濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)研究進(jìn)展

胡志平，溫 馨，張 勛，王 瑞，張亞國，穆 桐

(1. 長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710064； 2. 長安大學(xué) 地下結(jié)構(gòu)與工程研究所，陜西 西安 710064)

0 引 言

黃土在全球分布廣泛[1-6]，中國黃土主要分布于中西部地區(qū)。黃土作為一種亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的水敏性非飽和土，遇水后土體易崩解破壞，產(chǎn)生濕陷。由滲水濕陷導(dǎo)致的邊坡失穩(wěn)、房屋傾斜、道路塌陷等工程病害事件屢見報(bào)端，對(duì)人類正常生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重影響[7-11]。隨著新一輪西部大開發(fā)國家戰(zhàn)略的深入實(shí)施，作為黃河流域中上游的中西部地區(qū)，城鎮(zhèn)化率顯著提高，該地區(qū)廣泛分布的濕陷性黃土、復(fù)雜多變的水文特征以及相互矛盾的人地協(xié)調(diào)關(guān)系，使得城市內(nèi)澇(圖1)、市政道路塌陷、建筑物傾斜破壞等工程病害頻發(fā)，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失。在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略的大力實(shí)施下，激發(fā)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)勁增長的同時(shí)，堅(jiān)持綠色發(fā)展，有序推進(jìn)水資源節(jié)約集約利用，成為中西部地區(qū)的重點(diǎn)難點(diǎn)工作之一。

圖(a)來源于東方天氣網(wǎng)(2016)；圖(b)來源于新浪網(wǎng)(2013)圖1 濕陷性黃土地區(qū)城市內(nèi)澇現(xiàn)象Fig.1 Urban Waterlogging in Collapsible Loess Area

建設(shè)具有自然積存、自然滲透、自然凈化功能的海綿城市是國家新型城鎮(zhèn)化實(shí)施的重要舉措，為解決中國城市建設(shè)發(fā)展中所面臨的水環(huán)境、水災(zāi)害與水資源問題提供了有效途徑。海綿城市建設(shè)理念于2012年正式提出，2014年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》[12]為其在全國推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。“十三五”期間，全國共計(jì)30個(gè)國家級(jí)海綿城市建設(shè)試點(diǎn)，有9個(gè)涉及黃土地質(zhì)(圖2)。30個(gè)試點(diǎn)城市累計(jì)完成海綿城市建設(shè)項(xiàng)目4 979個(gè)，涉及約2 576個(gè)小區(qū)和1 093條道路的改造，完成了約3 400 km管網(wǎng)改造與建設(shè)，建設(shè)理念日趨完善和豐富。國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)中明確強(qiáng)調(diào)要“增強(qiáng)城市防洪排澇能力，建設(shè)海綿城市、韌性城市”，海綿城市建設(shè)已納入國家中長期規(guī)劃。

圖2 中國黃土地區(qū)海綿城市試點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of Pilot Sponge Cities in Loess Area of China

濕陷性黃土地區(qū)城市內(nèi)澇頻發(fā)，雨水資源利用不合理問題的日益凸顯使得該類地區(qū)海綿城市建設(shè)越發(fā)重要和迫切。陜西省西咸新區(qū)作為國家首批海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市建設(shè)集中地區(qū)，對(duì)黃土地區(qū)海綿設(shè)施建設(shè)及風(fēng)險(xiǎn)防控措施進(jìn)行了積極探索，該地區(qū)人居環(huán)境及雨洪管理情況有明顯改善提升，典型海綿設(shè)施建設(shè)如圖3所示。

對(duì)于濕陷性黃土地區(qū)，海綿城市建設(shè)的適宜性備受關(guān)注與質(zhì)疑：下墊面雨水停留時(shí)間增加、滲蓄總量提升和地表徑流集中入滲等海綿設(shè)施功能的實(shí)現(xiàn)，與黃土災(zāi)害防治中保持水環(huán)境穩(wěn)定相矛盾；工程實(shí)踐中，為避免設(shè)施水分入滲誘發(fā)工程病害而采取全面防滲，與海綿城市建設(shè)理念相左。在濕陷性黃土地區(qū)開展海綿城市建設(shè)，恢復(fù)城市良性水文循環(huán)，保護(hù)或修復(fù)城市生態(tài)系統(tǒng)的同時(shí)，如何保證濕陷性黃土場地穩(wěn)定性，有效避免設(shè)施水分集中入滲導(dǎo)致土體強(qiáng)度弱化、地基產(chǎn)生不均勻變形，進(jìn)而對(duì)設(shè)施周邊建(構(gòu))筑物安全造成影響，是學(xué)術(shù)界和工程界共同面對(duì)和亟需解決的問題。

基于上述考慮，本文針對(duì)濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)發(fā)展問題，通過分析國內(nèi)外學(xué)者在海綿城市建設(shè)技術(shù)和濕陷性黃土中水分遷移及致災(zāi)機(jī)理等方面的相關(guān)研究成果，對(duì)濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)所面臨的問題和挑戰(zhàn)進(jìn)行了探討。

1 研究進(jìn)展

1.1 黃土中的水分運(yùn)移規(guī)律

近年來，黃土濕陷滲透過程及特性研究主要涉及黃土水分入滲規(guī)律、入滲影響因素及理論方法等方面。很多學(xué)者針對(duì)黃土中水分運(yùn)移規(guī)律開展了現(xiàn)場或室內(nèi)水分入滲試驗(yàn)研究(表1)。研究表明：對(duì)于濕陷性黃土場地，若不采取導(dǎo)水入滲措施，水的入滲較為有限；同時(shí)，入滲特性與土性參數(shù)有關(guān)，主要包括初始含水率、土體飽和度及滲透系數(shù)等；不同初始條件(水頭、入滲時(shí)間及場地)下黃土入滲規(guī)律不盡相同[13-19]。

為深入探究黃土中水分入滲的影響因素，Haeri等針對(duì)伊朗Gorgan地區(qū)原狀和重塑黃土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)初始含水率、初始干密度等因素對(duì)黃土濕陷性能和滲透系數(shù)都有很大的影響[20]。Wang等對(duì)不同溫度梯度、密實(shí)度、初始含水率條件下非飽和黃土試樣的水分運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：較大的溫差和較小的土壤密度會(huì)導(dǎo)致土壤樣品兩端的水分遷移更明顯，水分含量差異更大；初始含水率較大和較小時(shí)，溫差引起的含水率差異均較小；而初始含水率適中時(shí)，由溫度引起的含水率變化差別很大[21]。Hou等通過對(duì)甘肅鄭寧地區(qū)典型黃土在降雨條件下含水率、蒸發(fā)量、溫度變化進(jìn)行為期1年的監(jiān)測，認(rèn)為黃土在水分入滲過程中可分為濕潤層、不穩(wěn)定層及穩(wěn)定層，并對(duì)大厚度黃土雨水補(bǔ)充地下水問題進(jìn)行討論[22]。同時(shí)，不少學(xué)者基于電鏡掃描、CT掃描及核磁共振技術(shù)，對(duì)黃土浸水后孔隙結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行研究。Li等通過對(duì)濕潤后濕陷性黃土進(jìn)行電鏡掃描和礦物成分分析，得到濕陷性黃土具有開放的結(jié)構(gòu)，黃土潤濕后，黏土骨料的崩解(膠結(jié)物)、碳酸鹽膠結(jié)物和其他黏合劑的分解會(huì)引發(fā)土壤結(jié)構(gòu)的破壞[23]。Li等基于孔隙面積比、尺寸、形狀和形態(tài)等指標(biāo)對(duì)不同深度馬蘭黃土的孔微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量研究，認(rèn)為長而不規(guī)則的大孔和中孔對(duì)黃土的滲透性有顯著影響[24]。

圖3 陜西省西咸新區(qū)黃土場地典型海綿設(shè)施Fig.3 Typical Sponge Facilities of Loess Site in Xixian New Area, Shaanxi Province

基于土-水相互作用對(duì)水分入滲理論研究方面，早在1904年普金漢就提出了毛管勢的概念，創(chuàng)立了水向土中入滲的理論基礎(chǔ)；Green-Ampt提出了基于毛管理論的入滲模型，該模型在20世紀(jì)50年代被廣泛應(yīng)用于初始干燥土壤在薄層積水時(shí)的入滲問題，因其具有明確的物理意義及概念，已成為應(yīng)用率最高的物理計(jì)算模型[25]。后來，國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)Green-Ampt模型進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。Mein等分別以該理論為基礎(chǔ)，針對(duì)雨水入滲時(shí)徑流產(chǎn)生條件對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)[26-27]；張杰以積水條件下Green-Ampt入滲模型為基礎(chǔ)，拓展其在變雨強(qiáng)中入滲率和累積入滲量計(jì)算形式[28]；Deng等對(duì)Green-Ampt模型進(jìn)行改進(jìn)，使其適用于層狀非均質(zhì)土，使該理論的適用性進(jìn)一步擴(kuò)大[29]；王文焰等以Green-Ampt入滲模型為基礎(chǔ)，將飽和層與傳導(dǎo)層統(tǒng)一視為飽和區(qū)，而將非飽和濕潤層的含水率變化視為施加于飽和區(qū)的基質(zhì)吸力，得出了適用于黃土的積水入滲模型[30]；溫馨等基于黃土入滲飽和-非飽和分層假定，考慮入滲過程中土體實(shí)際滲透系數(shù)隨深度的變化，對(duì)Green-Ampt模型進(jìn)行修正，并用實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)相比于WGAM模型和Kostiakov模型，修正模型在黃土區(qū)的應(yīng)用效果更好[31]。Richards于1931年提出了非飽和滲流方程，該理論為水分入滲的數(shù)值計(jì)算提供了基礎(chǔ)[32]。Neuman等運(yùn)用有限元法分析了非飽和土滲流，并提出了預(yù)測非飽和土土-水特征曲線和非飽和滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)一步完善了非飽和滲流理論體系[33-35]；張振華等基于水量平衡原理，分別運(yùn)用入滲率和累積入滲量、實(shí)際入滲深度之間的圖形關(guān)系，獲得基質(zhì)吸力和表征導(dǎo)水率，并對(duì)累積入滲量和浸潤鋒進(jìn)行預(yù)測[36]；李萍等基于已有的土-水特征曲線及Childs & Collis-Geroge模型，提出了預(yù)測非飽和滲透系數(shù)的模型，計(jì)算得到了非飽和黃土滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力或含水率的關(guān)系[37]。

綜上所述，濕陷性黃土在浸水條件下的飽和深度是有限的，土體固有性質(zhì)及外部環(huán)境條件均會(huì)對(duì)黃土入滲規(guī)律產(chǎn)生影響。但黃土水分入滲機(jī)理仍存在認(rèn)識(shí)不充分情況，如造成黃土中雨水集中入滲與降雨散點(diǎn)面入滲運(yùn)移規(guī)律差異的原因是什么？大厚度濕陷性黃土包氣帶中水分是通過何種方式運(yùn)移進(jìn)而補(bǔ)充地下水？同時(shí)，黃土中的豎向節(jié)理、裂縫孔洞及植物根系是如何對(duì)雨水入滲起控制作用的？不同場地和濕陷性等級(jí)的黃土中水分運(yùn)移規(guī)律有何區(qū)別，其本質(zhì)原因是什么？解決以上問題，可從微觀多孔介質(zhì)力學(xué)與宏觀外部環(huán)境因素綜合考慮，基于土-水-氣相互作用原理，對(duì)土體各要素變化規(guī)律進(jìn)行分析概化，建立不同類型黃土中的水分運(yùn)移模型，科學(xué)描述黃土中的水分遷移過程，揭示濕陷性黃土場地雨水入滲機(jī)理，進(jìn)而提高濕陷性黃土場地雨水入滲行為的評(píng)價(jià)和預(yù)測水平。

1.2 黃土的濕陷特性與濕陷機(jī)理

黃土濕陷性研究對(duì)黃土地區(qū)的工程安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。不少學(xué)者針對(duì)黃土浸水的濕陷規(guī)律進(jìn)行了研究[38-39]。黃土濕陷是地質(zhì)、物理、化學(xué)綜合作用的結(jié)果，目前黃土濕陷的原因和機(jī)理認(rèn)識(shí)在黃土工程領(lǐng)域尚未統(tǒng)一，一般認(rèn)為黃土產(chǎn)生濕陷具有3個(gè)必要條件：①黃土地層具有大孔隙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；②黃土骨架顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度低，且屬于水穩(wěn)性差的膠結(jié)類型；③黃土受到浸水作用，導(dǎo)致黃土含水率或飽和度顯著增高，使得粒間接觸膠結(jié)破裂。其中，前兩個(gè)條件屬于內(nèi)部因素，最后一個(gè)條件屬于外部因素。濕陷性黃土具有粒徑為0.005～0.075 mm 的顆粒(黏粒或粉粒)所構(gòu)成的孔隙很大的粒狀架空結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在單位體積內(nèi)粒間接觸點(diǎn)少，骨架顆?？蓜?dòng)度大，極易失去穩(wěn)定，這是產(chǎn)生濕陷的基本條件。構(gòu)成黃土結(jié)構(gòu)的骨架顆粒除碎屑礦物外，部分由黏-粉顆粒集合成的內(nèi)部膠結(jié)強(qiáng)度較高的團(tuán)粒組成。在壓力或浸水作用下，結(jié)構(gòu)變形主要是粒間接觸膠結(jié)破裂造成的。

表1 黃土水分入滲試驗(yàn)結(jié)果

黃土產(chǎn)生濕陷的機(jī)理即是在浸水作用下，具有大孔隙結(jié)構(gòu)的黃土粒間接觸膠結(jié)破裂，使得大孔隙結(jié)構(gòu)破壞，黃土孔隙率降低的一種現(xiàn)象(圖4)。同時(shí)，黃土骨架顆粒間的膠結(jié)性質(zhì)較復(fù)雜，根據(jù)對(duì)水的反應(yīng)可分為水穩(wěn)膠結(jié)(鐵的氧化物和已陳化的碳酸鹽膠結(jié)等)和非水穩(wěn)膠結(jié)(毛細(xì)膠結(jié)和溶鹽結(jié)晶等)兩類。在干旱條件下形成的膠結(jié)一般以非水穩(wěn)膠結(jié)占優(yōu)勢；在潮潤條件下形成的膠結(jié)一般以水穩(wěn)膠結(jié)占優(yōu)勢。對(duì)于介于水穩(wěn)膠結(jié)和非水穩(wěn)膠結(jié)之間的黏膜膠結(jié)則決定于水膜楔入后孔隙溶液中離子的濃度和成分以及所發(fā)生的膠體化學(xué)變化。如果黃土粒間膠結(jié)以非水穩(wěn)膠結(jié)占優(yōu)勢，同時(shí)水膜楔入后有利于黏膜膠溶，則水浸入后粒間膠結(jié)強(qiáng)度急劇降低，表現(xiàn)為濕陷性強(qiáng)烈[40]。

為進(jìn)一步探究黃土濕陷影響因素，李萍等通過對(duì)甘肅隴東地區(qū)黃土的研究，建立了濕陷系數(shù)和各物理指標(biāo)間的分析模型，認(rèn)為濕陷系數(shù)和各物理指標(biāo)間具有較好的相關(guān)性[41]。井彥林等通過擊實(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黃土在擊實(shí)過程中的變形特性可反映黃土的濕陷性,黃土的擊實(shí)效果同其濕陷性具有相關(guān)性[42]。邵生俊等利用因子分析法對(duì)兩個(gè)濕陷性黃土場地的地層物性指標(biāo)進(jìn)行了分析，確定了含水比(含水率與液限之比)和孔隙比為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立因子，研究了含水比、孔隙比與相關(guān)濕陷性參數(shù)之間的關(guān)系[43]。Zhang等研究認(rèn)為基質(zhì)吸力的改變對(duì)黃土發(fā)生濕陷作用具有較大影響[44]。Shao等從微觀角度出發(fā)，對(duì)黃土濕陷前后的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行描述，建立了微觀結(jié)構(gòu)演變與坍塌行為之間的相關(guān)性[45-46]。

圖4 黃土濕陷過程示意圖Fig.4 Schematic View of Loess Collapsibility Process

還有部分學(xué)者從黃土濕陷機(jī)理入手，對(duì)黃土濕陷量的計(jì)算方法進(jìn)行了研究。Jing等基于實(shí)驗(yàn)室黃土滲透試驗(yàn)和CT掃描試驗(yàn)，提出了一種確定黃土濕陷深度的方法[47]；Xie等指出濕陷性黃土在潤濕過程中，基質(zhì)吸力下降過程分為3個(gè)不同的階段，即濕陷前、濕陷中和塌陷后階段，并提出了一種用于由潤濕導(dǎo)致濕陷的預(yù)測方法[48]；邵生俊等根據(jù)黃土沉積年代和基本物性指標(biāo)確定構(gòu)度和壓縮結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，依據(jù)孔隙比與壓縮應(yīng)力比的關(guān)系描述天然含水率黃土和浸水飽和黃土的壓縮曲線，提出了飽和自重作用下黃土自重濕陷系數(shù)和場地自重濕陷變形的評(píng)價(jià)方法[49]。

盡管從理論推導(dǎo)、物理試驗(yàn)等方面對(duì)黃土的濕陷性做了大量研究工作，對(duì)黃土濕陷性的認(rèn)識(shí)從宏觀深入到微觀，對(duì)其影響因素認(rèn)識(shí)不斷深入，但仍存在以下問題：濕陷變形作為黃土在水-力耦合作用下的典型現(xiàn)象，水進(jìn)入土體后如何改變土體應(yīng)力狀態(tài)？黃土產(chǎn)生濕陷變形時(shí)其物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生何種變化？化學(xué)場、滲流場和溫度場等多場耦合作用會(huì)對(duì)黃土濕陷變形產(chǎn)生什么影響？單層和多層黃土濕陷機(jī)理及過程演化有何區(qū)別及造成這種區(qū)別的原因？在工程實(shí)際中如何在計(jì)算方法中合理體現(xiàn)黃土濕陷性，相關(guān)計(jì)算參數(shù)的獲取方法及物理意義是否規(guī)范？為此，需要正確認(rèn)識(shí)和理解土體微觀結(jié)構(gòu)要素與外部環(huán)境間的相互作用關(guān)系，構(gòu)建宏觀力學(xué)行為表現(xiàn)與微觀結(jié)構(gòu)變化間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，從而準(zhǔn)確刻畫不同狀態(tài)下的黃土濕陷特性。同時(shí)，結(jié)合黃土中水分運(yùn)移機(jī)制，在數(shù)學(xué)、力學(xué)和數(shù)值方法的支持下，探索建立黃土水分入滲與增濕變形的定量計(jì)算方法和評(píng)價(jià)體系。

1.3 濕陷性黃土地區(qū)的海綿城市建設(shè)

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)境等方面具有積極作用。海綿設(shè)施徑流調(diào)控效果評(píng)價(jià)方面，陜西省西咸新區(qū)作為中國濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)集中地區(qū)，進(jìn)行低影響開發(fā)設(shè)施改造后，降雨時(shí)道路積水情況得到改善，年徑流總量控制率及污染負(fù)荷率大幅度減小[50-51]；蔣春博等分別對(duì)黃土場地下入滲型和防滲型雨水花園徑流削減量和污染物削減量進(jìn)行為期兩年的監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)以原狀土為填料的防滲型雨水花園設(shè)施水量削減率為69.14%，徑流污染物年負(fù)荷削減率基本在70%以上[52]；張彬鴻等通過分析雨水花園對(duì)屋面和建筑小區(qū)雨水徑流調(diào)控效果，得到類似結(jié)果[53-54]。同時(shí)，為更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)施自然凈化功能，李鵬等驗(yàn)證了不同填料類型、填料組合方式、填料厚度、污染物特性及植被條件因素對(duì)典型黃土地區(qū)生物滯留槽的徑流水質(zhì)處理效果，認(rèn)為粉煤灰填料下植被為黃楊和麥冬草時(shí)，滯留槽去除污染物綜合效果最優(yōu)[55]；王晨光等通過添加聚丙烯酰胺(PAM)對(duì)黃土地區(qū)城市綠地?fù)Q填介質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)，提高其滲透性能及污染物削減性能[56]；郝珊等探討了不同物料配比對(duì)西咸新區(qū)土壤滲透性改良劑污染物凈化效果的影響，認(rèn)為對(duì)于體積比為0.5∶1.5的生物質(zhì)炭，堆肥添加1% PAM的綠地土壤換填介質(zhì)在黃土地區(qū)性能較優(yōu)[57]。

同時(shí)，由于海綿設(shè)施功能發(fā)揮受土壤基質(zhì)條件、植被條件、設(shè)施結(jié)構(gòu)形式、降雨特征及堵塞狀態(tài)等因素影響[58-61]，在濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)過程中，不少學(xué)者基于設(shè)施應(yīng)用場景、場地水文地質(zhì)條件對(duì)典型海綿設(shè)施開展設(shè)計(jì)優(yōu)化研究。例如，司建輝等基于濕陷性黃土工程實(shí)際背景，基于埋深、開孔率、壁厚等參數(shù)變化對(duì)濕陷性黃土地區(qū)預(yù)制裝配式滲井結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化[62]；張亮認(rèn)為濕陷性黃土地區(qū)應(yīng)盡量采用淺層、小型的雨水入滲設(shè)施[63]；司佳等提出濕陷性黃土場地下市政道路應(yīng)采取底部鋪設(shè)PE防水土工布進(jìn)行全防，并在植草溝兩側(cè)澆筑混凝土擋墻保證道路路基安全[64]；馬越等通過“L”型鋼筋混凝土擋墻支護(hù)和生物滯留介質(zhì)人工換填等技術(shù)手段較好解決了濕陷性黃土地質(zhì)、原土滲透性能差等制約低影響開發(fā)設(shè)施設(shè)計(jì)的不利因素[65-66]。上述研究為濕陷性黃土地區(qū)海綿設(shè)施建設(shè)提供幫助。但當(dāng)前制約濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵之一是海綿設(shè)施滯蓄功能的發(fā)揮與黃土浸水易產(chǎn)生次生災(zāi)害之間的矛盾，即雨水通過海綿設(shè)施入滲極易引起地基濕陷變形，從而導(dǎo)致建(構(gòu))筑物不均勻沉降甚至變形破壞。因此，濕陷性黃土場地海綿設(shè)施設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中應(yīng)將水分入滲對(duì)地基結(jié)構(gòu)性影響予以考慮，而當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)設(shè)施雨水入滲與復(fù)雜水文地質(zhì)環(huán)境的相互影響問題研究較少。D’Aniello等基于數(shù)值模擬對(duì)4種設(shè)施底部長度的低影響開發(fā)設(shè)施在非均質(zhì)土中的雨水入滲影響進(jìn)行探究，認(rèn)為設(shè)施底部水分入滲體積隨底部長度增加而呈冪級(jí)增長，設(shè)施底部完全封閉對(duì)設(shè)施水力性能有顯著影響[67-68]；柴少波等通過分析濕陷性黃土場地海綿設(shè)施雨水入滲對(duì)場地滲流場及位移場的變化規(guī)律，得到了西咸新區(qū)典型海綿設(shè)施雨水下滲對(duì)周邊建筑物和市政道路的影響規(guī)律[69-71]；王啟耀等分別在臨近市政道路和建筑物的生物滯留設(shè)施中防滲措施發(fā)生滲漏時(shí)，評(píng)價(jià)了雨水對(duì)道路和地基的影響[72-73]；王子健等分別在下凹式綠地和雨水花園采取防滲措施條件下，對(duì)最不利降雨條件下海綿設(shè)施雨水入滲對(duì)地基場影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)為該防滲措施可有效保護(hù)近設(shè)施建(構(gòu))筑物安全[74-75]。

由上述研究可知，國內(nèi)外對(duì)濕陷性黃土地區(qū)海綿城市的研究主要集中在海綿城市雨洪管理的有效性及海綿設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)、徑流量控制、面源污染凈化等方面，關(guān)于黃土地區(qū)海綿設(shè)施雨水入滲影響范圍的研究較少，現(xiàn)有關(guān)于黃土地區(qū)雨水入滲影響評(píng)價(jià)多從單層均質(zhì)土、連續(xù)降雨條件等方面開展。由于海綿設(shè)施內(nèi)部結(jié)構(gòu)多為層狀結(jié)構(gòu)，且不同降雨條件下土體入滲特性各異，所以雨水在層狀黃土中入滲機(jī)理及入滲范圍的研究仍有待更為細(xì)致深入的展開，設(shè)施水分入滲所產(chǎn)生的滯蓄災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)及防控措施研究仍有待加強(qiáng)。

2 面臨的問題與挑戰(zhàn)

本文結(jié)合濕陷性黃土水分入滲研究成果和海綿城市建設(shè)工程經(jīng)驗(yàn)，梳理了濕陷性黃土場地海綿城市建設(shè)和研究過程中可能面臨的問題與挑戰(zhàn)。

2.1 面臨的問題

(1)海綿城市建設(shè)的戰(zhàn)略需求旺盛，但科技支撐薄弱。在新一輪西部大開發(fā)、“一帶一路”倡議、黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展等國家政策的推動(dòng)下，海綿城市建設(shè)作為減少城市水災(zāi)水患、改善人居環(huán)境的基礎(chǔ)性綜合市政工程，可預(yù)見各地的新增及改建項(xiàng)目將繼續(xù)呈增長趨勢，需求非常旺盛[76-91]。當(dāng)前，學(xué)術(shù)界對(duì)濕陷性黃土等特殊土地區(qū)的海綿城市研究多集中于設(shè)施本身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和峰值徑流量的削減效果方面，而海綿城市建設(shè)中的雨水花園、植草溝等雨水徑流集中入滲設(shè)施對(duì)地基的影響和風(fēng)險(xiǎn)研究仍處于起步階段。同時(shí)，部分設(shè)施建造實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)領(lǐng)先于理論研究，相應(yīng)技術(shù)較成熟，而相關(guān)理論還不完善，導(dǎo)致相應(yīng)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和指南相對(duì)滯后。當(dāng)前的黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)工程實(shí)踐主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)性工程類比、《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》[12]及《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50025—2018)[92]進(jìn)行應(yīng)用示范與推廣，濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)、維護(hù)和更新的設(shè)計(jì)方法與施工工藝缺乏相應(yīng)的規(guī)范、規(guī)程或指南等技術(shù)性文件，對(duì)工程實(shí)踐的科技支撐非常薄弱。

(2)海綿城市建設(shè)強(qiáng)調(diào)雨水的“滲、滯、蓄”與黃土的水敏性和濕陷性矛盾突出，黃土場地的海綿功能定位有待調(diào)整。黃土水敏性和濕陷性使其遇水極易觸發(fā)土體災(zāi)變，而海綿城市建設(shè)中的滯蓄功能要求進(jìn)一步增大了黃土場地基礎(chǔ)設(shè)施的災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)。濕陷性黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市很多海綿設(shè)施底部采用了全面防滲措施來規(guī)避雨水入滲所帶來的建(構(gòu))筑物地基和基礎(chǔ)安全風(fēng)險(xiǎn)。為保證海綿城市功能的有效發(fā)揮，且不影響周圍建(構(gòu))筑物的安全運(yùn)營，針對(duì)不同濕陷性等級(jí)、場地類型和應(yīng)用場景，對(duì)海綿設(shè)施的功能定位進(jìn)行調(diào)整非常必要。

(3)海綿城市建設(shè)冒進(jìn)式開發(fā)與總體供給不足，規(guī)劃水平有待提高。目前，在新型城鎮(zhèn)化和改善人居環(huán)境雙重推動(dòng)下，試點(diǎn)城市政府對(duì)推動(dòng)海綿城市建設(shè)的工作力度比較大，但在舊城區(qū)和新城區(qū)的布局不均衡。新城區(qū)因?yàn)楹＞d設(shè)施實(shí)施容易，規(guī)劃很超前；舊城區(qū)因?yàn)樵ㄔO(shè)水平較低，需求很大，但因工程造價(jià)高和實(shí)施困難致使供給不足。部分濕陷性黃土場地準(zhǔn)備建設(shè)滯蓄型海綿設(shè)施，但對(duì)濕陷性黃土場地海綿城市建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)防控措施研究不夠重視，使之存在一定風(fēng)險(xiǎn)。如果照搬深圳、上海等海綿城市建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，不考慮黃土的特殊性，很容易引發(fā)較大工程風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前海綿城市建設(shè)往往基于已有市政工程的改擴(kuò)建，為避免規(guī)劃落地即落后的現(xiàn)象發(fā)生，在海綿城市規(guī)劃建設(shè)中，除滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的同時(shí)，應(yīng)從系統(tǒng)角度出發(fā)，經(jīng)水文氣象、城市規(guī)劃、巖土地質(zhì)、結(jié)構(gòu)安全等多方專家綜合論證，因地制宜，在原有城市規(guī)劃基礎(chǔ)上，提升海綿城市規(guī)劃水平。

2.2 面臨的挑戰(zhàn)

(1)對(duì)濕陷性黃土地區(qū)海綿城市的功能劃分、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工法等開展系列攻關(guān)研究，探索并形成濕陷性黃土場地海綿城市建設(shè)的成套技術(shù)。由于海綿設(shè)施類型眾多，常見的類型主要包括生物滯留設(shè)施、植草溝、下沉式綠地、滲透塘及滲井等，且黃土的結(jié)構(gòu)性和濕陷性差異很大，不同的建筑結(jié)構(gòu)體系和基礎(chǔ)類型對(duì)地基不均勻沉降的敏感性不同，破壞機(jī)制也不同。海綿城市作為大型綜合市政基礎(chǔ)設(shè)施，為避免因海綿設(shè)施雨水入滲對(duì)建(構(gòu))筑物產(chǎn)生病害，應(yīng)系統(tǒng)地對(duì)不同地層條件、不同滲流邊界和不同建筑物環(huán)境開展不同應(yīng)用場景(建筑與小區(qū)、市政道路及城市綠地與廣場等)下海綿設(shè)施功能定位調(diào)整、結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化及施工工藝完善等研究，任務(wù)艱巨。

(2)建立基于經(jīng)濟(jì)與安全平衡化的濕陷性黃土場地海綿城市建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論，構(gòu)建濕陷性黃土場地海綿城市建設(shè)的適宜性評(píng)價(jià)體系。綜合運(yùn)用地質(zhì)、水文和管理相關(guān)知識(shí)和理論，在黃土場地海綿設(shè)施雨水入滲理論及影響范圍等研究的基礎(chǔ)上，尋找黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)中雨水入滲的可控臨界范圍，化解設(shè)施雨水入滲與場地水環(huán)境穩(wěn)定的矛盾關(guān)系，構(gòu)建濕陷性黃土地區(qū)不同應(yīng)用場景和海綿設(shè)施類型的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與防控理論，結(jié)合海綿城市建設(shè)、運(yùn)營及維護(hù)全壽命周期的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，優(yōu)化不同風(fēng)險(xiǎn)防控措施并開展其在濕陷性黃土場地的適應(yīng)性評(píng)價(jià)。

(3)明確海綿城市建設(shè)規(guī)劃在城市總體規(guī)劃中的定位，規(guī)范海綿城市建設(shè)規(guī)劃技術(shù)體系，優(yōu)化規(guī)劃方法，推進(jìn)黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)規(guī)劃的編制工作，貫徹落實(shí)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展要求。必須牢固樹立并切實(shí)貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，城鎮(zhèn)化建設(shè)高效推進(jìn)的同時(shí)，必須確保黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)的安全。

3 結(jié) 語

(1)海綿城市建設(shè)作為城市雨洪控制和水資源管理的有效手段，在洪澇災(zāi)害頻發(fā)、水資源分布不均勻的濕陷性黃土地區(qū)開展十分必要?；诋?dāng)前黃土水分入滲規(guī)律、濕陷機(jī)理和海綿城市建設(shè)研究現(xiàn)狀，總結(jié)濕陷性黃土地區(qū)海綿城市安全有效推進(jìn)所面臨的問題主要有：海綿城市建設(shè)的戰(zhàn)略需求旺盛，但科技支撐薄弱；海綿城市建設(shè)強(qiáng)調(diào)雨水的“滲、滯、蓄”與黃土的水敏性和濕陷性矛盾突出，黃土場地的海綿功能定位有待調(diào)整；海綿城市建設(shè)冒進(jìn)式開發(fā)與總體供給不足，規(guī)劃水平有待提高。

(2)為了克服上述問題，提高海綿城市開發(fā)質(zhì)量，當(dāng)前面對(duì)的挑戰(zhàn)體現(xiàn)在：差異化地層條件、滲流邊界和應(yīng)用場景下濕陷性黃土場地海綿城市建設(shè)的成套技術(shù)研發(fā)；濕陷性黃土場地海綿城市建設(shè)的適宜性評(píng)價(jià)體系和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論構(gòu)建；黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)規(guī)劃的方法優(yōu)化。

謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給長安大學(xué)七十周年華誕，祝愿母校桃李天下、蒸蒸日上！1993年9月，我從瀟湘小山村來到久負(fù)盛名的十三朝古都西安，母校老師們的辛勤培育豐富了我的專業(yè)知識(shí)，塑造了我的人生觀，磨練了我的韌性毅力。1998年到2001年，我有幸拜到趙法鎖老師門下攻讀碩士學(xué)位，趙老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和“治學(xué)先為人”的準(zhǔn)則，使我受益終生。2004年8月，我從同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系博士畢業(yè)后回到母校，成為一名光榮的教師，有幸見證了母校的蓬勃發(fā)展，也再次得到母校的培養(yǎng)和許多老師的鼓勵(lì)和幫助，特別是彭建兵院士、門玉明教授、范文教授、錢會(huì)教授和李同錄教授等對(duì)我的工程科學(xué)思維和科研工作能力的提高影響深遠(yuǎn)！回首近三十年的學(xué)習(xí)、工作和生活，深深感受到是偉大的母校改變了來自偏遠(yuǎn)山村的我，深刻認(rèn)識(shí)到知識(shí)、思維和毅力的珍貴，飲水思源，感恩母校，拜謝師恩！母校深情似海，同學(xué)友誼難忘！感謝母校及各位老師的辛勤培育，祝福母校各項(xiàng)事業(yè)再創(chuàng)輝煌！