濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)濕陷性風(fēng)險(xiǎn)模擬評(píng)估研究

李昌鎬，侯精明，劉海松，楊 瑾，王鎮(zhèn)中，劉 洋

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；3.陜西省西咸新區(qū)空港新城規(guī)劃建設(shè)局，陜西 咸陽(yáng) 712035)

1 研究背景

近年來(lái)，極端降水事件增多導(dǎo)致內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)[1]，例如2016年西安小寨地區(qū)發(fā)生的內(nèi)澇給當(dāng)?shù)貛?lái)了嚴(yán)重的社會(huì)危害和經(jīng)濟(jì)損失。海綿城市建設(shè)實(shí)施使得我國(guó)部分地區(qū)城市水問(wèn)題有所改善，原來(lái)積澇的水通過(guò)各種海綿措施可集中下滲、蓄存等。但海綿城市建設(shè)不能生搬硬套，而且在濕陷性黃土地區(qū)，海綿城市改造導(dǎo)致的集中入滲使土壤快速飽和，更容易因地球脈動(dòng)現(xiàn)象而引起飽和黃土液化，最終進(jìn)一步增加黃土濕陷的可能[2]。本文以存在黃土濕陷可能的西咸新區(qū)空港新城臨空產(chǎn)業(yè)區(qū)為例，切入研究。

西咸新區(qū)為我國(guó)首批海綿城市建設(shè)試點(diǎn)，同時(shí)區(qū)域內(nèi)分布著濕陷等級(jí)Ⅰ級(jí)到Ⅳ級(jí)不等的濕陷性黃土。馬越等[3]通過(guò)將秦皇大道劃分為5個(gè)子匯水分區(qū)，針對(duì)西咸新區(qū)某道路濕陷性黃土地質(zhì)和原土滲透性差的現(xiàn)狀提出諸如分段設(shè)置傳輸型草溝和雨水花園、將人行道不透水鋪裝改為透水鋪裝等針對(duì)性的LID(低影響開發(fā)，low impact development)改造措施；侯精明等[4]以西咸新區(qū)為例從建筑小區(qū)尺度研究了LID措施不同前期條件對(duì)徑流控制和峰值削減的影響，量化了不同降雨量、不同前期條件的影響效果；韓松磊[5]從宏觀到微觀角度，以西安為例對(duì)濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)進(jìn)行了探索，同時(shí)針對(duì)不同用地類型的濕陷性黃土區(qū)域，分別提出了相關(guān)的設(shè)計(jì)和建設(shè)技術(shù)要求；柴少波等[6]根據(jù)黃土地區(qū)海綿城市中鄰近建筑物的LID設(shè)施的工程實(shí)際建立了LID設(shè)施滲流對(duì)建筑地基影響的數(shù)值計(jì)算模型，以含水量和沉降等作為研究的切入點(diǎn)，研究了雨水通過(guò)LID設(shè)施入滲鄰近建筑地基的影響。以上研究從數(shù)值模型和工程實(shí)際等出發(fā)，探索研究了LID措施或濕陷性黃土區(qū)域海綿城市建設(shè)的要求和效果。

評(píng)價(jià)黃土濕陷性的傳統(tǒng)方法通常為室內(nèi)浸水壓縮試驗(yàn)[7]，沒(méi)有考慮自然降雨入滲情況下黃土濕陷的具體情況，而地面荷載和雨水集中入滲等變化，也可能帶來(lái)濕陷性黃土地區(qū)發(fā)生地基沉降變形等風(fēng)險(xiǎn)[8]，基于此，在海綿城市建設(shè)中，雨水花園等海綿改造措施旨在將雨水進(jìn)行集中、有效的處理，極有可能帶來(lái)黃土濕陷的風(fēng)險(xiǎn)。本文采用精細(xì)模型量化分析黃土濕陷對(duì)不同自然降雨集中入滲的響應(yīng)效果，對(duì)濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)有著重要參考意義。

本文以西咸新區(qū)空港新城臨空產(chǎn)業(yè)區(qū)為例，引入一套高效高精度的基于GPU(圖形處理器，graphics processing unit)加速的地表水及其附隨過(guò)程數(shù)值模型GAST(GPU accelerated surface water flow and transport)[9]對(duì)研究區(qū)域降雨徑流過(guò)程進(jìn)行模擬，同時(shí)以集中降雨作為邊界條件，對(duì)雨水在土體中的下滲情況進(jìn)行模擬，根據(jù)濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[10]對(duì)研究區(qū)域黃土濕陷風(fēng)險(xiǎn)作出評(píng)估。

2 資料來(lái)源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

西咸新區(qū)東距西安市中心10 km，西距咸陽(yáng)市中心3 km，是西安國(guó)際化大都市未來(lái)拓展的重點(diǎn)區(qū)塊[11]，本文研究區(qū)域位于西咸新區(qū)空港新城內(nèi)，即西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)西北側(cè)的一片城區(qū)，并選取自貿(mào)大道與長(zhǎng)平大街交匯處、自貿(mào)大街、宜平大街、北杜大街包含草地、林地、裸地3種土地利用類型在內(nèi)的4個(gè)區(qū)域進(jìn)行雙環(huán)實(shí)驗(yàn)，實(shí)地量測(cè)不同土地利用情況的下滲參數(shù)。同時(shí)選取典型黃土區(qū)：將空港新城KGHX-2013-07號(hào)地塊定為場(chǎng)地1、保障房項(xiàng)目A區(qū)為場(chǎng)地2、北杜(空港陽(yáng)光里)項(xiàng)目市政工程場(chǎng)地為場(chǎng)地3、園區(qū)北大道(園區(qū)大道-第五大道)市政工程場(chǎng)地為場(chǎng)地4、園區(qū)十路(A-5路-園區(qū)二路)市政工程場(chǎng)地為場(chǎng)地5，并在5個(gè)場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)取樣，于室內(nèi)進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，測(cè)試馬蘭黃土(L1)、第一層古土壤(S1)和第一層離石黃土(L2)3種土層的滲透系數(shù)，用于后續(xù)濕陷等級(jí)評(píng)價(jià)，土壤下滲測(cè)量和土質(zhì)分析取樣點(diǎn)位分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)土壤下滲測(cè)量和土質(zhì)分析取樣點(diǎn)位分布圖

分析所測(cè)的土壤下滲數(shù)據(jù)，由霍頓公式擬合出典型土地利用類型下滲參數(shù)取值見表1。

表1 研究區(qū)典型土地利用類型下滲參數(shù)取值

測(cè)試馬蘭黃土(L1)、第一層古土壤(S1)和第一層離石黃土(L2)3種土層的滲透系數(shù)，最終計(jì)算時(shí)采用3種土層的平均滲透系數(shù)，見表2。

表2 各土層平均滲透系數(shù) cm/s

2.2 研究方法

收集整理研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要包括管網(wǎng)、地形、降雨等數(shù)據(jù)。不同土地利用類型下滲數(shù)據(jù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)雙環(huán)實(shí)驗(yàn)得到，其他資料由空港新城管委會(huì)提供。首先采用全水動(dòng)力雨洪模型對(duì)研究區(qū)域不同重現(xiàn)期降雨下徑流控制率和雨水下滲量進(jìn)行評(píng)估，然后根據(jù)下滲水量對(duì)研究區(qū)下滲深度和黃土濕陷情況進(jìn)行評(píng)估。具體技術(shù)路線圖見圖2。

圖2 研究方法技術(shù)路線圖

2.2.1 控制方程

(1)雨洪模型控制方程。本模型采用忽略了運(yùn)動(dòng)黏性項(xiàng)、紊流黏性項(xiàng)、風(fēng)應(yīng)力和科氏力的二維非線性淺水方程(SWEs)，方程的守恒格式可用如公式(1)的矢量形式來(lái)表示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(2)雨洪模型數(shù)值算法。地表水動(dòng)力部分采用Godunov格式的有限體積法對(duì)圣維南方程進(jìn)行全耦合數(shù)值求解[12]。在控制單元內(nèi)，模型采用HLLC近似黎曼求解器計(jì)算界面上的水和動(dòng)量通量；底坡源項(xiàng)采用底坡通量法處理，使得在計(jì)算過(guò)程中能與界面通量很好協(xié)調(diào)，更能滿足全穩(wěn)條件；摩阻力則用穩(wěn)定性較佳的半隱式法來(lái)計(jì)算；摩阻源項(xiàng)采用二階顯式Runge Kutta方法來(lái)保證時(shí)間積分的二階精度[13]。該模型已在文獻(xiàn)[14]中得到驗(yàn)證，本文不再贅述。

(3)黃土濕陷模擬方法。Midas GTS/NX 是邁達(dá)斯信息科技有限公司針對(duì)巖土與隧道工程領(lǐng)域開發(fā)的一款通用有限元軟件，具有一定優(yōu)勢(shì)[15]。何明[16]在對(duì)基坑支護(hù)數(shù)值模擬研究中運(yùn)用Midas GTS/NX軟件對(duì)研究基坑進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)總體偏差不大，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確，可為開展類似工程的研究工作提供借鑒。而且GTS/NX軟件通過(guò)滲流-應(yīng)力完全耦合分析，可以一次性模擬與水位條件相關(guān)的巖土問(wèn)題(滲流/應(yīng)力/固結(jié))，還搭載有限元集成求解器，為復(fù)雜的工程分析和設(shè)計(jì)提供更加可靠的結(jié)果。因此，本文選用Midas GTS/NX軟件對(duì)研究區(qū)的黃土濕陷情況進(jìn)行模擬分析。

主要依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025-2004)[10]中濕陷性黃土場(chǎng)地自重濕陷量計(jì)算式(公式6)和總濕陷量計(jì)算式(公式7)進(jìn)行計(jì)算。

(6)

(7)

式中：Δzs為自重濕陷量，mm；Δs為總濕陷量，mm；δzsi為第i層土的自重濕陷系數(shù)；δsi為第i層土的濕陷系數(shù)；hi為第i層土的厚度，mm；β0為地區(qū)修正系數(shù)；β為浸濕及側(cè)擠修正系數(shù)。

2.2.2 基礎(chǔ)參數(shù) 根據(jù)西咸新區(qū)管委會(huì)提供的《西咸新區(qū)土地利用規(guī)劃2011-2020》對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行土地利用劃分，主要包括綠地、道路、房屋等。研究區(qū)域地形高程采用空港新城管委會(huì)提供的1∶2 000地形數(shù)據(jù)，通過(guò)克里金插值法得到，網(wǎng)格精度為3 m，共計(jì)350×104個(gè)方形網(wǎng)格單元。地形高程及土地利用劃分見圖3，研究區(qū)域內(nèi)具體土地利用類型面積占比及曼寧值[17-18]見表3。

圖3 研究區(qū)域地形數(shù)據(jù)及土地利用劃分

表3 土地利用類型面積占比及曼寧值

通過(guò)Midas GTS/NX軟件建立模型，因選取的5個(gè)場(chǎng)地具體工程不同，考慮本次計(jì)算僅關(guān)注雨水入滲深度，因此未考慮尺寸效應(yīng)。雨水入滲數(shù)值計(jì)算模型及入滲邊界見圖4，具體尺寸如下：

模型長(zhǎng)度100 m,寬度100 m,厚度13 m，其中L1馬蘭黃土厚度8 m，S1第一層古土壤厚度2 m，L2第一層離石黃土厚度3 m。由于后期建設(shè)的倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)地面均會(huì)硬化成為隔水層，設(shè)計(jì)降雨下滲量只是綠地下滲水量，綠地面積占比為總區(qū)域的12%，因此數(shù)值計(jì)算的降雨邊界取上述模型的3/25，即假定模型中100 m×12 m(長(zhǎng)×寬)的區(qū)域?yàn)榫G地(圖4(b))。

圖4 雨水入滲數(shù)值計(jì)算模型及入滲邊界(單位：m)

本次數(shù)值計(jì)算基于水位隨時(shí)間變化的瞬態(tài)分析，水分在黃土中的滲流服從達(dá)西定律[19](公式8、9)。

Q=k·A·i

(8)

v=k·i

(9)

式中：Q為滲流量，m3/s；v為滲流斷面平均滲透速度，m/s；k為黃土的滲透系數(shù)，m/s；A為截面面積，m2；i為水力梯度。

5個(gè)場(chǎng)地的模型土體建設(shè)參數(shù)詳見表4。

表4 研究區(qū)各場(chǎng)地模型土體建設(shè)參數(shù)

模擬區(qū)域總面積為13.02 km2，參考相似區(qū)域西咸新區(qū)灃西新城海綿城市氣象水文監(jiān)測(cè)資料，2018年7月2日降雨30.72 mm，降雨歷時(shí)14 h，緊接著在7月4日降雨26.8 mm，降雨歷時(shí)15.5 h。同時(shí)在2018年7月2日至8日為持續(xù)降雨天氣，總降雨量為83.43 mm。多次統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)降雨情況發(fā)現(xiàn)，短歷史多頻次降雨在雨季多有發(fā)生。考慮濕陷性最不利情況，本次模擬計(jì)算選用連續(xù)2 h短歷時(shí)強(qiáng)降雨。降雨雨型采用芝加哥雨型，西咸新區(qū)暴雨強(qiáng)度公式由西咸新區(qū)空港新城海綿城市技術(shù)中心提供(公式10)，空港新城不同重現(xiàn)期降雨的2 h降雨雨型如圖5所示。

圖5 模型不同重現(xiàn)期降雨2h設(shè)計(jì)降雨雨型

(10)

式中：q為降水強(qiáng)度，mm/min；t為暴雨歷時(shí)，min；P為重現(xiàn)期，a。

模擬降雨重現(xiàn)期為1年一遇(16.65 mm)設(shè)計(jì)降雨重復(fù)3次，5年一遇(44.35 mm)、20年一遇(68.20 mm)設(shè)計(jì)降雨和設(shè)計(jì)日降雨量13.5 mm/d重復(fù)6次。

3 結(jié)果與分析

在降雨歷時(shí)2 h情況下通過(guò)GAST模型對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行了降雨模擬計(jì)算，單次降雨模擬結(jié)果分別見表5和圖6。由表5和圖6可知，雖然區(qū)域不透水占比較大，但是通過(guò)綠地等透水區(qū)域下滲水量依然很大，下滲深度計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 不同重現(xiàn)期降雨下滲深度計(jì)算結(jié)果

圖6 2 h設(shè)計(jì)降雨單次模擬結(jié)果

表5 2 h設(shè)計(jì)降雨單次模擬結(jié)果

為進(jìn)一步了解研究區(qū)域內(nèi)黃土的濕陷量情況，分別將13.5 mm/d、1年一遇、5年一遇和20年一遇重現(xiàn)期降雨在2 h降雨歷時(shí)的4種工況在Midas GTS/NX軟件中進(jìn)行計(jì)算，選取5個(gè)場(chǎng)地中下滲最嚴(yán)重的場(chǎng)地4下滲量進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，其中場(chǎng)地4在20年一遇降雨情況下總水頭剖面云圖見圖7。

圖7 場(chǎng)地4的20年一遇降雨下滲總水頭剖面云圖

分別對(duì)5個(gè)場(chǎng)地4種降雨工況下黃土地層的自重濕陷量及總濕陷量進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果見圖8。

圖8 各場(chǎng)地4種降雨情況下黃土地層的自重濕陷量及總濕陷量計(jì)算結(jié)果

由圖8可看出，5個(gè)場(chǎng)地的自重濕陷量在小雨強(qiáng)(13.5 mm/d重復(fù)6次、1年一遇重復(fù)3次)情況下為167.67～239.03 mm，在大雨強(qiáng)(5年一遇、20年一遇重復(fù)6次)情況下，除場(chǎng)地2、3在5年一遇降雨的自重濕陷量分別為88.99、93.49 mm外，其余均在100 mm以上，雨強(qiáng)大小對(duì)濕陷量有所影響；5個(gè)場(chǎng)地總濕陷量在小雨強(qiáng)情況下均在600 mm以上，大雨強(qiáng)情況下除場(chǎng)地5在5年一遇工況下總濕陷量為468.18 mm外，其余均在500～750 mm之間?？梢妼?duì)于同一場(chǎng)地的整體情況而言，雨水下滲量越大，則土層濕陷量越大。

由計(jì)算結(jié)果可知：下滲深度受降雨量影響，即降雨量越大，則下滲深度越大，在雨水入滲后可能影響到的深度范圍內(nèi)，根據(jù)規(guī)范[10]，研究區(qū)域內(nèi)所選場(chǎng)地濕陷等級(jí)多數(shù)已達(dá)到Ⅱ級(jí)或Ⅲ級(jí)級(jí)別。

4 結(jié) 論

為研究海綿城市建設(shè)后因LID措施導(dǎo)致的雨水集中入滲下的黃土濕陷風(fēng)險(xiǎn)，本文結(jié)合水動(dòng)力模型和黃土濕陷沉降變形模型，對(duì)濕陷性黃土地區(qū)在進(jìn)行海綿城市建設(shè)改造造成局部降雨集中入滲后的黃土濕陷風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬，結(jié)論如下：

(1)研究區(qū)不同重現(xiàn)期降雨下最嚴(yán)重地塊下滲深度分別為6.06、6.51、5.02和5.42 m。

(2)在13.5 mm/d、1年一遇、5年一遇和20年一遇重現(xiàn)期降雨工況下，所選各場(chǎng)地的土層總濕陷量為468.18～1 015.56 mm，自重濕陷量為88.99～239.03 mm。整體來(lái)看，場(chǎng)地4濕陷等級(jí)達(dá)到Ⅱ級(jí)及Ⅲ級(jí)，在13.5 mm/d降雨工況下的總濕陷量為1 015.56 mm，自重濕陷量為208.28 mm，濕陷情況最嚴(yán)重。

所選研究區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)地在各種設(shè)計(jì)降雨工況中絕大多數(shù)已達(dá)到濕陷Ⅱ級(jí)，而且個(gè)別達(dá)Ⅲ級(jí)，極有可能危及各類構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全，諸如發(fā)生地基塌陷等事故。在濕陷性黃土地區(qū)進(jìn)行海綿城市建設(shè)時(shí)必須將黃土濕陷因素納入考慮范圍內(nèi)。故建設(shè)海綿城市時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，根據(jù)所在城市的地形和氣候、土壤地質(zhì)、自然稟賦、城建基礎(chǔ)以及城市的基底，開展有針對(duì)性的海綿城市建設(shè)。