種植土-碎石綠化帶滲透性能原位測試方法

關(guān)彤軍，劉姣，徐曉攀，張春會，趙彥輝，馬志中

(1.河北科技大學 建筑工程學院，河北 石家莊 05001；2.石家莊市政設(shè)計研究院有限責任公司；3.奧來國信(北京)檢測技術(shù)有限責任公司)

1 引言

海綿城市種植土-碎石綠化帶的工作原理為：機動車道或廣場不透水路面的雨水順路面橫坡流入下凹種植土碎石綠化帶內(nèi)，通過種植土綠化帶滲入地下，補給地下水。種植土碎石綠化帶為雙層結(jié)構(gòu)，上層為60～80 cm種植土，下層為級配碎石，粒徑為3～5 cm。碎石層孔隙比一般為0.4左右，孔隙空間大，能夠存儲來不及入滲地下的雨水。碎石層下接原位地層，雨水逐漸滲入到地層內(nèi)。若原位地層滲透性差，可以設(shè)置碎石滲水井加速雨水入滲。種植土內(nèi)種植草、樹等植物。當收集的路面徑流雨水滲透通過種植土時，種植土孔隙骨架阻截、吸附雨水內(nèi)的污染物，使得入滲雨水水質(zhì)得到凈化。然而，種植土不停截留雨水內(nèi)的懸浮物等污染物，可能堵塞土體孔隙，使得種植土滲透性能下降。因此對建成的種植土-碎石綠化帶的滲透性能進行長期現(xiàn)場監(jiān)測，是種植土-碎石綠化帶結(jié)構(gòu)在海綿城市建設(shè)中進一步推廣應用的關(guān)鍵。

目前國內(nèi)外對海綿城市設(shè)計理論與技術(shù)開展了很多研究。然而，目前研究主要集中于這些結(jié)構(gòu)的滲水水量和水質(zhì)凈化性能方面，但較少關(guān)注其長期滲透性能的演化。為此，該文針對種植土-碎石綠化帶海綿城市道路結(jié)構(gòu)，提出一種種植土滲透性能原位測試方法，從而為種植土-碎石綠化帶海綿道路結(jié)構(gòu)的長期滲透性能監(jiān)測提供一種新方法。

2 測試裝置

該文研制的種植土-碎石綠化帶結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)原位測試試驗裝置如圖1所示。該試驗裝置由上套筒、下套筒、降水系統(tǒng)、水位監(jiān)測系統(tǒng)組成。上套筒和下套筒為亞克力板材質(zhì)，直徑80 cm。下套筒埋置于種植土內(nèi)，下端與碎石層相通，上端面略低于種植土表面，桶內(nèi)區(qū)域與種植土其他區(qū)域相同，也種植植物，總體上桶內(nèi)區(qū)域與其他區(qū)域同環(huán)境。上套筒底端設(shè)凹槽和密封圈，與下套筒連接后，接口不漏水。上套筒頂端設(shè)降水噴頭，降水噴頭與水泵和水箱連接，通過流量計控制降水流量(強度)。上套筒低端設(shè)置水位計，桶外使用數(shù)據(jù)采集儀實時測量套筒內(nèi)水位。

圖1 種植土滲透系數(shù)原位測試裝置

下套筒隨種植土回填，填埋于種植土內(nèi)。測量滲透系數(shù)時，通過清理露出下套筒上端口，將上套筒與下套筒連接，水箱蓄滿水，開啟水泵，通過流量計控制流量，通過降水噴頭降水，使得桶內(nèi)種植土發(fā)生豎向滲流，當種植土飽和后，降水使得桶內(nèi)水位達到一定高度，然后停止降水，通過水位計測量不同時間的桶內(nèi)水位，進而計算種植土的飽和滲透系數(shù)。

3 測量原理

3.1 飽和滲透系數(shù)

種植土飽和，降水沿種植土滲流為一維飽和滲流，若初始時間t1時，桶內(nèi)水位處相對于排水邊界處的總水頭為H1，時間t2時，桶內(nèi)水位處相對于排水邊界處的總水頭為H2，其滲流示意如圖2所示。

圖2 種植土飽和滲流分析示意圖

種植土上方桶內(nèi)過水斷面流量q為：

(1)

式中：A為桶橫截面面積(cm2)；t為時間(h)；h為桶內(nèi)水位(cm)。

根據(jù)達西定律，種植土內(nèi)流出的流量為：

(2)

式中：Ks為飽和滲透系數(shù)(cm/h)；L為種植土厚度(cm)。

由式(1)、(2)，可得：

(3)

對式(3)積分，可以得到：

(4)

式(4)即為該文測試方法滲透系數(shù)計算公式。

3.2 種植土飽和時間

種植土初始狀態(tài)為非飽和，通過降水使得套筒內(nèi)種植土飽和，然后才能夠利用式(4)測量飽和滲透系數(shù)。因此，恒定降水強度條件下，確定種植土飽和時間極為重要，下面給出種植土飽和時間確定方法。

在原位測試過程中，套筒內(nèi)降水入滲可視作一維非飽和豎向入滲，種植土非飽和狀態(tài)下的滲透系數(shù)KT(Ψ)可以寫為：

KT(Ψ)=Ksexp(αψ)

(5)

式中：KT(Ψ)為負孔壓Ψ條件下的滲透系數(shù)(cm/h)；α為試驗常數(shù)(1/cm)；ψ為壓力水頭(cm)。

于是無量綱的相對滲透系數(shù)K為：

(6)

非飽和種植土的體積含水率θ可以寫為：

θ=θr+(θs-θr)exp(αψ)

(7)

式中：θr為殘余體積含水率；θs為飽和體積含水率。

如圖3所示，種植土厚度為L，寬度為b，降水強度為qL，取種植土下邊界中點為坐標原點O，坐標z軸正方向向上，O點下方為碎石層，O位置視為排水條件，由滲流理論，降水的入滲方程為：

圖3 計算模型

(8)

式中：t為時間；Ψ為種植土內(nèi)負孔隙水壓力水頭(cm)。

令：

(9)

式中：zR、LR、K、qRL、tR均為無量綱量。

將式(5)、(7)代入式(8)，結(jié)合式(9)，有：

(10)

令qA為種植土表面初始狀態(tài)流量，該值決定了初始孔隙水壓力曲線形態(tài)，由地表土含水率通過擬合確定，定義qRA=qA/Ks。在下邊界，種植土與碎石層相接，其負孔隙水壓力為ψ0。于是，初始條件為：

K(zR,0)=qRA-(qRA-eαψ0)e-zR=K0(zR)

(11)

種植土下邊界條件為：

K(0,tR)=exp(αψ0)

(12)

上邊界的邊界條件為：

(13)

綜合式(11)～(13)，由積分變換方法獲得式(10)的解為：

(14)

式(14)中：

(15)

式(15)中λn為下面方程的正值解：

tan(λLR)+2λ=0

(16)

利用式(14)可以計算恒定降水qL條件下不同降水歷時種植土的相對滲透系數(shù)曲線，相應的負孔隙水壓力由式(6)可按下式計算：

(17)

觀測不同降水歷時孔壓分布曲線形態(tài)，當孔壓分布曲線與孔壓0軸面積代數(shù)和為0時，如圖4所示，可視作種植土恰巧飽和，相應的降水歷時即為種植土飽和時間。

圖4 種植土內(nèi)飽和情況判斷示意圖

4 試驗驗證

為了驗證該文方法原位測試種植土綠化帶滲透性能的可行性，在室內(nèi)試驗室開展了試驗驗證。

4.1 試驗裝置

按照圖1所示的種植土-碎石綠化帶原位測試裝置結(jié)構(gòu)，在室內(nèi)制作了種植土滲透系數(shù)測試足尺試驗模型。

試驗模型由試驗桶、降水系統(tǒng)和量筒等水收集系統(tǒng)組成。試驗鐵桶高度為160 cm、直徑為80 cm。降水系統(tǒng)主要由鐵制框架、降水噴頭、儲水箱、潛水泵、流量計構(gòu)成，降水強度由流量計控制，降水噴頭為工廠訂制，能夠?qū)υ囼炌皟?nèi)種植土均勻降水。試驗桶底板周圍高中間低，呈漏斗形，底板中間設(shè)置出水口，水流出后使用量筒收集。在試驗桶內(nèi)種植土表面中心位置布置水位計，測試試驗桶內(nèi)水位。

4.2 試驗過程及試驗結(jié)果分析

參照石家莊市匯明路種植土綠化帶工程，在試驗中先裝入75 cm碎石，鋪設(shè)一層透水土工布，然后裝入85 cm種植土，通過降水使得種植土完成固結(jié)，固結(jié)后種植土厚度為60 cm。試驗中種植土和碎石都取自石家莊市匯明路種植土綠化帶工程現(xiàn)場，種植土的物理力學特性為：液限29.8%，塑限18.5%，塑限指數(shù)11.3，0.5 mm篩通過率為97.08%，0.25mm篩通過率為82.29%，0.075mm篩通過率為61.04%，為低液限含砂粉土，碎石粒徑2～4 cm。種植土飽和體積含水率為0.48，殘余體積含水率為0.23，利用吸力計測試不同體積含水率種植土的負孔隙水壓力，對測試結(jié)果利用式(7)擬合，α=0.016 7/cm。從試驗桶內(nèi)利用薄壁取土器取原狀土樣，抽真空制備飽水土樣，利用變水頭方法測試原狀種植土滲透系數(shù)，種植土飽和滲透系數(shù)為1.01 cm/h，根據(jù)種植土表層含水率，反算qRA=0.1。

然后開展降水模型試驗，開啟流量泵，通過流量計控制降水量，降水速率為2.0 cm/h。試驗開始后每5 min計量一次收集到的降水，通過試驗獲得的水量與累積時間關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 收集的水量與累計時間關(guān)系

從圖5可以看出：剛開始降水，試驗桶底部無滲出水量，當降水30 min左右，底部開始有水滲出，隨著降水過程的繼續(xù)，單位時間內(nèi)通過種植土的水量逐漸增加，水量增加速率先較大，然后逐漸放緩，最后在180～190 min左右收集的水量開始基本維持在430 mL/(5 min)左右的恒定水平，表明這時種植土已經(jīng)飽和，其滲透系數(shù)和單位時間的滲水量基本不變。

利用式(14)、(17)計算種植土內(nèi)孔壓演化，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同降水歷時種植土內(nèi)孔壓分布

從圖6可以看出：隨著降水過程的繼續(xù)，種植土內(nèi)的孔隙水壓力逐漸增加，當降水歷時達到175 min時，孔壓曲線與孔壓0軸圍成的面積代數(shù)和近似為0，由此可以推斷種植土飽和時間約為175 min，這與試驗觀測到的180～190 min基本一致，表明該文方法預測試驗種植土飽和時間是可行的。

降水240 min時，由水位計測得試驗桶內(nèi)水位為18.54 cm，即H1=78.54 cm，中止降水，試驗桶內(nèi)水向下飽和滲流，每隔1 h測試1次試驗桶內(nèi)水位，測試結(jié)果分別為17.31、16.11、14.94 cm，利用式(4)計算，獲得滲透系數(shù)分別為0.95、0.94和0.93 cm/h，平均值為0.94 cm/h，這與取樣測試結(jié)果相比相差不大，表明該文提出的方法能夠用于原位測試種植土-碎石綠化帶結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)。該文結(jié)果與取樣測試結(jié)果相比略小，這可能是由于試驗過程中試驗桶內(nèi)土體殘余的壓縮固結(jié)所致。

5 結(jié)語

提出了一種種植土-碎石綠化帶滲透性能原位測試裝置，結(jié)合滲流理論，提出了種植土-碎石綠化帶結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)原位測試方法，并對原位測試方法開展了室內(nèi)試驗驗證，結(jié)果表明該文方法獲得的種植土飽和時間、滲透系數(shù)與試驗觀測值基本一致，該文方法可用于種植土-碎石綠化帶結(jié)構(gòu)滲透性能原位測試，從而為種植土-碎石綠化帶海綿道路結(jié)構(gòu)長期滲透性能監(jiān)測提供了一種技術(shù)方法。