海绵城市入渗设施淤堵研究进展及长期性能改进方案探讨

张家发，吴庆华，朱国胜

(长江科学院 a.水利部岩土力学与工程重点实验室；b.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010)

海绵城市入渗设施淤堵研究进展及长期性能改进方案探讨

张家发a, b，吴庆华a, b，朱国胜a, b

(长江科学院 a.水利部岩土力学与工程重点实验室；b.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010)

针对海绵城市渗井、渗透管和渗透塘等典型入渗设施，阐述了淤堵机理和性能改进研究的意义。将淤堵影响因素分为淤堵物源性质、水动力条件和滤层特性3个方面，分别围绕这3个方面概述了淤堵研究进展。将我国海绵城市入渗设施淤堵问题研究的不足和需要加强研究的方面归纳为：淤堵物源特征仍然不够明确，水流条件研究不够全面，间歇运行的影响研究不够，实际组合滤层结构缺乏研究，时间效应研究不够，主要作用机制认识存在分歧,结构形式和运行维护方案研究不够，缺乏原型试验和实际工程研究。针对我国海绵城市建设，提出急需针对典型城市区域监测实际雨洪，尤其是久未下雨后暴雨中的第1波雨洪，研究入渗设施的淤堵物源性质。基于类似问题的研究工作，分析了入渗设施滤层性能改进的途径，认为可更换滤层方案可以突破入渗设施淤堵问题，促进入渗设施的更广泛运用，从而保障海绵城市建设的长期效果。

海绵城市；淤堵；悬浮物；水动力条件；土工合成材料；砂石滤层；可更换滤层

随着城市化的加速发展，越来越多的区域被建筑物、道路和其他设施所覆盖，显著地改变了降雨入渗和产流条件，使得产流增加，入渗减少，其结果是洪水频率更高，洪量更大，流速更快。若上述情况恰恰又发生在人口密集的城市区域，其危害性更大。针对如何减轻城市建设增加的洪水威胁，美国率先提出了“低影响开发”(LID)的理念，澳大利亚、新西兰、日本以及欧洲一些国家随即接受和不断发展了这一理念[1]。进入21世纪以后，国内城市洪涝灾害越来越频繁，灾害防治的任务越来越紧迫和繁重[2]。同时城市化发展加剧了水资源供需不平衡状况，雨洪资源利用是可以缓解这种不平衡状况的途径之一。文松霖等[3]较早地尝试引入这些先进理念，提出以雨水入渗和雨水贮存为核心的解决方案。

最近几年，一些城市洪涝灾害造成了较大规模的人员伤亡悲剧[4]，使得政府相关部门更加意识到了问题的严重性，在吸收相关国家的理念和发展成果基础上，提出了海绵城市建设的战略，并已经选取30个城市进行示范建设。美国国防部2016年发布的统一设施标准[5]将LID行动概括为寻求采取有效措施恢复工程区开发前的入渗率；将可采取的途径概括为拦截、入渗、储存、蒸发蒸腾等；设定的理想目标是实现开发后径流量的零增长。我国住房和城乡建设部2015年发布试行的《海绵城市建设技术指南》[6](以下简称“指南”)，副标题为低影响开发系统构建。该指南将海绵城市建设概括为：遵循生态优先等原则，将自然途径与人工途径相结合，在确保城市排水防涝安全的前提下，最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化，促进雨水资源利用和生态环境保护。指南特别强调海绵城市建设过程中应统筹自然降水、地表水和地下水的系统性，协调给水、排水等水循环利用各环节，并考虑其复杂性和长期性。

增强雨洪入渗是海绵城市建设采取的措施之一，但入渗设施的淤堵会影响其长期性能。本文主要概括和评述与渗井、渗透管和渗透塘等典型入渗设施淤堵有关的研究进展，探讨进一步开展淤堵机理研究和入渗设施长期性能改进的方向。

1 入渗设施淤堵研究的意义

我国海绵城市示范建设正在进行，其常用的设施中，雨洪入渗设施主要包括透水铺装、渗井、渗透管和渗透塘。这些入渗设施功能的发挥取决于3个方面的条件：设施的布置是否有利于汇集雨水和地表径流；设施自身和下伏地层的入渗能力；地下水位决定的地下蓄存空间。《海绵城市建设技术指南》所强调的建设效果的长期性，对于雨洪入渗设施来说，体现为设施自身和下伏地层入渗能力的长期性，以及地下水位动态允许的蓄存空间。

城市“雨洪”可定义为城市区域以雨水形成的地表径流为主的洪水， 这一定义与城市开发造成大量不透水区域的实际情况相适应。 与直接进入入渗设施的雨水不同， 雨洪经过一段距离的径流后， 水质发生了改变， 悬浮物会显著地增加， 进入入渗设施后， 悬浮物的沉积和淤堵作用会降低设施自身和下伏地层的渗透性， 从而影响到设施的长期性能。

渗井、渗透管和渗透塘等这些典型入渗设施都需要设置完善的渗滤系统，目的就是防止对含水层造成淤堵和污染，但通常会造成自身的淤堵。淤堵降低系统的渗透性和入渗率，增加系统的溢流和积水周期，结果造成的不利影响涉及到公共安全(如洪水灾害、蚊蝇繁殖)，环境美观，处理效率，甚至系统的最终失效[7]。

可见海绵城市建设的成效，尤其是长期效果，有赖于对这些典型入渗设施设置合理的渗滤系统，并且能够提供有效的维护。

国际上对于渗滤系统淤堵开展了一些研究工作，但是还很不够。我国的海绵城市建设刚刚兴起，尚处于示范建设阶段，针对性的研究工作更少。以广西南宁海绵城市工程设计图集中的入渗设施结构形式为例[8]，渗井和渗透管的外围及渗透塘底都采用了砂、碎石或砾石、透水土工布(土工织物)作为滤层。雨洪直接进入渗井或者渗透管，或者经过前置塘等设施预处理后进入入渗设施，都携带着一定含量的悬浮物。这些悬浮物或者沉积在井底，井、管壁面，塘底；或者进入滤层甚至含水层，其结果都将是渗滤系统的入渗能力下降。清理这些沉积物不易于操作，甚至不可行，而对这些滤层和含水层更没有可以操作的维护和恢复措施。

滤层是人类处理水问题的一项重要手段。滤层淤堵又是这一手段通常遇到的棘手问题，因而各行业都一直在着力研究和解决。海绵城市入渗设施的滤层淤堵问题，是与特有的雨洪悬浮物性质和水动力条件相对应的。深入开展滤层作用机制研究，揭示淤堵机理，才能取得可以指导评价和改进滤层长期性能的理论成果。

2 入渗设施淤堵研究进展

针对海绵城市典型入渗设施的特点，可以将淤堵的影响因素概括为淤堵物源、水动力条件和滤层特性3类。这3大类因素的共同作用，决定滤层作用机制和淤堵机理。以下围绕这3个方面概述国内外的最新研究方法与手段，以及已取得的认识，分析存在的不足，探讨需要发展的方向。

2.1 淤堵物源性质研究

淤堵物源性质研究是揭示淤堵机理和改进渗滤系统的重要基础。淤堵物源是由渗滤系统处理的对象和所处的环境所决定的。

进入渗滤系统的水质和悬浮物成分，以及在进入渗滤系统后可能发生的化学和生物作用，共同决定了淤堵物源的形式、成分及其性质与含量，也就决定了在淤堵过程中的物理、化学和生物作用[9]。在一些物源条件下，可能物理、化学和生物作用都扮演着重要的角色；在另一些环境下，可能主要发生其中1种或者2种作用，其他作用可以忽略。例如，针对边坡、含水层的排水井或者减压井，水质和悬浮物主要决定于地层性质，如果地层的内部结构不稳定，就可能在渗透比降的驱动下有小颗粒启动；如果地层中含有易溶解的成分，就可能在接近井管的过程中发生化学、生物作用。当然，如果管理不善造成了洪水倒灌，那就有双向水流和淤堵物源，物源的性质和淤堵过程会更加复杂。对于污水处理的渗滤系统以及垃圾填埋场渗滤液排放系统来说，淤堵物源将有高浓度的化学和生物成分。

本文中渗滤系统的处理对象是城市雨洪，所处环境是人类和动物活动频繁、具有绿化和生态与景观要求的城市区域，这些共同影响着雨洪水质和悬浮物的性质。

Kandra等[10]研究雨洪特征对入渗淤堵的影响时，认为相对于污水来说，雨洪的有机质含量低，一般都假设雨洪入渗系统最可能发生的是物理淤堵。Kandra等[10]依据Francey等[11]和Deletic等[12]的研究成果，采用了半人工的暴雨洪水成分，模拟人口密集城区的典型污染物浓度。悬浮物颗粒采用了2种方案：方案1最大粒径75 μm，平均粒径31 μm；方案2最大粒径1 000 μm，平均粒径391 μm。入渗试验表明，雨洪中悬浮物浓度是较高入渗率条件下影响滤层水力和过滤特性的重要因素，而雨洪所含有的营养物和重金属，对于渗滤系统水力特性和运行效果的影响有限。该文作者也注意到另有研究表明，其他污染物在雨洪淤堵过程中起很重要的作用。笔者认为，如果试验采用干湿相间的模式，或者雨洪污染物浓度更高的话，化学和生物淤堵就会凸显。淤堵试验研究的所有结论对应的条件包括：悬浮物颗粒浓度及其粒径，其他污染物的成分和浓度，雨洪补给方式、强度、持续时间、间歇时间，滤层自身的颗粒组成和孔隙性，等等。

路莹等[13]运用土柱试验研究石英砂滤层堵塞规律时，采用路面雨后沉积的表层细粒土(直径<75 μm)按照50 g/L的浓度配制试验用水，以模拟回灌水的淤堵物源性质。这样的雨洪入渗淤堵物源性质代表性还不够。黄修东等[14]在进行人工回灌的土柱模拟试验时，将取自某蓄滞洪区的雨洪水沉积物于烘箱干燥后压碎，通过0.3 mm过滤网过滤后，加入自来水搅拌混合形成试验用水,浓度范围为10～400 mg/L。童坤等[15]采用了北京平谷盆地雨洪水悬浮物浓度，其最大值达273 mg/L，50%雨洪样品浓度在15 mg/L以上，平均为35 mg/L，但是未见该项成果的直接报道。

赵树旗等[16]对北京工业大学校园内的降雨径流污染进行了监测，结果表明，冬季过后第1场降雨径流水样为劣Ⅴ类水质，之后的水样污染程度有所减轻；不同取样点水质污染程度不同。对于海绵城市入渗设施来说，这种时间和空间上的水质和悬浮物的差异同样会存在。

试样的代表性是研究雨洪入渗淤堵物源性质的关键。只有从入渗设施中直接取水样和沉淀物试样，才能够真正揭示雨洪入渗淤堵物源的性质。降雨间歇期，尤其是长时间无雨天气中，地面会产生和累积粉尘、垃圾和动植物残片。降雨发生后，第1波雨洪冲刷地面，会携带更多的悬浮物至入渗设施，并对渗滤系统的淤堵产生关键作用，所以第1波雨洪水样的性质更具有控制意义。

进入渗滤系统的雨洪，至少可以分为2类：经过植草沟、沉淀池、前置池等预处理的雨洪；没有经过预处理的天然雨洪。这2类的水质和悬浮物性质与含量应该有差别，差别的程度与预处理效果有关。为了揭示淤堵机理并针对性地改进渗滤系统，需要分别研究这2类雨洪的入渗淤堵物源性质。

目前，国内外从淤堵物源角度研究雨洪水质和悬浮物成分的成果有限，而且我国的城市和社会发展现状也会造成雨洪水质和悬浮物成分与其他发达国家有一定差别。

采用合适的取样方法，取得具有代表性的水样，适当取得沉积物试样，开展物理、化学和生物成分分析，是研究识别淤堵物源性质的重要基础。

2.2 水动力条件研究

水动力条件是渗滤系统运行的重要条件，与淤堵物源一起作用于滤层，研究水动力条件对入渗设施淤堵的影响规律，也是全面揭示淤堵机理的基础。

已有的室内淤堵试验研究大都是一维渗流试验，可以满足从材料性质角度研究的需要。长江科学院在研究减压井淤堵时[9,17]，采用了多种试验方法，其中包括径向渗流模型试验，实现了减压井运行期间径向汇流条件。

不同入渗设施的水流条件各有不同，渗透塘的入渗可以概括为积水压力垂向入渗；渗井中则包括井底的以垂向为主的入渗，以及井壁的径向入渗和辐射水流条件；渗透管中则为管壁径向入渗和辐射水流条件。雨洪入渗研究可以垂向压力入渗试验为主，开展滤层性质与淤堵物源和大部分水动力条件的组合研究，但同时还应该针对渗井和渗透管的实际水流条件，适当开展径向流模型试验，以研究其与渗透塘淤堵机理的差别。

城区的典型入渗设施，尤其是位于生活区的入渗设施，应该在雨后经过较短时间的入渗就能够干涸见底，这样能够避免蚊虫繁殖，有利于环境卫生。于是，入渗设施中的水流条件是动态的：雨洪入流开始后水深逐渐增大，水位达到溢流条件后会维持稳定，雨洪入流停止后水深又开始减小，干涸见底直至下次雨洪入流之前水深为0。大多数淤堵试验研究都忽略了水深增减或者水位升降过程，仅模拟接近实际运行条件的最大水深或者水力比降，这种条件简化是允许的。但是运行间歇期对于淤堵的影响非常重要。长江科学院在研究减压井淤堵时发现，正是地下水位下降、井口不再溢流时，井内水位变动带氧化还原条件发生了改变，低价铁变成高价铁并沉淀吸附于井壁和滤层上，并可能向滤层内部溯源扩展[18]。

Kandra等[10]开展了不同频率(每天、隔天和每周一次)雨洪的试验，结果显示了相似的入渗率衰减模式，不同雨洪频率对于滤层影响的差异有限。该文作者注意到另有研究表明，间歇运行有利于淤堵的逆转。然而实际工程运行条件下，雨洪入渗间歇期，入渗设施内酸碱性、光照、氧化还原等系列条件发生了改变，动植物活动和作用也发生了改变，容易结垢，生长细菌和藻类，留下动植物碎屑和排泄物等等，这些对淤堵规律的影响将是复杂的。

为了揭示雨洪入渗淤堵机理，室内模型试验的入渗间歇期需要足够长，尽可能模拟实际条件；在此基础上，开展适当的原型试验是非常必要的。

2.3 滤层特性及淤堵规律研究

正确认识滤层特性是揭示淤堵机理和改进渗滤系统的另一个重要基础。滤层特性包括材料特性和结构特性。

水利水电工程中传统砂石滤层的作用是提供一种水力过渡，既能够防止被保护土的细颗粒流失，自身又具有足够的排水能力，使得渗流场得到有效控制，渗透稳定性得到满足，同时还能够促进结构变形的控制及其稳定性。砂石滤层影响淤堵的材料特性包括由颗粒形状、级配、密实度等共同决定的孔隙特性，表现为排水性、保土性和自身的渗透稳定性。砂石反滤层特性及其合理选用长期占据水利水电工程设计研究课题中的重要位置[19-22]。朱崇辉等[23]采用试验中压力测值的时程线说明反滤层防止其上游防渗层裂缝受到进一步冲刷的效果。郭爱国等[24]通过试验中流速和渗透系数随比降和时间的变化分析了反滤层的作用效果和分散性黏土心墙料裂缝自愈的时间效应。邹玉华等[25]针对高土石心墙坝开展了加载条件下的心墙料与反滤料组合抗渗试验研究，结果表明单向压缩条件下，随着应力的增加，防渗料渗透系数减小，破坏比降增大；而水平应力增加则使得渗透系数先减小后增大，破坏比降先增大后减小。这些都属于宏观研究。反滤设计准则一直是业界关心的问题。我国老一辈水利工作者借鉴了国外的反滤设计准则，并在后续的研究与实践中不断地发展和完善[20]。孙君实等[26]对反滤级配进行了较全面的讨论，将反滤设计依据归纳为9项条件，也就是其提出的设计过程和方法。

长江科学院通过室内和现场试验研究[9,17]，揭示了机械淤堵和化学淤堵的形成原因和机理，证明了淤堵主要产生在减压井运行间歇期，首次揭示了淤堵的出口特性、间歇特性和溯源特性。

土工合成材料的出现，带来了岩土工程中的一场革命[27]。其中，土工织物在反滤与排水中的应用已经很普遍。用土工织物代替传统砂石料作反滤层时，人们容易很自然地以为二者是可以等效的，甚至以为原理一样。实际应用的工程效果又一再提醒人们，二者各有其特殊性。1998年长江流域大洪水期间，笔者在当时形势最为吃紧的洪湖长江干堤指导防汛抢险工作，发现当地技术人员很愿意在管涌口的倒滤堆中使用土工布，笔者要求揭开一处土工布后发现，青沙淤积在土工布与先已投放的砂石滤料之间，土工布已经变得非常重，因为土工布朝下的那一面也是积满了青沙，这也就难怪倒滤堆的出水流量逐渐减少，险情并没有得到控制，实际上潜伏着更大的危险。笔者当即要求去掉土工布，恢复使用砂石滤料，保障倒滤堆排水的通畅，并要求在其他险情的处理中使用土工布也要保持谨慎。

束一鸣[28]利用针刺织物孔径与粉土粒径关系满足规范要求的组合，开展梯度比试验，并结合实际工程长达10 a的运行情况，说明针刺织物对于粉土反滤的有效性。这一结论是可信的。然而实际工程应用条件往往更加复杂。堤防、护岸、渠道工程，甚至大坝下游排水沟工程，都会延伸很长距离，对于土性的认识只能依赖于从有限的取样点或钻孔芯样获得的资料。实际土层的级配和密度是有空间变化的，工程施工中选购土工织物时也难以做到根据实际土性的变化频繁地变换规格，往往是针对一项工程选用统一的规格，造成反滤关系实际上可能没有得到满足，这就是土工织物应用中与其便利性伴随的问题，会直接影响到工程安全。

关于土工织物系统的反滤机理，陈轮等[29]总结了早期的观点，即把土工织物的过滤作用等同于传统的砂石材料，实际上许多工程技术人员至今仍然是这样简单认为的；后来流行一种新的机制解释，即认为土工织物滤层主要起到一个“催化剂”的作用，诱发附近被保护土层依次形成架空层和天然滤层，天然滤层阻挡上游土颗粒流失，而土工织物只要能保持架空层的骨架颗粒不流失即可维持反滤系统的渗透稳定性。一些文献支持了“催化剂”作用的机理一说[29-30]，不过都属于宏观层面的逻辑推理，还没有提供微观层面的直接证据。

与水利水电工程的反滤不同，雨洪入渗设施的淤堵物源是随雨洪的进入而来自于外界，滤层主要是起过滤的作用，是防止含水层淤堵的一项重要措施，同时也起到一定程度的水流净化作用，在这一点上与地下水回灌以及水处理设施是相似的。

城市污水处理净化池的水流条件与海绵城市入渗设施在某种程度上相似，但是污水的水质和悬浮物[31-32]比起一般城市雨洪有很大差别，淤堵过程和规律性也就不同。

Coulon等[33]通过实验室的土柱试验，用9周时间再现了雨洪滞渗盆地的3 a运行过程。以达到400 mg/L的浓度为目标在土柱顶面人工投放悬浮物颗粒，试验使用的悬浮物颗粒取自盆地现场的沉积物，并用5 mm筛子去除植物、塑料等碎屑。盆地入渗土层试样取自现场的河流沉积层。36个月的模拟结束后，土柱顶面形成了3 cm厚的沉积层。通过反演计算得出，从入渗开始后的第6个月到结束时的第36个月，饱和渗透系数从24.9×10-6m/s降至3.3×10-6m/s，平均等效孔径从606 μm减小至380 μm。试验结束后土样截面成像的图像分析表明，沉积物颗粒由开始的孤立状态逐渐演变为相互接触状态。其图像分析尚属于细观层面。

Alem等[34]采用粒径为315～630 μm的砂粒抛填形成土柱，分别开展去离子水和高岭土颗粒悬浮液的入渗对比试验，高岭土颗粒的粒径为1.7～40 μm。试验供水包括定水头和定流量2种条件，结果表明定水头条件下土柱顶面积水更多，孔隙介质淤堵更快。而在同一供水方式下，悬浮物浓度的增加导致渗透系数更快地降低。由进出水流悬浮物颗粒分析成果对比认为，入渗试验初期，大颗粒主要留存在土柱内；随着入渗总量的增加，大颗粒更容易运移，出流液中可见的颗粒尺寸逐渐增大。这与大多数研究取得的认识相悖，一般地，随着滤层淤堵的演进，其孔隙空间会变小，颗粒在其中的运移受到的限制应该越来越大。可见仅凭宏观现象推理，没有微细观的直接证据是难以揭示真实机理的。

童坤等[15]分别在400，200，100 mg/L悬浮物浓度下，通过土柱试验模拟了雨洪回灌堵塞含水层的过程，通过分析堵塞层的渗透系数和渗滤速率的变化，以及回灌前悬浮物和回灌后淤泥层的级配对比，揭示物理堵塞特征，认为堵塞过程中形成的淤泥层和砂层上部淤堵层2个区域，是滤层失效的主要原因。

黄修东等[14]在进行人工回灌的砂柱模拟试验时，主要通过出流速率的变化分析系统渗透性减弱的规律，并提出了负指数形式的预测模型，关于砂柱顶面淤泥层的形成可以直接观察到，而该文关于砂柱表层孔隙中进入的悬浮物颗粒则主要是基于分析推断。

Thompson等[35]针对一种低成本的含水层回灌措施开展了淤堵试验研究。这种措施是采用直接推进法建造小直径的回灌井，依靠静力水头作用进行回灌。在实验室采用砂和砾石制备土柱，分别使用经过处理的地表水和地下水，在3种入渗速率下开展了17 d的入渗试验。结果显示，最低一种入渗速率试验的渗透系数比初始值降低了至少一个量级，从出流管观察到了中、低速率地表水入渗试验有细菌淤堵现象。而黏土颗粒的扩散有利于逆转细菌淤堵。该文所称低速率入渗，与海绵城市雨洪入渗相似，后者入渗设施中积水不深，也是依靠静力水头驱动入渗水流。

Kararzyna[36]采用砂柱开展黏土颗粒悬浮液的非饱和入渗试验，试验结束后分段对砂柱试样进行颗粒分析，并对树脂固化试样切片在显微镜下分析。成果显示了渗透系数随入渗量增加而衰减的规律，并将淤堵物在孔隙内砂粒之间结构关系划分为5种形式：厚覆盖，常常连接相邻颗粒且大部分覆盖于颗粒顶面；完全填满孔隙；覆盖于颗粒顶面；颗粒间的新月形桥；聚集于颗粒的不规则凹面上。该文[36]没有进一步开展机理分析。

长江科学院在研究减压井淤堵问题时[18]，将反滤料掺入10%的硫酸亚铁盐，拌合均匀后倒入量筒内，加入不同数量的水浸泡，观察到硫酸亚铁盐溶解于水并逐步将低价铁氧化为高价铁，水呈现出红色的过程。高价铁盐达到一定浓度后开始沉淀，3 d后水中高价铁沉淀完成，水基本无色，反滤料表面形成了一层红色沉淀物。对脱水和未脱水的试样进行了扫描电镜测试，结果显示，脱水后的反滤料颗粒之间产生了明显胶结，而没有脱水的反滤料没有发现颗粒间的胶结，只有表面沉淀的纤维状物质。这一微观研究不是针对滤层结构，而只是针对滤料开展的。

综上所述，在与渗滤有关的不同应用领域，淤堵都是重要的研究课题，也都取得了一些成果，许多方法可以为海绵城市雨洪入渗设施淤堵机理研究参考借鉴。但是海绵城市入渗设施有很多特点将影响淤堵作用，例如，有特定的淤堵物源性质和浓度；有经过预处理的雨洪和天然雨洪2种情况；静水压力入渗，为积水深度较浅的垂向入渗或者径向入渗；入渗过程之间可能存在间歇期；入渗设施处于人类和动植物频繁活动的环境之中；采用的是组合滤层；等等。相对于海绵城市建设的需要，尤其是对设施长期性能的要求来说，相关的研究工作还远远不够。

3 入渗设施长期性能改进方案探讨

由淤堵引起的渗滤系统长期性能衰减一直是令人头疼的问题。对于深埋于土体内的反滤层，几乎没有可用的维护手段。排水孔和减压井的维护措施一直在得到研究和发展。除了各种洗井措施外，长江科学院最早开展可拆换滤芯的研究，并首先在葛洲坝枢纽大坝基础排水孔中得到应用[37]。而后，长江科学院进行过跟踪检测，结果表明应用效果良好。这为在大坝基础排水孔壁对软弱地层的保护提供了长效手段，在后续其他工程中得到了应用[38]，并激发了长江科学院对堤防工程可拆换减压井的研究。

长江科学院基于研究揭示的减压井淤堵机理，提出新的减压井结构形式，包括外部固定部分和内部可拆换滤芯[39]。固定部分与传统滤层结构类似，只是有意使用粒径偏粗的砂石滤料，仅提供对于地层的支撑作用。内部可拆换滤芯主要采用泡沫塑料制作，既能透水，又能够防止地层中细颗粒的大量流失，还能够接受溯源淤堵物质，并在性能衰减到一定程度后，通过拆换而恢复减压井的功效。这一成果经过现场试验的检验，得到水利部的支持并予以推广，成为一项实用技术[40]。

长江航道工程建设中，在许多二元和多元结构地基的岸坡上，传统的盲沟排水措施作用效果有限，使得岸坡排水速度远远跟不上江水降落的速度，从而造成岸坡中渗流冲刷作用，并影响到岸坡的结构稳定。借鉴大坝基础排水孔和堤防工程可拆换减压井的研究成果，长江科学院又研究提出了航道岸坡组合式水平排水孔方案，既能够实现岸坡深部的排水，又能够在一旦淤堵后通过拆换滤芯恢复排水孔的功效。其滤芯也采用了泡沫塑料。这一技术已经获得专利，并已经得到工程应用[41]。

陶同康等[42]研究提出的抢护堤防管涌滤垫，采用了针刺土工织物作为滤层，该设备即使仅用于应急和临时抢险，仍然会有快速淤堵和性能衰减的可能。

赵坚等[43]也研究提出了可置换滤芯新型减压井管方案，不过使用了土工织物过滤层，没有给出织物的规格，按照一般的土工织物特性考虑，仍然担心颗粒积聚于滤层表面，使得性能衰减过快。

为应对淤堵问题和尽可能保障长期性能，海绵城市建设针对入渗设施采取了一些方式：

(1) 井箅，用于减少进入渗井的雨洪悬浮物。

(2) 前置塘等预处理设施，主要用于减少进入入渗设施的雨洪悬浮物。

(3) 滤层，用于减少进入含水层的雨洪悬浮物。

上述3方面在减少入渗设施淤堵方面都能够起到一定的作用。相对来说井箅的作用更加有限，而且改进的空间也有限。设置前置塘等预处理设施的目的是使雨洪悬浮物沉降，通过对雨洪的初级处理减缓入渗设施的淤堵。其作用取决于减缓水流流速的效果，以及雨洪在预处理设施内停留的时间，这些都跟预处理设施的体形、面积和水深，以及汇流量有关。改进预处理设施的布置和设计，能够起到更好的效果，但是仅仅依靠预处理设施内的自然沉降作用，效果仍然是有限的。例如，超过设计标准的暴雨洪水，就没有充裕的时间让悬浮物在预处理设施中沉降。况且，预处理设施的应用还受到占地条件的限制。

滤层重要功能之一就是防止含水层的淤堵。改进传统砂石料滤层设计方案，可以提高入渗设施长期性能，但是砂石料滤层自身的淤堵是必须解决的问题。土工合成材料的使用效果，面临着悬浮物组成复杂条件下材料规格的针对性问题。现有的方案中，一旦滤层自身淤堵了，设施就会降低功效，甚至丧失功能，而且没有可行的维护手段。

我国城市居民的生活卫生习惯在不断地改善、城市基础设施建设的管理水平、企事业单位的环境保护意识在不断地提高，但是与一些LID起步较早的发达国家相比还存在一定差距，这就使得雨洪水质和悬浮物造成的淤堵问题会更严重，入渗设施长期性能面临的挑战更大，甚至可能造成入渗设施在有些条件下过早失效。解决这一问题的突破性方案是滤层可更换方案。

研究这一方案的可行思路是，借鉴长江科学院研究的堤防工程可拆换减压井和航道岸坡组合式排水孔技术，针对雨洪入渗淤堵物源的性质，研究泡沫塑料的滤层作用机制，提出合适的孔隙性要求，通过材料和发泡工艺的调整，生产出规格合用的材料；针对渗井、渗透管研究提出合适的可更换滤芯结构方案，针对渗透塘的沉泥区与入渗区之间的溢流堰提出合适的可更换滤板结构方案；通过实际工程应用和跟踪监测、检测，验证其效果和可操作性，并提出运行维护方案。

4 结 语

(1) 根据海绵城市典型入渗设施的特点，可以将淤堵的影响因素概括为淤堵物源性质、水动力条件和滤层特性3类，围绕这3个方面深入研究滤层作用机制，揭示淤堵机理，才能针对性地研究入渗设施长期性能的改进方案。

(2) 当前，我国海绵城市入渗设施淤堵问题研究的不足及今后需加强的方面主要在：淤堵物源性质和特征仍然不够明确；水流条件研究不够全面；间歇运行的影响研究不够；实际组合滤层结构缺乏研究；时间效应研究不够；主要作用机制认识存在分歧；结构形式和运行维护方案研究不够；缺乏原型试验和实际工程研究。

(3) 我国社会发展现状决定了城市雨洪水质和悬浮物组成会与西方发达国家不同。当前，特别需要加强典型城市区域实际雨洪的监测取样，并着重于久未下雨后暴雨中第1波雨洪的取样。同时为适应海绵城市建设的紧迫形势，有必要借助原型试验，通过对自然降雨和人工降雨产生的雨洪取样，尽快取得淤堵物源性质的成果，以推进淤堵机理和入渗设施性能改进的研究。

(4) 可更换滤层方案可望突破性地解决雨洪入渗设施的淤堵问题，也可以促进入渗设施的更广泛运用，只要技术可靠、成本合理、操作便利，就可以有效地提升和保障海绵城市建设的长期效果。

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(编辑：罗 娟)

Research Advances in the Clogging of Infiltration Facilities of SpongeCity and Discussions on Improving Its Long-term Performance

ZHANG Jia-fa1,2, WU Qing-hua1,2, ZHU Guo-sheng1,2

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China; 2.National Research Center on Dam Safety Technology,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

The significance of researches on the clogging mechanism and performance improvement was expounded for typical infiltration facilities of sponge city, such as well, tube, and pond. Factors of clogging were classified as three kinds: clogging material properties, hydrodynamic conditions and filter properties. In this article, the advances of research on clogging mechanism were summarized and discussed in terms of these three kinds of factors. The drawbacks which need to be overcome by further studies were summarized: the characteristics of clogging material is unclear, the simulation of hydrodynamic condition is non-holistic, studies on real filter structures, intermittent operation and time effects are inadequate, understandings of the clogging mechanism are inconsistent, attention on new filter structures and filter maintenance is insufficient, and prototype and in situ studies are in lack. According to the status of sponge city construction in China, it is urgent to monitor the storm water for typical urban areas, especially the first storm water after a long dry period. On the basis of research on similar problems, the approaches of improving the performance of infiltration facilities were analyzed. It was proposed that replaceable filters would be a practical solution to break through clogging problem and to promote the application of infiltration facilities and would guarantee the long-term efficiency of sponge city construction.

sponge city; clogging；suspended substance; hydrodynamic conditions; geotextile; sand and gravel filter; replaceable filter

2016-04-26；

2016-06-28

国家自然科学基金项目 (51279016，41402213)；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2016021/YT)

张家发(1960-)，男，安徽安庆人，教授级高级工程师，硕士，主要从事岩土工程和水工渗流研究，(电话)027-82820029(电子信箱)zhangjf@mail.crsri.cn。

10.11988/ckyyb.20160400

2016,33(12):78-85

TV139.1

A

1001-5485(2016)12-0078-08