重塑黄土渗透性的影响因素及其对海绵城市建设的意义探讨

张弘

北京市市政工程设计研究总院有限公司广东分院 广东 广州 510075

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引言

近年来，极端的气候环境带来的大面积强降雨和洪水持续挑战着中国部分城市的承受力，与此同时，城市也会面临极端炎热天气带来的干旱和缺水问题。海绵城市便是为了解决气候变化产生的挑战而提出的解决方案。

目前，我国正处在城市化快速发展的关键时期，城市不透水面积急剧增加。城市道路作为城市主要不透水下垫面之一，占建设用地的比例超过了30%。然而，传统管道排水方式导致道路排涝压力大、路面污染严重等突出问题，难以满足现代城市建设对生态环境的需求。海绵城市设计策略在收集利用雨水径流、控制污染排放等方面可产生巨大的经济、生态和美学效益。

海绵城市，指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“韧性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用，通过“渗、滞、蓄、净、用、排”等多种技术，实现城市良性水循环，确保水环境和水生态安全。“海绵城市”在国外有很多前身，如美国的低影响开发技术、欧洲的可持续排水计划、澳大利亚的水敏感性城市设计、日本的雨水调蓄设施等。但无论哪一种设计或计划，均把加大地面雨水入渗做为首要考虑的手段。

我国西北黄土高原地区是个缺水的地方，建设海绵城市有着较为重要的战略意义。但浅部黄土通常具有遇水湿陷的性质，即具有受水浸湿后土的结构破坏而发生显著沉陷变形的等特性。显著增加雨水入渗后，会对建(构)筑物地基、路基等产生影响。因此，在黄土地区进行海绵城市建设中，能不能把增加雨水下渗做为海绵城市建设的技术手段，是目前亟待解决的课题。本文以第二批全国海绵试点建设城市——庆阳市海绵城市建设为例，通过室内试验，研究黄土的渗透性影响因素，从而对海绵建设的建议提出指导意见。

1 研究方法及试验内容

1.1 试验用土的基本性质

试验分别选取庆阳海绵城市试点范围内均匀分布的三个点，分别位于庆阳市的北边、中部和南部，采用人工开挖探井，采取自地表以下1.5m深度处人工切取土样。试验前将黄土试验风干并过2mm筛子，经轻型击实试验测得土样最优含水率为18.3%，最大干密度为1.89g·cm-3。由筛分法与密度计法分别测得到的三个点的颗分曲线如下：

图1 庆阳湿陷性黄土级配曲线

可以看出，A、B、C三点黄土样颗分曲线接近，其颗粒组成均以＜0.075mm的细颗粒为主。以A点为例说明，＜0.075mm的细颗粒含量为96.2%，平均粒径d50为0.019mm，特征粒径d60=0.025mm，d30=0.01mm，d10=0.003mm，不均匀系数Cu=8.3＞5，Cc=1.3＞1且＜3，级配良好，曲线连续。另外，根据联合液塑限试验得到的液限WL=32.8%，塑限Wp=21.3%，塑性指数Ip=11.5。土样可定名为级配良好的低液限粘土。

1.2 重塑黄土的渗透性

原状黄土由于雨水渗透，使地基土体表层含水量增大，土体饱和，抗剪强度大幅度下降，为了改善天然土的工程性质，在工程中常采用压实的方法使土颗粒重新排列压实变密，以获得新的结构强度。

对C点的土样进行重塑黄土的压实度与饱和状态渗透性的研究，得出压实系数η=0.79～1.00下，干密度ρd与渗透系数k的数值，并根据《水利水电工程地质勘察规范》划分土的渗透性等级，详见下表1。

表1 黄土压实度与渗透性

由表1所得试验结果可以绘出渗透系数与压实度关系曲线，如图2所示。

图2 压实度与渗透系数关系曲线

可以看出，随着重塑黄土压实度的不断增大，重塑黄土饱和渗透系数呈非线性减小的趋势。如η=0.82时，对应重塑黄土渗透

系数k值为η=0.90对应重塑黄土渗透系数的6.45倍，为η=0.95的45.45倍；当压实度达到95%时（干密度为1.8g/cm3），渗透系数为4.4×10-6cm/s，此时土层为微透水层。

2 庆阳海绵城市建设措施体系

庆阳城区位于位于我国最大的塬面—董志塬上，黄土厚度大，具II～IV级湿陷性；渗透性随压实度的不断增大呈线性减小的趋势。庆阳市海绵城市建设应遵循“源头控制、中途蓄滞、末端排放”的原则，结合自身条件，因地制宜的选用“渗、滞、蓄、净、用、排”的措施，最大限度减少城市开发建设对生态环境的影响，实现90%的降雨就地消纳和利用。综合庆阳市海绵城市建设适宜性评价结果，最终确立“蓄、净、用为主，渗、滞、排为辅”的海绵建设措施体系。

“蓄、净、用为主”是庆阳海绵城市建设的核心。

五大湖是庆阳主要受纳水体，是海绵城市海绵体主要组成部分，应加强“蓄用一体”的节水、调蓄工程建设，同时保证水质洁净，维护水环境和水生态，体现了庆阳海绵城市建设的主要特征。

“渗、滞、排为辅”是庆阳海绵城市建设的关键。

“渗”是海绵城市建设雨水源头控制、降低面源污染的重要措施。基于庆阳市城市安全和湿陷性黄土特征等综合考虑，提出因地制宜选用浅层、小型入渗设施，根据场地条件采取防渗措施，“适度渗透”。

通过“滞”减缓雨水流速，减少径流峰值，从源头上缓解城市内涝；

针对庆阳市老城区内涝灾害严重等问题，提出有效组织超标雨水、地表水、污水等，合理“有序排放”，构建生态化、可持续的排水系统，保障城市水安全。

3 结论

（1）庆阳城区位于位于我国最大的塬面—董志塬上，黄土厚度大，具II～IV级湿陷性；随着压实度的不断增大，重塑黄土的饱和渗透系数呈非线性减小的趋势。

（2）当压实系数达到0.95时，对应的干密度为1.8g/cm3，渗透系数为4.4×10-6cm/s，此时土层为微透水层。

（3）根据黄土的渗透性特点，最终确定庆阳市海绵城市建设以“蓄、净、用为主，渗、滞、排为辅”的措施体系，因地制宜选用浅层、小型入渗设施，根据场地条件采取防渗措施，“适度渗透”。