生物滞留设施过滤层填料配比试验研究

樊绿叶，龚金龙，崔永军

（昆山市建设工程质量检测中心，江苏 昆山 215300）

0 引 言

昆山境内河网密布，地势平坦，雨量充沛，历年平均降雨量为 1 133.3 mm，年平均降雨天数 124 d/年。地下水位较高，为 0.5～1.5 mm。土质偏黏，渗透性能较差，一般在 10～7 cm/s 数量级。因此研究适宜昆山地区的生物滞留设施过滤层填料配比，是海绵城市建设中十分重要的一环。

笔者以澳大利亚生物滞留设施设计指南为依据。开展生物滞留设施过滤层填料配比试验研究。旨在实现以下目标：

1）以渗透系数作为主要控制参数，参考澳洲渗透系数，结合昆山地区土壤及气候特点，明确 24 h 渗透系数控制在 200～400 mm/h。

2）将满足初步渗透系数要求的级配进行持续进水渗透试验，找出具有长期渗透稳定性能的级配。

3）在满足渗透系数条件下，找出最佳有机质含量。

1 试验材料与方法

1.1 原材料选择

以昆山本地易得到的材料为原则［1］，从各个码头中选取粗、细、特细河砂为主要原材料；0.075 mm 以下材料选取昆山本地的粉质黏土（塑性指数 13～16），风干、粉碎，并过 0.6 mm 筛。有机质选择木屑、龙糠、营养土等，进行风干、粉碎，并过 0.6 mm 筛。原材料种类及性能如表1 所示，河砂级配如表2 所示。

表1 原材料种类及性能

表2 不同级别河砂筛分后各孔分计筛余

1.2 试验设备及检测方法

过滤层填料的配比检测主要有渗透系数、级配以及有机质含量 3 个项目［2］。

渗透系数的检测原理是达西定理，根据测定流速和水力梯度来计算渗透系数。

级配的检测是将试验样品细集料套筛（0.075～9.5 mm），分别称取筛上残留质量，计算各粒径的通过百分比。

有机质的检测是在外加热源的条件下，用一定量的标准重铬酸钾-硫酸溶液来氧化土壤有机质（碳），由消耗的重铬酸钾量计算有机碳的含量，再间接计算有机质的含量。

2 试验结果与分析

试验主要分为三部分。第一部分为用本地现有的材料配置出澳洲的配比进行验证，并试验现有的原材料性能。第二部分为利用现有的原材料进行组合试验，找出较合适的几组配比，在长时间运行下优选出能保持稳定的配比；验证不同产地材料按配比拌合是否能满足要求；进行多批次微调试验，找出合格的配比区间。第三部分为模拟工程实际持续运行 6 个月，检测最终效果。

2.1 现有过滤层配比的验证

澳大利亚生物滞留设施设计指南中对生物滞留设施过滤层填料的配比、有机质含量提出明确的要求［3］：将连续级配的河砂用细集料筛将各档材料筛分，然后按澳大利亚级配中值配置并掺 1 % 木屑，进行渗透系数和有机质检测。所得结果如表3 所示。

表3 澳洲配比检测结果

昆山地区未找到满足澳洲级配范围的原材料，并且渗透系数检测结果＞400 mm/h，不符合 100～300 mm/h的要求，需要寻找新的配比，如表4 所示。

表4 各项原材料渗透系数

2.2 不同配比试验及结果分析

2.2.1 以澳方配比结构为基础的配比及结果分析

选择细砂、特细砂为基础配置不同的配比，检测渗透系数及长期稳定性，结果如表5 所示。

表5 不同配比渗透系数

对以上 6 种配比进行持续加水条件下，检测渗透系数变化情况，查看配比的长期稳定性（见图1）。

图1 不同配比渗透系数长期趋势

由图1 可以看出，以细砂为主的配比，随着（0.6～ 2.36 mm）砂含量的增加，渗透系数逐渐降低。因为粗颗粒逐渐成为配比中的骨架，细颗粒填充其中，使得孔隙率降低，从而渗透系数降低。但从 9 # 配比 30 d 渗透系数观测中发现，渗透系数逐渐增大，无法稳定，这是因为配比在水流的持续冲刷下，颗粒级配逐渐被破坏，不能形成稳定的结构。

10 #、11 # 配比在 30 d 渗透系数观察中发现，土的加入可以使初期渗透系数满足要求，但却无法保持长期稳定性要求。

2.2.2 以连续级配为基础的配比试验及结果分析

连续结构在稳定性上优于断级配配比，以粗砂、细砂、特细砂、土和有机质不同比例方式组合，找出较稳定渗透系数的配比，如表6、图2 所示。

表6 连续级配配比渗透系数

图2 连续级配配比渗透系数长期趋势

12 #～17 # 配比都是采用连续型的粗、细、特细砂按不同比例配置，从表6、图2 中看出，随着粗砂含量增加、特细砂含量减少，渗透系数随之增加。从表6、图2 中看出，15 # 配比初期渗透系数能满足要求，并且长期稳定性更好，能趋于稳定。因此选取 15 # 配比进行下一步试验。

2.2.3 不同有机质掺量试验及结果分析

以 15 # 配比为基础分别添加不同种类的有机质，筛选出最优的有机质种类及掺量，如图3 所示。

图3 不同有机质掺量下的渗透系数

从图3 可以看出，龙糠和木屑材质偏轻且龙糠颗粒偏大，两种材质都会破坏 15 # 配比中的结构，因此渗透系数逐渐上升，不能稳定。

营养土（粪便或树叶）掺入 1 %～3 % 时，渗透系数有少量降低，掺量超 3 % 时，渗透系数有迅速增加。这是因为少量营养土正好可以填充 15 # 配比中多余空隙部分。

选取 15 # 配比中掺拌 2 % 营养土进行下一步试验。

2.2.4 不同料源配比试验及结果分析

从不同码头取原材料按 15 # 配比（掺 2 % 营养土）拌合，检测渗透系数（持续饱和 24 h）是否也和试验室一致，如图4 所示。

图4 不同码头材料拌合的渗透系数

由图4 中可以看出，不同码头取回的原材料配置的 15 # 配比渗透系数都能满足要求，且变化趋势相似，说明 15 # 配比的原材料来源广泛且 15 # 配比能够直接推广到实际工程应用中。

2.2.5 满足渗透系数的配比区间

微调粗、细、特细砂的比例，以 24 h 持续加水渗透系数为准，找出满足渗透系数 200～400 mm/h的级配区间范围，如表7、图5 所示。

图5 满足要求的级配范围

表7 满足要求的级配范围

当配比中原材料级配发生改变时，可以调整掺配比例，以表7、图5 中的级配范围为标准，直接配置出符合要求的配比，提高效率，节约时间。

将以上符合此级配范围的配比统一定义为KS-1 # 配比。

2.3 实际运行及水质净化效果

选取 KS-1 # 配比装填到雨水滞留试验桶中（见图6），运行较长时间后观测长期渗透系数变化和水质净化效果，如表8～9 所示。

表8 雨水滞留桶长期渗透系数

表9 雨水滞留桶水质净化效果

图6 雨水滞留桶

3 结 论

1）通过昆山地区常见的粗、细、特细河砂来配置单粒径配比、断级配配比以及连续级配配比。通过试验发现连续级配的渗透系数在长期试验中能保持稳定，满足要求。

2）适量有机质含量能使得渗透系数下降，主要是有机质中的细颗粒填充了配比中的空隙，随有机质含量的增加，逐渐破坏原有结构框架，使得渗透系数重新增大。

3）通过多次试验以及在大型试验桶中半年以上的运行试验得到表7、图5 中的 KS-1# 配比级配范围，为工程设计、施工提供参考。

4）现有配比试验中对植物种植试验不足，未来的试验方向应在植物生长方面来改进配比，并筛选出适合 KS-1# 配比的植物种类。Q