及土層的水平和豎向滲透系數(shù)。同時，設(shè)置土體的密度等參數(shù)。

利用Distribution空間分布函數(shù)，在計算模型的前、后、左、右4個面的地下水位以下邊界處，設(shè)置隨深度線性增加的孔隙壓力以滿足水頭邊界條件。除孔壓邊界條件以外，還應(yīng)對模型兩側(cè)地下水位以上的邊界，應(yīng)用inp文件定義自由排水邊界，其他邊界則設(shè)置為不排水邊界。邊界條件設(shè)置后，設(shè)置初始條件。在預(yù)定義場中對模型的初始飽和度、初始孔隙比以及初始孔隙壓力進(jìn)行定義。

等邊三角形砂石群井的模型采用掃掠網(wǎng)格劃分(swept meshing)技術(shù)，模型采用CPE4P孔壓單元，并對滲井及周圍網(wǎng)格劃分進(jìn)行細(xì)化，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖11所示。

4.3 對比分析

注水1 h后，剖面1-1上的流量矢量如圖12所示。由圖12可知，滲流速度隨深度的增加而增大。在滲井底端，滲流速度達(dá)到最大，滲流的主方向向下。

圖9 采用的計算模型(單位：m)

圖10 數(shù)據(jù)點(diǎn)的布置(單位：m)

圖11 數(shù)值模型的網(wǎng)格劃分

圖12 注水1 h后剖面1-1的滲流矢量圖

其原因在于，該部位的水力梯度最大且下部大范圍的非飽和土體能消納大量的入滲水。在遠(yuǎn)離井端的區(qū)域，滲流的主方向趨向于水平，反映出土的水平滲透系數(shù)較豎直滲透系數(shù)大的作用效果。

圖13為注水停止24 h后，剖面2-2的飽和度云圖。由于土體水平滲透系數(shù)大于豎向滲透系數(shù)，注水停止后附近土層中的水分會向滲井處移動并匯聚，故在滲井周圍一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了明顯的飽和度降低區(qū)。同時，土層的浸潤面在滲井下部出現(xiàn)了明顯的突起，說明滲井加速入滲的效果非常明顯。

圖13 注水停止24 h后剖面2-2的土體飽和度云圖

5 結(jié) 論

基于低影響理念和多孔介質(zhì)滲透原理，設(shè)計了一種高滲透砂石滲井裝置，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了單井和群井的原位試驗(yàn)合數(shù)值模擬。

(1)河砂是砂石滲井的內(nèi)置填充材料，因此該裝置具有較高的滲透性。地表徑流匯集于滲井口流入滲井時，由于滲井不但可加速水體在豎直方向的滲流速度，還能促進(jìn)井中水發(fā)生垂直于井壁的滲流，故能大幅度增強(qiáng)雨水的入滲速度，從而消減地表徑流、提高土體含水率。

(2)對比研究了滲井的原位測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水平間距相同時，滲透效果隨滲井深度的增加而增大。當(dāng)豎直深度相同時，滲井滲透效果隨水平間距的增加而減小。等邊三角形組成的群井，其滲透過程與單井區(qū)域滲水模式類似，但其作用效果更好、滲流速度更快。

(3)現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬表明，砂石滲井裝置對地表徑流的加速入滲效果顯著，有助于土體在雨季涵養(yǎng)更多的水資源，從而為黏土地區(qū)的海綿城市建設(shè)提供了一種新的思路和方法。